Simulation von CO 2 -Schneestrahldüsen

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1 Simulation von CO 2 -Schneestrahldüsen Clemens Buske Dr. Volker Kassera CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 1 / 33 - Überblick Vorstellung & Einführung CFD Vorstellung untersuchter Rund- und Flachdüse Simulation der Strömung innerhalb und außerhalb der Düse Simulation der partikelbeladenen Strömung Abschätzung der Flächenleistung und Düsenvergleich Zusammenfassung und Ausblick CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 2 / 33-1

2 Vorstellung CFD Consultants GmbH - Hauptsitz in Rottenburg bei Stuttgart - Niederlassung in Kaiserslautern - gegründet derzeit 10 feste Mitarbeiter - unabhängige CFD Beratung - über 90 Kunden aus Industrie und Forschung CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 3 / 33 - Computational Fluid Dynamics (CFD) + Kostengünstige, schnelle Strömungsanalyse verschiedener Konfigurationen + Parallele Berechnung aller Strömungswerte an allen Stellen des Berechnungsgebiets + Berechnung von Partikeln in Strömung, Turbulenz, chemischen Reaktionen, Akustik,... - Modellbildung - Gutes physikalisches Verständnis - Verifizierung mit analytischen bzw. experimentellen Ergebnissen CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 4 / 33-2

3 CFD Anwendungsbeispiele Druckguss-Simulation - Simulation der Erstarrung, Abkühlung, Schrumpfung - Zyklenberechnung - Modellierung von porösen Medien - bewegte Objekte (z.b. Modellierung der Gießkolbenbewegung, Flüssigpressen) CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 5 / 33 - CAA (Computational Aeroacoustics) Berechnung von Strömungslärm - Entstehung und Ausbreitung von Schall - Richtung und Stärke der Schallausbreitung - Derzeit in der Forschung - Module in kommerzieller CFD-Software bereits verfügbar - Bsp.: Schallausbreitung in 2D Scherschicht (Ma 2) CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 6 / 33-3

4 Düsentechnologie der Untersuchung - Entspannung von flüssigem CO 2 in Strahldruck - Laval-Prinzip - Variable Luftzufuhr durch verstellbaren Entspannungsraum CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 7 / 33 - Vernetzung Runddüse - Symmetrisches Modell - Düsenaustrittsdurchmesser d Düse = 3.6 mm - Freistrahlgebiet: Länge = 80 d Düse Durchmesser = 55 d Düse - Randbedingungen: Druckeinlass (grün) Massenfluss (rot) Druckauslass (hellblau) - Verfeinerungen: Spalt, Düsenverengung, Düsenaustritt CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 8 / 33-4

5 Vernetzung Flachdüse - Symmetrisches Modell - Düsenaustrittsgeometrie Breite = 10.4 mm Höhe = 1 mm - Abmessungen des Freistrahlgebiets wie Runddüse - Randbedingungen wie Runddüse - Verfeinerungen wie Runddüse CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 9 / 33 - Simulation Modellierungen / Vereinfachungen - Stationäre Rechnung - Keine CO 2 -Partikelentstehung bzw. Agglomeration - Vorgabe homogener Partikelverteilung am Austritt des Entspannungsraums - 3 separate Partikeldurchmesser - Keine Partikelstöße untereinander - Keine Sublimation der Partikel - Luft-CO 2 -Medium als ideales Gas - Turbulenzmodellierung CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 10 / 33-5

6 Simulation der Strömung innerhalb der Düse Geschwindigkeitsvektoren Runddüse - Rückstromgebiet hinter Entspannungsraum - Gleichmäßige Randströmung CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 11 / 33 - Simulation der Strömung innerhalb der Düse Geschwindigkeitsvektoren Flachdüse - Schwächeres Rückströmfeld hinter Entspannungsraum - Längswirbel in Düse CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 12 / 33-6

7 Simulation der Strömung innerhalb der Düse Stromlinien der Rund- und Flachdüse bei 7 bar Strahldruck - Runddüse: Gleichmäßige Strömung - Flachdüse: Turbulentere Strömung CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 13 / 33 - Simulation der Strömung innerhalb der Düse Schlussfolgerung für Partikelagglomeration - Rückströmung bei Runddüse: Förderung der Agglomeration - Erhöhte Turbulenz und fehlende Rückströmung bei Flachdüse Mögliche Minderung der Agglomeration und Förderung von Partikelstößen Kleinere Partikel CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 14 / 33-7

8 Simulation der Strömung außerhalb der Düse Runddüse 7 bar v max = 576 m/s m/s CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 15 / 33 - Simulation der Strömung außerhalb der Düse Runddüse 5 bar v max = 521 m/s m/s CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 16 / 33-8

