Simulation der Wechselwirkung Fäden-Luft in Filamentprozessen

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1 Simulation der Wechselwirkung Fäden-Luft in Filamentprozessen 21. Hofer Vliesstofftage 8. / 9. November 2006 Marco Günther

2 Übersicht Fadenmodellierung und -dynamik Wechselwirkung Fäden-Luft Glaswolleproduktion Neumag Saurer Seite 2

3 Fadenmodellierung und Fadendynamik Materialmodelle Fadenziehen: viskos (in der Entwicklung visko-elastisch) Fadenablage: elastisch Fadendynamik durch Kräftebilanzierung innere Kräfte: Dehnung, Spannung, Biegung äußere Kräfte: Gravitation, Luftwiderstand Stochastische Modellierung der Turbulenz Fadentypen Endlosfasern, Stapelfasern rund, hohl, trilobal Neumag Saurer Seite 3

4 Fadenmodellierung und Fadendynamik Newtonsche Bewegungsgleichung Trägheit Spannung Biegung Gravitation Luftwiderstand Konstante Fadenlänge Turbulente Strömung: Interaktion durch Luftwiderstand Seite 4

5 Fadendynamik Ablageprozess Seite 5

6 Wechselwirkung Fäden-Luft Wechselwirkung in 2 Richtungen: Strömung wirkt auf Fäden Viele Fäden haben Wirkung auf Strömung Arten der Wechselwirkungen: Strömungswiderstand Wärmetransport zwischen Fäden und Strömung Seite 6

7 Wechselwirkung Fäden-Luft Problem: Strömung und Fadenbewegung nicht gleichzeitig berechenbar Iteration zwischen Strömung (FLUENT) und Fadendynamik (FIDYST) CFD ohne Fäden Fadendynamik CFD mit Fadeneffekt Fadendynamik CFD mit Fadeneffekt Fadendynamik CFD mit Fadeneffekt 1. Iteration 2. Iteration 3. Iteration 4. Iteration Problem: Wie kann die Wirkung der Fäden auf die Strömung realisiert werden? Homogenisierung von Impuls und Wärmeübergang Seite 7

8 Wechselwirkung Fäden-Luft Homogenisierung Mittelung Umsetzung im Software Tool FLUENT mittels»user Defined Functions«Erweiterung des Strömungsmodells (Impuls- und Energiegleichung) Seite 8

9 Fadenspinnen 5000 Fäden 10 Reihen á 500 Fäden Durchmesser 40 µm 1000 mm 160 mm Spinngeschwindigkeit 20 m/s = 1200 m/min Luftgeschwindigkeit 1.9 m/s 700 mm Fadentemperatur oben 250 C Lufttemperatur Einlass 27 C Seite 9

10 Fadenspinnen Temperatur Temperatur [ C] 1. Iteration 2. Iteration 3. Iteration 4. Iteration Seite 10

11 Fadenspinnen Stromlinien Geschwindigkeit [m/s] 1. Iteration 4. Iteration Seite 11

12 Fadenspinnen Faserpositionen Seite 12

13 Glaswolleherstellung Seite 13

14 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Verfahren Seite 14

15 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Spinnprozess Seite 15

16 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Strömungssimulationen Temperatur Vertikale Geschwindigkeit Seite 16

17 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Impulsbilanz: Trägheit Spannung Oberflächenspannung Gravitation Luftwiderstand Wärmeenergiebilanz: Corioliskraft Zentrifugalkraft Seite 17

18 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Seite 18

19 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Seite 19

20 Spinnprozess bei der Glaswolleherstellung Numerisches Ergebnis 1. Iteration 2. Iteration 3. Iteration 4. Iteration Seite 20

21 Zusammenfassung Schmelzspinnen numerisch erfassbar Vollständige Kopplung zwischen Fäden und Luft Optimierung von Schmelzspinnprozessen hinsichtlich gleichmäßiger Abkühlung und Auslenkung möglich FIDYST (Fiber Dynamics Simulation Tool) erlaubt Simulation von Spinn- und Ablageprozessen Seite 21

22 Zukunftsszenario: Simulierte Realität für technische Textilien Zukünftige Ziele: Abbildung der gesamten Kette vom Spinnprozess bis Einsatzszenario Übergreifendes Reverse Engineering: von Produkteigenschaften zum Prozess und damit zu innovativen Produkten Zukünftige Möglichkeiten: Integriertes Prozess- und Materialdesign für neue Produkte Reverse Engineering in der Produktionskette: Eigenschaften, Qualität, Produktionskosten Simulation Prod.prozess SIM Strukturelle Materialbeschr. SIM Phänomenolog. Materialbeschr. Produktbewertung Mikrostruktursimulation Bauteilsimulationen SIM Produktionsparameter Reverse Engineering Produktionsprozess Virtuelles Materialdesign Seite 22

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