Experimentelle Untersuchung der Strömung in einem komplexen Kraftfeld mit Induktionsheizung - FLOWHEAT

• Antragsteller: Dr. Kaspars Dadzis; Dr. Olf Pätzold
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 584692867

Das Ziel des Projektes ist die Erlangung detaillierter Kenntnisse über die Strömung in induktiv beheizten Schmelzen als Schlüssel für ein fundamentales Verständnis des Wärme- und Stofftransports bei einer Vielzahl von metallurgischen und Kristallzüchtungsprozessen. Die Schmelzströmung bei diesen Prozessen wird durch ein komplexes Kraftfeld bestehend aus Kontakt- und Volumenkräften bestimmt. Diese stehen im Zusammenhang mit dem lokalen Wärmeeintrag und der Lorentzkraft an den Grenzflächen der Schmelze aufgrund der HF- Heizung, sowie mit der freien Schmelzoberfläche in Kontakt mit einer Gasphase und mit den Grenzflächen der Schmelze in Kontakt mit temperatur-kontrollierten und/oder rotierenden, festen Wänden einschließlich fest-flüssig Phasengrenzen. Die Kombination dieser Phänomene definiert eine neue Klasse fluiddynamischer Probleme. In diesem Projekt werden Fluidströmungen in komplexen Kraftfeldern einschließlich HF-Induktion auf der Grundlage des Konzepts der experimentellen Strömungsmodellierung bei niedrigen Temperaturen <100°C adressiert. Dieser Ansatz beinhaltet die Entwicklung von Modellaufbauten für die experimentelle Untersuchung von Schmelz- und Gasströmungen. Die am IKZ entwickelte Si-GC-Technik wird als Referenzaufbau für die Modellexperimente dienen, weil diese Methode viele projektrelevante Strömungssituationen kombiniert. Ga-Verbindungen mit niedrigem Schmelzpunkt werden als Modellsubstanzen für die Schmelze verwendet. Der Einfluss der HF-Induktion wird auf niedrigere Frequenzen skaliert, wobei die typische Lorentzkraftverteilung bei reduzierter Induktionswärme erhalten bleibt. Für die Untersuchung und Visualisierung der resultierenden Strömungsstrukturen werden Ultraschallverfahren verwendet, die 2D Strömungsmessungen und moderne Methoden der Signalverarbeitung einschließen. Die Gasströmung wird mittels eines transparenten Fluids in einem Brechungsindex-angepassten Modellaufbau untersucht. Für 2D Untersuchungen der globalen Strömungsstruktur wird die Particle Image Velocimetry (PIV) verwendet. Im Ergebnis der Modellexperimente werden Referenzfälle definiert, um die beobachteten Strömungsphänomene zu beschreiben und im Hinblick auf Kräftegleichgewichte und Stabilitätsdiagramme zu kategorisieren. Außerdem werden die Fluidströmungen mit dem Finite Volumen-Programm OpenFOAM numerisch berechnet, um das Verständnis der beobachteten Strömungsmuster in 3D zu verbessern. Die Definition von Referenzfällen zielt auf die fehlende Verbindung zwischen der experimentellen und numerischen Modellierung und kann als ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von validierten numerischen Modellen für die Strömungssimulation angesehen werden. Dieser Ansatz wird zu einem besseren Verständnis der fundamentalen Strömungsphänomene und des damit verbundenen konvektiven Wärme- und Stofftransports im adressierten Zweig der Fluiddynamik führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Sven Eckart; Professor Dr.-Ing. Christian Kupsch