Modeling of glass fiberization in the context of mineral wool production

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-12-11
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
38 + 6
Series
Abstract
Mineral wool production involves melting raw materials into liquid form and spinning the resulting melt into thin fibers. This process is mainly the result of testing and fine-tuning the production process until the result is acceptable, not fully understanding the underlying physics which take place to form the fibers. This thesis aims to improve production methods by studying a part of this fiberization process through the simulation of a molten droplet entering a shearing jet and examining the deformation of the droplet. The verification study showed agreement between simulated ethanol droplet results to experimental data despite discrepancies in mass calculations. Increasing the ratio of droplet momentum to the shear stream momentum proved to have a favorable effect on droplet deformation, given that the droplet did not penetrate the shear layer into the core of the jet flow. The realistic production case simulation exhibited minute desirable deformation, suggesting that the studied setup is not feasible for fiberizing head droplets, and different setups should be tested in future work. Thermal effects were assumed negligible due to the short time frame of the simulations but should be tested in longer simulations once significant droplet deformation is achieved. Future studies should also include an exploration of the effects of a ligament attached to the head droplet, which may significantly alter the dynamics of deformation.

Mineraalivillan valmistuksessa raaka-aineet sulatetaan nestemäiseen muotoon ja syntynyt sula kehrätään ohuiksi kuiduiksi. Tämä prosessi on pääasiassa seurausta siitä, että tuotantoprosessia testataan ja hienosäädetään, kunnes tulos on hyväksyttävä, eikä kuitujen muodostumisen taustalla olevaa fysiikkaa ymmärretä täysin. Tämän diplomityön tavoitteena on parantaa tuotantomenetelmiä tutkimalla osaa tästä kuiduttamisprosessista simuloimalla sulan pisaran pääsyä leikkaussuihkuun ja tutkimalla pisaran muodonmuutosta. Verifiointitutkimus osoitti, että simuloitujen etanolipisaratulosten ja kokeellisten tietojen välillä oli vastaavuutta huolimatta massalaskelmien eroavaisuuksista. Pisaran liikemäärän ja leikkausvirran liikemäärän suhteen kasvattaminen vaikutti suotuisasti pisaran muodonmuutokseen, koska pisara ei läpäissyt leikkauskerrosta suihkuvirtauksen ytimeen. Realistisessa tuotantotapaussimulaatiossa havaittiin erittäin pieni toivottu muodonmuutos, mikä viittaa siihen, että tutkittu asetelma ei ole sopiva pääpisaroiden kuiduttamiseen, ja eri asetelmia olisi testattava tulevassa työssä. Lämpövaikutusten oletettiin olevan merkityksettömiä simulaatioiden lyhyen aikajänteen vuoksi, mutta niitä olisi testattava pidemmissä simulaatioissa, kun pisaran merkittävä muodonmuutos on saavutettu. Tulevissa tutkimuksissa olisi myös tutkittava pääpisaraan kiinnitetyn kuidun vaikutuksia, sillä se voi muuttaa merkittävästi muodonmuutoksen dynamiikkaa.
Description
Supervisor
Kaario, Ossi
Thesis advisor
Verlaak, Stijn
Keywords
mineral wool, computational fluid dynamics, fiberization, droplet deformation, production, simulation
Other note
Citation