Einfluss von Strömung, einsetzender Erstarrung und Oxidhäuten auf die Entstehung von Gasporosität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, durch moderne Methoden der rechnergestützten Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) die komplexen Phänomene der Formfüllung und Erstarrung bei Gießprozessen mit großer Genauigkeit zu beschreiben, um die Belastbarkeit von quantitativen Vorhersagen zu erhöhen. Dabei geht es bei diesem Arbeitspaket darum, die in den anderen Schwerpunkten entwickelte genaue Beschreibung des Formfüll- und Erstarrungsverhaltens sowie des Oxydhauttransports in Modelle zur Bildung von Gasporosität einfließen zu lassen. In der ersten Antragsphase wurde ein Gasporositätsmodell entwickelt und durch Experimente aus der Literatur validiert. In dieser Förderperiode wurde das Gasporositätsmodell in 2 Punkten weiterentwickelt und ein vereinfachtes Porositätskriterium abgeleitet. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: 1. Das Gasporositätsmodell wurde mit dem Volume of Fluid(VoF)-Ansatzes zur Beschreibung auch komplexer Formfüllvorgänge vereint. Hierbei ist das Problem, dass der VoF-Ansatz als Front-Einfang-Methode (front capturing) kein Anbringen von Randbedingungen an der Grenzfläche Schmelze-Luft zulässt. Gute Ergebnisse ohne zusätzlichen Simulationsaufwand konnten erreicht werden, indem die Diagonalterme der Transportgleichungsmatrix im Bereich der Füllfront erhöht werden, um die Diffusion in Nachbarzellen dort zu unterdrücken. Ergebnisse für eine Testgeometrie aus drei Rechtecken zeigen, dass dadurch die Diffusion in die Luft verhindert werden konnte. Nicht nur die Gasverteilung sonder auch die Oxydhautverteilung konnte mit diesem Verfahren erfolgreich auf die Schmelze beschränkt werden. 2. Sowohl in TP 1 als auch in TP 2 wurde je ein Modell zur Bestimmung von Stellen, an denen Oxydhäute in die Schmelze eingetragen werden, entwickelt. Das Modell aus TP 1 verwendet geometrische Analysen, um diese Stellen zu identifizieren, das Modell aus TP 2 basiert auf der Turbulenzmodellierung der Strömung und benutz die dynamische Weber- Zahl, um Schmelzen-Oberflächen zu bestimmen, die instabil sind und beim Aufbrechen Oxydhäute in die Schmelze eintragen. Beide Modelle wurden erfolgreich mit dem Gasporositätsmodell verbunden. Dazu werden an den Stellen, an denen ein Oxydhauteintrag stattfindet, Nukleatiosnkeime für die Gasporosität erzeugt, deren Dichte proportional zur Schmelzenoberfläche an dieser Stelle ist. Diese Nukelationskeime strömen mit der Schmelze und beeinflussen direkt die Gasporendichte. Das vereinte Modell wurde auf die in diesem Forschungsprojekt verwendete Testgeometrie mit drei Testblöcken erfolgreich angewandt. 3. Aus den Überlegungen zu Gasporositätsmodell wurde in einem ersten Schritt ein neues Kriterium zur Vorhersage von Schrumpfungsporosität abgeleitet, das allein auf der räumlichen und zeitlichen Temperaturverteilung beruht daher eine Berechnung der Strömung nicht benötigt. Dieses Modell wurde auf die Testgeometrie mit drei Blöcken angewandt, und mit etablierten Kriteriumsfunktionen zur Porositätsvorhersage und dem voll gekoppelten Modell verglichen. Die Porositätsvorhersage übertraf die der anderen Modelle und lag für diese Anwendung nicht weit von dem voll gekoppelten Modell. Das binäre Erstarrungsmodell aus TP 1 konnte leider nicht in das Gasporositätsmodell integriert werde, da eine Verbindung mit dem VoF-Ansatz nicht möglich war und numerische Probleme die Simulation von Gussteil und Schale verhinderten. Auf Raten von CD-adapco wird dies nun im Nachfolgeprogramm von STAR-CD, STAR-CCM+ umgesetzt. Dort ist eine Verbindung mit dem VoF-Ansatz möglich und der neue Löser ist numerisch stabiler.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical Predictions of Gas Porosity in Industrial Casting Processes using Fully Coupled Mold-Filling and Solidification Simulation, Proceedings of the “Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes XII”, Ed. S. L. Cockcroft, D. M. Maijer, Vancouver, BC, 2009, ISBN 978-0-87339- 742-1, pp. 377-384
S. Jana, J. Jakumeit. and M.Y. Jouani
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Simulation-based prediction of micro-shrinkage porosity in aluminum casting: Fully-coupled numerical calculation vs. criteria functions, 2012 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 27 012066
J. Jakumeit, S. Jana, B. Böttger, R. Laqua, M.Y. Jouani, A. Bührig-Polaczek
