Modellierung und Simulation der gekoppelten 3Phasenströmung des PUR-Fasersprühverfahrens

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Willi Ackermann
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1 2. Norddeutsches Simulationsforum , HAW Hamburg Modellierung und Simulation der gekoppelten 3Phasenströmung des PUR-Fasersprühverfahrens Prof. Dr.-Ing. Peter Wulf HAW Hamburg Dipl.-Ing.(FH) Patrick Diffo HAW Hamburg Hennecke GmbH Übersicht Einführung Fasersprühverfahren Projekt SFPURC Modellierung der Spray-Faser-Kopplung Homogenisierungsansätze Grundgleichungen Zusammenfassung und Ausblick Modifikation der Spray-Faser-Kopplung Faserdichten- und Faserorientierungsermittlung

2 Einführung PUR Faser Luftunterstützes Sprühen Fasersprühverfahren LFI - Verfahren CSM PUR - Verfahren InterWet - Verfahren Krauss-Maffei Hennecke Cannon Einführung PUR-Fasersprühverfahren im Einsatz Bayer MaterialScience AG

InterWet - Verfahren Krauss-Maffei Hennecke Cannon

3 Einführung Evolution der umsetzbaren Produkte Bildquellen Bayer, Hennecke, Krauss-Maffei FEM im Automobilbau: Anisotropes Verhalten, abhängig von Faserorientierung, Faserdichtenverteilung, Schichtdicke Projekt SFPURC Sprühsimulation Faserverstärkter PUR-Composites (SFPURC) Gefördert vom BMBF, Laufzeit Projektleitung/ ausführung Projektpartner Wissenschaftliche Zusammenarbeit Wissenschaftliche Zusammenarbeit

Schichtdicke Projekt SFPURC Sprühsimulation Faserverstärkter PUR-Composites (SFPURC) Gefördert vom BMBF,

4 - zwar hohe mechanische Festigkeit des Verbunds - Anisotropie und Ínhomogenität des Verbundwerkstoffs schwierig abzuschätzen - Faserdichteverteilung meist unbekannt - Faserorientierung meist unbekannt - Wissensmangel über die Ereignisse im Sprühstrahl 3 Phasen Luft Kontinuierliche Phase Navier-Stokes Spraytropfen Diskrete Phase Aggregation in Parcel Lagrange Bewegungsgleichung Fasern Feste Phase Elastischer Cosserat-Stab Dynamische Kirchhoff- Love-Theorie 1D-Diskretisierung

Ereignisse im Sprühstrahl 3 Phasen Luft Kontinuierliche Phase Navier-Stokes Spraytropfen Diskrete Phase Aggregation in

5 Naheliegender Gewählter Ansatz Ansatz Mögliche Varianten der Homogenisierung CV CV Diskrete Homogenisierung 1. Berechnung der Einzel-Parcel-Impulse 2. Summierung über alle Parcel im CV 3. Bestimmung einer massengewichteten fiktiven Impulsgeschwindigkeit Homogenisierung nach Mittelwertbildung 1. Bestimmung der Partikelgewichteten mittleren Parcelgeschwindigkeit im CV 2. Bestimmung einer massengewichteten fiktiven Impulsgeschwindigkeit

Bestimmung einer massengewichteten fiktiven Impulsgeschwindigkeit Homogenisierung nach Mittelwertbildung 1.

6 Grundgleichungen aller 3 Phasen Gas phase: Liquid phase: Fiber phase: Homogenisierung des 2-phasigen PUR-Sprays Cell specific volume fractions: Cell specific mass fractions: Cell specific momentum: Discrete homogenization Averaged homogenization

$specific volume fractions: Cell specific mass fractions: Cell$

7 Deterministic spray force vector components: Berücksichtigung der homogenisierten Größen in den Faser-Kraft-Ansätzen Turbulent air force vector: Domain: 1m x 0,5m x 3m Gitterauflösung: 100 x 30 x 200 Zellen CFD-Parameter: Atomizer-Typ Airblast Durchmesser Spraydüse 7mm PUR-Massenstrom 50 g/s PUR-Dichte 1100 kg/m³ Parcel-Strom s -1 Spraykegelwinkel: 20 Luft-Volumenstrom 18 ltr/s Robotergeschwindigkeit 0,6 m/s Zeitschritt CFD s

CFD-Parameter: Atomizer-Typ Airblast Durchmesser Spraydüse 7mm PUR-Massenstrom 50 g/s PUR-Dichte 1100 kg/m³

8 Geschwindigkeiten in der Luftphase [m/s] Parcel (Verweildauer [s]) Parcel (Geschwindigkeit [m/s]) PUR-Schichtdicke auf dem Substrat [kg] Homogenized density: a) Scaled to max b) rescaled Homogenized velocity: a) Discrete homogenization b) Averaged homogenization

Substrat [kg] Homogenized density: a) Scaled to max b) rescaled

9 Simulation der Faserdynamik Tool FIDYST Spray-Feld wird eingekoppelt Faser-Parameter: Länge 1,5 cm Durchmesser 1,78 m Dichte 2000 kg/m³ E-Modul 500 N/m² Injektionsgeschwindigkeit 3 m/s Injektionswinkel 60 Robotergeschwindigkeit 0,6 m/s Zeitschritt s Fiber dynamics: a) Discrete homogenization b) Averaged homogenization c) Without homogenization Auswirkungen der Homogenisierung: - Impulsgeschwindigkeit 50% Luftstrahlgeschwindigkeit - Impulsdichte 18x Luftdichte - Fasern werden abgelenkt - Maximale Impulsgeschwindigkeit im unteren Sprühkegelbereich

Discrete homogenization b) Averaged homogenization c) Without homogenization Auswirkungen der Homogenisierung: - Impulsgeschwindigkeit 50%

10 Faserdynamik

11 Zusammenfassung & Ausblick Bisherige Erkenntnisse - Homogenisierung notwendig und praktisch umsetzbar - Kleinere Differenzen zwischen den Homogenisierungsansätzen - Faserablenkung qualitativ ähnlich zur Beobachtung Ausblick Spray-Faser-Kopplung: Zukünftig Aufspaltung in Luftkräfte (Taylor-Drag-Ansatz) und homogenisierten PUR-Impulsstrom (direkter Transfer auf die Fasern) Ausblick Modellierung Faser-Dynamik Ungleichmäßige Gewichtsverteilung entlang der Fasern durch Benetzung Faserorientierung und schichtdickenverteilung: Vergleich mit Bauteilen

Luftkräfte (Taylor-Drag-Ansatz) und homogenisierten PUR-Impulsstrom (direkter Transfer auf die Fasern) Ausblick Modellierung

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