Simulation von Filtermedien mit - Fraunhofer-Institut für Techno

Simulation von Filtermedien mit
Simulation von Filtermedien mit
Dr. Stefan Rief
Dr. Andreas Wiegmann
Fraunhofer-Institut
Techno- und Wirtschaftsmathematik, Kaiserslautern
9. Symposium Textile Filter
Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.
04. - 05. März 2008 in Chemnitz
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
1. Virtuelles Materialdesign
Geforderte Materialeigenschaften erzielt ?
Virtueller
Designzyklus
Berechnung makroskopischer
Eigenschaften des Filters
Bestimmung / Variation der
Materialparameter
Berechnung mikroskopischer
Eigenschaften des Filtermediums
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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
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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)
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2. Virtuelle Strukturgenerierung
Virtuelles Drahtgewebe
Virtuelles Gewebe mit Leinwandbindung
• Exakte Vorgabe der Struktur
• Mischung von Deterministik und Zufall
• Verwendbar als Stützgewebe für ein
Nonwoven in einer Makrosimulation
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2. Virtuelle Strukturgenerierung
Membran
Agglomerat
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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
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2. Virtuelle Strukturgenerierung
Beurteilung der Qualitä
Qualität einer generierten Struktur
• “Das Auge”
• Porosität, spezifische Oberfläche
• Sehnenlängenverteilungen
Vergleich von Durchströmungseigenschaften
• Porengrößenanalyse
2,5
• Durchströmungseigenschaften
• Filtrationseigenschaften
• Akustische Eigenschaften
Geschwindigkeit [m/s]
• Bubble Point, Kapillardruckkurven
2
1,5
Simulation
Experiment
1
0,5
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
Druckabfall [Pa]
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Anwendungsbeispiele
• Brennstoffzelle: Bubble Point Berechnung der Gasdiffusionsschicht
• Ölfilter: Simulation des Struktur abhängigen Druckabfalls
• Papiermaschine: Simulation der Papierentwässerung
• Rußpartikelfilter: Designstudie
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Bestimmung des Bubble Points mittels
Porenmorphologie
Non-wetting phase reservoir
• Young-Laplace-Gleichung:
• Pore gefüllt, wenn
non-wetting fluid
Closed
Bubble point!
r
β
wetting
fluid
Wetting phase reservoir
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Gasdiffusionsschicht: Wasserverteilung am Bubble Point
pc= 10.6 kPa
(r=10.5 µm)
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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
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Modellierung und Simulation der Pressenpartie einer Papiermaschine
Papiermaschine
Pressspalt
Pressfilz
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Modellierung und Simulation der Pressenpartie einer Papiermaschine
Tomographie
GeoDict
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
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Seite 17
3. Simulation von Struktureigenschaften
Strömung
Simulation von Filtrationsprozessen
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
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Im Modell abgebildete Abscheidemechanismen
A) Sperreffekt
D) Siebeffekt
B) Trägheitseffekt
E) Elektrostatische Effekte
C) Brown‘sche Bewegung
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Designstudie eines Ruß
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
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3. Simulation von Struktureigenschaften
Einzelfasersimulation
Rußschicht aus
Einzelfasersimulation
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3. Simulation von Struktureigenschaften
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4. Zusammenfassung (und mehr …)
- FiberGeo
FiberGeo,
Geo, SinterGeo
SinterGeo,
Geo WeaveGeo
WeaveGeo,
Geo GridGeo
GridGeo,
Geo, PackGeo
PackGeo (Strukturgeneratoren)
- ProcessGeo
ProcessGeo (3d Bildbearbeitung)
- LayerGeo
LayerGeo (Schichtungen)
- ImportGeo
ImportGeo (z.B. Tomographie, STL)
- ExportGeo
ExportGeo (z.B. Fluent, Abaqus)
- FlowDict
FlowDict (Strömungseigenschaften)
- ElastoDict
ElastoDict (Effektive Elastizität)
- ThermoDict
ThermoDict (Wärmeleitfähigkeit)
- DiffuDict
DiffuDict (effektive Diffusion)
- FilterDict
FilterDict (Filtration)
- SatuDict
SatuDict (Kapillardruckkurven)
- PoroDict
PoroDict (Porengrößenverteilung)
- AcoustoDict
AcoustoDict (Absorptionseigenschaften)
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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
GridGeo & PackGeo
Andreas Wiegmann
FlowDict Lattice Boltzmann
Team
Dirk Kehrwald
Peter Klein
Dirk Merten
WeaveGeo & PleatGeo
Andreas Wiegmann
Konrad Steiner
Irina Ginzburg
Doris Reinel-Bitzer
The SinterGeo Team
Kilian Schmidt
Norman Ettrich
FlowDict
FlowDict EJ Solver Team
Andreas Wiegmann
Liping Cheng
The ElastoDict Team
Heiko Andrä
Aivars Zemitis
Dimiter Stoyanov
Donatas Elvikis
Andreas Wiegmann
Vita Rutka
Vita Rutka
Qing Zhang
Donatas Elvikis
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Software for Generation, Simulation, Visualization:
www.geodict.com
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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