Modelado del flujo multifase en la producción de acero por colada continua

Abstract

En la presente Tesis se desarrollan e implementan los modelos que permiten simular el flujo multifásico que tiene lugar en el proceso de fabricación de acero por el método de colada continua. Se analizan los fenómenos involucrados y las condiciones operativas que posibilitan mejorar la calidad del acero producido. En primera instancia se propone un modelo de dos fluidos para un flujo de dos fases en régimen disperso, cuya configuración consiste en burbujas de gas en un líquido (Capí- tulo 2). La estrategia numérica se encuentra fundada en una formulación estabilizada de igual orden del método de elementos finitos (SUPG-PSPG), donde el solver es dividido de acuerdo a las diferentes fases involucradas en el cálculo, tratando a cada fase monolíti- camente (cantidad de movimiento lineal y continuidad acoplada). Este esquema evita las oscilaciones debidas a la restricción de incomprensibilidad y advección que dominan el flu- jo, como así también, las patologías numéricas relacionadas con las fuerzas de interacción entre las fases. El modelo numérico se implementa en el código computacional PETSc- FEM, elaborado en el CIMEC. Se resuelven, a manera de validación, ejemplos numéricos que demuestran la aplicabilidad del código en condiciones de régimen diluido (fracción de vacío no superior al 1 %). Por otra parte, al resolver el problema bifásico en un modelo agua-aire para la con- figuración de la cuchara siderúrgica, se ha encontrado problemas de convergencia. Estas dificultades numéricas se ven considerablemente acentuadas para fracciones de vacío eleva- das (aproximadamente 100 %), altas velocidades relativas y diferencia de densidad grande entre las fases, siendo estas condiciones las que existen en las regiones cercanas al tapón poroso en la cuchara siderúrgica. Posiblemente esta sea la razón por la cual las aplicaciones del modelo multifluido se orientan generalmente a la resolución de flujos muy diluidos. Considerando que el modelo diferencial de dos fluidos para el flujo transitorio tiene raíces características complejas y por lo tanto no está bien puesto como un problema de valores iniciales, salvo para el caso trivial de igual velocidad de fases, en el Capítulo 3 se propone una novedosa estrategia matemática que evita los inconvenientes causados por el comportamiento no-hiperbólico del modelo original. La misma está basada en el precondicionamiento de la matriz de masa y permite resolver problemas en condiciones aún más exigentes a las que existen en la cuchara siderúrgica. Se desarrolló un análisis comparativo de los resultados, para problemas de solución análitica conocida (1D), con y sin matriz de precondicionamiento obteniéndose sólo para el primer caso y en todas las situaciones la solución en el estacionario. Luego de haber implementado un modelo de dos fluidos que tiene escasa robustez e importante sensibilidad de los resultados con los coeficientes de ajuste de los modelos de los términos de interacción, en el Capítulo 4 se introduce al modelo ASMM (Algebraic Slip Mixture Model) como una alternativa valiosa para la resolución del flujo multifásico en la cuchara siderúrgica. El mismo cuenta con la robustez necesaria para las condiciones de flujo presentes en el problema. En el Capítulo 5 con la finalidad de validar el código se efectúa un estudio comparativo de los resultados numéricos obtenidos con el modelo ASMM, el modelo dos fluidos (calcu- lados por Milleli) y datos experimentales relevados por Anagbo y Brimacombe. El sistema físico resuelto consiste en un modelo agua-aire para la configuracion de la cuchara siderúr- gica. Habiéndose obtenido resultados satisfactorios en esta etapa se procedió a simular la cuchara siderúrgica. Indicadores tales como el área de apertura del ojo, la velocidad críti- ca de atrape y el número de Weber se utilizaron para predecir el atrape de escoria para diferentes caudales de inyección de argón. Finalmente en el Capítulo 6 se propone un modelo híbrido ASMM-Dos Fluidos, donde la mezcla acero-argón es resuelta a través de un modelo algebraico y la interacción entre la mezcla y la escoria es tratada haciendo uso de un modelo de dos fluidos. Este novedoso tratamiento del flujo multifásico se implementa en el código comercial CFX y tiene como finalidad obtener una herramienta que permita aplicar el modelo MUSIG - Multiple Size Group Model, que se encuentra implementado en el mismo código. Este último permite realizar el cálculo con varios grupos de partículas, gotas o burbujas de distinto tamaño a un costo computacional relativamente bajo y posibilitaría cuantificar y caracterizar a las partículas de escoria atrapadas en el acero. Con el modelo híbrido se resuelven los problemas de validación y la cuchara siderúrgica en distintas condiciones de operación, para configuraciones axisimétricas y 3D, para problemas con y sin superficie libre. De esta manera se ha logrado obtener valiosas herramientas que permiten simular las condiciones tan extremas que se encuentran en una cuchara siderúrgica y que exigen estrategias computacionales robustas y de permanente desarrollo. [Ph.D dissertation Faculta de Ingeniería y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional del Litoral]