Simulationsbasierte Filteroptimierung mit dem virtuellen Prüfstand

  • CAD-Daten – Zylindrisches Gehäuse mit gefaltetem Filtermedium (Sternfilter), seitlichem Einlassbereich (rot) und zentralem Auslass (grün)CAD-Daten – Zylindrisches Gehäuse mit gefaltetem Filtermedium (Sternfilter), seitlichem Einlassbereich (rot) und zentralem Auslass (grün)
  • CAD-Daten – Zylindrisches Gehäuse mit gefaltetem Filtermedium (Sternfilter), seitlichem Einlassbereich (rot) und zentralem Auslass (grün)
  • Numerisch berechnete Strömung durch das Filter­element: ­Stromliniendarstellung der ­Fluid­geschwindigkeit
  • Effizienzsimulation: Visualisierung der ­lokalen ­Partikelkonzentration.
  • Dr. Ralf Kirsch,  Fraunhofer-Institut für Techno- und  Wirtschafts- mathematik ITWM

Am Fraunhofer-Institut ITWM werden Simulationsmodelle und -verfahren entwickelt, die in der »Filter Element Simulation Toolbox« (FiltEST) gebündelt werden.

Das prinzipielle Vorgehen bei der Computersimulation orientiert sich an den realen Prozessen: Durch die wiederholte Folge von Strömungsberechnung, Simulation der Abscheidung und Aktualisierung der Permeabilitätsverteilung wird die komplexe Wechselwirkung zwischen Partikelabscheidung und Fluidströmung in der Simulation nachgebildet. Im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen werden hierbei nicht die Trajektorien von einem mehr oder weniger repräsentativen Partikelensemble verwendet, sondern die zeitliche Entwicklung der Verteilung der Konzentrationen für die verschiedenen Partikelgrößen betrachtet. Dadurch wird in jedem Zeitschritt die Fluidkontamination im kompletten Bauteilvolumen – einschließlich der Medien – erfasst. Ein weiterer wesentlicher Punkt bei der Modellbildung ist die Übersetzung des Partikeleintrags in eine entsprechende Erhöhung des lokalen Strömungswiderstands. Insbesondere wird durch die Aktualisierung der Strömungsberechnung der Differenzdruck in Abhängigkeit von der Beladung bestimmt.

Prototypen auf dem virtuellen Prüfstand
Die Bestimmung der benötigten Modellparameter kann mit Hilfe von Prüfberichten aus Standardeffizienztests mit Flachproben der Filtermaterialien durchgeführt werden. Über eine Datenschnittstelle zur CAD versetzt das Simulationswerkzeug die Produktentwickler u. a. in die Lage, Auswirkungen von Änderungen der Gehäusegeometrie oder der in Frage kommenden Medien bzw. -kombinationen bezüglich ihrer Form und Positionierung zu untersuchen. Zusätzlich bietet die Simulationssoftware die Möglichkeit, die Bauteile an „virtuellen Prüfständen“ zu bewerten. Hierbei lassen sich Single­pass- und Multipass-Tests konfigurieren, so dass am realen Prüfstand auftretende Einflüsse wie z. B. die Mischung im Tank oder die kontinuierliche Injektion von Teststaub bei der rechnergestützten Analyse berücksichtigt werden. Aus den Simulationsergebnissen lassen sich Daten wie fraktionelle Abscheidegrade, Betawerte und durchschnittliche Filterraten ableiten.

Es hat sich gezeigt, dass durch diese Computersimulationen die Notwendigkeit, Prototypen zu fertigen und am realen Prüfstand zu untersuchen, erheblich reduziert werden kann. Durch die Möglichkeit, sich bei der Simulation auf Details der Produktauslegung konzentrieren zu können, bietet die Kombination von rechnergestützter Untersuchung mit DoE-Methoden (Design of Experiments) viel Potenzial zur Beschleunigung und Optimierung bei der Entwicklung.

Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen
Die Mehrheit der Simulationsmodelle für die Bauteilebene geht von vereinfachten und idealisierten Eigenschaften des Filtermaterials aus. So wird etwa der Volumenanteil des Fasermaterials im Filtervlies als gleichmäßig verteilt angenommen. Bei der Fertigung kommt es jedoch in der Regel zu lokalen Verdichtungen des Materials. Beispiele hierfür sind das Einpressen von Stütz- und Abstandsgeweben bei mehrlagigen Medien und die Kompression der Filtervliese beim Plissieren. Diese Inhomogenität im Filtermaterial wirkt sich z. T. erheblich auf die Permeabilitätsverteilung und die lokalen Filtereffizienzeigenschaften aus. Um dies bei der rechnergestützten Standzeitanalyse berücksichtigen zu können, konnten durch Kopplung von Filtrationssimulationen mit strukturmechanischen Berechnungen Modelle entwickelt werden, die den Einfluss herstellungsbedingter Materialveränderungen auf die Produkteigenschaften bezüglich Strömungswiderstand und Filtration beschreiben. Die um diese Aspekte erweiterten Simulationen können u. a. die Standzeit eines Elements realistischer vorhersagen als herkömmliche Methoden

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