Insights from high-fidelity modeling of industrial rotary bell atomization

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作者
Robert I. Saye,James A. Sethian,Brandon Petrouskie,Aaron Zatorsky,Xinyu Lü,Reza M. Rock
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (4) 被引量:4
标识
DOI:10.1073/pnas.2216709120
摘要

The global automotive industry sprayed over 2.6 billion liters of paint in 2018, much of which through electrostatic rotary bell atomization, a highly complex process involving the fluid mechanics of rapidly rotating thin films tearing apart into micrometer-thin filaments and droplets. Coating operations account for 65% of the energy usage in a typical automotive assembly plant, representing 10,000s of gigawatt-hours each year in the United States alone. Optimization of these processes would allow for improved robustness, reduced material waste, increased throughput, and significantly reduced energy usage. Here, we introduce a high-fidelity mathematical and algorithmic framework to analyze rotary bell atomization dynamics at industrially relevant conditions. Our approach couples laboratory experiment with the development of robust non-Newtonian fluid models; devises high-order accurate numerical methods to compute the coupled bell, paint, and gas dynamics; and efficiently exploits high-performance supercomputing architectures. These advances have yielded insight into key dynamics, including i) parametric trends in film, sheeting, and filament characteristics as a function of fluid rheology, delivery rates, and bell speed; ii) the impact of nonuniform film thicknesses on atomization performance; and iii) an understanding of spray composition via primary and secondary atomization. These findings result in coating design principles that are poised to improve energy- and cost-efficiency in a wide array of industrial and manufacturing settings.

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