Entwicklung neuer Strukturen

Virtuelles Entwerfen und Testen poröser Medien

  • 3D Modelle verschiedener poröser Medien, die durch Import von Mikrotomographien oder Generierung in DNSlab erstellt werden können, Gewebe  © it4e GmbH3D Modelle verschiedener poröser Medien, die durch Import von Mikrotomographien oder Generierung in DNSlab erstellt werden können, Gewebe © it4e GmbH
  • 3D Modelle verschiedener poröser Medien, die durch Import von Mikrotomographien oder Generierung in DNSlab erstellt werden können, Gewebe  © it4e GmbH
  • Gestrick  © it4e GmbH
  • offenporiger Schaum  © it4e GmbH
  • Partikelschüttung  © it4e GmbH
  • Simulation der Filtration mittels DNSlab (Direct Numerical Simulation Laboratory). 3D Modell der realen Filtermedienstruktur, ­generiertes Modell oder Mikrotomographie  © it4e GmbH
  • Numerische Strömungsberechnung  © it4e GmbH
  • Berechnung von Partikelbahnen und  möglicher Abscheidung am Filtermedium  © it4e GmbH
  • Die Autoren sind die Gründer der Firma IT for Engineering (it4e)  v.l.n.r. Stefan Poss, Kilian Schmidt, Siegfried Ripperger © it4e GmbH

Das virtuelle Entwerfen und Testen von porösen Medien kann helfen, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kosten bei der Auswahl oder Entwicklung neuer Strukturen zu sparen.

Gestiegene Anforderungen an Prozesse mit porösen Medien, wie z. B. Schüttungen, Sinterstrukturen, Vliesen, Geweben oder Schaumstrukturen erfordern, dass die Strukturen immer besser an die gestellten Aufgaben angepasst werden. Generell kann erwartet werden, dass die Strukturen hinsichtlich einer Durchströmung über den Strömungsweg komplexer werden. So werden z. B. in der Filtertechnik zunehmend asymmetrische Strukturen oder Filtermedien, die aus mehreren sehr verschiedenartigen Lagen bestehen, eingesetzt.

Vorgänge simulieren
Bei der Entwicklung solcher Strukturen werden zunehmend Computerprogramme zur Strukturgenerierung und zur numerischen Strömungssimulation eingesetzt. Man kann damit die Vorgänge der Strömung und auch der Partikelabscheidung simulieren und visualisieren. Eine Simulationssoftware, die dazu entwickelt wurde, ist DNSlab. Es ermöglicht die Generierung einer Reihe unterschiedlicher poröser Strukturen. Alternativ können reale Strukturen auch mittels Mikro-Computertomographie (µ- CT) erfasst werden. Die dabei erzeugten dreidimensionalen Bilddaten können von DNSlab genauso wie die generierten Modelle für weitere hochaufgelöste Berechnungen genutzt werden. Als Ergebnis einer solchen Berechnung erhält man z. B.:

  • geometrische Struktur-Kenngrößen wie z. B. Porosität, max. Porenabmessungen, maximaler Durchtritt einer kugelförmigen Partikel,
  • den Druckabfall bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten oder Fluidpara­metern,
  • die Verteilung von Strömungsparametern über den Strömungsquerschnitt
  • Fraktionsabscheidegrade zur Partikelabscheidung den Filterkuchenaufbau

Durch eine virtuelle Variation der porösen Struktur ist es auch möglich, den Einfluss von Strukturänderungen auf wesentliche Parameter der Strömung oder einer Filtration kostengünstig und effektiv zu untersuchen.
DNSlab wird kontinuierlich weiterentwickelt. Die neueste Version beinhaltet auch die Kopplung der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM).

Damit kann bspw. eine Partikelablagerung innerhalb einer porösen Struktur simuliert werden, wobei die Partikel-Fluid-, Partikel-Partikel- sowie Partikel-Struktur-Wechselwirkungen berücksichtigt werden können. DNSlab bietet damit in seiner neuesten Version folgende Möglichkeiten:

  • die Generierung von 3D-Modellen poröser Strukturen oder Import von Tomographien
  • die hochaufgelöste Berechnung und Visualisierung der Fluidströmung
  • die Berechnung der Bewegung von Partikeln im Fluid
  • die Berechnung der Partikelablagerung in oder auf der porösen Struktur
  • Berücksichtigung von Partikel-Fluid-, Partikel-Partikel- und Partikel-Struktur Wechselwirkungen

Zwang zur Weiterentwicklung
Man kann feststellen, dass trotz des großen Angebotes an porösen Medien die Entwicklungen auf dem Gebiet noch nicht abgeschlossen sind. Infolge sich wandelnder Anforderungen und neuer Anwendungen werden ständig Anpassungen notwendig. Daher ergibt sich auch auf diesem Gebiet für die Unternehmen ein Zwang zur Weiterentwicklung und zur Anpassung an neue Anforderungen. Daraus ergeben sich oft Möglichkeiten zu Verbesserungen und/oder zur Optimierung im Hinblick auf Energie- und Betriebskosten.


Diesen Beitrag können Sie auch in der ­Wiley Online Library als pdf lesen und ­abspeichern: https://doi.org/10.1002/citp.201901017

Autor(en)

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IT for Engineering (it4e) GmbH
Morlauterer Str. 21
Kaiserslautern
Telefon: +49 631 4155 2869

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