Granulate und deren Verarbeitungsprozesse haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung und sind ein spannendes Forschungsfeld innerhalb der Simulation komplexer Fluide. Allein ca. 60 Prozent der Produkte der chemischen Industrie sind Granulate – weitere ca. 20 Prozent der Produkte enthalten pulverförmige Bestandteile.
© Fraunhofer ITWM / Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG
Der Complex Rheology GRAIN Solver wurde entwickelt, um den Fluss granularer Materialien (z.B. Sand) zu bearbeiten. Um mit industriellen Problemen arbeiten zu können, haben wir zwei konkurrierende Ziele miteinander vereinbart:
Beide Anforderungen werden in GRAIN erfüllt, indem wir ein spezielles nichtlineares hydrodynamisches Modell nutzen, welches wir bei uns im Institut entwickelt haben. Unser zusammengesetztes Modell vereint in sich die Charakteristiken von schnellen, dünnen granularen Strömungen mit Ansätzen der Bodenmechanik dichter, langsamer Strömungen. Es reproduziert bereits bekannte Ergebnisse der granularen Dynamik, wie z.B. Dilatanz, die Existenz von Scherbändern und festkörperähnliches Verhalten.
Dieses Modell und entsprechende numerische Methoden (d.h. verschiedene nichtlineare Finite Volumen Methoden) wurden in GRAIN – einem Modul der CoRheoS Softwareplattform – implementiert. CoRheoS ist dabei in der Lage die gesamte Simulation granularer Strömungen abzudecken, von der Erfassung beliebiger Geometrien bis zur Visualisierung.
Ein wichtiger Vorteil von GRAIN im Vergleich zu partikel-basierten Methoden wie DEM ist, dass wir granulare Materialien als Kontinuum behandeln. Das ermöglicht die Simulation sowohl von schnellen, dünnen als auch langsamen, dichten granularen Vorgängen mit für die Industrie relevanten Materialvolumina und der realistischen Größe von Partikeln verschiedener Granulate und Pulver in einem gewöhnlichen CFD-Umfeld mit ähnlicher Berechnungszeit.
Die Wechselwirkung auf mikroskopischer Ebene von Partikeln wird hierbei ein Teil der Kontinuumsmodellierung. Zusätzlich kann die Parallelisierung der CFD Prozesse sehr effektiv erreicht werden, welche wir intensiv erforschen. Diese Ergebnisse können direkt in GRAIN angewendet werden, um die Simulationszeit weiter zu reduzieren.
Der Anwendungsbereich für GRAIN hat sich in den vergangenen Jahren erneut stark durch die Wechselwirkung sich bewegender Bestandteile in granularen Medien vergrößert. Wir haben beispielsweise ein Industrieprojekt für Mischmaschinen mit schnell bewegenden Bestandteilen erfolgreich beendet, welches wir auf die anfänglichen Erfolge verschiedener vielversprechender Tests aufgebaut haben.
Auslegung granularer Produkte und Prozesse mit GRAIN
Die Simulation von Mischern stellt die einzigartige Herausforderung dar, granulare Strömungen und sich rasant bewegende Mischgeräte zu verbinden, die enorme Scherkräfte in einem Feststoff erzeugen. Unser GRAIN Softwaremodul ist in der Lage, solche Prozesse zu simulieren, wobei es realistische Rotationsgeschwindigkeiten und Materialeigenschaften nutzt.
Simulation eines EIRICH-Mischer der Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG.
Granulare Systeme unterschiedlicher Partikelsorten – vorrangig Größen- und Dichteunterschiede – sind dem Phänomen der Segregation unterworfen, welches zur Entmischung der Bestandteile führt. Ein Prozess, der in Teilen der Montanindustrie zum Vorteil genutzt werden kann, führt in anderen Industriezweigen zu anhaltenden Herausforderungen. Selbst gut vermischte Systeme können später bei Be- und Entladung oder Transportvorgängen wieder an Qualität verlieren.
Das Segregationsmodul der GRAIN Software ist in der Lage das Trennverhalten von Partikelmischungen zu simulieren, welches durch die Partikelinteraktion bei Scherung in fließenden granularen Systemen hervorgerufen wird.
Die Simulationen zeigen die anteilige Verteilung großer (blau) und kleiner Partikel (rot) beim Mischvorgang bei unterschiedlich ausgelegten Mischern.
Simulationen zu Verweilzeiten und Fließprofilen in Silos mit unterschiedlichen Einbauten und Designs am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (MVT), Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU).
Basierend auf unserem einzigartigen Modell für Strömungen granularer Füllmaterialien ermöglichen wir innerhalb unserer GRAIN Software die Simulation des Materialflusses und den Einfluss von Installationen, Einbauten und des Silodesigns selbst auf das Strömungsfeld im Silo.
Insbesondere ist GRAIN in der Lage, silospezifisches Verhalten wie Kern- und Massenfluss vorherzusagen und die Verweilzeit des Materials in einem Silo zu berechnen. Im Gegensatz zu DEM-Simulationen sind wir in der Lage Silos mit Industriegröße und realistischer Partikelgröße zu berücksichtigen, und erhalten dabei Berechnungszeiten, die mit komplexen CFD-Simulationen vergleichbar sind.
Das Einblasen von Luft zur Lockerung des Schüttgutes oder zur Trocknung des Schüttgutes kann durch eine gekoppelte Simulation mit FLUID simuliert werden.
Die Simulation der Strömung in Rührwerkskugelmühlen stellt eine besondere Herausforderung dar. Hier verbinden sich mehrere Forschungsgebiete der Berechnung komplexer Strömungen innerhalb einer Simulation:
Die damit auftretenden Modellierungs- und numerischen Schwierigkeiten sind herausfordernd. Die Interaktion von vier räumlich und zeitlich voll aufgelösten Phasen muss sowohl untereinander als auch mit den sich schnell bewegenden Bauteilen modelliert werden. Den daraus resultierenden phasenabhängigen Anforderungen an die numerischen Verfahren begegnen wir mittels einer erweiterten Zeitschrittsteuerung.
Erstmals haben wir hier die Module FLUID, also mehrphasige, nicht-Newtonsche Modellierung zusammen mit einer dritten Newtonischen Phase und GRAIN – für die Simulation der Rührkugeln in einer solch komplexen Fragestellung – kombiniert. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner wurden die daraus resultierenden Simulationsergebnisse erfolgreich mit vorhandenen Messungen abgeglichen.
Beim Pneumatischen Transport wird granulares Material mithilfe einer Gasströmung durch ein Rohrsystem transportiert – dies ist eine oft verwendete und besonders produktschonende Art des Transports. Der Pneumatischen Transport bedarf jedoch einer vorsichtigen und materialspezifischen Auslegung, da unter Umständen eine Blockade des Rohres durch Verstopfung oder ungünstige Strömungsverhältnisse drohen.
Mit dem Softwaremodul GRAIN ist zur Auslegungsunterstützung erstmals ein ganzheitlicher Ansatz in Entwicklung, der Ingenieurinnen und Ingenieure bei einer material- und systemsensitiven Einstellung der Strömungsrandbedingungen (wie z.B. Granulatmenge oder die Gasgeschwindigkeit) unterstützen soll.
Die Simulation zeigt den Transport granularer Masse im Strömungsfeld eines Rohrsystems – zusätzliche Darstellung im Querschnitt an Positionen A und B - am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disperser Systeme der TU München.
Räumlich aufgelöste Informationen für
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM