Análisis y simulación del modelo térmico y viscoso del proceso de melt spinning
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Universidad Industrial de Santander
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Description
The Melt Spinning process is used for the manufacture of thin ribbons of amorphous materials. The material is injected through a nozzle in the liquid state and solidifies upon contact with a rotating wheel. In this work, we intend to find a computerized simulation of OpenFOAM® with a thermal profile of the material from its ejection through the nozzle to the conformation of the tape itself. A two-phase model of the "Volume of Fluids" (VOF) type is used. Although neither of the two fluids (molten metal and air) can be considered compressible for the working pressures, a compressible nature resolver is used. This allows to represent the changes of density in the air by temperature changes and to define a thermo-physical model for the alloy, not available in resolvers of incompressible nature. For this, it is considered an alloy of constant thermal conductivity, specific heat and density. The phase change is represented by a model that relates viscosity (μ) to temperature (𝑇) in which the viscosity increases several orders of magnitude when the material passes below the crystallization temperature. Among the options of viscous models offered by OpenFOAM®, a polynomial model whose coefficients were determined after expanding the relation μ = -𝑎 (𝑇 -𝑇 *) 7 + μ * is selected. Using OCTAVE, the values of the coefficient 𝑎, 𝑇 * and μ * were modified until an adjustment curve [1] was obtained with the expansion of the function to obtain the final coefficients of the polynomial within the temperature range of 600 to 1700ºC
El proceso de Melt Spinning es utilizado para la fabricación de cintas delgadas de materiales amorfos. El material se inyecta a través de una boquilla en estado líquido y se solidifica al entrar en contacto con una rueda rotante. En este trabajo se pretende encontrar mediante simulación computacional realizada con OpenFOAM® un perfil térmico del material desde su eyección por la boquilla hasta la conformación de la cinta propiamente dicha. Se utilizaun modelo de dos fases del tipo “Volume of Fluids” (VOF). A pesar de que ninguno de los dos fluidos(metal fundido y aire) puede considerarse compresible para las presiones de trabajo se utiliza un resolvedor de naturaleza compresible. Esto permite representar los cambios de densidad en el aire por cambios de temperatura y definir un modelotermo-físico para la aleación, no disponible en resolvedores de naturaleza incompresible. Para esto, se considera una aleación de conductividad térmica, calor específico y densidad constantes. El cambio de fase es representado por un modelo que relaciona viscosidad (𝜇) con temperatura (𝑇) en el cual la viscosidad crece varios órdenes de magnitud cuando el material pasa por debajo de la temperatura de cristalización. Entre las opciones de modelos viscosos que ofrece OpenFOAM®, se selecciona un modelo polinómico cuyos coeficientes fueron determinados luego de expandir la relación 𝜇 = −𝑎(𝑇 −𝑇∗)7 +𝜇∗. Utilizando OCTAVE se modificaron los valores del coeficiente 𝑎, 𝑇∗ y 𝜇∗ hasta lograr una curva de ajuste [1]con la expansión de la función para obtener los coeficientes finales del polinomio dentro del rango de temperaturas de 600 a 1700ºC.
El proceso de Melt Spinning es utilizado para la fabricación de cintas delgadas de materiales amorfos. El material se inyecta a través de una boquilla en estado líquido y se solidifica al entrar en contacto con una rueda rotante. En este trabajo se pretende encontrar mediante simulación computacional realizada con OpenFOAM® un perfil térmico del material desde su eyección por la boquilla hasta la conformación de la cinta propiamente dicha. Se utilizaun modelo de dos fases del tipo “Volume of Fluids” (VOF). A pesar de que ninguno de los dos fluidos(metal fundido y aire) puede considerarse compresible para las presiones de trabajo se utiliza un resolvedor de naturaleza compresible. Esto permite representar los cambios de densidad en el aire por cambios de temperatura y definir un modelotermo-físico para la aleación, no disponible en resolvedores de naturaleza incompresible. Para esto, se considera una aleación de conductividad térmica, calor específico y densidad constantes. El cambio de fase es representado por un modelo que relaciona viscosidad (𝜇) con temperatura (𝑇) en el cual la viscosidad crece varios órdenes de magnitud cuando el material pasa por debajo de la temperatura de cristalización. Entre las opciones de modelos viscosos que ofrece OpenFOAM®, se selecciona un modelo polinómico cuyos coeficientes fueron determinados luego de expandir la relación 𝜇 = −𝑎(𝑇 −𝑇∗)7 +𝜇∗. Utilizando OCTAVE se modificaron los valores del coeficiente 𝑎, 𝑇∗ y 𝜇∗ hasta lograr una curva de ajuste [1]con la expansión de la función para obtener los coeficientes finales del polinomio dentro del rango de temperaturas de 600 a 1700ºC.
Keywords
Melt Spinning, OpenFOAM®, Melt Spinning, OpenFOAM®