Entwicklung und Anwendung eines neuen Verfahrens zur Berechnung turbulenter Strömungen in Induktions-Rinnenöfen

Der Induktions-Rinnenofen (IRO) ist weit verbreitet zum Schmelzen, Gießen und
Warmhalten von metallischen Schmelzen. Trotz intensiver Forschung ist es bisher
weder messtechnisch noch numerisch gelungen, eine umfassende Analyse des turbulenten Wärme- und Stoßtransports, insbesondere zwischen dem Rinnenkanal und der Schmelze im Ofengefäß durchzuführen.
Die Standzeit der feuerfesten Zustellung von IRO ist maßgeblich limitiert durch
unterschiedliche Verschleißmechanismen wie Erosion, Infiltrationen und der Bildung
von Ansätzen. Um den Wärme- und Stoßtransport im IRO zu untersuchen und eine Verbesserung des Betriebsverhaltens zu ermöglichen, ist die transiente Schmelzenströmung mittels der Large Eddy Simulation (LES) für unterschiedliche IRO berechnet worden. Die Ergebnisse wurden durch Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen in einer Modellschmelze an einem IRO im industriellen Maßstab verifiziert. Die Ergebnisse der Large Eddy Simulation zeigen hochturbulente komplexe Strömungsstrukturen im Bereich von Rinnenkanal und Düse. Wobei als antreibende Größen eine Kombination aus elektromagnetischen Kräften und thermischen Auftriebskräften auftreten. Im Bereich des Rinnenquerschnitts erzeugen Lorentzkräfte sehr intensive Wirbel mit hohen Geschwindigkeiten, während eine integrale Durchströmung maßgeblich durch den thermischen Auftrieb ermöglicht wird und die Geschwindigkeiten hier etwa eine Größenordnung geringer sind. Eine integrale Durchströmung setzt somit eine unsymmetrische Temperaturverteilung im Rinnenkanal voraus, die durch die Höhe der Übertemperatur und die Lage des Temperaturmaximums charakterisiert wird. Die integrale Durchströmung besitzt nur unbedeutenden Einfluss auf den Energietransport vom Rinnenkanal zum Ofengefäß, weitere Einflüsse werden aber in dieser Arbeit herausgestellt. In die Large Eddy Simulationen ist eine Partikelverfolgung integriert worden, mit dessen Hilfe die Bahnkurven von elektrisch nicht leitfähigen Partikeln in der Schmelze berechnet und somit Ansammlungen von Partikeln lokalisiert werden können.
Unterschiedliche Geometrien des Rinnenkanals werden numerisch untersucht, um
eine Verbesserung des Betriebsverhaltens und eine Verringerung des Verschleiß zu
erreichen.