Numerical modeling of incompressible flow applied to casting processes

Neises, Jürgen; Sahm, Peter R.

doi:HT013231343

Numerical modeling of incompressible flow applied to casting processes

Neises, Jürgen (Author)

2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jürgen Neises

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

Umfang125 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Sahm, Peter R. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-06-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2026
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56729/files/Neises_Juergen.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Gießen (frei) ; Formfüllung (frei) ; Inkompressible Strömung (frei) ; Finite-Elemente-Methode (frei) ; Finite-Volumen-Methode (frei) ; Numerisches Modell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Moderne Gießverfahren ermöglichen eine formgenaue Herstellung von Teilen komplexer Geometrie. Formfüllung ist von spezieller Bedeutung, da hier viele Eigenschaften des Gußstücks bestimmt werden. Für die Fertigung von Bauteilen in hoher Qualität und kleinen Stückzahlen ist somit die numerische Simulation ein unverzichtbarer Bestandteil einer effektiven Fertigungskette. Das Simulationsprogramm CASTS basiert auf Finiten Elementen (FE). In den letzten Jahren wurde ein Ansatz entwickelt, der die mathematischen Vorteile der Finiten Elemente mit den technischen Vorteilen der Finiten Volumen (FV) verbindet. In dieser Arbeit wird ein Strömungslöser für die FE/FV Methode entwickelt. Dieser basiert auf einer Approximation erster Ordnung für Geschwindigkeiten und Druck, so daß eine Stabilisierung nötig ist. Dazu werden Bubble Funktionen und statische Kondensation in die FE/FV Methode eingeführt und Differenzensterne für die Bubble-Einträge hergeleitet. Für hohe Reynolds-Zahlen wird die ermittelte Stabilisierung durch eine druckstabilisierende Petrov-Galerkin Methode limitiert. Die stabilisierte FE/FV Methode wird an Strömungstests validiert und auf Formfüllung angewendet. Die freie Oberfläche wird mit einer Phasenfeld-stabilisierten Volume-of-Fluid (VoF) Methode modelliert. Resultate für ein T-Stück zeigen eine kompakte Front und plausible Druck- und Geschwindigkeitsfelder. Füll- und Strömungsmuster für den „MCWASP Benchmark 1995” stimmen weitgehend mit den experimentellen Resultaten überein.

Modern casting processes allow the precise production of parts with complex shapes. Especially mold filling is of importance, since many features of the cast part are determined in this stage of the process. Concerning the manufacturing of complex industrial parts with high quality even in small numbers, a reliable and predictive numerical simulation is an inevitable part of the production chain. The simulation program CASTS is based on finite element (FE) approximations. Recently a hybrid approach was developed combining the mathematics of finite elements with the technical advantages of the finite volume (FV) method. In this work a flow solver for the hybrid FE/FV method has been developed. This solver is based on an approximation of velocity and pressure of first order. Thus a stabilization is necessarily required. Hence bubble functions and static condensation are introduced into the FE/FV method. This way discrete bubble stencils are derived. The obtained bubble stabilization is limited for high Reynolds numbers by a conventional pressure stabilizing Petrov-Galerkin method. The stabilized FE/FV method is validated on several flow problems and applied to mold filling. The free surface is modeled using a phase field stabilized volume of fluid (VoF) method. Results on a T-branch test show a compact front and reasonable velocity and pressure fields. The fill and flow pattern on the 'MCWASP Benchmark 1995' widely agree with the experimental results.

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