Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer Wechselfelder

• Main Author: Beckstein, Pascal
• Other Authors: Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden 2018
• Subjects: Metallurgie; Kristallzüchtung; Elektroprozesstechnik; elektromagnetisches Prozessieren; Optimierung; Simulation; RGS; Ribbon-Growth on Substrate; freie Oberfläche; Interface-Tracking; Induktion; metallurgische MHD; MHD; Magnetodynamik; Hydrodynamik; Thermodynamik; Magnetohydrodynamik; OpenFOAM; foam-extend; Methodenentwicklung; Softwareplattform; Numerische Methoden; Strömung mit freier Oberfläche; Metalle; Halbmetalle; Silizium; Wafer; 3D; METIS; FVM; Finite-Volumen-Methode; elektromagnetische Wechselfelder; zeitharmonische Anregung; Frequenzraum; Blockmatrizen; diskontinuierliche Materialeigenschaften; magnetische Permeabilität; elektrische Leitfähigkeit; eingebettete Diskretisierung; GFM; Ghost-Fluid-Methode; Mehrfeldproblem; Multi-Physics; Biot-Savart; Biot-Savart-Gesetz; Biot-Savart-Induktoren; überlagerte Gitter; ALE; Gitterbewegung; Kopplung; FAM; Finite-Flächen-Methode; RMF; rotierendes Magnetfeld; TMF; wanderndes Magnetfeld; Validierung; Maxwell; Maxwell-Gleichungen; Navier-Stokes; Navier-Stokes-Gleichung; inkompressibel; Schmelze; Lorentz-Kraft; Induktor; Konduktor; Induktionsspulen; Wirbelströme; Wirbelstromproblem; PISO; Oberflächenspannung; semi-gekoppelter Lösungsalgorithmus; Diskretisierung; Skineffekt; AC; quasistatische Approximation; Magneto-Quasistatik; metallurgy; crystal growth; electromagnetic processing; optimization; free-surface; interface-tracking; Induction; metallurgical MHD; magnetodynamics; hydrodynamics; thermodynamics; magnetohydrodynamics; method development; software platform; numerical methods; free-surface flow; metals; metalloids; silicon; wafer; Finite-Volumen-Method; oscillating magnetic fields; time-harmonic excitation; frequency domain; block-matrices; discontinuous material properties; magnetic permeability; electrical conductivity; embedded discretization; Ghost-Fluid-Method; multi-physics; Biot-Savart-inductor; overlapped meshes; mesh movement; coupling; Finite-Area-Method; rotating magnetic field; traveling magnetic field; validation; Maxwell-equations; Navier-Stokes-equation; incompressible; melt; melt flow; Lorentz-force; inductor; conductor; induction coil; eddy-currents; eddy-current problem; surface-tension; semi-coupled solution; discretization; skin effect; quasi-static approximation; ddc:620; rvk:UF 4600
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-232474; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-232474; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/23247/Dissertation_Beckstein_Web.pdf

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.