Bericht aus dem AK Strömungsmechanik und Strömungssimulation

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1 Bericht aus dem AK Strömungsmechanik und Strömungssimulation H.-J. Odenthal , Aachen J. Odenthal Mitglieder 30 Mitglieder aus 12 Industrieunternehmen und 11 Instituten aus 8 Hochschulen AMEPA GmbH, Aachen ANSYS Germany GmbH, Darmstadt Dillinger Hütte GTS, Dillingen Georgsmarienhütte GmbH, Georgsmarienhütte RHI AG, Leoben Saarstahl AG, Völklingen SMS Siemag AG, Düsseldorf Tata Steel Research, IJmuiden ThyssenKrupp Steel Europe AG, Duisburg VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Düsseldorf voestalpine Stahl GmbH, Linz WIKKI, Gesellschaft für numerische Kontinuumsmechanik mbh, Darmstadt RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (Pfeifer) TU Bergakademie Freiberg, Institut für Mechanik und Fluiddynamik (Brücker) Institut für Eisen- und Stahltechnologie (N.N.) Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (Hasse) TU Clausthal, Institut für Metallurgie (Pluschkell) Institut für Technische Mechanik (Brenner) Martin Luther Universität Halle-Wittenberg, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (Sommerfeld) Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektroprozesstechnik (Baake) TU Ilmenau, Institut für Thermo- und Fluiddynamik (Thess) Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Simulation und Modellierung metallurgischer Prozesse (Ludwig) Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung (Gittler) neue Mitglieder J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 1

2 Sitzungen und Themen 1., Düsseldorf, Festlegung der Arbeitsziele, und Arbeitsweise 2., Düsseldorf, Turbulenzmodellierung, Elektromagnetische Strömungsbeeinflussung, Induktionsanlagen, Tundish-Benchmark (part I) 3. RWTH Aachen, Inst. für Industrieofenbau, Aachen, Mehrphasenströmungen, Tundish-Benchmark (part I) 4. RHI AG, Leoben, Macrosegregation, Tundish-Benchmark (part I) 5. ANSYS FLUENT GmbH, Darmstadt, Prozessmodelle in FLUENT und OpenFOAM, Problemstellungen im Stahlwerk 6., Düsseldorf, Clogging, Tundish-Benchmark (part II) - Clogging-Workshop, TU Bergakademie Freiberg, Inst. für Mechanik und Fluiddynamik, Freiberg, Clogging, Spülprozesse in Pfannen, Technische Verbrennung - Planungstreffen der DFG-Forschergruppe Clogging, Halle, Stand: Bericht vom außerplanmäßige Sitzung J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. Sitzungen und Themen 8., Düsseldorf, Numerische Verfahren (Lösungsmethoden, Stellschrauben, ), M. Schäfer, TU Darmstadt; R. Löffler, ANSYS - DFG Forschergruppe Clogging 9. Voestalpine Stahl, Linz, Full field optical measurements for deformation, vibration, NDT, turbulence; E. Moser, DantecDynamics - Strömungsmessungen in flüssigen Metallen (Limmcast); G. Gerbeth, HZDR - Aufsetzen CFD Ladle Benchmark - Workshop CFD Ladle Benchmark, Saarstahl, Völklingen, , Düsseldorf, Approaches in hybrid RANS-LES turbulence modelling, F.R. Menter, ANSYS - DFG Forschergruppe Clogging, CFD Ladle Benchmark, Kokillenströmung - Workshop FSI Kokille, ThyssenKrupp Steel, Duisburg, ThyssenKrupp Steel Europe, Duisburg, Produktvorstellung und Möglichkeiten zur FSI-Simulation: WIKKI Ltd., ESI GmbH, CD-adapco, ANSYS, COMSOL 12., Düsseldorf, Lattice-Boltzmann-Verfahren, G. Brenner - Zukunft der DFG Forschergruppe Clogging - Ergebnisse CFD-Ladle-Benchmark 13. TU Clausthal, Institut für Technische Mechanik, Febr außerplanmäßige Sitzung J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 2

