In mehreren Projekten mit der URSA International GmbH, unter der Verantwortung von Dr. Roman Rupp und Dipl.-Ing Michael Lieberknecht, ist das Fraunhofer ITWM beteiligt an der Simulation, Analyse und Optimierung des Glasfaserspinnprozesses in der Produktion von Wärmedämmstoffen. Das Ziel des aktuellen Projektes ist die Optimierung von Größe und Verteilung der Spinndüsen in der Zerfaserungsmaschine. Dazu werden die gekoppelten Strömungsprozesse in der Glasreserve und den Spinndüsen untersucht. Die zentralen Projektaufgaben sind:

• Die Analyse der Deformation der Lochscheibe aufgrund mechanischer und thermischer Belastungen
• Eine detaillierte Studie des Einflusses von Temperaturgradienten in den Düsen auf die Temperaturverteilung in den Fasern
• Eine Studie der gekoppelten nichtisothermen Strömungen durch die Düsen sowie der Strömung innerhalb der Glasreserve
• Die Optimierung von Größe und Verteilung der Düsen

Temperaturverteilung im flüssigen Glas in einem Teil der Lochscheibe, einschließlich einiger Drüsen

Wegen der großen Anzahl der Löcher sind die Spinndüsen klein im Vergleich zur Lochscheibe. Deshalb ist die direkte Simulation, bei der alle Details der Zerfaserungsmaschine aufgelöst werden, auf heute existierenden Computern nicht möglich. Aus diesem Grund wurde ein Multiskalenansatz zur Lösung des Problems gewählt. Zunächst wurden für eine kleine aber repräsentative Anzahl von Düsen die Strömung berechnet. Auf dieser Skala sind alle Details der Düsen auf dem gewählten Berechnungsgitter aufgelöst, sodass die Geschwindigkeiten, der Druck und die Temperatur präzise bestimmt werden können. Die erhaltenen Resultate werden dazu genutzt, mit Hilfe eines "Upscaling"-Verfahrens effektive Eigenschaften der Lochscheibe, die dann als effektives poröses Medium betrachtet wird, zu bestimmen. Diese fließen dann in eine Simulation der Zerfaserungsmaschine auf makroskopischer Ebene ein, auf der die einzelnen Düsen nicht mehr im Detail aufgelöst werden können. Die makroskopische Simulation ist eingebettet in eine Optimierungsprozedur. Das Ziel, die Optimierung der Größe und Verteilung der Düsen, wird erreicht durch Iteration der beschriebenen Simulationsschritte auf Mikro- und Makroskala. Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung am Düsenaustritt sind die kritischen Größen für die Qualität der produzierten Glasfasern. Die Temperaturverteilung in dem flüssigen Glas in einem Teil der Lochscheibe, einschließlich einiger Düsen, ist unten abgebildet. Zur besseren Visualisierung wird das Scheibenmaterial nicht gezeigt.