OptPleat - Simulation und Optimierung von gefalteten Filtermedien

Fraunhofer ITWM

2010 wurde mit der Entwicklung des Simulations- und Optimierungstools OptPleat begonnen. Haupteinsatzgebiet dieses Softwarepakets ist die rechnergestützte Vorhersage der komplexen Prozesse in Filterelementen mit gefalteten Filtermedien. Diese kommen wegen ihres günstigen Verhältnisses von Filtrationsoberfläche zu Gehäusevolumen in vielen Anwendungsbereichen (z.B. Industrie, Gebäude- und Medizintechnik) zum Einsatz. Die Nachbildung der Vorgänge im Filterelement stellt wegen der komplexen Geometrie des Mediums und der daraus resultierenden Auswirkungen auf das Strömungsfeld sowie das Abscheidungsverhalten eine große Herausforderung dar. Als entsprechend teuer erweisen sich numerische Simulationen, wenn lediglich Standardverfahren verwendet werden. Um die Entwicklungszeit beim Design neuer Filterbauteile dieser Art durch Computer Aided Engineering (CAE) verkürzen zu können, verwendet OptPleat problemgerechte und robuste Algorithmen, die die Rechenzeit erheblich reduzieren.

Eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) erleichtert die Arbeit mit den Eingabedaten für die Simulation (z.B. Strömungs- und Materialparameter) und ermöglicht es, sowohl die Anzahl als auch die Form der Filterfalten zu modifizieren, wobei die bearbeitete Geometrie simultan visualisiert wird. Dank des modularen Aufbaus von OptPleat kann je nach Komplexität der zu lösenden Optimierungsaufgabe das passende Tool gewählt werden. Eine erste Optimierung der Geometrie des Filtermediums etwa lässt sich mit Hilfe sehr schneller Routinen durchführen, die auf analytischen Lösungen für das Abscheidungsprofil basieren. Für weitere Verbesserungen des Designs steht eine Toolbox zur Berechnung von Strömung und Filtration in 2D bzw. 3D zur Verfügung. Zusätzlich sind Computersimulationen standardisierter Filtereffizienztests (ISO) möglich, so dass mit OptPleat vielfältige Optimierungen bereits lange vor dem Bau von Prototypen durchgeführt werden können.

Ferner wurde numerisch untersucht, wie sich ein deformierbares poröses Medium unter Einfluss der Strömung verformt. Dabei ist zu beachten, dass sich durch die Beladung des Filters u.a. die Permeabilität des Mediums verändert. Die dadurch hervorgerufenen Änderungen des Druckabfalls wirken sich auf die Faltenform aus. Um bereits in der Designphase das Risiko des "Kollabierens" von Filterfalten minimieren zu können, muss dieses komplexe Zusammenspiel von Beladung, Verformung und Strömung bei der Simulation angemessen berücksichtigt werden. Die Erstellung des entsprechenden Softwaremoduls ist Gegenstand der aktuellen und künftigen Entwicklung von OptPleat.