3 1. DFG Forschrgruppe Clogging Beim Clogging bilden sich an den Innenwänden des Tauchrohres Anbackungen fester nichtmetallische Einschlüsse, vor allem Oxide (Al 2 O 3 ), einige Sulfide (CaS), Nitride (TiN), Spinelle (MgO Al 2 O 3 ). Die NME liegen bereits endogen als disperse Partikel bzw. Partikelcluster in der Schmelze vor und werden beim Durchströmen des Tauchrohres an der Wand abgelagert. In den Aufwachsungen sind die NME mit Stahl vermengt. Metallurgie: Stahlzusammensetzung, Desoxidationsmittel, Schutzgasatmosphäre, Feuerfestmaterial für Stopfen, Tauchrohr und Kokille sowie Desoxidationstrategie, Dichtheit des Systems Strömung: turbulente Rezirkulationsströmungen, Ablösegebiete, Staupunkte, lokale Niederdruckgebiete in der Tauchrohrströmung, Tauchrohr- und Gießtemperatur, sowie Tauchrohrgeometrie Die Forschergruppe verfolgt das Ziel, durch korrelierte Heißexperimente und numerische Mehrskalen-Simulationen die strömungsphysikalischen Prozesse aufzudecken, die zur Bildung von Aufwachsungen beim Clogging führen. Mitglieder der Forschergruppe Prof. Schwarze (Sprecher), TU Bergakademie Freiberg Prof. Ludwig (Stellvertreter), Montanuniversität Leoben Prof. Brenner, TU Clausthal Prof. Pfeifer, RWTH Aachen Prof. Scheller, TU Bergakademie Freiberg Prof. Sommerfeld, Universität Halle-Wittenberg Prof. Thess, TU Ilmenau J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. Praktischer Input durch assoziierte Partner KTH, RHI, ThyssenKrupp Steel Europe, voestalpine Stahl, u.a. 1. DFG Forschrgruppe Clogging TP Ludwig: Modellierung der Bildung oxidischer Partikel und Erstarrungsstrukturen an der Grenzfläche zwischen Feuerfestmaterial und Stahlschmelze TP Brenner/Monaco: Mikroskopische Simulation der Abscheidung von Partikeln TP Pfeifer: Experimentelle Untersuchung von Grenzschichtströmungen an porösen Medien TP Scheller: Morphologie der Clogging-Ablagerungen und die beeinflussenden Prozessparameter TP Scheller/Schwarze: Induziertes Clogging TP Sommerfeld: Modellierung und numerische Berechnung des Clogging TP Thess/Boeck: Strömungsmessung und Bestimmung der Schichtdicke von Aufwachsungen mittels Lorentzkraft- Anemometrie J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 3

4 1. DFG Forschrgruppe Clogging Skizze eingereicht bei der DFG am Absage an Erstellung eines Vollantrags am Vier Gutachten bescheinigen der Forschergruppe ein sehr gutes Konzept und sehr gute Zusammensetzung Im Fachforum gab es Zweifel, ob die anwendungsorientierte Thematik noch zur Grundlagenforschung gehört und daher besser dem BMBF zugeordnet werden sollte Ferner wurde angezweifelt, ob die methodischen Clogging-Ansätze verallgemeinert und auf andere Phänomene (Icing, Fouling) übertragen werden können Über das weiteres Vorgehen wird auf der nächsten VDEh AK Sitzung am entschieden J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 2. CFD Ladle Benchmark Ziel ist die dreiphasige, instationäre CFD-Simulation für eine 185 t Pfanne Berechnung der Mischzeit (Mischungsintensität M, Uniformity U) Transiente Geschwindigkeits-, Temperatur-, Turbulenzverteilung an definierten Kontrollpunkten Geometrie der Spülglatze 7 Teilnehmer: IOB-RWTH Aachen, ITM TU Clausthal, ANSYS Germany, CD-adapco, RHI, SMS Siemag, Tata Steel Ergebnisse werden bei der nächsten VDEh AK Sitzung am vorgestellt Publikation analog Tundishbenchmark Lachmund et al.. V Ar = 200 l/min J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 4

5 3. FSI Kokille Vereinache Vorgabe für alle CFD-Software-Hersteller wurde erarbeitet Schwierigkeiten - Kopplung Flüssig (Euler) Fest (Lagrange) - Mehrphasige Strömung mit Phasenübergang - Oszillationsbewegung - Wärmeübergang Teilnehmer WIKKI, ESI, CD-adapco (Star CCM+), ANSYS (FLUENT), COMSOL Mould movement Heat transfer flux density 1 MW/m² or fixed temperature Liquid Slag Shell movement Liquid Steel Solid Steel shell Mushy zone Inlet Liquidus + 10 K M. Perić, Vice-President Technology, CD-adapco: Ein Rechenprogramm für Fluid und Struktur nicht sinnvoll: - Expertise auf beiden Gebieten selten vorhanden am selben Ort - Dieselbe Methode selten optimal für beide Kontinua, z. B. FE für turbulente Strömungen, FV für dünne Strukturen Casting speed typical m/min or 5-7 m/min J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. Ausblick Fortführung des AK, solange Fragestellungen auftreten sowie Interesse besteht Stärkere Einbeziehung betrieblicher Fragestellungen Frühjahrsitzung 2012: MHD Alle Informationen liegen auf dem VDEh-Server ftp1.stahl-online.de J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. 5

6 Ausblick Fortführung des AK, solange Fragestellungen auftreten sowie Interesse besteht Stärkere Einbeziehung betrieblicher Fragestellungen Frühjahrsitzung 2012: MHD Alle Informationen liegen auf dem VDEh-Server ftp1.stahl-online.de By courtesy of CD-adapco J. Odenthal Edelstahl-Vereinigung e.v. Bericht aus dem AK Strömungsmechanik und Strömungssimulation H.-J. Odenthal , Aachen J. Odenthal 6