Simulation der Wechselwirkung Fäden-Luft in Filamentprozessen
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- Alfred Althaus
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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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