Predstavljamo razvoj eksperimentalno potrjenega modela računske dinamike tekočin za kapljevinske mikro curke. Taki curki so proizvedeni v šobi z usmerjanjem hidrodinamske gibalne količine plina v kapljevinski tok. Numerični model, ki ga sestavljajo dvofazne stisljive Newtonske Navier-Stokesove enačbe, je rešen z metodo končnih volumnov, kjer je medfazni rob obravnavan s pristopom metode volumskih tekočin. Model mešanice dvofaznega sistema je rešen v osni simetriji z uporabo približno 300 000 končnih volumnov. Mrežna neodvisnost v bližini curka in kapljic je zagotovljena z uporabo volumskih elementov velikosti 0.25 mikrometra. Numerični model je ovrednoten s primerjavo debeline ter dolžine curka z eksperimentalnimi rezultati ter z velikostno analizo. Izkaže se, da na rezultate ne vplivajo velike spremembe v temperaturi ter viskoznosti plina medtem ko ta teče skozi usmerjevalno šobo. Razpon plinskih in kapljevinskih delovnih parametrov je numerično raziskan z razlogom boljšega razumevanja obnašanje curka. Raziskava je opravljena za plinska in kapljevinska Reynoldsova števila 17-1222 ter 110-215, ter Webrova števila v razponu med 3 in 320. Ugotovljeno je dokaj dobro ujemanje numeričnih rezultatov z eksperimentalnimi podatki ter velikostno analizo, v intervalu do sedaj še ne raziskanih delovnih parametrov. Raziskava omogoča osnovo za nadaljnje načrte šob kakor tudi optimizacijo delovnih pogojev za določene tekočine ter pline. Pojasnilo: projektna skupina je v članku kot prva objavila simulacije mikro curkov ob upoštevanju stisljivosti usmerjevalnega plina ter pokazala ujemanje z eksperimentalnimi podatki. Na podlagi tega uspeha je skupina vzpostavila dolgoročno sodelovanje z DESY, Hamburg in pridobila ekskluzivno vlogo za simulacije in virtualno projektiranje različnih mikro šob, ki se uporabljajo v femtosekundni kristalografji. S tem, in številnimi članki, ki so sledili temu pionirskemu dosežku, je bilo v Sloveniji vzpostavljeno novo, specializirano raziskovalno področje na področju vrhunskih tehnologij.
D.04 Pobuda za uvedbo novega raziskovalnega področja v Sloveniji
COBISS.SI-ID: 16174107Razvili smo dvodimenzionalni-dvonivojski model rezine za napoved razvoja temperature in mikrostrukture pri strjevanju v gredici s krožnim presekom med kontinuiranim ulivanjem jekla v podjetju Xiwang Special Steel Company Limited. Na makro nivoju uporabimo brezmrežno lokalno kolokacijsko metodo z radialnimi baznimi funkcijami (LKMRBF) za krajevno in eksplicitno Eulerjevo shemo za časovno diskretizacijo entalpijske enačbe. Temperaturno odvisnost entalpije, prevodnosti in deleža trdne faze izračunamo s programom JMatPro. Temperaturno polje interpoliramo na mikro nivo z uporabo LKMRBF. Na mikro nivoju uporabimo normalno porazdelitev za opis nukleacije in model Kurz-Giovanola-Trivedi za izračun hitrosti rasti zrn. Pri reševanju vodilnih enačb nukleacije in rasti zrn uporabimo brezmrežno metodo točkovnih avtomatov. Model smo validirali z ekperimentalnimi podatki izmerjenimi v podjetju Xiwang Special Steel Company Limited. Pojasnilo: Izsledki tega temelnega projekta so bili vgrajeni v brezmrežni simulacijski sistem, ki se praktično uporablja v veliki kitajski jeklarni. S tem je bil na šitoko odprt izvoz in praktična uporaba slovenskega znanja v globalni jeklarski industriji.
