Numerical modelling of metallurgical processes using LES

• Autorzy: Baake E. , Umbrashko A. , Jakovics A.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne procesów metalurgicznych przy użyciu metody LES

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Comprehensive knowledge of the heat and mass transfer processes in the melt of induction furnaces is required to realize efficient and reliable melting and casting processes. Experimental and numerical studies of the melt flow in induction furnaces show that the flow pattern, which comprise several vortexes of the mean flow, and the temperature distribution in the melt are significantly influenced by low-frequency large scale flow oscillations. The experimental and numerical investigations of the turbulent melt flow are carried out in various laboratory and industrial sized induction furnaces, like induction crucible furnace and induction furnace with cold crucible. Two-and three-dimensional hydrodynamic calculations of the melt flow, using two-equation turbulence models based on Reynolds Averaged Navier-Stokes approach, do not predict the large scale periodic flow instabilities obtained from the experimental data. That's why the Large Eddy Simulation (LES) numerical technique, which is considered to be some kind of compromise between the k-epsilon model with relative low mesh quality requirements and Direct Numerical Simulation (DNS) method based on non-averaged Navier-Stokes equations, was approved to be an alternative for the various k-epsilon model modifications. The results of the transient 3D LES simulation of the turbulent melt flow revealed the large scale periodic flow instabilities and the temperature distribution in the melt, which both are in good agreement with the expectations based on the data from the experiments. In order to investigate convective scalar transport mechanism in the considered flow the discrete particle tracing approach has been carried out. The studies, presented in this paper, content the numerical simulation of turbulent melt flow of experimental and industrial size induction furnaces and demonstrate the possibility of using the three-dimensional transient LES approach for successful simulation of heat and mass transfer processes in metallurgical applications.

PL

Pełna wiedza na temat wymiany ciepła i masy w trakcie topienia metali w piecach indukcyjnych jest niezbędna do uzyskania efektywności i niezawodnego przebiegu procesów topienia i odlewania metali. Analiza numeryczna i badania doświadczalne ruchu metalu w piecu indukcyjnym pokazują, że model ruchu metalu uwzględniający szereg wirów głównego przepływu oraz rozkład temperatury w w kąpieli metalowej są silnie uzależnione od oscylacji przepływu o małej częstotliwości. Badania doświadczalne i numeryczne turbulentnego ruchu metalu zostały przeprowadzone w różnych laboratoryjnych i przemysłowych piecach indukcyjnych takich jak: klasyczne piece indukcyjne tyglowe, piece indukcyjne z zimnym tyglem. Dwuwymiarowe i trójwymiarowe obliczenia hydrodynamiczne ruchu metalu uzyskane przy wykorzystaniu modelu turbulencji składającego się z dwóch równań opartych na zmodyfikowanej metodzie Naviera-Stokesa nie pozwalają przewidzieć dużych niestabilności przepływu uzyskiwanych podczas badań doświadczalnych. Z tego powodu technika numeryczna LES, która jest swego rodzaju kompromisem pomiędzy modelem k-epsilon ze stosunkowo niewielkimi wymaganiami co do gęstości siatki a modelem DNS opartym o równania Naviera- Stokesa została wykorzystana jako metoda alternatywna do obliczeń różnych modyfikacji modelu k-epsilon. Wyniki trójwymiarowej symulacji turbulentnego ruchu metalu uzyskane metoda LES ujawniają duże okresowe niestabilności przepływu. Pozwalają także wyznaczyć rozkład temperatury w metalu. W obu przypadkach osiągnięto zadowalającą zbieżność wyników obliczeń i pomiarów. Aby zbadać mechanizm transportu konwekcyjnego w rozpatrywanym przepływie wprowadzono metodykę trasy pojedynczej cząsteczki. Badania przedstawione w pracy obejmują symulację numeryczną na stanowiskach doświadczalnych i przemysłowych z piecami indukcyjnymi oraz pokazują możliwość wykorzystania metody LES do symulacji procesów wymiany ciepła i masy w zastosowaniach metalurgicznych.

Słowa kluczowe

EN

induction melting; large eddy simulation; metallurgical processes; numerical modelling

PL

topienie indukcyjne; metoda LES; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Polish Academy of Sciences, Committee on Electrical Engineering
• Czasopismo: Archives of Electrical Engineering
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 54, nr 4
• Strony: 425--437
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Baake E.

• University of Hannover, Germany

autor

Umbrashko A.

• University of Hannover, Germany

autor

Jakovics A.

• University of Latvia, Latvia

Bibliografia

• 1. Thomas B . G . et. al.: Iron Steel Insi., Jpn. Int. 2001, vol. 41, pp.1266-1276.
• 2. Bojarevics V. et. al.: Magnetohydrodynamics, 2003, Nr. 4., pp. 395 - 402.
• 3. Schwarze R., Obermeier F.: Modelling and simulation in materials science and engineering, 2004, vol. 12, pp. 985 - 993.
• 4. Baake E., Nacke B., Jakovics A., Umbrashko A .: Magnetohydrodynamics, 200 Vol. 37, Nr. 1- 2, pp. 13-22.
• 5. Weissenfluh V. T.: Int. J. Heat Mass Trans., 1985, vol. 28, no 8, pp. 1563-1574.
• 6. Baake E .: Grenzleislungs- und Aufkohlungsverhalten von Induktions-Tiegelófen., Fortschrittberichie VD1, Reihe 19, Nr. 74, VDI-Verlag Dusseldorf, 1994.
• 7. Landau L.D., Lifschitz J.M.: Gidrodinamika, 3rd ed. Nauka, Moscow, 1986, pp 63-65.
• 8. Umbrashko A., Baake E., Nacke B., Jakovics A.: Experimental investigations and numerical modelling of the melting process in the cold crucible, Compel: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 24, No. l, 2005 pp. 314-323.