Process-oriented modeling and simulation of unsteady modulated gas flows in plasma powder cladding to influence layer properties
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Betrachtung der Schmelzbaddynamik beim PPTA-Verfahren im Zusammenhang mit den Prozessparametern. Aufgrund der hohen Komplexität der numerischen Simulation des PPTA-Verfahrens war eine Aufteilung des Simulationsmodells nicht vermeidbar. Verschiedene Gleichungssysteme, die gekoppelt gelöst werden müssen, führten zu Konvergenzproblemen und zu enormer Berechnungszeit. Um diese Probleme zu lösen, wurden drei Simulationsmodelle verwendet: Plasma-Modell; Partikel-Injektion-Modell; Solidification-Modell. Beim Plasma-Modell hat sich die Verwendung eines einphasigen, gekoppelten MHD-FSI-Modells als zielführend erwiesen. Aufgrund der Bewegung des Brenners in der Domain ist „dynamic meshing“ mit „three angular“-Elementen zu empfehlen, obwohl dieser Elementtyp ein schwaches Konvergenzverhalten aufweist. Die Verwendung von „Quad“-Elementen führt zur Entstehung den negativen Volumen. Dieses verursacht die Divergenz der Berechnung. Die elektrischen Randbedingungen sollen beim Plasma-Modell stufenweise angewendet werden, um die Divergenz zu vermeiden. Das Partikel-Injektion-Modell basiert auf einem hybriden DPM-to-Euler-Euler-Modell. Das VOF-Modell hat Konvergenzprobleme bei der temperaturabhängigen Dichte und den „three angular“-Elementen. Des Weiteren hat sich das VOF-Modell aufgrund einer hohen Elementanzahl als nicht zielführend erwiesen. Eine „Adaptive meshing“-Methode, basierend auf „Gradienten von Phasenanteilen“, ist hilfreich, um die Vernetzung lokal zu verfeinern. Es wurde festgestellt, dass die Berechnungszeit, aufgrund der beschränkten Berechnugskapazität, nicht praxistauglich war. Daher wird die Nutzung der Euler-Euler-Methode empfohlen. Das hybride DPM-to-Euler-Euler-Modell verkürzt die Berechnungszeit fast um Faktor 7. Hierbei wurde festgestellt, dass die Partikel-Partikel-Interaktion eine wichtige Rolle bei dem PPTA- Verfahren spielt, welches nicht vollständig beim DPM-Modell betrachtet werden kann. Daher ist die Verwendung der „Discrete Element Method Collision Model (DEM) “-Methode zu empfehlen. Dies ermöglicht die Betrachtung der Interaktion zwischen den Partikeln. Bei der Untersuchung des Erstarrung-Modells wurde festgestellt, dass das „Solidification“-Modul nicht mit dem „Euler-Euler“-Modul kompatibel ist. Anderseits hat das VOF-Modul Konvergenzprobleme beim Partikel-Injektion-Modell. Eine Ersetzung des Solidification-Moduls durch eine eigene Subroutine ist schwierig und die Bestimmung von erstarrungsspezifischen Materialkennwerten ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Es wurde daher der Lösungsansatz verfolgt, ein separates Erstarrung-Modell aufzubauen. Dabei wurde versucht durch „field mapping“ die Phasenanteile, Temperaturen und Geschwindigkeiten der Tropfen und des Plasmagases in ein Erstarrung-Modell zu importieren. Dies hat den Vorteil, dass die Berechnung der DPM-Gleichungen nicht mehr nötig ist. Eine Möglichkeit ist die „slave-master“- Berechnung. Dadurch wird zuerst die Berechnung im Partikel-Injektion-Modell durchgeführt. Danach werden die gewünschten Ergebnisse in das Erstarrung-Modell importiert, während das Partikel-Injektion- Modell pausiert. Nach der Berechnung im Erstarrung-Modell beginnt die Schleife wieder von vorn. Die Verkürzung der Berechnungszeit ist aber nicht erheblich, da eine Berechnung auf die andere warten muss. Es besteht weiterer Forschungsbedarf zur Entwicklung eines Solidification-Modells, welches eine wissenschaftlich belastbare Verbindung zu den vorherigen Modellen hat. Abschließend kann festgestellt werden, dass die numerische Simulation des Plasmalichtbogens mit einem MHD-FSI-Euler-Euler-Modell zielführend ist. Das Verhalten der Partikel lässt sich durch das DPM-Modell gut abbilden. Das DEM-Modell liefert genauere Ergebnisse, erfordert aber mehr Forschungsbedarf. Das Solidification-Modul wurde durch eine Subroutine ersetzt. Belastbare rheologische Eigenschaften der Schmelze sind entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse.
