Towards the modelling of abrasive slurry jet processes through a synergistic numerical-experimental approach

Abrasive Slurry Jet Machining (ASJM) is a manufacturing technique which exploits the erosive action of a particle-laden water jet to cut materials. ASJM allows to overcome the drawbacks of traditional cutting methods, representing a less expensive, faster alternative, with lower forces involved and very limited tool heating and wear issues. The computer simulation has great potential for the optimization of ASJM processes, as it avoids the need for complex equipment and reduces the waste of time and material. However, an engineering-effective simulation tool requires disposing of methods to predict erosive wear with sufficient accuracy and acceptable computational burden. Many empirical and phenomenological mathematical relations have been proposed by researchers to model erosion, but their predictive capacity is generally poor, owing to the high number of difficult-to-decide coefficients and the lack of information about their limits of validity. Additionally, they are mainly intended for dry particle-laden flows, which is not the case of ASJM. The present thesis focuses on an innovative, numerical-experimental method for the development of erosion models applicable to slurry jets. The method, initially proposed by researchers from the University of Tulsa and further investigated by the supervisor of this thesis and his collaborators, allows calibrating an erosion model by fitting a selected mathematical model to the measured erosion profile, using information on the fluid dynamic characteristics of the slurry flow obtained through a numerical simulation. In this work, the calibration procedure was firstly tested by repeating a previous application case. Afterwards, improvements to the methodology were proposed, which allowed for a better characterization of the effect of the particle impact velocity. %Then, the study delves into the analysis of possible improvements in the predictive accuracy of the method. Two generalizations are proposed, namely the use of a different velocity function and the inclusion of the velocity parameter in the fitting procedure. The improved methodology was successfully applied to two different test cases, revealing a better predictive capacity outside the calibration range compared to the previous formulation. It is worth noting that, for the second test case, data obtained from an ASJM apparatus were considered, which confirmed the potential of the findings for this specific manufacturing process.

La lavorazione con getti a slurry abrasivo (ASJM) è una tecnica molto utilizzata nell'industria manifatturiera, che utilizza la capacità erosiva di flussi liquidi con particelle solide per tagliare i materiali lavorati. Questo metodo offre un'alternativa più economica e rapida alle tecniche tradizionali, quali tornitura, fresatura e foratura, riducendo le forze scambiate e il surriscaldamento degli strumenti. La simulazione numerica ricompre un ruolo rilevante nell'ottimizzazione dell'ASJM, in quanto permette di evitare di condurre esperimenti in laboratorio, che richiedono tempo ed elevati costi. Una simulazione efficace necessita di accurati modelli predittivi per il fenomeno dell'erosione. Molti modelli empirici e fenomenologici sono stati proposti da vari studiosi, la cui capacità predittiva è spesso limitata, data la presenza di coefficienti difficili da stimare e la poca chiarezza sui loro intervalli di applicabilità. Inoltre, tali modelli sono solitamente sviluppati per getti di particelle solide ad aria, quindi non per il caso dell'ASJM. Lo studio qui presentato discute un innovativo metodo numerico-sperimentale per la calibrazione di un modello di erosione per ASJM. Tale metodo, inizialmente formulato da ricercatori dell'Univeristà di Tulsa, in Oklahoma, è stato poi approfondito dal relatore di questa tesi e da suoi collaboratori e permette di ottimizzare i coefficienti di un modello di erosione combinando dati sperimentali sui profili di erosione con le caratteristiche del flusso e della dinamica delle particelle solide, ottenute da una simulazione numerica. In questo lavoro viene presentata l'applicazione di questo metodo a due casi test. Il primo è la riproduzione di uno studio precedentemente condotto, che ha permesso di calibrare un modello di erosione e valutarne l'accuratezza. Successivamente, vengono descritte alcune modifiche alla formulazione originale del metodo, mirate a migliorarne le prestazioni, in termini di capacità predittiva, con risultati molto positivi. In seconda analisi, viene studiato un profilo di erosione ottenuto da un test ASJM ad alta pressione. I buoni risultati ottenuti confermano che la procedura possa essere applicata a varie condizioni operative e scale geometriche.