Optimierung der Brennergeometrie und Pulverinjektion beim HVOF-Prozess für die Verarbeitung von Feinstpulver mittels Modellierung und Simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gesamtziel des AiF/DFG-Forschungsclusters "Thermisches Spritzen" war es dünne, nachbearbeitungsarme nano- bzw. mikrostrukturierte Schichtsysteme zum kostengünstigen Korrosions- und Verschleißschutz herzustellen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt um kerosinbetriebene (Kerosin-Sauerstoffverbrennung) und hybride HVOF-Systeme (Wasserstoff-Sauerstoff und Kerosin-Sauerstoff) mittels numerischer Methoden zu Untersuchen. Dieses Projekt interagierte im Forschungscluster mit den Projekten „Feinstpulverschicht“ (P2) und Prozessdiagnostik (Q2). Dabei wurden Prozessparameter und Düsenkonfiguration untersucht, um eine speziell auf das Feinstpulver abgestimmte Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der Beschichtungen zu erreichen, um so dem Gesamtziel kostengünstige Korrosions- und Verschleißschutzschichten herstellen zu können. Die Modellierung der HVOF-Systeme erfolgt dabei auf der Basis der Erhaltungsgleichungen der klassischen Physik beginnend mit der Kerosininjektion in die Brennkammer und der anschließenden Zerstäubung des Kerosins. Die zerstäubten Tropfen verdampfen und bilden damit einen gasförmigen chemischen Reaktionspartner. Die hauptsächlich in der Brennkammer ablaufenden chemischen Reaktionen werden durch einen Reaktionsmechanismus erfasst. Für das hybride System wurde der Reaktionsmechanismus für die Kerosin-Sauerstoff-Verbrennung um die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung erweitert. Die Reaktionsraten der Mechanismen werden durch das Eddy-Dissipation-Concept berechnet. Die Feinstpulverpartikel werden als Lagrangesche Phase im Berechnungsgebiet erfasst. In einem ersten Schritt wurde das kerosinbetriebene HVOF-Prozess, der GTV HVOF K2 Brenner, mit einer zylindrischen Expansionsdüse im Projekt P2 betrieben um Beschichtungen herzustellen. Parallel hierzu wurde das System im Projekt Q2 messdiagnostisch untersucht. Die Kombination der Messresultate und der Anlagenparameter dienten als Eingangsparameter für die simulativen Berechnungen und als Verifikationsdaten in diesem Teilprojekt. Das Ergebnis der Folgeuntersuchungen, in Zusammenarbeit mit dem Projekt P2, resultiert in einer Düsenkonfiguration mit einem divergenten Querschnitt und einem Anlagenparametersatz zur Verarbeitung Feinstpulver. Anschließend wurde das hybride HVOF-Prozess, der Thermico CJS 4.2 Brenner, simulativ untersucht. Dabei wurde insbesondere das Parameterfenster für die Pulverinjektion erarbeitet und eine Variation der Injektionsparameter durchgeführt. Zuletzt wurde ein Ansatz präsentiert der eine Anlagenunabhängige Geometrieoptimierung von HVOF-Prozessen zulässt mit Hilfe des Algorithmischen Differenzierens. Erstmalig wurde ein hybrides HVOF-System ganzheitlich simulativ erfasst. Dabei wurde das HVOF-System von der Brennkammer über die Beschleunigungsdüse bis hin zum Freistrahl simuliert. Zudem wurde sowohl das kerosinbetriebene als auch das hybride System mit dem im Kooperationsprojekt P2 verarbeiteten Feinstpulver auf Fe-Basis untersucht und die Ergebnisse dargestellt. Es wurde für eine Düsenkonifguration verbesserte Anlagenparameter erarbeitet und dem Projekt P2 „Feinstpulverschicht“ bereitgestellt, wonach vielversprechende experimentelle Beschichtungsuntersuchungen durchgeführt wurden. Die numerische Berechnung von Strömungsproblemen in Zusammenhang mit Zerstäubungen ist empfindlich gegenüber der Auflösung des numerischen Netzes. Hier sollen die Abhängigkeiten des Netzes von den physikalischen Prozessen während einer Zerstäubung, als auch die Kollision, Verdampfung oder Impulsübertragung auf den Tropfen, erläutert werden. Der einfachste Fall ist die Eulersche Betrachtung eines einphasigen Kontinuumfluids. Aufgrund der Natur der numerischen Approximation der Navier-Stokes Gleichungen nähert sich die Lösung eines Strömungsproblems mit zunehmender Auflösung der exakten Lösung. Die Auflösung des numerischen