Numerical models for the simulation of gas-liquid flows in the galvanization process

Abstract

[Abstract] Hot-dip galvanization is a coating process aimed at protecting steel againstcorrosion by applying an external layer of zinc. In the continuous process, thesteel strips are immersed in a bath of molten zinc, dragging a layer of liquidzinc onto their external surface. The thickness of this coating layer is excessivefor most applications, so high-speed gas jets are applied to control the coatingthickness in a process known as jet wiping. The interaction between the gasjet and the liquid film is unstable under certain operating conditions, leadingto undulations in the final product. This phenomenon negatively impacts theproductivity of the galvanizing line and the quality of the product, making it asignificant concern for the coating industry over the past 40 years.This thesis aims at capturing and understanding the hydrodynamic mechanismresponsible for the formation of undulations using two-phase numericalsimulations, modal analysis and liquid film models. The numerical model,which combines the volume of fluid and large eddy simulation techniques, is firstvalidated against experiments in laboratory scale conditions using low Kapizanumber (highly viscous) liquids. The dominant flow patterns in the interactionbetween the liquid film and the gas jet are extracted with the multiscale ProperOrthogonal Decomposition. Then, the validated methodology is applied on awide range of wiping conditions, including higher Kapitza liquids (water) andwiping strengths in closer similarity with galvanization. In all the investigatedcases, the mechanism is found to consist in 2D waves, both on the final film andrun-back flow, correlated with periodic oscillations and deflections of the gas jet.It is thus clear from these observations that the undulation results from a strongcoupling between the liquid film and the gas jet, that only two-way models cancapture. The characteristic frequency of the interaction with different liquids issurprisingly close when adimensionalised with a Shkadov-like scaling based onthe film; this suggests that the liquid has a dominant role in the selection of theinstability frequency. These results pave the way to a possible extrapolation ofthe present findings to industrial galvanization

[Resumen] La galvanización en caliente es un proceso de revestimiento destinado a proteger el acero contra la corrosión mediante la aplicación de una capa externa de zinc. En el proceso continuo, las bandas de acero se sumergen en un baño de zinc fundido, arrastrando una capa de zinc sobre su superficie externa. El grosor de esta capa es excesivo para la mayoría de las aplicaciones, por lo que se aplican chorros de gas de alta velocidad para controlar el espesor del revestimiento en un proceso conocido como escurrido por chorro (jet wiping). La interacción entre elchorro de gas y la película líquida es inestable en determinadas condiciones de funcionamiento, lo que provoca ondulaciones en el producto final. Este fenómeno afecta negativamente a la productividad de la l´ınea de galvanizado y a la calidad del producto, por lo que entender los fenómenos físicos que lo generan ha sido una preocupación importante para la industria durante los últimos 40 años.”Esta tesis busca capturar y comprender el mecanismo hidrodinámico responsable de la formación de ondulaciones utilizando simulaciones numéricas bifásicas, análisis modal y modelos de película líquida. El modelo numérico, que combina las técnicas de volume of fluid y large eddy simulation, se valida en primer lugar con experimentos en condiciones de laboratorio utilizando líquidos debajo número de Kapitza (alta viscosidad). Los patrones dominantes del flujo de interacción entre la película líquida y el chorro de gas se extraen con la técnica de análisis modal multiscale Proper Orthogonal Decomposition. A continuación, esta metodología validada se aplica a un amplio rango de condiciones de escurrido, incluyendo líquidos con altos números de Kapitza (agua) e intensidades de escurrido más similares a la galvanización. En todos los casos investigados, el mecanismo se compone de ondas 2D, tanto en la película final como en el flujo de retorno, correlacionadas con oscilaciones y deflexiones periódicas del chorro de gas. Estas observaciones permiten deducir que la ondulación es resultado de un fuerte acoplamiento entre la película líquida y el chorro de gas, que sólo pueden captar los modelos que resuelven esta interacción bidireccional. La frecuencia característica de la interacción usando diferentes líquidos es sorprendentemente similar cuando se adimensionaliza con un escalado tipo Shkadov basado en la película, lo que sugiere que el líquido tiene un papel dominante en la selección de la frecuencia de la inestabilidad. Estos resultados allanan el camino para poder extrapolar estos hallazgos a la galvanización industrial. Por otra parte, se investiga la evolución aguas abajo de las ondulaciones tridimensionales en la película arrastrada por el sustrato móvil utilizando un modelo Integral Boundary Layer (IBL), análisis de estabilidad lineal y simulaciones numéricas directas (DNS). El modelo IBL se valida satisfactoriamente con los cálculos DNS incluso en condiciones de flujo más allá de su límite teórico, y se analiza el efecto estabilizador de la tensión superficial y de los términos no lineales para las escalas típicas de los procesos industriales de revestimiento. Estos resultados sugieren que una posible forma de mitigar la ondulación consiste en introducir perturbaciones 3D de alta frecuencia, ya que producen un amortiguamiento más eficaz que la ondulación predominantemente 2D.Teniendo en cuenta los resultados satisfactorios del modelo IBL y su bajo coste computacional, se propone un modelo híbrido para resolver la interacción bidireccional entre el líquido y el gas. Esta estrategia consiste en acoplar el modelo IBL para la película líquida con un modelo Navier-Stokes monofásico para el chorro de gas. Los resultados preliminares son prometedores para la predicción del flujo de escurrido por chorro en 2D.

