Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας δεξαμενής τροφοδοσίας μη νευτωνικού διφασικού ρευστού

Abstract

Global demand for steel and higher quality at higher speeds to produce plates for disposal of the trade rising. The production of these plates is made by means of a process called continuous casting (continuous casting process). Important role in the quality of production of these products play the flow patterns of molten steel in the mold (caster). Thus, a simple but effective method of production, patterns of material flow, affects the design of systems used. The container tundish is one of these systems.Traditionally, the experimental methods used in the design of these containers in tundish, having to do with the use of tests or test patterns with the help of water. These methods are both costly and time consuming. More recently, the Computational Fluid Dynamics (Computer Fluid Dynamics, CFD) has established itself as a viable alternative to reduce the number of required experiments, results in a reduction of the final year of a project and the cost of the design process in the case of modeling the container in tundish. Furthermore, the use of CFD provides more information on the process flow that is available only through experimentation. The procedure with the help of CFD technique is usually based on the method of trial and error, and depends largely on the perception and experience of the designer to improve. Only an experienced designer is able to improve the design and does not necessarily guarantee the best results.Here, we present a more efficient numerical method of designing a container in tundish. This methodology involves the combination of a mathematical optimization with the aid of a suitable program (PHOENICS) class of CFD. The methodology has been tested on real hardware that belongs to the class of power-law fluids in different cases and flow conditions. All cases have a "run" for the simple configuration without auxiliary bodies flow (no flow modifiers, NFM). Below are the cases under consideration.The first case concerns the optimization of the flow of a liquid metal which we consider as our real fluid, isothermal (isothermal) and non isothermokrasiko (non isothermal).The second case concerns the optimization of the first case with the help of two different growth models of turbulent flow (Lam-Bremshorstm, 2 scale k-e)In the third case consider that the fluid is consisting of one or two phases (one phase, two-phase fluid).Making the appropriate combinations, we arrive at 8 different models which are compared between believing and simultaneously compared with an "experimental model". The "experimental model" are a calculation model which relates to the actual simulation our fluid with water, isothermal, and a phase turbulence model original classical k-e, where there is the experimental models that have developed in the literature.The studies of these cases show that a mathematical optimization in conjunction with the help of CFD is a superior alternative to the traditional methods of design, in that it gives an optimum solution for the design of the tundish in a continuous casting.

Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της ροής μη νευτωνικού υγρούεντός μιας δεξαμενής τροφοδοσίας και η προσέγγιση αυτής με την βοήθειατου δύο κλιμάκων k-ε μοντέλου τύρβης. Το αναπτυχθέν μαθηματικόμοντέλο εφαρμόστηκε σε δεξαμενή τύπου tundish που χρησιμοποιείταιστην χύτευση των μετάλλων. Αφού παρουσιάζονται τα στοιχεία της συνολικής ροής τουμετάλλου, αναλύεται ο ρόλος της δεξαμενής tundish στην συνεχήχύτευση. Ακολουθεί μια ιστορική αναδρομή στο σύνολο της τρέχουσας βιβλιογραφίας (δημοσιεύσεις, βιβλία, τεχνικές οδηγίες) καιπαρουσιάζονται τα τυρβώδη μοντέλα ροής που χρησιμοποιούνται. Αυτάείναι το βασικό K-ε μοντέλο (Launder and Spalding, 1974), η βελτίωσητου όπως περιγράφεται στον υπολογιστικό κώδικα Phoenics πουχρησιμοποιήθηκε, και το νέο δύο κλιμάκων μοντέλο k-ε (two scale k-εmodel). Τέλος δίνονται και οι βασικές σχέσεις και έννοιες της μεθόδουRandom Time Display - RTD που χρησιμοποιούνται για τηνμοντελοποίηση των φυσικών μετρήσεων.Με την βοήθεια της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής επιτεύχθηκε ημοντελοποίηση της ροής μη νευτωνικού ρευστού σε δεξαμενή τύπουtundish και εξήχθησαν τα αναφερόμενα αποτελέσματα.Στην περίπτωση της διφασικής ροής, προσδιορίσκαν με ακρίβεια γιαπρώτη φορά, οι τιμές των συντελεστών διφασικής ροής για την περίπτωση τηςδεξαμενής τύπου tundish όταν ανάλογα έχουν προσδιοριστεί για την περίπτωσησωλήνα από τους Ilegbussi and Spalding, 1989.Επιπλέον υπολογίσθηκε ο ρυθμός μεταφοράς της μάζας με ένανκαινούργιο προσεγγιστικό τύπο που συγκρίνεται με τους δυο κλασσικούς τύπουςπροσέγγισης. Η νέα μορφή αντιστοιχεί τελικά στον μέσο όρο των δύοπροηγουμένων.Στα θέματα του ιξώδες εξετάσαμε περιπτώσεις στις οποίες το κλασσικόμοντελο k-ε υπερεκτιμούσε το τυρβωδες ιξώδες σε περιοχές μεγαλύτερουμήκους από το αναμενόμενο. Σε αντίθεση, το δύο κλιμάκων μοντέλο k-ε έδωσεπερισσότερο έντονες περιοχές στην είσοδο και λιγότερο στην έξοδο αλλά σχεδόν«ήρεμες» ενδιάμεσες περιοχές (όπου έχει επέλθει πλήρης ανάμιξη καιισορροπία) καθόλο το μήκος του δοχείου, πράγμα που είναι και περισσότεροαναμεννόμενο και συμφωνεί περισσότερο με τα πειραματικά δεδομένα.Παρατηρήθηκε επίσης, ότι το κλασσικό μοντελο k-ε δεν μπορεί να ανταποκριθείτόσο καλά όσο το δύο κλιμάκων μοντέλο σε περιοχές όπου έχουμε έντονη τυρβώδη εμφάνιση (είσοδο, έξοδο) και ανάμεσα των μεγάλες περιοχές με πολύχαμηλή ή ανύπαρκτη (κατά μήκος του δοχείου από την είσοδο έως την έξοδο)ανάμιξη.Συγκρίνοντας ανάμεσα στην περίπτωση μιας μονοφασικής ροής με τοδύο κλιμάκων τυρβώδες μοντέλο και της διφασικής ροής με το κλασσικό k-ετυρβώδες μοντέλο, εξάγεται το συμπέρασμα ότι είναι περίπου ισάξια στηνσυμπεριφορά των. Στην περίπτωση της δεξαμενής τύπου tundish φαίνεται σανκαλύτερη λύση η προσέγγιση με το μοντέλο της διφασικής ροής. Στην περίπτωσητων δύο κλιμάκων τυρβώδους μοντέλου η ροή εμπεριέχει πάντως περισσότερεςλεπτομέρειες της ανάμιξης.Ο τρόπος υπολογισμού του ρυθμού μεταφοράς της μάζας στις διφασικέςροές δείχνει ότι βελτιώνει τις προβλέψεις και διατηρεί καλή ισορροπία στηνανταλλαγή των ποσών μάζας και ενέργειας μέσω της διεπιφάνειας.