Esta tese apresenta um modelo matemático para simulação numérica do escoamento com turbilhonamento (swirl) em tochas de plasma térmico de arco não transferido que operam em corrente contínua, assim como os resultados obtidos com as simulações para estudo de casos. O modelo magneto-hidrodinâmico (modelo MHD) bidimensional permitiu simular a interação entre o escoamento e o arco elétrico usando uma configuração axissimétrica, que abrange as seguintes regiões: entrada do gás; interior da tocha; jato de plasma livre no ambiente. O modelo foi implementado num código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das equações governantes. Para os estudos foram simulados casos com diferentes condições operacionais (vazão de gás; intensidade de corrente elétrica; gases plasmogênicos: ar e argônio; intensidade de turbilhonamento). A fim de verificar a qualidade do modelo, alguns resultados foram comparados com a literatura e apresentaram boa concordância: a maior diferença obtida entre valores de temperatura experimentais e valores calculados foi -10%, e a média das diferenças obtidas nas comparações foi de aproximadamente ±3,2%. Os perfis de temperatura e de velocidade obtidos para a região do arco e para o jato de plasma resultante permitiram o estudo do comportamento do escoamento na tocha de plasma em diferentes condições. Conclui-se que o modelo desenvolvido é apto à realização de investigações numéricas do escoamento em tochas de plasma e dos efeitos do turbilhonamento na interação arco/escoamento. / This thesis presents a mathematical model for numerical simulation of swirling flow in DC non-transferred arc thermal plasma torches, as well as the results obtained from simulations to case studies. The two-dimensional magnetohydrodynamic model (MHD model) allowed simulate the interaction between the flow and the electric arc using an axisymmetric configuration, covering the following areas: gas inlet; inside the torch; free jet of plasma in the environment. The model was implemented in a computer code based on the Finite Volume Method (FVM) to enable the numerical solution of the governing equations. For the study, cases were simulated with different operating conditions (gas flow rate; electric current intensity; plasmogenic gases: air and argon; swirl intensity). In order to verify the quality of the model, some results were compared with the literature and showed good agreement: the biggest difference between experimental temperature values and calculated values was 10%, and the average of the differences obtained in the comparisons was approximately ±3.2%. The resulting profiles of temperature and velocity obtained for the region of the arc and the plasma jet allowed the study of the flow behavior in the plasma torch in different conditions. It is concluded that the model developed is able to carry out numerical investigations of the flow in plasma torches and the effects of swirl in the interaction arc/flow.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarcioWDM_TESE.pdf: 5811012 bytes, checksum: feda974076398f5c8fbcb84ae56af460 (MD5) Previous issue date: 2010-09-17 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Metal substrates were coated by thermal spraying plasma torch, they were positioned at a distance of 4 and 5 cm from the nozzle exit of the plasma jet. The starting materials were used for deposition of tantalum oxide powder and aluminium. These two materials were mixed and ground into high-energy mill, then immersed in the torch for the production of alumina coating infused with particles of tantalum with nano and micrometric size. The spraying equipment used is a plasma torch arc not transferred, which operating in the range of 250 A and 80 V, was able to produce enough heat to ignite aluminothermic between Ta2O5 and aluminum. Upon reaching the plasma jet, the mixing powders react with the heat of the blaze, which provides sufficient energy for melting aluminum particles. This energy is transferred through mechanisms of self-propagating to the oxide, beginning a reduction reaction, which then hits on the surface of the substrate and forms a coating on which a composite is formed by a junction metal - ceramic (Ta +Al2O3). The phases and quantification of each were obtained respectively by X-ray diffraction and the Rietveld method. Morphology by scanning electron microscopy and chemical analysis by energy