THREE-DIMENSIONAL SIMULATION OF LASER GAS-ASSISTED CUTTING: JET IMPINGEMENT CONSIDERATIONS

Abstract

تُعتبر عمليّة القطع بواسطة الليزر والمُعزّزة بالغاز المُساعِد من أهمّ عمليّات التصنيع بواسطة الليزر، حيث يقوم المِنفث الغازيّ الداهم بتحسين الانتقال الحراري على طول الأطراف المقطوعة. ويقوم المِنفث الغازيّ أيضاً بعمليّة طرد المادّةِ المُحوّلةِ الطورِ من الثّلمِ الناشئِ عن القطع بواسطة الليزر. ولذلك كانت دراسة تركيب انسياب المِنفث الغازيّ ودراسة الآثار الحرارية الناتجة عنه عند نطاق التآثرِ بالليزر عنصراً أساسيّاً في فهم وفي تصميم عمليّة القطع بواسطة الليزر بكفاءة. ولمّا كانت النمذجة الرقميّة تؤدّي إلى زيادة التبصّر في الجوانب الفيزيائيّة لعمليّة القطع، ولمّا كانت تشكّلُ أداةً عالية الكفاءة للدراسات البارمتريّة، تمّ اعتماد النمذجة الرقمية لدراسة آثار المِنفث الغازيّ في هذه الأُطروحة. تمّ في هذه الدراسة إجراء محاكاة رقميّة ثلاثيّة الأبعاد لدراسة ظواهر الانسياب والانتقال الحراري لمِنفثِ غاز النيتروجين المُنبثقِ من فُوّهةٍ مخروطيّة مُخصّرة والداهم على الثَّلمِ الناشئِ عن الليزر. ويُدمِج النموذج طبيعة الثَّلم الثلاثيّة الأبعاد حيث أنّه لم يتمّ العثور على اعتبارٍ مماثلٍ لهذه الخاصيّة في الأبحاث المنشورة. كما أنّه تمّ استعمال نموذج RNG مع المعالجة المُطوّرة للأسطح لحساب الاضطراب الدُوّاميّ. ومن ثمّ تمّ استعمال طريقة الحجم المحدود لتمييز المعادلات، وبرنامج FLUENT 6.2.16 لإجراء المُحاكاة الحسابيّة. وتعتبر هذه الدراسة أربع قِيَمٍ لِمُعدّل سرعة الغاز على مخرج الفُوّهة، وقيمتين للمسافة اللابعديّة بين مخرج الفُوّهة والسطح المُعالج، وأربع قيم مختلفة لعُمق الثّلم، بالاضافة إلى قِيمٍ مختلفة لزاوية سطح الثّلم. ومن ثمّ تمّ حساب وتحليل حقلى الانسياب والانتقال الحراري بالإضافة إلى معدّل رقم Nusselt ومُعدّل الاحتكاك على سطح الثّلم وعامل نسبة الانسياب. وأظهرت النتائج الأثر الكبير لكل من مُعدّل سرعة الغاز وزاوية سطح الثّلم في تغيير حقلي الانسياب والانتقال الحراريّ، في حين كان أثر عمق الّثلم ملحوظاً ولكن أقلّ أهميّة. أما بالنسبة للمسافة اللابعديّة بين مخرج الفُوّهة والسطح المُعالج فكان أثرها على مُعدّلات القِيم أكثرَ منه أهميّة على القِيمِ المحليّة. ويُتوقّع أن تكون النتائج الحاليّة بالغة الأهميّة في تحديد آثار العوامل الأساسية على ظواهر الانسياب والانتقال الحراري المُتعلّقة بالمِنفث الغازيّ الداهم على السطح المُعالج بواسطة الليزر.