TuPraS: Entwicklung einer Simulationsmethode zur Turbulenzmodellierung von Prallströmungen

In kon­ti­nu­ier­li­chen Band­an­la­gen zur Wär­me­be­hand­lung von Stahl‑, Alu­mi­ni­um- und Kup­fer­band wer­den Prall­strahl­dü­sen­sys­te­me zur Auf­hei­zung und Küh­lung ein­ge­setzt. Des Wei­te­ren wer­den Prall­strahl­dü­sen­sys­te­me eben­falls in Durch­lauf­öfen für Flach­glas sowie in Trock­nungs­an­la­gen für Papier und Tex­ti­li­en ein­ge­setzt. Die Düsen­sys­te­me aus Rund- oder Schlitz­dü­sen sind gezielt auf das Band bzw. das Gut gerich­tet und erzeu­gen eine Prall­strö­mung, die einen hohen und mög­lichst homo­ge­nen Wär­me­über­gang gewährleistet.

Beim Auf­tref­fen des Strahls auf die Band­ober­flä­che ent­steht eine kom­ple­xe Strö­mungs­struk­tur, die sich in Frei­strahl, Sta­gna­ti­ons­be­reich und Wand­strahl unter­teilt. Die­se stark vari­ie­ren­den Strö­mungs­zu­stän­de füh­ren zu lokal sehr unter­schied­li­chen Wär­me­über­gän­gen. Die nume­ri­sche Model­lie­rung sol­cher Prall­strö­mun­gen stellt eine gro­ße Her­aus­for­de­rung dar, da bestehen­de Tur­bu­lenz­mo­del­le jeweils nur Teil­be­rei­che der Strö­mung zuver­läs­sig abbil­den. Eine durch­gän­gi­ge, prä­zi­se Simu­la­ti­on aller rele­van­ten Strö­mungs- und Wär­me­über­tra­gungs­phä­no­me­ne mit­tels sta­tio­nä­rer RANS-Simu­la­tio­nen ist bis­lang nicht möglich.

Ziel des Pro­jekts ist die Ent­wick­lung einer robus­ten und pra­xis­na­hen Simu­la­ti­ons­me­tho­de und damit ver­bun­de­nen Wei­ter­ent­wick­lun­gen von kon­ven­tio­nel­len Tur­bu­lenz­mo­del­len zur Erhö­hung der nume­ri­schen Genau­ig­keit und Vor­her­sa­ge­fä­hig­keit sta­tio­nä­rer RANS-Simu­la­tio­nen für Prall­stahl­strö­mun­gen. Durch die ver­mehr­te Ver­wen­dung von prä­zi­sen nume­ri­schen Simu­la­tio­nen sol­len zukünf­tig Düsen­geo­me­trien und Betriebs­pa­ra­me­ter gezielt opti­miert wer­den, um einen höhe­ren und gleich­mä­ßi­ge­ren Wär­me­über­gang bei gleich­zei­tig gerin­ge­rem Ener­gie­be­darf zu erreichen.

Effi­zi­en­te­re Düsen­sys­te­me ermög­li­chen eine höhe­re Pro­zess­sta­bi­li­tät, redu­zie­ren Betriebs­kos­ten und erwei­tern den Ein­satz­be­reich der Gas­küh­lung in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen. In vie­len Anwen­dun­gen kann dadurch auf auf­wen­di­ge­re Kühl­ver­fah­ren wie Was­ser- oder Nebel­küh­lung ver­zich­tet wer­den. Dies ist ins­be­son­de­re für die Her­stel­lung moder­ner, hoch­fes­ter Stahl- und Alu­mi­ni­um­pro­duk­te von Bedeu­tung. Da Prall­strah­len neben den metall­ur­gi­schen Pro­zes­sen auch in der Glas­in­dus­trie, Papier- und Tex­til­ver­ar­bei­tung ein­ge­setzt wer­den, bie­ten opti­mier­te, nume­risch fun­dier­te Aus­le­gungs­me­tho­den bran­chen­über­grei­fend ein gro­ßes Poten­zi­al für Ener­gie­ein­spa­run­gen, nach­hal­ti­ge Pro­duk­ti­on und eine lang­fris­ti­ge Siche­rung der Wettbewerbsfähigkeit.

Die ent­spre­chen­den Anpas­sun­gen der Tur­bu­lenz­mo­del­le wer­den in Zusam­men­ar­beit mit Merk­le CAE Solu­ti­ons ent­wi­ckelt. Am Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wär­me­tech­nik (IOB) wer­den Vali­die­rungs­mes­sun­gen mit aus­ge­wähl­ten indus­trie­na­hen Düsen­sys­te­men durch­ge­führt, anhand deren die ange­pass­ten Tur­bu­lenz­mo­del­le für die indus­tri­el­le Anwen­dung veri­fi­ziert werden.