dispersive spectroscopy EDS. It was also performed measurements of the substrate roughness, Vickers microhardness measurements in sprays and determination of the electron temperature of the plasma jet by optical emission spectroscopy EEO. The results confirmed the expectation generated around the end product of spraying the mixture Ta2O5 + Al, both in the formation of nano-sized particles and in their final form. The electron excitation temperature was consistent with the purpose of work, in addition, the thermodynamic temperature was efficient for the reduction process of Ta2O5. The electron excitation temperature showed values of 3000, 4500 and 8000 K for flows10, 20 and 30 l / min respectively, these values were taken at the nozzle exit of the plasma jet. The thermodynamic temperature around 1200 ? C, was effective in the reduction process of Ta2O5 / Substratos met?licos de a?o inox 416 foram revestidos por aspers?o t?rmica em tocha de plasma. Eles foram posicionados a uma dist?ncia de 4 e 5 cm em rela??o ao bocal de sa?da do jato de plasma. Os materiais de partida utilizados para as deposi??es foram p?s de ?xido de t?ntalo e alum?nio. Esses dois p?s foram misturados e mo?dos em moinho de alta energia, em seguida, imersos na tocha para produ??o de revestimento de alumina impregnada com part?culas de t?ntalo com tamanho nano e microm?tricos. O equipamento de aspers?o utilizado foi uma tocha de plasma de arco n?o transferido que opera na faixa de 250 A e 30 V. Ao atingirem o jato de plasma, os p?s da mistura aquecem at? a temperatura de igni??o da rea??o aluminot?rmica. O calor gerado fornece energia suficiente para a fus?o do produto da rea??o. Esse produto fundido ao chocar-se na superf?cie do substrato forma um revestimento composto por uma jun??o metal cer?mica (Ta + Al2O3). A identifica??o das fases e sua quantifica??o foram obtidas respectivamente por difra??o de raios X e pelo m?todo de Rietveld. Para determina??o da morfologia e composi??o das part?culas foram utilizados microscopia eletr?nica de varredura e an?lise qu?mica por espectroscopia de energia dispersiva EDS, respectivamente. Tamb?m foram executadas medidas de rugosidades no substrato, medi??es de microdureza Vickers nas aspers?es e determina??o da temperatura eletr?nica do jato de plasma por espectroscopia de emiss?o ?tica EEO. Os resultados obtidos confirmaram a expectativa gerada em torno do produto final da aspers?o da mistura Ta2O5 + Al, tanto na forma??o de part?culas nanom?tricas de t?ntalo quanto no formato final delas. A temperatura de excita??o dos el?trons apresentou valores de 3000, 4500 e 8000 K para fluxos de 10, 20 e 30 l/min respectivamente, esses valores foram tomados na sa?da do bocal do jato de plasma. A temperatura termodin?mica, em torno de 1200 ?C mostrou-se eficiente para o processo de redu??o do Ta2O5

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AntonioCPS.pdf: 2085220 bytes, checksum: 8e64ae2c2f5ffe8a64dd3420c9c87327 (MD5) Previous issue date: 2007-03-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In this work was used a plasma torch of non transferred arc with argon as work gas, using a power supply with maximum DC current of 250 A and voltage of 30 V to activate the plasma and keep it switched on. The flame temperature was characterized by optical emission spectroscopy, through Boltzmann-plot-method. The torch has been used like igniter in the aluminothermic reduction of the mixture tantalum oxide and aluminum, seeking to obtain metallic tantalum. In heating of the reagents only one particle will be considered to study interactions between plasma-particle, seeking to determinate its fusion and residence time. The early powders were characterized by laser granulometry, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction analysis. The final product of this reaction was characterized by SEM and X-ray diffraction. Crystallite size was calculated by the Scherrer equation and microdeformation was determined using Willamsom-Hall graph. With Rietveld method was possible to quantify the percentile in weight of the products obtained in the aluminothermic reaction. Semi-quantitative chemical analysis (EDS) confirmed the presence of metallic tantalum and Al2O3 as products of the reduction. As was waited the particle size of the metallic tantalum produced, presents values in nanometric scale due the short cooling time of those