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Titelaufnahme

Titel
Multiscale experimental investigations of flow pattern and slag interaction in a bubble stirred water basin during unsteady operation / eingereicht von DI Bernhard König
VerfasserKönig, Bernhard
Begutachter / BegutachterinPirker, Stefan ; Ludwig, Andreas
ErschienenLinz, März 2016
Umfang195 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Blasensäule / Alternierende Beaufschlagung / Schlackeneinzug / Durchmischungspotential / Erosion / Sekundär Metallurgie / Pfanne
Schlagwörter (EN)bubble column / alternating airation / slag entrainment / mixture potential / refractory erosion / ladle stirring
Schlagwörter (GND)Blasensäule / Schlacke / Mischen / Erosion / Stahlveredelung
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-8565 Persistent Identifier (URN)
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Multiscale experimental investigations of flow pattern and slag interaction in a bubble stirred water basin during unsteady operation [104.37 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

This work presents experimental investigations of unsteady multi-phase flow phenomena in a rectangular air stirred water vessel which is intended to model metallurgical ladles with bottom stirring. The investigations focuses on the influence of the alternating frequency of two spatially separated aeration plugs on (I) the global flow field, (II) the turbulence pattern, (III) the efficiency of homogenisation, and (IV) the potential of wall erosion. Multiphase flow data are obtained by in-plane Particle Image Velocimetry (PIV) and advanced image processing techniques for efficient phase discrimination. In addition to the global mean flow observations further information on the unsteady behaviour of turbulent vortices at intermediate scale is yielded by an embedded measurement approach. Within this multi-scale concept, a smaller sub-region of the observation plane is monitored by a second simultaneous operating PIV system with higher temporal and spatial resolution. In order to asses turbulent flow characteristics, mixing parameters, and the erosive potential, a numerical toolbox has been developed. As the experiments are intended to be used as validation basis for CFD models this toolbox is designed to analyse arbitrary flow fields -stemming from either experiments or numerical simulations- with respect to e.g. turbulent energy distribution, turbulent scales, energy spectra, vortex detection and tracking, local velocity decomposition, etc. Furthermore, to evaluate the vessel's mixture characteristic a new mixture potential is introduced and validated which is solely based on the velocity flow-field information. In a second step the differences of these parameters with respect to the presence or absence of an overlaying third phase (oil) at various input-parameter combinations are investigated. The scaling of the oil which substitutes the slag is performed via Laplace similarity. In a final stage further implications of this slag layer (like open-eye formation or slag entrainment phenomena) and their sensitivity to the alternation frequency and gas rate are explored. Therefore, oil entrainment depths as well as the oil droplet depth occurrence probabilities and spatial distributions are analysed based on optical methods and sophisticated image processing techniques. The characteristics of the formation and closing of an open-eye with respect to the input parameters are studied and procedures for an eye reduction of up to 62% are presented.

Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit experimentellen Untersuchungen von unstetigen Mehrphasenströmungsphänomenen in einer mit Wasser gefüllten rechteckigen Blasensäule. Diese Blasensäule soll eine metallurgische Pfanne mit Bodenspülung abstrahieren. Die Untersuchungen fokussieren sich dabei auf den Einfluss der Umschaltfrequenz zwischen zwei räumlich getrennten Spülsteinen hinsichtlich des (I) globalen Strömungsfeldes, (II) der entstehenden Turbulenzmuster, (III) der Homogenisierungseffizienz und (IV) des Wanderosionspotentials. Daten der Mehrphasenströmung werden mittels zwei-dimensionaler Particle Image Velocimetry (PIV) Verfahren akquiriert und die einzelnen Phasen mit mehrstufigen Bildbearbeitungstechniken effizient separiert. Zu\-sätzlich zu den Untersuchungen des globalen Geschwindikeitsfeldes wurden weitere Messdaten innerhalb einer kleineren Region derselben Messebene mit höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung aufgenommen. Dieser Mehrskalenansatz beinhaltet ein weiteres synchron oper\-ierendes PIV System welches das Verhalten unstetiger Wirbel mittelkleiner Skalen aufzeichnet. Um die turbulenten Strömungscharakteristika, Durchmischungsparameter und das erosive Potential auswerten zu können, wurde eine numerische Software entwickelt welche Geschwindigkeitsfelder unabhängig von ihrer Generierung (experimentell oder mittels Simulation) analysieren kann. Die Analysen beinhalten dabei z.B. die örtliche Verteilung der turbulenten Energie, die turbulenten Skalen, das Energiespektrum, Wirbelerkennung und Verfolgung, lokale Geschwindigkeitsdiskriminierung, usw. Um eine fundierte Aussage der Behälterdurchmischung lediglich aufgrund von 2d Strömungsfeldern tätigen zu können wurde ein neues Durchmischungspotential eingeführt und mit separaten Experimenten validiert. Im zweiten Teil wurde der Einfluss einer weiteren, dritten, Phase (Öl) auf die analysierten Parameter in Abhängigkeit verschiedener Gasraten und Umschaltfrequenzen untersucht. Die Skalierung des Öls, welches die Schlackenphase substituiert, wurde mittels Laplace Ähnlichkeit erreicht. Im finalen Teil wurden schließlich weitere Implikationen der Schlackenphase, wie z.B. das erzeugte Spülauge oder Schlackeneinzug, hinsichtlich ihrer Sensitivität auf Gasrate und Umschaltfrequenz untersucht. Dafür wurden die Öl-Einzugstiefe, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Öltropfen bezüglich deren Tiefe und deren räumliche Verteilung mittels optischer Methoden und komplexer Bildbearbeitung gemessen. Weiters wurde die Charakteristik des Spülauges bezüglich der Eingangsparameter untersucht und Prozeduren für eine Spülaugenreduktion von bis zu 62% präsentiert.