Projekti / Programi
NAPREDNO MODELIRANJE IN SIMULACIJA KAPLJEVITO-TRDNIH PROCESOV S PROSTIMI ROBOVI
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.01 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
Večfazni sistemi |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Plinasto-kapljevito-trdni procesi, Stefanov problem, topljenje, strjevanje, prosti in premični robovi, model faznega polja, brezmrežne metode
Raziskovalci (12)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34213 |
dr. Artem Badasyan |
Fizika |
Raziskovalec |
2017 - 2018 |
93 |
| 2. |
30833 |
dr. Umut Hanoglu |
Procesno strojništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
50 |
| 3. |
37412 |
dr. Vanja Hatić |
Procesno strojništvo |
Mladi raziskovalec |
2016 - 2018 |
43 |
| 4. |
21381 |
dr. Miha Kovačič |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
245 |
| 5. |
33584 |
dr. Qingguo Liu |
Procesno strojništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
34 |
| 6. |
36364 |
dr. Boštjan Mavrič |
Procesno strojništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
105 |
| 7. |
35031 |
dr. Katarina Mramor |
Procesno strojništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
60 |
| 8. |
15269 |
dr. Bojan Podgornik |
Materiali |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
1.130 |
| 9. |
04101 |
dr. Božidar Šarler |
Procesno strojništvo |
Vodja |
2016 - 2018 |
1.103 |
| 10. |
37775 |
mag. Nazia Talat |
Procesno strojništvo |
Tehnični sodelavec |
2016 - 2018 |
9 |
| 11. |
23018 |
dr. Robert Vertnik |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
222 |
| 12. |
37776 |
dr. Rizwan Zahoor |
Procesno strojništvo |
Tehnični sodelavec |
2016 - 2018 |
42 |
Organizacije (2)
Povzetek
Znanstveni cilji raziskovalnega projekta so osredotočeni k izboljšanemu fizikalnemu popisu in nadaljnjemu razvoju numeričnih metod za kapljevito-trdne procese ob prisotnosti prostih in premičnih mej. Fizikalno modeliranje tovrstnih procesov bo postavljeno v okvir volumsko-povprečene večfazne formulacije na makroskopskem merilu. Popis prostih in premičnih mej na mikroskopskem in makroskopskem merilu bo temeljil na konceptu faznega polja. Omenjeni fizikalni okvir bo uporabljen za študij enakoosnega in stebričastega strjevanja s povezovanjem makroskopskih transportnih pojavov z razvojem mikrostrukture. Ohranitvene enačbe za maso, energijo, gibalno količino in sestavine bodo sočasno in povezano reševane na mikroskopskem in makroskopskem merilu. Poudarek bo na razvoju simulacijskega sistema za izračun strjevanja ob prisotnosti plinaste faze. Specifične konstitucijske zveze bodo eksperimentalno preverjene na podlagi novih domačih in tujih laboratorijskih poskusov z binarnimi zlitinami ter z industrijskimi podatki, pridobljenimi pri postopku ulivanja težkih jeklenih ingotov ter trakovnem in tlačnem ulivanju aluminijevih zlitin. Brezmrežne metode bodo prvič uporabljene za izračun makroskopskih in mikroskopskih enačb na neuniformni mreži in v zapleteni spreminjajoči se geometriji sistema. Razvita eksplicitna kolokacijska metoda z radialnimi baznimi funkcijami bo nadalje izboljšana s kombinirano p-, r- in h- prilagodljivostjo za učinkovito obravnavo velikega števila neznank ter z bolj učinkovito časovno diskretizacijo. Obstoječi mednarodni primerjalni testni primeri za Stefanove probleme bodo dopolnjeni z novimi nalogami za strjevanje večsestavinskih sistemov s prostimi robovi.
Projekt temelji na nadaljnjem razvoju naših mednarodno priznanih in nagrajenih prebojnih rezultatov, doseženih v preteklih nekaj letih z lokalno brezmrežno metodo: prva demonstracija adaptivnih izračunov, nov učinkovit algoritem za korekcijo tlaka, prva rešitev inženirskih modelov turbulence, simulacija magnetohidrodinamike in termomehanike, rešitev najbolj zaletenih mednarodnih testnih primerov za strjevanje, popolnoma nov brezmrežni koncept simulacij razvoja mikrostrukture, ki temelji na točkovnih namesto celičnih avtomatih. Razvoj industrijskih simulacijskih sistemov, ki temeljijo na tem novem predkonkurenčnem znanju (kontinuirno ulivanje aluminijevih zlitin in jekel ob vplivu elektromagnetnih polj, trakovno ulivanje, vroče valjanje, itd.)
Predlagane raziskave bodo prispevale k nadaljnjemu razvoju eksperimentalno podprtega temeljnega znanja za modeliranje kapljevito-trdnih procesov ter vplivale na nadaljnje poskuse, teorijo, projektiranje in izobraževanje. Specifične nadgradnje razvitega temeljnega znanja bodo uporabljene pri simulaciji številnih naravnih in tehnoloških procesov. V okviru projekta bomo priredili dve mednarodni konferenci ter letno šolo v povezavi s Stefanovimi problemi.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni projekt sodi v temeljni del spektra raziskav Laboratorija za Simulacijo Matarialov in Procesov Inštituta za kovinske materiale in tehnologije ter Laboratorija za večfazne procese Univerze v Novi Gorici. Raziskave se uvrščajo v moderno raziskovalno področje modeliranja, simulacije in optimizacije procesov in materialov, ki ima čedalje vidnejšo vlogo v mednarodnem raziskovalnem prostoru - zaradi vse večjih potreb po cenenih izdelkih z visoko vsebnostjo znanja, novih materialih ter okolju prijaznejših tehnologijah. Vsebina naših raziskav je v ta prostor aktivno vpeta z vodilnimi temeljnimi in aplikativnimi komponetami.
