Laserschneiddüsen. CFD-Simulation der Wechselwirkung zwischen einer supersonischen Düsenströmung und einem festen Werkstück

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1 Laserschneiddüsen CFD-Simulation der Wechselwirkung zwischen einer supersonischen Düsenströmung und einem festen Werkstück Herr J. A. Comps Herr Dr. M. Arnal Herr Prof. Dr. K. Heiniger Frau Dr. I. Dohnke

2 Inhalt Unser Projektpartner Was wird Untersucht? Welche Strömung? Ziele der Untersuchung Vorgehensweise Experimentelle Untersuchungsmethoden Schlierenexperiment Die LDA-Messungen Die Simulationen Die Randbedingungen Der Freistrahl Vergleich mit experimentellen Daten, Schlierenexperiment Vergleich mit experimentellen Daten, LDA-Messungen Das komplette Simulationsmodell Die getroffenen Annahmen Die Resultate

3 Unser Projektpartner Bystronic Laser AG, einer der führenden Firmen in der Herstellung von Laserschneidanlagen auf dem Weltmarkt.

4 Was wird untersucht? Es geht bei diesen Untersuchungen um die Strömungsbedingungen beim Laserschneiden

5 Welche Strömung? In diesen Untersuchungen wird nur der Schneidgasstrahl betrachtet

6 Ziele der Untersuchungen Das Ziel der Untersuchung ist, die Strömungsbedingungen, welche für qualitativ hochwertige Schnitte bei hoher Schneidgeschwindigkeit verantwortlich sind (geringe Rauheit), zu bestimmen Der Vorteil der numerischen Simulation liegt in der Verfügbarkeit des kompletten Datensatzes der Strömung für alle Variablen.

7 Vorgehensweise Die relevante Physik der Wechselwirkung zwischen einer kompressiblen Strömung und einem festen Werkstück studieren. Ein numerisches Werkzeug zur Modellierung dieser Strömung entwickeln, welches durch experimentelle Untersuchungen bestätigt wurde. Qualitative Bestätigung der Simulation anhand der Schlierenaufnahmen. Quantitative Bestätigung der Simulation mit LDA Messungen an ausgewählten Punkten der Strömung.

8 Das Schlierenexperiment Anordnung des Schlierenexperimentes

9 Die LDA- Messungen Laser Doppler Anemometry, ein optisches Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung.

10 Die Simulationen Freistrahlsimulationen Das komplette Simulationsmodell (mit Schnittfuge)

11 Die Randbedingungen Einlass: Totaldruck Wände: Haftbedingung Auslass: Umgebungsdruck

12 Diese Untersuchung diente vor allem dazu, die Anforderungen an das Gitter herauszufinden. Die Resultate sind gut mit experimentellen Daten zu vergleichen Der Freistrahl

13 Vergleich mit experimentellen Daten, Schlierenexperiment Schlierenbilder eignen sich hervorragend für eine quantitativen Vergleich.

14 Vergleich mit experimentellen Daten, LDA-Messungen Der Vergleich mit der LDA- Messung zeigt eine gute Übereinkunft. Vergleich der CFD Berechnung mit der Messung 800 Geschwindigkeit [m/s] Abstand von der Düse [mm] CFD theoretische Partikelbahn LDA-Messung

15 Das CFD- Modell ist geometrisch sehr einfach aufgebaut und besteht aus einer Düse und einem Werkstück mit Schnittfuge. Das komplette Simulationsmodell

16 Die getroffenen Annahmen Folgend Annahmen wurden getroffen: Der Laser hat keinen Einfluss auf die Strömung weder in der Düse noch im Schnittspalt. Das heisse Werkstück hat keinen Einfluss auf die Strömung. Das Flüssige Metall wird vernachlässigt. Oberflächeneinflüsse (Rauhigkeit) werden vernachlässigt. Die Position des Düsenzentrums befindet sich direkt über der führenden Schneidkante.

17 Vergleich mit der Schlierenoptik, 5bar

18 Vergleich mit der Schlierenoptik, 10bar

19 Vergleich mit der Schlierenoptik, 16bar Ab ca. 15bar zeigt sich im Experiment ein Umschlag der Strömung. Dieser Umschlag lässt sich in der Simulation nicht beobachten.

20 Die LDA- Messungen im Modellschnittspalt Der Magentafarbene Strich gibt die Position der LDA- Messungen an.

21 Vergleich mit den LDA-Messungen, 5bar Geschwindigkeitsverlauf in der Modellschnittfuge Geschwindigkeit [m/s] Abstand [mm] 5bar Experimentell 5bar Simulation

22 Vergleich mit den LDA-Messungen, 10bar Geschwindigkeitsverlauf in der Modellschnittfuge Geschwindigkeit [m/s] Abstand [mm] 10bar Experimentell 10bar Simulation

23 Vergleich mit den LDA-Messungen, 17bar Geschwindigkeitsverlauf in der Modellschnittfuge Geschwindigkeit [m/s] Abstand [mm] 17bar Experimentell 17 bar Simulation

24 Weiteres Vorgehen Verbessern des Gitters Mit anderen Turbulenzmodellen Simulationen durchführen.

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