Simulação da transferência de calor em amostras aquecidas por plasma

The processing of materials through plasma has been growing enough in the last times in several technological applications, more specifically in surfaces treatment. That growth is due, mainly, to the great applicability of plasmas as energy source, where it assumes behavior thermal, chemical and/or physical. On the other hand, the multiplicity of simultaneous physical effects (thermal, chemical and physical interactions) present in plasmas increases the complexity for understanding their interaction with solids. In that sense, as an initial step for the development of that subject, the present work treats of the computational simulation of the heating and cooling processes of steel and copper samples immersed in a plasma atmosphere, by considering two experimental geometric configurations: hollow and plane cathode. In order to reach such goal, three computational models were developed in Fortran 90 language: an one-dimensional transient model (1D, t), a two-dimensional transient model (2D, t) and a two-dimensional transient model (2D, t) which take into account the presence of a sample holder in the experimental assembly. The models were developed based on the finite volume method and, for the two-dimensional configurations, the effect of hollow cathode on the sample was considered as a lateral external heat source. The main results obtained with the three computational models, as temperature distribution and thermal gradients in the samples and in the holder, were compared with those developed by the Laboratory of Plasma, LabPlasma/UFRN, and with experiments available in the literature. The behavior showed indicates the validity of the developed codes and illustrate the need of the use of such computational tool in that process type, due to the great easiness of obtaining thermal information of interest

O processamento de materiais por plasmas tem crescido bastante nos últimos tempos em diversas aplicações tecnológicas, mais especificamente no tratamento de superfícies. Esse crescimento se deve, principalmente, pela grande aplicabilidade do plasma como fonte energética. Por outro lado, a multiplicidade de efeitos simultâneos presentes no plasma, (interações térmicas, químicas e físicas) aumenta a complexidade para entendimento da sua interação com sólidos. Nesse sentido, como um passo inicial para o desenvolvimento desse tema, o presente trabalho trata da simulação computacional de aquecimento e resfriamento de amostras de aço e cobre em ambientes de plasma, considerando-se duas configurações geométricas: catodo oco e catodo planar. Para tal, três modelos computacionais foram desenvolvidos na linguagem Fortran 90: um modelo unidimensional transiente sem suporte (1D,t), um modelo bidimensional transiente sem suporte (2D,t) e um modelo bidimensional transiente (2D,t) que considera a presença de um suporte na montagem experimental. Os modelos foram desenvolvidos utilizando-se o método dos volumes finitos e, para as situações bidimensionais, o efeito de catodo oco sobre a amostra foi considerado como uma fonte externa de calor lateral. Os resultados obtidos com os três modelos computacionais, como a distribuição de temperatura nas amostras e nos suportes, os seus gradientes térmicos, em função de alguns experimentos de aquecimento e resfriamento desenvolvidos pelo Laboratório de Plasma, LabPlasma/UFRN, e de experimentos reportados na literatura, apontam para a validade dos códigos desenvolvidos e ilustram a necessidade da utilização dessa ferramenta nesse tipo de processo, pela sua facilidade de disponibilização de informações térmicas de interesse