Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» ANSYS Conference & 20. Schweizer CADFEM Users Meeting 10.
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- Gerhard Stephan Fried
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1 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» ANSYS Conference & 20. Schweizer CADFEM Users Meeting 10. September 2015
2 Helbling Technik 2 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
3 Inhalt 1. Was ist Thermisches Spritzen? 2. PS-PVD (Plasma Spraying Physical Vapor Deposition) 3. Modellierungsansätze 4. Fazit / Nächste Schritte 3 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
4 Was ist Thermisches Spritzen? 4 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
5 Was ist Thermisches Spritzen? - Chemical reaction - Electric arc - Heater - Laser - Abradables - Metals, Alloys - Ceramics - Carbides - Argon - Helium - Hydrogen - Hydrocarbons 5 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
6 Was ist Thermisches Spritzen? - Chemical reaction - Electric arc - Heater - Laser - Abradables - Metals, Alloys - Ceramics - Carbides - Argon - Helium - Hydrogen - Hydrocarbons 6 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
7 200 mm PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Überblick Thermischer Beschichtungsprozess Tiefe Umgebungsdrücke bis 1.5 mbar (abs) Plasmapistole 03CP mit zwei radialen Injektoren Beschichtung aus der Dampfphase Erzeugung von thermischen Schutzschichten (YSZ) mit kolumnarem Aufbau Alternativprozess zum etablierten EB-PVD mit folgenden Vorteilen: Höhere Auftragsraten Beschichtung auch auf schattierten Oberflächen APS PS-PVD 7 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
8 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Aufgabenstellung Erweiterung des Prozessfensters beim PS-PVD Prozess nicht stabil genug für bestimmte Parameter Schichtaufbau des Spritzmaterials innerhalb der Düse Tränenbildung mit Tropfenabriss an Düsenaustrittskante Kritisch für die kommerzielle Beschichtung von Grossserien Welche Effekte sind für dieses ungewünschte Phänomen verantwortlich? Numerische Simulation: trägt dazu bei, den Prozess besser zu verstehen. hilft, Einflüsse durch Geometrievariationen effizient zu analysieren. unterstützt die Entwickler bei der Lösungsfindung. 8 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
9 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Prozessparameter Stationäre Betrachtung mit Ansys CFX 3 Domains (Gas, Kathode, Umhüllende) Strukturiertes Hex-Gitter mit 5.8 mio Zellen Auf 24 Cores gerechnet Plasma-Gasgemisch: 35 slpm Argon 60 slpm Helium 10 slpm Wasserstoff Trägergasfluss: 32 slpm Argon (300K) Pulvermenge: 20 g/min YSZ (d 32 = 10mm d = 1.5mm) Umgebungsdruck: 1.5 mbar (abs) Elektrische Leistung: 2200 A / 52 V (114 kw) 9 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
10 Beeinflussung PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Plasma-Strömung Jakob s Leiter Thermische Strahlung Partikeltransport und erwärmung Partikelzerfall Partikelverhalten Partikelverdampfung 10 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
11 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Jakob s Leiter Knudsen-Zahl als Kenngrösse Kontinuität nicht mehr gegeben. Navier-Stokes-Gleichungen ausserhalb der Düse nicht mehr gültig. Kn L k B T 2 2 pl Knudsen number range Flow regime gas flows Continuum Regime < 0.01 Slip flow Transition flow Free Molecular flow > 2 Beschränkung der Simulations-Domain Thermische Strahlung Partikeltransport und erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 11 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
12 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Magneto-HydroDynamik Ohm sche Gesetz Magnetische Potential Magnetfeld Lorentzkraft Widerstandserwärmung j = σ grad f A = μ 0 j B = rot A L = j x B S = j2 σ Jakob s Leiter Thermische Strahlung Reale Stoffdaten der Gase als f(p,t) Interpolationsfunktion Partikeltransport und erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 12 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
13 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Instationäres Phänomen Lichtbogen bewegt sich aufgrund thermischer und magnetischer Effekte Ansatzpunkt wandert entlang Anode Ionisation Cathode (-) Jakob s Leiter Thermische Strahlung Partikeltransport und erwärmung Anode (+) Ansatzpunkt durch künstliche Wärmequelle an konstanter Position gehalten - + Partikelzerfall Partikelverdampfung 13 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
14 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Netto-Emissionsmodell als f(p,t) Strahlung als Energie-Senke modelliert Skalierung aufgrund wandgeführtem Lichtbogen Ionisation Jakob s Leiter Thermische Strahlung Partikeltransport und erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 14 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
15 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Jakob s Leiter Thermische Strahlung Anpassung des Widerstansdkoeffizienten c d für sphärische Partikel als f(re, Ma, T p, T) über UserFortran Anpassung des Nusselt-Zahl Nu für sphärische Partikel als f(re, Pr, T p, T) über UserFortran Anpassung des Breakup-Modells für spontanen Partikelzerfall für T p > 300 C über UserFortran Anpassung des Massentransfer von mit UserFortran Partikeltransport und erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 15 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
16 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck p YSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck p v,ysz (T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S > 10 6 kritisch S = p YSZ p v.ysz (T) 16 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
17 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck p YSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck p v,ysz (T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S > 10 6 kritisch S = p YSZ p v.ysz (T) 17 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
18 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck p YSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck p v,ysz (T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S >10 6 kritisch 18 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
19 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing = - 45 T c = 300 K = 0 T c = 300 K = + 45 T c = 300 K = 0 T c = 550 K = 0 T c = 1300 K 19 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
20 Fazit Thermische Spritzprozesse prädestiniert für numerische Analyse. Simulation des komplexen PS-PVD Prozesses erfolgreich durchgeführt. Wesentliche physikalische Effekte modelliert. Gute Übereinstimmung mit integralen Messgrössen. Einflüsse durch Parametervariation schnell und effizient abschätzbar. Nächste Schritte: Weitere Untersuchung von Parameter- und Geometrievariationen Fertigung von Prototypen Tests 20 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
21 Danksagung Dr. Malko Gindrat Gruppenleiter «Technologie-Entwicklung» Dr. Georg Mauer Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) Gruppenleiter «Thermische Beschichtungstechnik» Stefan Rezanka Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) Doktorand «Thermische Beschichtungstechnik» 21 CADFEM Usersmeeting 2015 Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: WRE CADFEMUsersmeeting_WRE_
22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner Reto Wäger Berechnungsingenieur Helbling Technik AG Schachenallee 29 CH-5000 Aarau Telefon Helbling Technik Aarau Bern Wil SG Zürich München Boston Shanghai
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