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

En la presente Tesis se desarrollan e implementan los modelos que permiten simular el flujo multifasico que tiene lugar en el proceso de fabricacion de acero por el metodo de colada continua. Se analizan los fenomenos 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 regimen disperso, cuya configuracion consiste en burbujas de gas en un liquido (Capi- tulo 2). La estrategia numerica se encuentra fundada en una formulacion estabilizada de igual orden del metodo de elementos finitos (SUPG-PSPG), donde el solver es dividido de acuerdo a las diferentes fases involucradas en el calculo, tratando a cada fase monoliti- camente (cantidad de movimiento lineal y continuidad acoplada). Este esquema evita las oscilaciones debidas a la restriccion de incomprensibilidad y adveccion que dominan el flu- jo, como asi tambien, las patologias numericas relacionadas con las fuerzas de interaccion entre las fases. El modelo numerico se implementa en el codigo computacional PETSc- FEM, elaborado en el CIMEC. Se resuelven, a manera de validacion, ejemplos numericos que demuestran la aplicabilidad del codigo en condiciones de regimen diluido (fraccion de vacio no superior al 1 %). Por otra parte, al resolver el problema bifasico en un modelo agua-aire para la con- figuracion de la cuchara siderurgica, se ha encontrado problemas de convergencia. Estas dificultades numericas se ven considerablemente acentuadas para fracciones de vacio 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 tapon poroso en la cuchara siderurgica. Posiblemente esta sea la razon por la cual las aplicaciones del modelo multifluido se orientan generalmente a la resolucion de flujos muy diluidos. Considerando que el modelo diferencial de dos fluidos para el flujo transitorio tiene raices caracteristicas complejas y por lo tanto no esta bien puesto como un problema de valores iniciales, salvo para el caso trivial de igual velocidad de fases, en el Capitulo 3 se propone una novedosa estrategia matematica que evita los inconvenientes causados por el comportamiento no-hiperbolico del modelo original. La misma esta basada en el precondicionamiento de la matriz de masa y permite resolver problemas en condiciones aun mas exigentes a las que existen en la cuchara siderurgica. Se desarrollo un analisis comparativo de los resultados, para problemas de solucion analitica conocida (1D), con y sin matriz de precondicionamiento obteniendose solo para el primer caso y en todas las situaciones la solucion 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 terminos de interaccion, en el Capitulo 4 se introduce al modelo ASMM (Algebraic Slip Mixture Model) como una alternativa valiosa para la resolucion del flujo multifasico en la cuchara siderurgica. El mismo cuenta con la robustez necesaria para las condiciones de flujo presentes en el problema. En el Capitulo 5 con la finalidad de validar el codigo se efectua un estudio comparativo de los resultados numericos obtenidos con el modelo ASMM, el modelo dos fluidos (calcu- lados por Milleli) y datos experimentales relevados por Anagbo y Brimacombe. El sistema fisico resuelto consiste en un modelo agua-aire para la configuracion de la cuchara siderur- gica. Habiendose obtenido resultados satisfactorios en esta etapa se procedio a simular la cuchara siderurgica. Indicadores tales como el area de apertura del ojo, la velocidad criti- ca de atrape y el numero de Weber se utilizaron para predecir el atrape de escoria para diferentes caudales de inyeccion de argon. Finalmente en el Capitulo 6 se propone un modelo hibrido ASMM-Dos Fluidos, donde la mezcla acero-argon es resuelta a traves de un modelo algebraico y la interaccion entre la mezcla y la escoria es tratada haciendo uso de un modelo de dos fluidos. Este novedoso tratamiento del flujo multifasico se implementa en el codigo 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 codigo. Este ultimo permite realizar el calculo con varios grupos de particulas, gotas o burbujas de distinto tamano a un costo computacional relativamente bajo y posibilitaria cuantificar y caracterizar a las particulas de escoria atrapadas en el acero. Con el modelo hibrido se resuelven los problemas de validacion y la cuchara siderurgica en distintas condiciones de operacion, para configuraciones axisimetricas 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 siderurgica y que exigen estrategias computacionales robustas y de permanente desarrollo. [Ph.D dissertation Faculta de Ingenieria y Ciencias Hidricas, Universidad Nacional del Litoral]