Effect of turbulence modelling in numerical analysis of melting process in an induction furnace

• Autorzy: Buliński P. , Smołka J. , Golak S. , Przyłucki R. , Blacha L. , Białecki R. , Palacz M. , Siwiec G.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0275

Warianty tytułu

PL

Wpływ modelu turbulencji na wyniki analizy numerycznej procesu topienia w piecu indukcyjnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, the velocity field and turbulence effects that occur inside a crucible of a typical induction furnace were investigated. In the first part of this work, a free surface shape of the liquid metal was measured in a ceramic crucible. Then a numerical model of aluminium melting process was developed. It took into account coupling of electromagnetic and thermofluid fields that was performed using commercial codes. In the next step, the sensitivity analysis of turbulence modelling in the liquid domain was performed. The obtained numerical results were compared with the measurement data. The performed analysis can be treated as a preliminary approach for more complex mathematical modelling for the melting process optimisation in crucible induction furnaces of different types.

PL

W tej pracy przeprowadzono analizę pola prędkości i tworzących się wirów w tyglu typowego pieca indukcyjnego. W pierwszym etapie pracy zostały przeprowadzone pomiary kształtu powierzchni swobodnej ciekłego metalu na stanowisku z tyglem ceramicznym. Następnie został stworzony model numeryczny badanego tygla opisujący proces topienia aluminium. Model uwzględniał sprzężenie pola elektromagnetycznego oraz cieplnoprzepływowego, które przeprowadzono za pomocą komercyjnych programów. Następnie przeprowadzono analizę wrażliwości ze względu na sposób modelowania turbulencji w ciekłym metalu. Wyniki numeryczne zostały porównane z danymi z eksperymentu. Przeprowadzona analiza pozwoli na stworzenie dokładniejszych modeli numerycznych umożliwiających odtworzenie pola prędkości ciekłego metalu i optymalizację procesu topienia w piecach indukcyjnych.

Słowa kluczowe

EN

induction furnace; crucible; coupled model; CFD; electromagnetism

PL

piec indukcyjny; tygiel; CFD; elektromagnetyzm

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 3A
• Strony: 1575--1579
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Buliński P.

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Institute of Thermal Technology , 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Smołka J.

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Institute of Thermal Technology , 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Golak S.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, Department of Industrial Informatics , 8 Krasińskiego Str., 40-019 Katowice, Poland

autor

Przyłucki R.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, Department of Industrial Informatics , 8 Krasinskiego Str., 40-019 Katowice, Poland

autor

Blacha L.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, Institute of Metal Technology , 8 Krasinskiego Str., 40-019 Katowice, Poland

autor

Białecki R.

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Institute of Thermal Technology , 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Palacz M.

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Institute of Thermal Technology , 22 Konarskiego Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Siwiec G.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, Institute of Metal Technology , 8 Krasinskiego Str., 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] V. Bojarevics, R. A. Harding, M. Wickins, Experimental and numerical study of the cold crucible melting process, Proceeding of the Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO (2003).
• [2] J. H. Songa, B. T. Mina, An electromagnetic and thermal analysis of a cold crucible melting, International Communications in Heat and Mass Transfer 32, 1325-1336 (2005).
• [3] S. Spitans, A. Jakovics, E. Baake, B. Nacke, Numerical modelling of free surface dynamics of conductive melt in the induction crucible furnace, Magnetohydrodynamics 46, 317-328 (2010).
• [4] S. Spitans, A. Jakovics, E. Baake, B. Nacke, Numerical modelling of free surface dynamics of melt in an alternate electromagnetic field, Magnetohydrodynamics 4, 461-473 (2011).
• [5] S. Spitans, A. Jakovics, E. Baake, B. Nacke, Numerical modelling of free surface dynamics of melt in alternate electromagnetic field, Journal of Iron and Steel Research, International 19, 531-535 (2012).
• [6] J. Yang, R. Chen, H. Ding, J. Guo, J. Han, H. Fu, Thermal characteristics of induction heating in cold crucible used for directional solidification, Applied Thermal Engineering 59, 69-76 (2013).
• [7] I. Quintana, Z. Azpilgain, D. Pardo, I. Hurtado, Numerical modeling of cold crucible induction melting, Proceedings of The COMSOL Conference, Boston, USA (2011).
• [8] K. Adler, R. Schwarze, V Galindo, Numerical modelling of the evaporation process of an electromagnetically stirred copper melt, Proceedings of the FLUENT CFD Forum 2005, Bad Nauheim, Germany (2005).
• [9] T. Toh, H. Yamamura, H. Kondo, M. Wakoh, S. Shimasak, S. Taniguchi, Kinetics evaluation of inclusions removal during levitation melting of steel in cold crucible, ISIJ International 47, 1625-1632 (2007).
• [10] A. Umbrasko, E. Baake, B. Nacke, A. Jakovics, Numerical studies of the melting process in the induction furnace with cold crucible, COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering 27, 359-368 (2008).
• [11] S. Golak, Application of image analysis for the measurement of liquid metal surface, Transactions on Modelling and Simulation, WIT 48 (2009).
• [12] H. G. Mass, B. Hentschel, F. Schreiber, An optical triangulation method for height measurements on water surfaces, SPIE Proceedings Series 5013, 103-109 (2003).
• [13] C. Mulsow, M. Schulze, P. Westfeld, An optical triangulation method for height measurements on instationary water surfaces, IAPRS Volume XXXVI 5 (2006).

Uwagi

EN

Financial assistance was provided by grant no. 2014/13/B/ ST8/02364 funded by the National Science Centre, Poland, and is here acknowledged