Numerical Modeling of Aluminum Sampling Process

• Main Author: Yang, Ming
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Materialvetenskap 2019
• Subjects: Numerical modeling; Aluminum sampling; Solidification process; Inclusion distribution; Ansys Fluent.; Materials Engineering; Materialteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-241102

Castings of aluminum alloys are widely used in the automotive and aerospace industries since they play a significant role in improving the performance and fuel efficiency. In aluminum industries, sampling is the most common method to evaluate the inclusion levels which is a key indicator for the quality of the aluminum alloys. Since how the filling process and solidification process will influence the inclusion characteristics during the sampling procedure is of great importance, the objectives of this work is to create a the two-phase flow model to simulate the filling process and solidification process, as well as calculate the particles movement in the whole sampling procedure. Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling was used and this work was performed in the software ANSYS FLUENT. A numerical two dimensional (2D) axisymmetric model was built to simulate the sampling procedure with the assumption that the filling could be done along the main axis automatically. First, the initial solidification during the filling was taken into account without particle injection. The realizable k − ε turbulence model was used to model the effects of the turbulence. Several simulations with different inlet filling rate, different initial filling temperature and different inlet diameter was calculated to see the influence on the solidification behavior. Then, the whole sampling system was modeled with particle injection. The Discrete Phase Model (DPM) was used to simulate the particle motion in the melt and the focus was on the influence of the initial solidification on the inclusion distributions. Finally, the optimal sampling position inside the aluminum sampler mold was calculated. === Gjutningar av aluminiumlegeringar används ofta inom bil-, och flygindustrin eftersom de spelar en viktig roll för att förbättra prestanda och bränsleeffektivitet. Inom aluminiumindustrin är provtagning den vanligaste metoden att utvärdera mängden inneslutningar i smältan, vilket är en nyckelindikator för kvaliteten på aluminiumlegeringarna. Eftersom både fyllnads- och stelningsprocessen kommer att påverka inneslutningskarakteristiken är provtagningsproceduren av stor betydelse. Syftet med detta arbete är att skapa en två-fasflödesmodell för att simulera fyllnings-, och stelningsprocessen, samt att beräkna partikelrörelserna under provtagningsförfarandet. Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering användes och arbetet har utfördes med mjukvaran ANSYS FLUENT. En numerisk tvådimensionell (2D) axisymmetrisk modell byggdes för att simulera provtagningsproceduren med antagandet att påfyllningen kan göras automatiskt längs huvudaxeln. Till att börja med betraktades det första stelnandet under fyllningen utan partikelinjektion. En antagen k - ε turbulensmodell användes för att modellera effekten av turbulens. Flera simuleringar med olika inloppshastighet, påfyllningstemperatur och inloppsdiametrar beräknades för att se påverkan på stelningsbeteendet. Därefter modellerades hela provtagningsmodellen med partikelinjektion. En Diskret Fasmodell (DPM) användes för att simulera partikelrörelsen i smältan och fokus var inverkan av det initiala stelnandet på inneslutningsfördelningen. Slutligen beräknades den optimala provtagningspositionen inuti aluminiumprovformen.