Modellierung und Simulation der Verformung von Filtermedien

Wichtige Kriterien bei der Bewertung von Qualität und Leistungsfähigkeit von Filterelementen sind ein möglichst geringer Differenzdruck bei gleichzeitig möglichst hoher Filtereffizienz und Schmutzaufnahmekapazität. In immer mehr Anwendungsfeldern der Filtration zeigt sich, dass die mechanischen Eigenschaften der Filtermedien und ihre Verformung während der Herstellung bzw. im Betrieb von zunehmender Bedeutung für die genannten Qualitätsmerkmale sind. Unsere Abteilung arbeitet seit vielen Jahren an der adäquaten Modellierung und Simulation der Verformung von Filtermaterialien.

Vorhersage der Auswirkung fertigungsbedingter Verformungen

Die meisten Filtermedien sind eine Kombination aus mehreren Materialien wie etwa verschiedene Vliesstoffe für die Vorfilterung bzw. die Abreinigung von kleinen Partikeln, Schutzvliese, Abstands- und Stützgewebe usw. Bei der Verarbeitung (z.B. Plissieren) werden die mehrlagigen Medien mechanisch belastet, was zu teilweise erheblichen lokalen Verformungen führt. Besonders bei den Filtervliesen führen die hierbei erzeugten Veränderungen des lokalen Faservolumenanteils zu ausgeprägter Heterogenität der Permeabilität und der Filtrationseigenschaften.

Um die Entwickler von Filtermedien und -elementen bei der Auswahl geeigneter Filtermaterialien, der optimalen Auslegung des mehrlagigen Aufbaus (z.B. Dicke bestimmter Vliesschichten) und günstiger Fertigungsbedingungen (z.B. Umgebungstemperatur) zu unterstützen, bieten wir u.a.

experimentelle mechanische Charakterisierung von Filtermaterialien (siehe experimentelle Materialcharakterisierung)
Simulation von Verformung und Bestimmung effektiver mechanischer Eigenschaften von Vliesstoffen (FeelMath)
Modellierung und Simulation der (effektiven) strömungsmechanischen und filtrationsspezifischen Eigenschaften von Filtermedien (FiltEST)

Mit Hilfe der hierdurch gewonnenen effektiven Eigenschaften der mehrlagigen Medien sind Anwender in der Lage, ein Upscaling auf die Größenskala der Filterelemente bzw. –falten vorzunehmen. Die entsprechenden Simulationsrechnungen können mit kommerziellen Simulationstools, Open-Source-Codes oder unserer Filter Element Simulation Toolbox (FiltEST) durchgeführt werden.

© ITWM
Simulation der Kompression eines Filtervlieses (FeelMath).

© ITWM
Fluid-Poröse-Struktur-Interaktion (FPSI): Simuliertes Strömungsfeld und Verformung einer Flachprobe mit experimentell bestimmten Verformungsprofil (weiß).

© Fraunhofer ITWM
Kopplung mit Strukturmechanik (FeelMath): Kompression eines Filtervlieses auf Stützgewebe. Strömungsgeschwindigkeit mit Stromlinien (links), verformte Struktur des Mediums (mitte) und Druckverteilung der Strömung (rechts).

Strömungsinduzierte Verformung im Betrieb

Die Verformung von Filtermedium während des Betriebs führt zu so bekannten wie unerwünschten Effekten wie dem Kollabieren von Faltenkanälen oder der Faltenhäufung. Auch Filterbauteile, in denen flache Medien zum Einsatz kommen, sind zunehmend von entsprechenden Phänomenen betroffen.

Die Entwickler von Filterlementen stehen daher vor der Herausforderung, die Filtermedien möglichst gut im Gehäuse zu fixieren und mechanisch zu stabilisieren. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die Bestimmung eines optimalen Mittelwegs zwischen mechanischer Stabilität und niedrigem Strömungswiderstand. Um bei dieser anspruchsvollen Aufgabe rechnergestützte Methoden einsetzen zu können, muss die Interaktion zwischen dem verformbaren porösen Material mit dem Fluid (Fluid-Poröse-Struktur-Interaktion, FPSI) möglichst wirklichkeitsnah modelliert und numerisch robust simuliert werden. Ergebnisse aus früheren Forschungskooperationen bilden die wissenschaftliche Basis für die verwendeten Methoden und die Verbesserung der FPSI-Simulation ist Gegenstand aktueller und künftiger Forschung der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation. Wir bieten u.a. die folgenden Dienstleistungen zur strömungs- und strukturmechanischen Optimierung von Filterkomponenten und –elementen an:

Geometrievariation von Filterfalten, Panelen, Faltensternen und Filtergehäusen unter Verwendung von importierten CAD-Daten oder eigenen Tools
CFD-Simulation der Strömung im Filtergehäuse unter Berücksichtigung von Form und Position der Filtermedien
Simulation der Fluid-Porösen-Struktur-Interaktion (FPSI) zur systematischen Untersuchung der strömungsinduzierten Medienverformung
Analyse des strukturmechanischen Verhaltens des Filtergehäuses im Betrieb