particles during the process / Neste trabalho foi utilizada uma tocha de plasma de arco n?o transferido com arg?nio como g?s de trabalho, utilizando uma fonte de pot?ncia com corrente m?xima de 250 A e tens?o m?xima de sa?da de 30 V fornecida pelo fabricante. A temperatura da tocha foi caracterizada atrav?s da espectroscopia de emiss?o ?ptica, utilizando a curva de Boltzmann. A tocha foi usada como ignitor para a rea??o de redu??o aluminot?rmica do ?xido de t?ntalo mais alum?nio para a produ??o de t?ntalo met?lico. No aquecimento dos reagentes apenas uma part?cula ser? considerada para o estudo da intera??o tocha-part?cula, com o objetivo de determinar seu tempo de fus?o e resid?ncia. Os p?s de partida foram caracterizados atrav?s da granulometria a laser, microscopa eletr?nica de varredura (MEV) e difra??o de raios X. O produto final desta rea??o foi caracterizado por MEV e difra??o de raios X. O tamanho de cristalito foi calculado atrav?s da equa??o de Scherrer e a microdeforma??o foi determinada utilizando o gr?fico de Willamsom-Hall. Com o m?todo de Rietveld foi poss?vel quantificar o percentual em peso do produto da rea??o aluminot?rmica. An?lise qu?mica semiquantitativa (EDS) confirmou a presen?a do Ta met?lico e Al2O3 como produtos da redu??o. Como era de se esperar, o tamanho das part?culas do t?ntalo met?lico produzida apresenta valores na faixa de nan?metro devido pequeno tempo de resfriamento durante o processo

Esta tese apresenta um modelo matemático para simulação numérica do escoamento com turbilhonamento (swirl) em tochas de plasma térmico de arco não transferido que operam em corrente contínua, assim como os resultados obtidos com as simulações para estudo de casos. O modelo magneto-hidrodinâmico (modelo MHD) bidimensional permitiu simular a interação entre o escoamento e o arco elétrico usando uma configuração axissimétrica, que abrange as seguintes regiões: entrada do gás; interior da tocha; jato de plasma livre no ambiente. O modelo foi implementado num código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das equações governantes. Para os estudos foram simulados casos com diferentes condições operacionais (vazão de gás; intensidade de corrente elétrica; gases plasmogênicos: ar e argônio; intensidade de turbilhonamento). A fim de verificar a qualidade do modelo, alguns resultados foram comparados com a literatura e apresentaram boa concordância: a maior diferença obtida entre valores de temperatura experimentais e valores calculados foi -10%, e a média das diferenças obtidas nas comparações foi de aproximadamente ±3,2%. Os perfis de temperatura e de velocidade obtidos para a região do arco e para o jato de plasma resultante permitiram o estudo do comportamento do escoamento na tocha de plasma em diferentes condições. Conclui-se que o modelo desenvolvido é apto à realização de investigações numéricas do escoamento em tochas de plasma e dos efeitos do turbilhonamento na interação arco/escoamento. / This thesis presents a mathematical model for numerical simulation of swirling flow in DC non-transferred arc thermal plasma torches, as well as the results obtained from simulations to case studies. The two-dimensional magnetohydrodynamic model (MHD model) allowed simulate the interaction between the flow and the electric arc using an axisymmetric configuration, covering the following areas: gas inlet; inside the torch; free jet of plasma in the environment. The model was implemented in a computer code based on the Finite Volume Method (FVM) to enable the numerical solution of the governing equations. For the study, cases were simulated with different operating conditions (gas flow rate; electric current intensity; plasmogenic gases: air and argon; swirl intensity). In order to verify the quality of the model, some results were compared with the literature and showed good agreement: the biggest difference between experimental temperature values and calculated values was 10%, and the average of the differences obtained in the comparisons was approximately ±3.2%. The resulting profiles of temperature and velocity obtained for the region of the arc and the plasma jet allowed the study of the flow behavior in the plasma torch in different conditions. It is concluded that the model developed is able to carry out numerical investigations of the flow in plasma torches and the effects of swirl in the interaction arc/flow.