Simulation von Filtermedien mit
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- Thilo Achim Brauer
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1 Simulation von Filtermedien mit
2 Simulation von Filtermedien mit Dr. Stefan Rief Dr. Andreas Wiegmann Fraunhofer-Institut Techno- und Wirtschaftsmathematik, Kaiserslautern 9. Symposium Textile Filter Sächsisches Textilforschungsinstitut e.v März 2008 in Chemnitz
3 Überblick 1. Virtuelles Materialdesign 2. Strukturgenerierung an Beispielen Nonwoven, Gewebe, Membrane, Agglomerate, Sintermaterialien 3. Simulation Bubble Point der Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle Druckabfall an gefalteten Ölfiltern Papierentwässerung Rußpartikelfilter 4. Zusammenfassung Seite 3
4 1. Virtuelles Materialdesign Geforderte Materialeigenschaften erzielt? Virtueller Designzyklus Bestimmung / Variation der Materialparameter Berechnung makroskopischer Eigenschaften des Filters Berechnung mikroskopischer Eigenschaften des Filtermediums Seite 4
5 2. Virtuelle Strukturgenerierung Virtuelles Nonwoven mit Gradientenstruktur Zufällig generiert mit garantierten spezifizierbaren Eigenschaften wie Verteilungen der Faserdurchmesser und Faserquerschnitte Faserorientierungen Porositäten Lagendicken Schichtung zweier Lagen mit verschiedenen Parametern Benutzung flexibler Würfelgitter Seite 5
6 2. Virtuelle Strukturgenerierung Virtuelles Nonwoven mit Bindereintrag Zufällig generiertes Nonwoven Morphologischen Operationen zur Erzeugung des Binders Menge des Binders direkt vorgebbar Binder erscheint als neues Material in der Struktur mit eigenen Eigenschaften in der Simulation (-> wichtig z.b. für Elastizität) Seite 6
7 2. Virtuelle Strukturgenerierung Virtuelles Drahtgewebe Exakte Vorgabe der Struktur Virtuelles Gewebe mit Leinwandbindung Mischung von Deterministik und Zufall Verwendbar als Stützgewebe für ein Nonwoven in einer Makrosimulation Seite 7
8 2. Virtuelle Strukturgenerierung Membran Agglomerat Seite 8
9 2. Virtuelle Strukturgenerierung Virtuelle Sinterstruktur Zufällig generiert basierend auf Kugelpackung Morphologischen Operationen zur Erzeugung der Sinterhälse Kugelpackung orientiert sich an Korngrößenverteilung im Sinterprozess Ansatz wurde in einem Projekt entwickelt, da keine Tomographie herstellbar war Seite 9
10 2. Virtuelle Strukturgenerierung Beurteilung der Qualität t einer generierten Struktur Das Auge Porosität, spezifische Oberfläche Sehnenlängenverteilungen Porengrößenanalyse Durchströmungseigenschaften 2,5 2 Vergleich von Durchströmungseigenschaften Bubble Point, Kapillardruckkurven Filtrationseigenschaften Akustische Eigenschaften Geschwindigkeit [m/s] 1,5 1 0,5 Simulation Experiment Druckabfall [Pa] Seite 10
11 3. Simulation von Struktureigenschaften Anwendungsbeispiele Brennstoffzelle: Bubble Point Berechnung der Gasdiffusionsschicht Ölfilter: Simulation des Struktur abhängigen Druckabfalls Papiermaschine: Simulation der Papierentwässerung Rußpartikelfilter: Designstudie Seite 11
12 3. Simulation von Struktureigenschaften Bestimmung des Bubble Points mittels Porenmorphologie Non-wetting phase reservoir Young-Laplace-Gleichung: Pore gefüllt, wenn non-wetting fluid r Bubble point! Closed β wetting fluid Wetting phase reservoir Seite 12
13 3. Simulation von Struktureigenschaften Gasdiffusionsschicht: Wasserverteilung am Bubble Point pc= 10.6 kpa (r=10.5 µm) Seite 13
14 3. Simulation von Struktureigenschaften Simulation von gefalteten Filtern Navier-Stokes-Brinkmann-Gleichung für freie und poröse Strömung Permeabilität des Filtermediums durch Messung oder Mikrostruktursimulation Studie zum effektiven Durchfluss in Abhängigkeit vom Drahtgewebe Druckverteilung Seite 14
