Observation of Flow Phenomena during Dendritic Solidification

Titel in Übersetzung: Beobachtung von Strömungsphänomenen während der dendritischen Erstarrung

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In der vorliegenden Dissertation wird „Beobachtung von Strömungsphänomenen während der dendritischen Erstarrung“ einer übereutektischen Ammoniumchloridlegierung in einem homogen gekühlten rechteckigen Behälter vorgestellt. Das Hauptziel dieser These ist es, hochwertige experimentelle Vergleichswerte mit gut überwachten thermischen Rahmenbedingungen für weitergehende numerische Simulationen, zu erhalten. Die Behältertemperatur wurde über Thermoelemente gemessen, die in den Seitenwänden und am Boden des Behälters angebracht waren. Ein großes Interesse galt der Charakterisierung der Strömung während der Erstarrung und dabei insbesondere der Wechselwirkung zwischen Strömung und dendritischer Erstarrungsstrukturen. Zusätzlich wurde die Relation zwischen teilerstarrtem Volumen und Volumen in dem sich ausschließlich Schmelze befindet, als Funktion der Zeit dokumentiert. Der Neuigkeitswert diese Arbeit liegt in der Verwendung der dualen Particle Image Velocimetry Technik. Damit konnte gleichzeitig die Strömung in der Schmelze und die Bewegung der gleichachsigen Kristalle untersucht werden. Verschiedene Strömungsmuster wurden beobachtet, wobei die Geschwindigkeiten der Schmelze und der gleichachsiger Kristalle gleichzeitig extrahiert wurden. Zu Beginn des Abkühlungsvorganges bildete sich ein stabiles Konvektionsmuster aus. Wenn der solutale Auftrieb die Konvektionsströmung destabilisiert, bilden sich mehrere chaotische Strömungszellen. Die Strömung ändert sich dabei von einer zweidimensionalen in ein dreidimensionale Turbulenteordnung. Diese Strömung wird allmählich durch eine horizontale geschichtete Ordnung, einer sogenannten Mäanderströmung, ersetzt. Mehrere Schichten alternierender Strömungsrichtung, die sich über die gesamte Behälterbreite erstrecken, wurden dabei beobachtet. Die Mäanderströmung stellte sich als ein neues Strömungsphänomen heraus, das auftritt, wenn durch Erstarrung eine doppelt diffusive Konvektion ausgelöst wird. Die in den meisten Experimenten beobachteten Erstarrungsformen waren hauptsächlich von den Seitenwänden wachsende stängelförmige Dendriten. Da diese Experimente eine hohe Reproduzierbarkeit aufweisen, sind sie besonders zur Validierung numerischer Modelle geeignet. Unter bestimmten Bedingungen wurde vermehrtes Auftreten und Absinken von gleichachsigen Kristallen aus der Schmelze beobachtet und manchmal traten auch aufsteigende Strömungskanäle im Zweiphasengebiet, sogenannte „freckels“ auf. Weiters wurde bestätigt, dass bei hoher Geschwindigkeit von Strömung und Erstarrungsfront, gleichachsige Kristalle auftreten. Darüber hinaus wurde ein Zusammenhang zwischen der Stärke der Strömung und dem Auftreten von gleichachsigen Kristallen hergeleitet: Wenn gleichachsige Kristalle in großer Menge entstehen, dann hat die kinetische Gesamtenergie der Strömung ein lokales Maximum. Die Analyse der Ergebnisse deutet stark auf Fragmentierung, als Ursprung für die Kristalle hin. Daher wurde ein Kopplungsmechanismus zwischen der Hydrodynamik, der Entstehung und dem Wachstum der gleichachsigen Kristalle vorgeschlagen. In den Experimenten, in denen gleichachsige Kristalle beobachtet wurden, wurde die Relativgeschwindigkeit der einzelnen Kristalle abhängig von den Bewegungsrichtungen bestimmt. Der Zusammenhang zwischen der Relativgeschwindigkeit und dem Durchmesser der Kristalle folgt einem Potenzgesetz. Außerdem wurden in einem großformatigen Behälter spektakulärer, lawinenartige Abgänge des seitlichen Zweiphasengebietes beobachtet. Diese Art der Bewegung entsteht, wenn großräumig die stängelförmigen Dendriten aufschmelzen/abbrechen und große Teile des Zweiphasengebietes lawinenartig zum Behälterboden sinken. Dies führte zu auffälligen Schichten gleichachsiger Kristalle am Behälterboden. Dieses Phänomen könnte der Ursprung, der in großen Industriegussteilen häufig beobachteten Seigerungszonen, sein.
Titel in ÜbersetzungBeobachtung von Strömungsphänomenen während der dendritischen Erstarrung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schumacher, Peter, Beurteiler B (intern)
  • Ludwig, Andreas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Erstarrung
  • Strömung
  • Turbulenz
  • natürliche Konvection
  • stängelig
  • gleichachsige Kristalle
  • Macroseigerung
  • Ammoniumchlorid
  • Zweiphasengebiet
  • Freckels
  • Particle Image Velocimetry

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