Netzes sollte stets hoch genug sein um alle physikalischen Skalen des Problems abzudecken. Die Betrachtung eines Euler-Lagrangeschen Ansatzes ist weitaus komplexer. Die Auflösung des Raumes ist im Bereich nahe des Zerstäuberaustritts durch die Bedingung limitiert, dass das Volumen der Lagrangeschen Phase innerhalb einer Zelle klein sein muss. Dies führt dazu, dass das Netz zur Berechnung der Gasphase am Zerstäuberaustritt oftmals nicht bis zu einer netzunabhängigen Lösung verfeinert werden kann. Deshalb weicht z.B. die lokale Geschwindigkeit der Gasphase in o.g. Bereich von der tatsächlichen Geschwindigkeit ab. Im Allgemeinen besteht die Annahme des Euler-Lagrangeschen Ansatzes darin, dass die Werte der Eulerschen Phase zur Berechnung der Lagrangeschen Phase herangezogen werden, welche dem momentanen Ort der Lagrangeschen Phase am nächsten ist. Dementsprechend entfernt sich der Impulsaustausch quantitativ zwischen Eulerscher und Lagrangescher Phase mit gröber werdendem Gitter weiter von einem realen Wert, da dieser von der Relativgeschwindigkeit zwischen beiden Phasen abhängt. Die durch verdampfen der Lagrangeschen Phase umgewandelte Masse wird dem naheliegendsten Berechnungspunkt zugeschrieben. Dieses Modell führt zu zwei unphysikalischen Effekten welche von der Netzgröße abhängen. Der erste Effekt entsteht durch die schlagartige Überführung der verdampften Flüssigkeit von der Lagrangeschen in die Eulersche Phase. Das führt zu einer erhöhten Diffusion des Impulsaustauschs. Der zweite Effekt ist, dass die resultierende Absolutgeschwindigkeit der Eulerschen Phase nach der Interaktion mit der Lagrangeschen Phase von der Netzauflösung abhängt. Die Netzorientierung relativ zum Geschwindigkeitsvektor des zerstäubten Mediums hat ebenfalls einen Einfluss auf das Ergebnis. Dieser Effekt wird reduziert wenn die Geschwindigkeitsvektoren die gleiche Orientierung wie die Gitterlinien haben, also die Tropfen in normaler Richtung auf die Zellwände treffen. Die Wärme- und Stoffübertragung von Lagrangescher zu Eulerscher Phase erfolgt homogen verteilt auf die gesamte Zelle. Dies führt zu einer abrupten Diffusion der Wärme und des verdampften Materials, der Quellterme, innerhalb der Zelle. Vornehmlich im Bereich nahe des Zerstäuberaustritts führt dies zur physikalisch nicht korrekten Abbildung der Prozesse aufgrund der begrenzten Auflösung. Diese Netzabhängigkeiten lassen sich zu drei Fehlerquellen zusammenfassen welche bei der Berechnung der Strömungsvariablen in Bereichen hoher Tropfendichten entstehen, beim Austausch von Masse, Impuls und Energie von der Lagrangeschen und der Eulerschen Phase und durch die unendlich schnelle Diffusion der Quellterme im gesamten Zellvolumen. Diese Abhängigkeiten lassen sich durch eine abgestimmte Netzauflösung minimieren. Neben der Netzabhängigkeit hat die Dynamik der chemischen Reaktionskinetik entscheidenden Einfluss auf die Simulationsresultate. Dies beginnt mit der Wahl der Konstanten im Reaktionsmodell „Eddy Dissipation Concept“ bis hin zur Wahl der globalen Zeitschritte der Simulation. Das chemische Reaktionsmodell kann mathematisch, mit Ausnahme der Speziesquellterme in der Massenbilanzierung, von der Strömungssimulation als entkoppelt betrachtet werden. Eine zu große Wahl der globalen Zeitschritte würde zu einer „stoßweisen“ Umwandlung der chemischen Spezies und zu einer unrealistischen, numerischen verursachten, Druckschwankung im Zeitverlauf führen. Die Berücksichtigung dieser Effekte führte zu einen vorzeigbaren Ergebnis.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Simulation des HVOF-Prozesses und Vergleich gemessener Stahlungsintensitäten mit simulierten Temperaturen im Freistrahl“. In: Tagungsband zur 8. Industriefachtagung „Oberflächen- und Wärmebehandlungstechnik“ und zum 12. Werkstofftechnischen Kolloquium, 2009, S. 378-383
K. Bobzin, N. Bagcivan, D. Parkot, M. Schäfer
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“Mathematical modelling and simulation of a kerosene driven HVOF-Process”. In: Proc. of the ITSC, 2010, S. 350-355
K. Bobzin, N. Bagcivan, M. Schäfer
