Numerical Modeling of an Inductively Coupled Plasma (ICP)

Busse, Christian

Die stetig voranschreitende Entwicklung und der zunehmende Einsatz von additiven Fertigungstechnologien in der Industrie führt zu einer verstärkten Nachfrage nach hochwertigen Metall- und Keramikpulverwerkstoffen, welche strenge Qualitätsanforderungen wie chemische Reinheit, Packungsdichte und Fließfähigkeit erfüllen müssen. Die Wärmebehandlung von Metallpulverpartikeln, die sogenannte Sphäroidisierung, mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) wird bereits erfolgreich eingesetzt, um die Pulverqualität signifikant zu verbessern. Um die experimentelle Forschung mit dem selbst entwickelten ICP-Brenner an der Kasaner Nationalen Technischen Forschungs-Universität (KNRTU-KAI) zu unterstützen, wird ein numerisches Simulationsmodell mit der kostenfreien Open-Source Software-Plattform OpenFOAM entwickelt. Hierzu wird ein zweidimensionaler achsensymmetrischer Modellierungsansatz für die Simulation des induktiv gekoppelten Plasmabrenners verfolgt. Um die beim ICP auftretenden hochfrequenten elektromagnetischen Felder (f = 3 MHz) effizient zu berechnen, wird dazu ein Löser auf Basis der Vektorpotentialformulierung der Maxwell-Gleichungen und der Frequenzbereich-Methode implementiert. Hierbei wird die in foam-extend, einem OpenFOAM-Entwicklungszweig, zur Verfügung stehende Blockmatrizen-Bibliothek (fvBlockMatrix.H) genutzt, um die Gleichungen gekoppelt zu lösen. Der Elektromagnetfeld-Löser wird anhand analytischer Lösungen validiert und anschließend mit dem rhoPimpleFoam Code, einem Standard-Strömungslöser von OpenFOAM, zusammengeführt. Daraus wird ein Löser kompiliert, der sowohl für die stationäre als auch transiente Berechnung des Plasmas verwendet wird. Die Simulationsergebnisse mit dem eigens entwickelten Plasma-Löser wurden mit Literaturdaten für den Plasmabrenner TEKNA-PL50 verglichen und zeigen gute Übereinstimmung.

The growing industrial use of additive manufacturing technologies leads to an increased demand for high-quality metal and ceramic powder materials, which must meet strict quality requirements such as chemical purity, packing density and flowability. The heat treatment of powder particles, the so-called spheroidization, using inductively coupled plasma (ICP) technology is being used successfully to improve powder quality significantly. In order to support experimental research with the in-house built ICP torch at the Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI (KNRTU-KAI), a numerical simulation model is developed using the free and open-source software platform OpenFOAM. Therefore, a two-dimensional axisymmetric modeling approach is chosen to simulate the inductively coupled plasma torch. To efficiently calculate the high-frequency electromagnetic fields (f = 3 MHz) generated by the ICP, a solver based on the vector potential formulation of the Maxwell equations and the frequency domain method is implemented using the block coupled matrix library (fvBlockMatrix.H) provided by foam-extend, which is a forked version of OpenFOAM. The electromagnetic field solver is validated using analytical solutions and then merged with the rhoPimpleFoam code, a standard flow solver in OpenFOAM, to compile a plasma solver for steady-state and transient calculations. The simulation results obtained by means of the custom-developed plasma solver have been compared with literature data for the plasma torch TEKNA-PL50 and show good agreement.

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