Pri tem si v okviru temeljnih raziskav prizadevamo v svetovno zakladnico znanja prispevati z novimi pristopi večfizikalnega modeliranja večfaznih sistemov na več sklopljenih merilih, z naprednimi brezmrežnimi numeričnimi pristopi za modeliranje problemov s premičnimi mejami, z razvojem mednarodnih testnih primerov in referenčnimi izračuni za validacijo in verifikacijo Stefanovih problemov. Primeri so podani v točkah 8 in 9 tega predloga.
Mednarodno izobraževanje, ki izhaja iz pričujočih raziskovalnih vsebin, je v zadnjih letih našlo svoje mesto v sodelovanju z uglednimi mednarodnimi letnimi šolami. Nadalje se raziskave zrcalijo v podiplomskem modulu: Modeliranje in simulacija materialov in procesov, ki ga na Univerzi v Novi Gorici izvajajo v sklopu študijskega programa Fizika III na Fakulteti za aplikativno naravoslovje. Štirje podiplomci, vklučeni v študij omenjenega modula, bodo končali doktorske disertacije v okviru projekta.
S pridobljenim znanjem bomo svoj vpliv v industriji lahko razširil vsaj še na litje velikih jeklenih ingotov (vtok taline z dna) in tlačno litje (vtok skozi geometrično zapleten sistem kanalov v kompleksne kokile), dva procesa, ki sta za Slovenijo gotovo izrednega pomena. V Sloveniji se z izdelavo zlitin ukvarja približno 100 podjetji, ki nudijo približno deset tisoč delovnih mest. Njihovi letni prihodki dosegajo 1,5 milijarde €. V Sloveniji je tudi približno 50 livarn z okoli 4000 zaposlenimi in letnim prihodkom 0,5 milijarde €. V Sloveniji so bila v preteklih letih največje industrijske investicije prav v posodobitev metalurških procesov. Vsa našteta podjetja v svet izvozijo približno 70% svoje proizvodnje in izkazujejo močno zanimanje za delo projektne skupine.
V letu 2014 je Slovenija zaradi žledu, ki se je tvoril na električnem omrežju, sistemu železnic, gozdovih, objektih kulturne dediščine, itd. doživela katastrofo državnih razsežnosti, saj je med 30. januarjem in 27. februarjem po zdajšnjih ocenah utrpela za 430 milijonov € škode. Problemi strjevanja s prosto površino, ki jih bomo raziskovali v okviru predlaganega projekta nam bodo omogočili računsko modeliranje tvorbe žledu. Predvidevamo, da bodo tudi slovenske oblasti zainteresirane za uporabo razvitih modelov.
Z napisanim demonstriramo mednarodno znanstveno in pedagoško odličnost, in relevantnost predlaganih raziskav za Slovenijo.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagane projektne aktivnosti bodo podprte izključno iz državnih virov in iz sredstev komplementarnih mednarodnih projektov. Pomembno je poudariti, da so specifične nadgradnje podobnih prejšnjih temeljnih projektov, ki so podlaga za znanje in izkušnje, na katerih gradimo ta projekt, našle industrijsko uporabo kmalu po razvoju.
Najbolj izdelano med njimi je brez dvoma večfizikalno modeliranje na več merilih relacij med procesnimi parametri in temperaturnim/hitrostnim/koncentracijskim poljem pri novih tehnologijah kontinuirnega ulivanja aluminijevih zlitin in jekel ob vplivu elektromagnetnih polj za podjetji IMPOL in Štore Steel. Brezmrežne numerične metode smo uspešno uporabili tudi v podjetju Goriške opekarne pri projektiranju toplotne prehodnosti opek. Našteti primeri prikazujejo prenos naših temeljnih raziskav v prakso, ki so brez dvoma pomembni za slovensko gospodarstvo.
Vrhunsko znanje, ki ga bomo dopolnili v okviru projekta, bo omogočalo slovenskima projektnima partnerjema utrditi začeto sodelovanje in izvoz slovenskega znanja globalni multinacionalni metalurški industriji (npr. vodilnemu podjetju DANIELI iz Italije). Kot primer navedimo delo: A. Mukhopadhyay, B. Šarler, A. Polo, M. Ometto, Integration of Automation Solutions of Casting and Rolling for Better Control of Product Quality, predstavljeno na The Iron & Steel Technology Conference and Exposition, Indianapolis, USA, May 2-5, 2011.
Prav tako bo utrdilo nadaljne sodelovanje z vrhunskimi akademskimi raziskovalnimi skupinami v EU in Aziji. Kot primer navedimo (zaradi naše pametne specializacije ter odličnosti naših znanj), da ekskluzivno sodelujemo pri projetiranju tokovnih razmer v curkih vzorcev iz biodelcev in makromolekul, ki jih preiskujejo s femtosekundno kristalografijo v Coherent Imaging Group, DESY, Hamburg, Nemčija. DESY je vodilni svetovni center za razvoj in uporabo virov fotonov iz pospeševalnikov.
Z navedenim demonstriramo odličnost industrijskega in znanstvenega konzorcija v katerega so vpete predlagane raziskave.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
