FLOWSICONS

Projektbeschreibung

Motivation: Ein bis heute ungelöstes Problem in der Erstarrungsphysik ist die Einflussnahme der Strömung auf die Erstarrungsstruktur und auf Seigerungen. Ein Projekt namens MICAST wird derzeit von der European Space Agency (ESA) unterstützt, um die Interaktionen zwi-schen Schmelze und Festkörper im interdendritischen Gebiet zu verstehen. Für entspre-chende Untersuchungen werden Experimente, die im ‚Materials Science Laboratory‘ auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt werden, herangezogen. Gerichtete Erstar-rungsexperimente mit Aluminiumlegierungen wurden durchgeführt, und müssen weiter durchgeführt und mit numerischen Methoden abgeglichen werden. Aufgrund seiner Expertise wurde der Antragsteller vor kurzem als vollwertiges Mitglied im MICAST Projekt aufgenom-men. Stand der Technik: Die Herausforderung bei der Modellierung der oben genannte Problem-stellungen, liegt in der Kopplung von Phänomenen die auf unterschiedlichen Längenskalen (Mikro/Makro) stattfinden. Der derzeitige Trend versucht beide Längenskalen mittels der „Vo-lume-average“ Methode zu verknüpfen. Basierend auf dieser Methode war es in letzter Zeit möglich, signifikante Erkenntnisse und Weiterentwicklungen zu erzielen. Eines der vielver-sprechendsten Weiterentwicklungen der letzten Zeit ist das „Five-Phase Volume-average“ Erstarrungsmodell des Antragstellers. Projektziele: Das Projekt FLOWSICONS stellt eine Ergänzung und Erweiterung zum MICAST Projekt dar. Hier wird die Interaktion zwischen Schmelze und Festkörper mit Hilfe nu-merischer Methoden behandelt. Entsprechende Erkenntnisse dienen zur Analyse der µg Resultate und zur optimierten Auslegung der Versuchsanlage auf der ISS. Methoden: Das „Five-Phase Volume-average“ Erstarrungsmodell soll erweitert werden, so-dass quantitativ präzise Aussagen in der Mushy-Zone getroffen, elektromagnetische Wech-selwirkungen in der Schmelze behandelt und ternäre Systeme beschrieben werden können. Zudem soll eine Validierung der erhaltenen Rechenergebnisse mit den Messergebnissen der ISS erfolgen und eine Parameterstudie zur Untersuchung des Einfluss diverser Parameter auf die Interaktion zwischen Schmelze und Erstarrung durchgeführt werden. Erwartete Ergebnisse: (i) Numerische Reproduzierung der Messergebnisse der ISS Experi-menten mit und ohne elektromagnetischen Feldern; (ii) vertiefende Erkenntnisse zur Ausbil-dung von Makroseigerungen; (iii) Vertiefung des Verständnisses zwischen der Interaktion von konvektiver Strömung und dem Wachstum der Erstarrungsstruktur; (iv) Erbringung von Vorschlägen zur Optimierung des Experimentdesigns auf der ISS. Innovationen: Folgende Erweiterungen sollen unter Verwendung der „Volume-average“ Me-thode im Erstarrungsmodelle implementiert werden: (i) Tracking der kolumnaren Front; (ii) realitätsnahe Beschreibung der Dendritenumhüllenden und (iii) Erweiterung für thermodyna-mische Ungleichgewichtsbetrachtung in der Mushy-Zone. Das globale Ziel, um die Interaktion zwischen Schmelze und Festkörper quantitativ exakter zu beschreiben, stellt eine wichtige Innovation für die Erstarrungsphysik dar und hat weitreichende technische Bedeutung.

Abstract

Motivation: An unresolved problem in solidification physics is the effect of fluid flow on the formation of the microstructure and macrosegregation in the cast products. A project called MICAST was established by the European Space Agency (ESA) to investigate the interden-dritic flow and its interaction with the growing microstructure with the help of well-controlled experiments in Materials Science Laboratory aboard of the International Space Station (ISS). Unidirectional solidification experiments based on alloys of Al-Si-series were performed. The experimental studies need to be continued and incorporated with numerical modelling works. Therefore, the applicant is recently invited as full partner to use their sophisticated numerical method to study the flow-solidification interaction. State-of-the-art: The main challenge in modelling the flow-solidification interaction lies in the demand on bridging the length scales. A trend for modelling solidification considering both the flow and the solidification kinetics at different length scales is to use the volume-average approach. With the contributions of different international research groups, significant devel-opments in this field were made in last decades. A five-phase volume-average based solidifi-cation model, the most recent one of this kind, was proposed by the current applicant. Goal of the project: This proposal FLOWSICONS complements the MICAST project to inves-tigate the flow-solidification interaction using numerical method; to get deep knowledge about the formation of the microstructure and macrosegregation under controlled convective condi-tions; to assist MICAST project to optimize the experiment design aboard of ISS. Method: (i) The existing five-phase volume-average based solidification model is subject to refinements for dealing with the mushy region more precisely, electromagnetically-controlled flow, and ternary alloy system; (ii) The model needs to be verified against the ISS and the accompanying ground experiments; (iii) A series of numerical parameter studies are required to investigate the mechanisms of the flow-solidification interaction and its influence on the formation of macrostructure and macrosegregation. Expected result: (i) Numerically ‘reproducing’ ISS experiments and some accompanying ground experiments w/o and with electromagnetic field; (ii) Improved understanding of the macrosegregation mechanism; (iii) Improved understanding of the influence of forced flow on microstructure formation; (iv) Suggestion for optimization of the experiment design aboard of ISS. Level of innovation: Following modelling features/abilities would lead the field of solidification models based on volume-average approach: (i) columnar-tip tracking, (ii) considering more natural shape of the dendritic envelope; (iii) non-thermodynamic equilibrium of the mushy region. The ability to describe the flow-solidification interaction in quantitative manner would go beyond the state-of-the-art in the solidification research field and is of great technological importance.