9 Simulation der Strömung außerhalb der Düse Runddüse 3 bar v max = 515 m/s m/s CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 17 / 33 - Simulation der Strömung außerhalb der Düse Flachdüse 7 bar v max = 560 m/s m/s CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 18 / 33-9

10 Simulation der Strömung außerhalb der Düse Vergleich der Geschwindigkeiten im Freistrahl - Halbierung des Strahldrucks Senkung von v max um ca. 60 m/s - Rund- und Flachdüse etwa gleichgroßes Geschwindigkeitsmaximum - Schnellerer Geschwindigkeitsabfall bei Flachdüse als bei Runddüse - Validierung: Gute Übereinstimmung der Geschwindigkeit am Düsenaustritt mit analytischer Lösung CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 19 / 33 - Simulation partikelbeladener Strömung Massenstrom-Randbedingung - Vorgabe von Partikeln am Entspannungsraumaustritt - Messergebnisse: Partikelgeschwindigkeit Partikeldurchmesserverteilung 8 m/s 25, 50, 75 µm CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 20 / 33-10

11 Simulation partikelbeladener Strömung Luftströmung der Runddüse mit Partikeln bei variablem Massenstrom bei 7 bar Strahldruck. m = 9 kg/h 18 kg/h 27 kg/h CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 21 / 33 - Simulation partikelbeladener Strömung Partikelströmung der Runddüse bei 7 bar Strahldruck für verschiedene Partikeldurchmesser d P = 25 µm d P = 50 µm d P = 75 µm CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 22 / 33-11

12 Simulation partikelbeladener Strömung Partikelströmung von 75 µm Partikel bei verschiedenen Strahldrücken und Düsen 3 bar 5 bar 7 bar CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 23 / 33 - Abschätzung der Flächenleistung - Abschatzung der Flächenleistung über kinetische Energie der Partikel - Bestimmung der Orte, an denen die meisten Partikel auftreffen für verschiedene Abstände - Bestimmung der Partikelgeschwindigkeiten - Bestimmung der kinetischen Energie der Partikel hinter der Düse Räumliches Energiemaximum für verschiedene Konfigurationen CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 24 / 33-12

13 Abschätzung der Flächenleistung Statistische Auswertung - Abhängigkeiten Runddüse: - Abstand vom Düsenaustritt - Abstand von Strahlachse (Radius) - Strahldruck Flachdüse: - Abstand vom Düsenaustritt - Abstand von Strahlachse (Strahlbreite) CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 25 / 33 - Abschätzung der Flächenleistung Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Partikel bei Runddüse und 7 bar Strahldruck d P = 75 µm Abstand zur Düse = 40 mm CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 26 / 33-13

14 Abschätzung der Flächenleistung Partikelgeschwindigkeit bei Runddüse und 7 bar Strahldruck d P = 75 µm Abstand zur Düse = 40 mm CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 27 / 33 - Abschätzung der Flächenleistung Kinetische Energie der Partikel bei Runddüse und 7 bar Strahldruck d P = 75 µm Abstand zur Düse = 40 mm CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 28 / 33-14

15 Abschätzung der Flächenleistung Aufsummierte kinetische Energie aller Partikel bei Runddüse und 7 bar Strahldruck CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 29 / 33 - Abschätzung der Flächenleistung Korrektur der aufsummierten kinetischen Energie - Partikel sublimieren mit Abstand zur Düse - Berücksichtigung durch Dämpfungsfaktor - Maximum für Runddüse bei 7 bar Strahldruck: 40 mm Abstand, 1 mm Radius CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 30 / 33-15

16 Vergleich der Düsen Normierte, korrigierte Energiemaxima für verschiedene Konfigurationen CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 31 / 33 - Zusammenfassung und Ausblick - Runddüse weist stärkeres Rückströmgebiet als Flachdüse auf - Große Partikel bestimmen im Wesentlichen die Abtragsleistung - Strahldruckänderung bei Runddüse kaum Auswirkung auf Größe der Abtragfläche, wohl aber auf Abtragsgeschwindigkeit - Flachdüse verteilt Energie deutlich breiter Höhere Flächenleistung zu erwarten - Validierung der Korrekturfunktion - Validierung der Partikelgeschwindigkeiten und Abtragsbreite - Untersuchung weiterer Düsengeometrien Senkung der Turbulenz und Steigerung der Rückströmung bei Flachdüse durch Adaption an Runddüseninnengeometrie CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 32 / 33-16

17 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/ Rottenburg phone: mail: CFD Consultants GmbH Sprollstraße 10/1 D Rottenburg Tel.: Folie 33 / 33-17

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