D.06 Zaključno poročilo o tujem/mednarodnem projektu
COBISS.SI-ID: 513015921Za simuliranje elektromagnetnega polkontinuirnega ulivanja aluminijevih zlitin ssmo razvili več-fizikalni brezmrežni matematični model. V modelu se uporablja formulacijo mešanice za izračun enačb za prenos mase, toplote in gibalne količine. Na ta način se simulira strjevanje aluminijevih zlitin v osnosimetričnih drogovih. Elektromagnetna indukcijska enačba je sklopljena z enačbami za tok taline in se uporabi za določitev Lorentzove sile. Parcialne diferencialne enačbe so rešene z brezmrežno metodo difuzijskih približkov. Uporabljene so polinomske oblikovne funkcije drugega reda. Izračuni so opravljeni na poddomenah s trinajstimi računskimi točkami. Za časovno korakanje je uporabljena eksplicitna numerična shema. Uporabljeni so različni robni pogoji za prenos toplote na območju hot-topa, kokile in vodnega hlajenja. Zaradi uporabe brezmrežnega pristopa in avtomatske postavitve računskih točk se je lahko na enostaven opravilo izračune za komplicirane tokovne strukture in kompleksne natočne strukture, ki vključujejo tudi ostre ter zaokrožene robove. Zaradi optimizacije računskega časa se je uporabilo časovno odvisno razporeditev računskih točk. Zmogljivost modela je predstavljena s simulacijo litja za aluminijiev drog s polmerom 120 mm. Pri izračunu so uporabljene materialne lastnosti za zlitino Al-5.25wt%Cu. Narejena je primerjava med rezultati na poenostavljeni in realistični natočni geometriji. Za različne vrednosti toka in frekvence nizkofrekvenčnega elektromagnetnega polja je preučen vpliv le tega na temperaturo, delež trdnine in tokovno strukturo. Pojasnilo: Razultati pričujočega temeljnega projekta so omogočili razvoj brezmrežnega večfizikalnega in večnivojskega modela za virtualno projektiranje nove tehnologije elektromagnetnega polkontinurnega ulivanja v aluminijski industriji IMPOL Slovenska Bistrica.
F.09 Razvoj novega tehnološkega procesa oz. tehnologije
COBISS.SI-ID: 15664923Obrazložitev: Prof. Šarler je razvil nov, konceptualno preprost brezmrežni način numerične obravnave parcialnih diferencialnih enačb na podlagi lokalne uporabe radialnih baznih funkcij ter z njim natančno in učinkovito rešil številne zapletene naravoslovne in tehnične probleme z velikim številom neznank. Ti obsegajo večfazne sisteme na več prostorskih merilih, v katerih so povezani vplivi elektromagnetnih polj z nelinearno mehaniko trdnin in turbulentno dinamiko tekočin. S tem je v svetovno zakladnico znanja prispeval izvirno in splošno uporabno numerično metodo, ki jo odlikujejo odsotnost računske mreže in krajevne integracije, številne možnosti prilagodljivosti, preprosta numerična implementacija ter uporabnost za geometrijsko zapletene oblike v različnih dimenzijah. V praksi skupaj s sodelavci pristop uspešno uporablja pri načrtovanju sistemov v velikih tujih raziskovalnih centrih ter v metalurški industriji doma in v tujini. Opisane raziskave je v zadnjih sedmih letih objavil v 30 odmevnih člankih v vodilnih znanstvenih revijah s področja razvoja in uporabe numeričnih metod. Je prejemnik več mednarodnih nagrad in priznanj ter vabljeni predavatelj na številnih mednarodnih konferencah, univerzah in inštitutih.
E.01 Domače nagrade
Članek opisuje razvoj računskega modela za vroče valjanje jekla na kontinuirni valjarni. Računski postopek je sestavljen iz rezin poravnanih v smeri valjanja. Predpostavimo deformacijo in toplotni tok samo v smeri pravokotno na smer valjanja, kjer jeklo obravnavamo kot idealni plastični material. Močno sklopljeni sistem termalnega in mehanskega modela rešujemo z novo brezmrežno lokalno kolokacijsko metodo z radialnimi baznimi funkcijami, kjer v lokalnih poddomenah za reševanje termalnega uporabimo pet in za reševanje mehanskega modela sedem računskih točk. Za oblikovne funkcije uporabimo multikvadrične radialne bazne funkcije z monomi prvega reda. Razporeditev kolokacijskih vozlišč v problemu velikih deformacij temelji na eliptični generaciji računskih točk. Nelinearne zveze rešujemo z direktno iteracijo, kjer tekom ene iteracije uporabimo linearizirane materialne lastnosti. Model verificiramo s primerjavo z analitično rešitivjo in rezultati dobljenimi z metodo končnih elementov. Predstavljena je celotna simulacija valjanja s petimi različnimi valjalniki. Rezultati vključujejo hitrost valjanja, silo separacije in navor. Prikazani sta polji odmika in temperature pri valjanju iz kvadratnega v krožni profil. Pojasnilo: Razultati pričujočega temeljnega projekta so omogočili razvoj brezmrežnega modela velikih deformacij pri valjanju za virtualno projektiranje vročega valjanja v podjetju Štore Steel - enemu največjih proizvajalcev vzmetnih jekel v Evropi.
F.09 Razvoj novega tehnološkega procesa oz. tehnologije
COBISS.SI-ID: 15624731