Diplomarbeit

Diplomarbeit durchgeführt von: Christopher Carsten Janser
Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Frank Janser (FH Aachen); Dr.-Ing. Thomas Berrenberg (ITP GmbH)

Kurzfassung
In Zusammenarbeit mit der WSP-GmbH, Aachen, soll die Düsengeometrie eines Bandschwebeofens optimiert werden, um die Behandlung von stärkeren und damit schwereren Blechen zu ermöglichen. Aus diesem Grund wird eine größere Tragkraft des Düsensystems verlangt. Neben den bereits ermittelten Messungen an der Versuchsanlage, soll ein numerisches Verfahren die Strömung mathematisch abbilden. Dazu werden grundlegende Untersuchungen durchgeführt, welche Aussagen über die Möglichkeiten und Grenzen des CFD- Solvers Fluent erläutert.
Gegenstand der Arbeit ist die numerische Strömungssimulation eines Frei- und Prallstrahls, die von den Tragdüsensystemen erzeugt werden. Dabei werden die Strömungsstrukturen der Strahlen in Abhängigkeit der Turbulenzmodelle "Standart-k_epsilon" , "RNG-k _ e psilon ", "Realizable-k _epsilon" , als auch die "Standart-k _ omega" und "SST-k _ omega" abgebildet. Um eine Bewertung für das beste mathematische Modell zu erlangen, werden sowohl die Ergebnisse aus den Experimenten, als auch aus der einschlägigen Literatur, mit den Simulationsergebnissen verglichen. Die Experimente geben die Tragkraft in Abhängigkeit von der Prallflächengeometrie und von dem Düsenabstand an. Die simulierten und praktischen Ergebnisse werden gegenübergestellt und diskutiert.
Die CFD- Untersuchungen sind in drei Abschnitte unterteilt:
•    2D Freistrahluntersuchung
•    2D Prallstrahluntersuchung
•    3D Prallstrahluntersuchung
Abschließend wird eine Empfehlung ausgegeben, mit welchen Modellen der Prallstrahl passend abgebildet wird. Die Arbeit soll später eine Hilfestellung geben, welche Turbulenzmodelle und Randbedingungen für die zukünftigen Berechnungen der Düsenkastengeometrie sinnvoll sind

Zusammenfassung
Sehr schnell hat sich während der Diplomarbeit herausgestellt, dass es sich bei der zu behandelnden Thematik um ein sehr umfangreiches Themengebiet handelt. Viele unterschiedliche Gegebenheiten nehmen Einfluss auf die Eigenschaften des Prallstrahls. Daher wurde während der Arbeit systematisch eine Anzahl numerischer Simulationen durchgeführt und in Bezug auf die Einflussparameter Düsenabstand, Reynoldszahl-Düse, Turbulenzmodell, Rechengebiet, Wandbehandlung und Randbedingungen analysiert.
Einen ersten Überblick über die Leistungsfähigkeit des CFD-Solvers liefert der Vergleich zwischen den numerischen und praktischen Freistrahluntersuchungen. Wird der axialsymmetrische Freistrahl mit den einfachen "Standart-k_epsilon" und "Standart-k_omega" - Turbulenzmodellen berechnet, werden sowohl die Geschwindigkeits-, als auch Turbulenzverteilung innerhalb des Freistrahls nicht wirklichkeitsgetreu abgebildet. Bei diesen Modellen kann kein Kernstrahl abgebildet werden. Der Druckverlauf weist bei dem ske Modell entlang der Strahlachse ein unrealistisches Bild auf.
Die Turbulenzmodelle "RNG-k _ e psilon ", "Realizable-k _epsilon" und "SST-k _ omega" sind jedoch in der Lage den untersuchten Fall geeignet zu berechnen.
Die Untersuchung des 2D Prallstrahls liefert weitere Einschränkungen. Wird der axialsymmetrische Prallstrahl von den "RNG-k _ e psilon ", "Realizable-k _epsilon" und "SST-k _ omega" Modellen in Form und Strömungsrichtung realistisch abgebildet, können Unterschiede bei der Tragkraft ermittelt werden.
Das "Realizable-k _epsilon" Turbulenzmodell hat sich während der Untersuchungen für diese speziellen Problemstellungen als zweckmäßig erwiesen.
Der direkte Vergleich zwischen dreidimensionaler Simulation und praktischer Messung hat gezeigt, dass das "Realizable-k _epsilon"- Turbulenzmodell annehmbare Tragkräfte berechnet hat.
Als bedenklich einzustufen ist die extreme Abhängigkeit der berechneten Strömung vom eingesetzten Turbulenzmodell. Vor allem bei komplexeren Geometrien mit unterschiedlichen Strömungseffekten, wie z.B. die Vermischung zweier Freistrahlen, können zu größeren Problemen führen.
Ein wichtiges Kriterium für die Praxis ist der Zeitfaktor. Können einfache 2D Simulationen noch schnell berechnet werden, vermag schon eine Berechnung einer Viertelgeometrie, wie sie in der Arbeit vorliegt, langwierig sein. Die Rechenzeit der Testgeometrie ist dabei abhängig von der Größe des Rechengebiets, dem Turbulenzmodells und der Anzahl der Iterationen bis zur Konvergenz. Ein konvergentes Verhalten konnte bei den untersuchten Fällen nach ca. 3000 Iterationsschritten erreicht werden. Das "Realizable-k _epsilon" Turbulenzmodell benötigt mit den zur Verfügung stehenden Einzelplatzrechnern gemittelt ca. 20s pro Iteration, was eine Berechnung für eine Viertelgeometrie von ca. 12h ausmacht.
Bei einer numerischen Berechnung wird immer von Idealfällen ausgegangen. Die Geometrie wird nicht von der Strömung beeinflusst, die Prallplatte ist immer rechtwinklig zur Düse ausgerichtet. In der Praxis ist dies nicht der Fall. Ferner ist von einer Wellung des Blechs bei einem Schwebeprozess auszugehen, was die Strömung zunehmend beeinflusst.
Ob der Spezialfall des Frei- und Prallstrahls auf die Vermischung zweier Scherschichten anwendbar ist muss separat untersucht werden.

Last changed: Jun 07 2010 at 3:08 PM