15 3. Simulation von Struktureigenschaften Modellierung und Simulation der Pressenpartie einer Papiermaschine Papiermaschine Pressspalt Pressfilz Seite 15
16 3. Simulation von Struktureigenschaften Modellierung und Simulation der Pressenpartie einer Papiermaschine Tomographie GeoDict als Eingabeparameterlieferant für Makrosimulation: Bildbearbeitung (Filtern, Zuschnitt) Analyse der Porositätsverteilung Berechnung der schichtweisen Permeabilität Porositäts- und Permeabilitätsänderung unter virtueller Verpressung Druck-Sättigungskurven via Porenmorphologiemethode Seite 16
17 3. Simulation von Struktureigenschaften Seite 17
18 3. Simulation von Struktureigenschaften Simulation von Filtrationsprozessen Strömung O P T I M I E R U N G 1. Festlegung initialer Strukturparameter 2. Generiere / modifiziere Struktur 3. Löse Strömungsgleichungen 4. Berechne Partikeltransport & - anlagerung 5. Bestimme Filtereffizienz, Druckabfall 6. Neue Materialparameter S T A N D Z E I T Einzelfasersimulation Seite 18
19 3. Simulation von Struktureigenschaften Im Modell abgebildete Abscheidemechanismen A) Sperreffekt D) Siebeffekt B) Trägheitseffekt E) Elektrostatische Effekte C) Brown sche Bewegung Seite 19
20 3. Simulation von Struktureigenschaften Designstudie eines Rußpartikelfilters Sinterstruktur mit und ohne Faserauflage im Hinblick auf Gegendruckverhalten Rußpartikel (80 nm) sind sehr viel kleiner als Struktur (1 µm) -> poröse Anlagerungsart Navier-Stokes-Brinkmann-Gleichung für freie und poröse Strömung Permeabilität und maximaler Füllgrad der porösen Rußwürfel durch Einzelfasersimulation 500 Millionen Rußpartikel pro Standzeitsimulation Partikelfilter mit Faserauflage Seite 20
21 3. Simulation von Struktureigenschaften Einzelfasersimulation Rußschicht aus Einzelfasersimulation Seite 21
22 3. Simulation von Struktureigenschaften Seite 22
23 4. Zusammenfassung (und mehr ) - FiberGeo Geo, SinterGeo Geo, WeaveGeo Geo, GridGeo Geo, PackGeo (Strukturgeneratoren) - ProcessGeo (3d Bildbearbeitung) - LayerGeo (Schichtungen) - ImportGeo (z.b. Tomographie, STL) - ExportGeo (z.b. Fluent, Abaqus) - FlowDict (Strömungseigenschaften) - ElastoDict (Effektive Elastizität) - ThermoDict (Wärmeleitfähigkeit) - DiffuDict Dict (effektive Diffusion) - FilterDict (Filtration) - SatuDict (Kapillardruckkurven) - PoroDict (Porengrößenverteilung) - AcoustoDict (Absorptionseigenschaften) Seite 23
24 GeoDict Development Teams The GeoDict Team Andreas Wiegmann Jürgen Becker Kilian Schmidt Heiko Andrä Ashok Kumar Vaikuntam Rolf Westerteiger Christian Wagner Mohammed Alam Jianping Shen The PoroDict Team Andreas Wiegmann Jürgen Becker Rolf Westerteiger The PleatDict Team Andreas Wiegmann Oleg Iliev Stefan Rief The FilterDict Team Stefan Rief Kilian Schmidt Arnulf Latz Andreas Wiegmann Christian Wagner Rolf Westerteiger The SatuDict Team Jürgen Becker Volker Schulz Andreas Wiegmann Rolf Westerteiger The RenderGeo Teams Carsten Lojewski Rolf Westerteiger Matthias Groß The FiberGeo Team Andreas Wiegmann Katja Schladitz Joachim Ohser Hans-Karl Hummel Petra Baumann WeaveGeo & PleatGeo Andreas Wiegmann The SinterGeo Team Kilian Schmidt Norman Ettrich The ElastoDict Team Heiko Andrä Dimiter Stoyanov Andreas Wiegmann Vita Rutka Donatas Elvikis GridGeo & PackGeo Andreas Wiegmann FlowDict Lattice Boltzmann Team Dirk Kehrwald Peter Klein Dirk Merten Konrad Steiner Irina Ginzburg Doris Reinel-Bitzer FlowDict EJ Solver Team Andreas Wiegmann Liping Cheng Aivars Zemitis Donatas Elvikis Vita Rutka Qing Zhang Seite 24
25 Software for Generation, Simulation, Visualization: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 25
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