Prozesssimulation zur Beschreibung fluider Abschreckvorgänge

Es wird ein Prozesssimulationsansatz zur Berechnung der Strömungsstruktur und des Wärmeübergangs sowie des Materialverhaltens während des Abschreckprozesses metallischer Bauteile in Flüssigkeiten anhand eines siedephasenübergreifenden Modells entwickelt. Dabei werden, basierend auf thermischen und mechanischen Gleichgewichtszusammenhängen Kriterien abgeleitet, anhand derer lokal überprüft wird, ob und in welchem Maße Verdampfung oder Kondensation auftritt. Auf diese Weise stellen sich zeitabhängig charakteristische Verteilungen der Dampfphase ein, so dass die Siedephasen des Filmsiedens, Blasensiedens sowie der Konvektionsphase abgegrenzt werden können. Innerhalb der einzelnen Siedephasen können die lokalen Wärmeübergänge abgebildet werden. Für parallel umströmte zylindrische Bauteile wird der aus dem instationären Strömungsfeld resultierende Abkühlverlauf im Bauteil für verschiedene Anströmgeschwindigkeiten ermittelt. Der Vergleich zwischen Abschreckexperiment und Strömungssimulation zeigt, dass die zeit- und ortsabhängige Abfolge der Siedephasen und die lokalen Abkühlverläufe im Körper in guter Übereinstimmung wiedergegeben werden. In einem weiteren Auswertungsschritt ermöglicht das siedephasenübergreifende Simulationsmodell die Analyse zusätzlicher Größen, die experimentell nicht oder nur sehr aufwändig erfassbar sind. So können der Verlauf der Leidenfrosttemperatur sowie zeitabhängige, lokale und flächengemittelte Wärmeübergangskoeffizienten an der Bauteil-oberfläche während des instationären Abschreckprozesses bestimmt werden. Die aus der Simulation erhaltenen Wärmeübergangskoeffizienten werden als zeit- und ortsabhängige Randbedingungen verwendet, um die im Werkstück resultierenden Temperatur-verteilungen sowie die sich daraus ergebenden Härteverlaufe zu berechnen, die den experimentell bestimmten Werten gegenübergestellt werden.

Bearbeitung: IWT-WT
Förderung: BMWi-AiF/AWT (FA 11)

Das IGF-Vorhaben 16371 der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der vollständige Abschlussbericht kann auf Anfrage an info@awt-online.org zur Verfügung gestellt werden