CFD-Beispiel 2: Unterexpandierte Freistrahlen bei der Metallschmelzenzerstäubung

Bei der Metallschmelzenzerstäubung wird im ersten Prozeßschritt ein kontinuierlich zufließender, freifallender Schmelzestrahl durch konzentrisch angeordnete Gasstrahlen zerstäubt.  Ausgehend von der Freistrahlströmung wird das Ausbreitungsverhalten der stoßbehafteten, unterexpandierten Gasstrahlen mit numerischen Methoden analysiert und die Wirkung der Strahlenbündel auf den Desintegrationsvorgang beschrieben.

Bild 1: 3D Simulaton der Stosszelleninteraktion im Vergleich mit Schlierenbild

Bei unterexpandierten Freistrahlen wird der Vordruck (üblicherweise 5 bar) nicht vollständig in der Düse abgebaut, sondern es herrscht im Austritt ein höherer Druck als in der Umgebung. Bild 1 zeigt die entstehende Stoßzellenstruktur beim Druckabbau einer interagierenden Mehrstrahlanordnung mit numerisch berechneten Dichtekonturen und einem Schlierenbild als Vergleich. Bei der Berechnung handelt es sich aufgrund der Strahlanordnung um eine 3D Analyse, turbulent, kompressibel mit Verdichtungsstößen.

Bild 2: Vergleich mit Simulation LDA-Messungen

Bild 2 zeigt LDA-Messungen und numerisch berechneten Geschwindigkeiten in einem unterexpandierten Einzelfreistrahl. Lage der Stoßzellen und Geschwindigkeiten im Fernfeld stimmen sehr gut überein. Die der Strömung zugeführten Tracer bei der LDA-Messung sind aufgrund ihrer Trägheit nicht in der Lage, der Geschwindigkeit vollständig zu folgen. Somit stimmen die numerischen berechneten starken  Schwankungen der Geschwindigkeit mit der Realität überein. 

Bild 3: Anordnung in der Zerstäuberdüse

Bild 3 zeigt eine Strahlanordnung bei der Zerstäubung. Dargestellt ist eine unterexpandierte Konfiguration mit Stroßzellen links und der ideal expandierte Zustand aus einer Lavalähnlichen Düse rechts. Die Simulation zeigt, daß in der ideal expandierten Anordnung die Geschwindigkeit im Zerstäubungsbereich deutlich erhöht sind und damit der Gasverbrauch erheblich reduziert werden kann. Dies wird durch Experimente bestätigt.

Weitere Informationen:

U. Heck

Zur Zerstäubung in Freifalldüsen, Dissertation, VDI-Verlag Reihe 7, Nr. 348, Düsseldorf, 1998

U. Heck, U. Fritsching,  K. Bauckhage

Gas flow effects on twin –fluid atomization of liquid metals, Atomization and Sprays, Vol. 11, p.25-46, 2000