Rapid prototyping of water nozzles using CFD modeling and 3D printing results

• Autorzy: Buksa Dominik , Madejski Paweł , Karch Michał

Identyfikatory

DOI

10.7494/miag.2023.3.555.7

Warianty tytułu

PL

Szybkie prototypowanie dysz wodnych z wykorzystaniem wyników modelowania CFD oraz druku 3D

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent years, there has been greater interest in rapid prototyping methods employed in various industries. Prototypes are increasingly often made using 3D printing technology, which is mainly due to the relatively low costs of developing and producing such a struc ture and the short time needed for their physical production. The work presents the pos sibility of using rapid prototyping techniques, such as water propulsion nozzles. They are mainly used in the energy industry, e.g. for the production of water mist in jets or con densers. Such nozzles enable the formation of a stream, and its range and efficiency depend on the design requirements. CFD (computational fluid dynamics) tools and 3D printing will be used to assess the nozzle’s effectiveness. A 3D printer based on FDM technology was used to produce nozzle prototypes. The CFD results were verified with experiment. Analyzes for four different nozzle shapes are presented and the discrepan cies between the results of the initial experimental and numerical analyses are explained. To indicate the imperfections resulting from 3D printing, a 3D scanner was used to show the internal cross-section of the nozzle. The research conducted indicates the significant potential of 3D printing in rapid prototyping and its effectiveness in creating functional models for various engineering applications.

PL

W ostatnich latach zwiększa się zainteresowanie metodami szybkiego prototypowania, które wykorzystywane są w różnych gałęziach przemysłu. Prototypy coraz częściej są wyko nywane w technologii druku 3D, co wynika głównie ze względnie niskich kosztów opra cowania i wytworzenia takiej konstrukcji oraz krótkiego czasu potrzebnego na ich fizyczne wykonanie. Praca przedstawia możliwości zastosowania technik szybkiego prototypowania na przykładzie wodnych dysz napędowych. Wykorzystywane są one głównie w energetyce, np. do produkcji mgły wodnej, w strumienicach czy skraplaczach. Dysze takie umożliwiają formowanie strugi, jej zasięgu czy wydajności w zależności od wymagań projektowych. W celu oceny efektywności dyszy wykorzystane zostaną narzędzia CFD (computational fluid dynamics) oraz druk 3D. Do wytworzenia prototypów dysz użyto drukarki 3D opartej na technologii FDM. Wyniki CFD zweryfikowano z eksperymentem. Przedstawiono analizy dotyczące czterech różnych kształtów dysz i wyjaśniono rozbieżności pomiędzy wynikami wstępnej analizy eksperymentalnej oraz numerycznej. By wskazać niedoskonałości wynika jące z druku 3D, wykorzystano skaner 3D, za pomocą którego przedstawiono wewnętrzny przekrój dyszy. Przeprowadzone badania wskazują na znaczący potencjał druku 3D w szyb kim prototypowaniu oraz jego skuteczność w tworzeniu funkcjonalnych modeli dla różnych zastosowań inżynieryjnych.

Słowa kluczowe

EN

CFD; rapid prototyping; 3D printing; water nozzles

PL

CFD; szybkie prototypowanie; druk 3D; dysze wodne

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Mining – Informatics, Automation and Electrical Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 61, nr 3
• Strony: 7--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Buksa Dominik

• Strata Mechanics Research Institute, Polish Academy of Sciences, ul. W. Reymonta 27, 30-059 Krakow, Poland

autor

Madejski Paweł

• Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Krakow, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Karch Michał

• Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Krakow, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Davis R.: What is Rapid Prototyping? Techniques, Software, Examples and Advantages – The Engineering Projects. https:// www.theengineeringprojects.com/2021/05/what-is-rapid-prototyping-techniques-software-examples-and-advantages.html [5.04.2024].
• [2] Schlick J.: What is Rapid Prototyping: Process, Stages, Types and Tools – TechniWaterjet. https://www.techniwaterjet.com/ what-is-rapid-prototyping-process-stages-types-and-tools/ [5.04.2024].
• [3] Laska-Leśniewicz A.: Wykorzystanie metod szybkiego prototypowania (rapid prototyping) w nowoczesnej medycynie. Po litechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej, Zeszyty Naukowe Towarzystwa Doktorantów UJ 2017, 15 (2), s. 39–48.
• [4] Markforged: Understanding Rapid Prototyping with 3D Printing. https://markforged.com/resources/blog/understanding-rapid prototyping-with-3d-printing [7.04.2024].
• [5] Larsson R., Ringertz U., Lundström D., Sobron A.: Rapid prototyping in aircraft design using CFD, wind tunnel and flight testing, ICAS 2022 Congress, Stockholm 2022.
• [6] Takeda H., Ohtake Y., Suzuki H.: 3D printing CFD simulation results using structural mechanics. Journal of Computational Design and Engineering 2020, 7(3): 287–293. https:// doi.org/10.1093/jcde/qwaa024.
• [7] Industrie-network: Dysze wodne do Spraylab – Industrie Network. https://www.industrie-network.com/dysze-wodne-dospraylab/ [12.04.2024].
• [8] SICK: Nozzle regulation in a water turbine – Hydropower. https:// www.sick.com/pl/en/industries/energy/renewables/hydropower/nozzle-regulation-in-a-water-turbine/c/p675075power/ nozzle-regulation-in-a-water-turbine/c/p675075 [14.05.2024].
• [9] Synapo: Dysze mgłowe – charakterystyka, zastosowanie i zasada działania. https://synapo.pl/do-czego-sluza-dysze-mglowe/ [19.05.2024]
• [10] Spraying Systems Europe: Why spray nozzles are essential for a performant cooling process. https://www.spray.com/en-eu/ blog/why-spray-nozzles-are-essential-for-a-performant-cooling-process [21.05.2024].
• [11] Lechler: Spray Nozzles for The Energy Industry. https://www. lechlerusa.com/en/markets/the-energy-industry [24.05.2024].
• [12] Prostański D., Jedziniak M.: Rozwój systemów zwalczania zagrożeń pyłowych. Maszyny Górnicze 2013, 2: 87–98.
• [13] Buksa D.: Analiza numeryczna konwekcji wymuszonej nanopłynu srebra w kanale kołowym. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2023 [engineering thesis].
• [14] Zore K., Parkhi G., Sasanapuri B., Varghese A.: Ansys Mosa ic Poly-Hexcore Mesh For High-Lift Aircraft Configuration, 21st Annual CFD Symposium, Bangalore 2019.
• [15] Wimshurst A.: [CFD] Enhanced Wall Functions in ANSYS Fluent. https://www.youtube.com/watch?v=h5OiFpu0L4M&ab_ channel=FluidMechanics101 [12.12.2023].
• [16] ANSYS FLUENT 12.0 User’s Guide – 6.2.2 Mesh Quality. https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ ug/node167.htm [12.05.2024].
• [17] Jurkowski S., Janisz K.: Analiza wpływu parametrów siatki obliczeniowej na wynik symulacji przepływomierza. Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe 2019, 235, 12. http://ojs.inw-spatium.pl/index.php/Autobusy/article/view/997 [4.11.2022].
• [18] Symkom: ANSYS Fluent Mosaic – nowa technologia generacji siatki zawierająca elementy hexahedralne i polihedralne. https:// symkom.pl/ansys-fluent-mosaic/ [18.06.2022].
• [19] Ansys Fluent Theory Guide. http://www.ansys.com [18.06.2022].
• [20] Kryś M., Pawłucki M.: CFD dla inżynierów. Praktyczne ćwiczenia na przykładzie systemu ANSYS Fluent. Helion, Gliwice 2020

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).