[Resumo]A galvanización en quente é un proceso de revestimento destinado a protexer o aceiro contra a corrosión mediante a aplicación dunha capa externa de zinc. No proceso continuo, as bandas de aceiro mergúllanse nun baño de zinc fundido, arrastrando unha capa de zinc sobre a sua superficie externa. O grosor destacapa é excesivo para a maioría das aplicacións, polo que se aplican chorros de gas de alta velocidade para controlar o espesor do revestimento nun proceso coñecido como escorrido por chorro (jet wiping). A interacción entre o chorro de gas e a película líquida é inestable en determinadas condicións de funcionamento, provocando ondulacións no produto final. Este fenómeno afecta negativamente á produtividade da liña de galvanizado e á calidade do produto, polo que supón nunha preocupación importante para a industria nos últimos 40 anos. Esta tese busca capturar e comprender o mecanismo hidrodinámico responsable da formación de ondulacións utilizando simulacións numéricas bifásicas, análise modal e modelos de película líquida. O modelo numérico, que combina as técnicas de volume of fluid e large eddy simulation, validase en primeirolugar con experimentos en condicións de laboratorio utilizando líquidos de baixo número de Kapitza (alta viscosidade). Os patróns dominantes do fluxo de interacción entre a película líquida e o chorro de gas extráense coa técnica de análise modal multiscale Proper Orthogonal Decomposition. A continuación, esta metodoloxía validada aplicase a un amplo rango de condicións de escorrido, incluíndo líquidos con altos números de Kapitza (auga) e intensidades de escorrido máis similares á galvanización. En todos os casos investigados, o mecanismo componse de ondas 2D, tanto na película final como no fluxo de retorno, correlacionadas con oscilacións e de flexións periódicas do chorro de gas. Estas observacións permiten deducir que a ondulación é resultado dunha forte interacción entre a película líquida e o chorro de gas, que só poden captar os modelos que resolven esta interacción bidireccional. A frecuencia característica da interacción usando líquidos diferentes ´e sorprendentemente similar cando se a dimensionaliza cun escalado tipo Shkadov baseado na película líquida; isto suxire que o líquido ten un papel dominante na selección da frecuencia da inestabilidade. Estes resultados preparan o terreo cara a poder extrapolar estes achados á galvanización industrial. Por outra banda, investigase a evolución das ondulacións tridimensionais na película líquida arrastrada polo substrato móbil utilizando un modelo Integral Boundary Layer (IBL), análise de estabilidade lineal e Direct Numerical Simulations(DNS). O modelo IBL validase cos cálculos DNS en condicións de fluxo máis aló do seu límite teórico, e se analiza o efecto estabilizador da tensión superficial e dos termos non lineais para as escalas típicas dos procesos industriais de revestimento. Estes resultados suxiren que unha posible forma de mitigar a ondulación consiste en introducir perturbacións 3D de alta frecuencia, xa que producen un amortiguamento máis eficaz que a ondulación fundamentalmente 2D.Tendo en conta os resultados satisfactorios do modelo IBL e o seu baixo custo computacional, proponse un modelo híbrido para resolver a interacción bidireccional entre o líquido e o gas. Esta estratexia consiste en acoplar o modelo IBL para a película líquida cun modelo monofásico para o chorro de gas. Os resultados preliminares son prometedores para a predicción do fluxo de escorrido por chorro en 2D.