Entwicklung neuer Strukturen

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.

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