Προσδιορισμός του συντελεστή μετάδοσης θερμότητητας στην προσομοίωση χύτευσης καθαρού αλουμινίου

Abstract

Η προσομοίωση της διαδικασίας της χύτευσης χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη βιομηχανία ως εργαλείο προς αντικατάσταση των δαπανηρών -σε χρόνο, κόπο και χρήμα - πειραμάτων, με απώτερο στόχο την παραγωγή χυτών υψηλής ποιότητας. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης εξαρτάται από το σωστό καθορισμό του προβλήματος της χύτευσης. Οι παράμετροι της αριθμητικής προσομοίωσης πρέπει να καθοριστούν με ακρίβεια προκειμένου τα αποτελέσματα που θα λάβουμε από την προσομοίωση να περιγράφουν αξιόπιστα το πραγματικό φαινόμενο. Μια πολύ βασική παράμετρος που πρέπει να καθοριστεί στην όλη διαδικασία είναι ο Συντελεστής Μετάδοσης Θερμότητας (ΣΜΘ, Heat Transfer Coefficient) στη διεπιφάνεια μετάλλου-καλουπιού. Ο ΣΜΘ περιγράφει το σύνθετο φαινόμενο της μετάδοσης θερμότητας κατά τη χύτευση. Δεν είναι μια σταθερά αλλά μεταβάλλεται κατά τη στερεοποίηση και εξαρτάται από πλήθος παραγόντων, μεταξύ των οποίων τα υλικά, οι θερμοκρασίες, οι συνθήκες χύτευσης και η γεωμετρία. Στην παρούσα Διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε πείραμα χύτευσης ακριβείας καθαρού αλουμινίου με χρήση μηχανής φυγοκεντρικής χύτευσης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, πραγματοποιήθηκε λήψη μετρήσεων θερμοκρασίας. Θερμοστοιχείο τύπου-Κ ήταν τοποθετημένο σε χαρακτηριστικό σημείο του χυτού, προκειμένου να αποκαλυφθεί ο τρόπος απόψυξης του μετάλλου καθ’ όλη τη διάρκεια της χύτευσης (στερεοποίησης και απόψυξης). Διεξήχθη πλήθος προσομοιώσεων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αποθηκεύθηκαν συστηματικά, ώστε να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον για τη δημιουργία βάσης δεδομένων αποτελεσμάτων και για την εκπαίδευση νευρωνικού δικτύου, ώστε να εξάγονται με ταχύτητα χρήσιμα συμπεράσματα. Διερευνήθηκε εκτενώς το κατά πόσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της φυγοκεντρικής χύτευσης ακριβείας, ένας συντελεστής μετάδοσης θερμότητας (ΣΜΘ) με εκθετική μορφή (htc=at^(-b)+c) . Ο ΣΜΘ της μορφής αυτής, προτείνεται από τη βιβλιογραφία για διαφορετικές, όμως, συνθήκες χύτευσης. Η μορφή αυτή, για τη συγκεκριμένη περίπτωση χύτευσης, κρίθηκε ανεπαρκής να περιγράψει το φαινόμενο. Συνεπώς, η μελέτη επεκτάθηκε στη μελέτη διαφορετικών μορφών ΣΜΘ, καταλήγοντας σε μία πρόταση ΣΜΘ, η χρήση της οποίας αποδίδει ικανοποιητικά την πραγματικότητα, όπως αυτή περιγράφεται από το πείραμα.

The use of casting simulation is widely used in modern foundry units as a tool towards the improvement of the quality of casting parts. The only competitive alternative way to achieve the production of good quality castings is the implementation of a series of casting experiments, a process which is time and money consuming. In order for the simulation results to be realistic, all input parameters (including initial conditions, boundary conditions and materials properties) should be well defined. Heat Transfer Coefficient (H.T.C) is an interfacial boundary condition that describes the way heat flows from the casting to the mould, through the metal/mould interface during the casting process. It is a parameter with a great uncertainty, since it is highly affected by a number of factors, including the metal and mould materials, the metal and mould temperatures, the casting process and the casting geometry. Moreover, the values proposed in international literature are rather few and case sensitive. The current diploma thesis is based on a pure aluminum casting experiment conducted using a centrifugal casting machine. A K-type thermocouple was embedded on the mould cavity, thus measuring the aluminum temperature history during the solidification and the cooling process. Having obtained the experimental cooling curve, numerous numerical simulations of the casting process were conducted. The objective was to reveal the effect of HTC on cooling curves and to determine a HTC value that would provide good convergence between the experimental and the cooling curve. The results of all simulations were carefully and systematically saved, in order to be used for the training of an artificial neural network in the future. According some papers of the international literarure, the HTC might be considered an exponential function of time (htc=at^(-b)+c). The question would be: is there any combination of parameters a, b and c that could be successfully used for the simulation of centrifugal casting of aluminum? Thus, one of the main objectives of the current dissertation is to provide an answer. Since an exponential HTC proves to be an unsuccessful choice, other HTC patterns are tested. Finally, one HTC that gives good agreement between experimental and numerical results, is proposed.