Der Complex Rheology Polymer Löser beschäftigt sich mit den Strömungen der Polymerschmelze und der polymeren Suspension, den Spritzgussprozessen sowie dem Pulverspritzguss (CIM – ceramic injection moulding, MIM – metal injection moulding).

Im Falle von viskoelastischen Strömungsproblemen sind zwei allgemeine Klassen von Zustandsgleichungen verfügbar:

• verallgemeinerte newtonsche Strömungen, wie zum Beispiel Modelle, deren Viskosität η=η(κ,T,p) eine Funktion des lokalen Scherratentensors κ und der thermodynamischen Parameter wie Temperatur T und Druck p darstellt.
• nicht-newtonsche Fluide, bei denen der elastische Spannungsanteil als Memory Integral (OldroydB, Doi-Edwards etc.), modelliert ist.

Prognose der Scherviskosität und der ersten Normalspannungsdifferenz:

Die Bilder seitlich zeigen die erwartete Scherviskosität η= Txy/κxy und die erste Normalspannungsdifferenz N1=Txx-Tyy. Das integrale Doi-Edwards Modell wurde in diesen Simulationen genutzt.

Spritzguss

• Die freie Oberflächenströmung wurde mit der VOF (Volume of fluid) Methode berechnet.
• Die freie Oberfläche kann mit allen Zustandsgleichungen gekoppelt werden.

Pulverspritzguss (NUSIM Projekt):

• Das Modell für Scherspannungs induzierte Partikelbewegungen wurde verwendet um die Partikelkonzentration im Ausgangsmaterial (Bindemittel + Pulver) vorauszusagen
• Das Bindemittel ist durch ein verallgemeinertes newtonsches Fluid modelliert.

Der Complex Rheology Fiber Löser wurde entworfen um Fasersuspensions-Strömungen zu berechnen, die zum Beispiel in Kompressions- / Injektions-Modellierungen von faserverstärkten Thermoplasten auftreten. Unsere Modelle wurden entwickelt um den Einfluss der Faserorientierung auf die Rheologie der Polymerschmelze zu erfassen. Die Ermittlung der Faserorientierung und der Strömungsfelder ist physikalisch realistisch als ein vollkommen gekoppeltes Problem berücksichtigt. Es ist also in den Situationen einsetzbar, bei welchen das einfache Folgar Tucker Modell nicht ausreicht, aber dennoch oft gebraucht wird. Der Folgar Tucker Ansatz ist in unseren Modellen als Grenzwert für niedrige Faserkonzentrationen (< 2 %vol) erfasst. Des Weiteren sind Modelle für die Faserflexibilität vorhanden.
Um die Kopplung der Strömung und der Faserorientierung zu erfassen, wurden konstitutive Gleichungen, welche die Suspensionsspannungen in Form der Faserorientierung und des Scherentensors ausdrücken, entwickelt.

Die folgenden Modelle sind erhältlich:

• Folgar Tucker Modelle, die Kurzfasersuspensionen in verdünnten und halbverdünnten Systemen beschreiben.
• Die Erweiterung des Folgar Tucker Modells, welche den ausgeschlossenen Volumeneffekt für konzentrierte Suspensions-Systeme berücksichtigt.
• Ein Modell, welches die C-geformte Krümmung der Fasern bei Anwesenheit von Krümmungen des Suspensions-Geschwindigkeitsfeldes beschreibt.

Prognose der starren Faserorientierung in einer Gussform:

Das Bild seitlich zeigt Ergebnisse basierend auf dem Folgar Tucker Modell. Es zeigt die Visualisierung der Momente zweiter Ordnung der Faserorientierungsverteilung (Ellipsoid) und den durchschnittlichen Winkel zwischen der Faserorientierung und der Y-Achse (Farbe).

Halbflexibles Faserorientierungsmodell:

Das Bild auf der linken Seite ist ein Dreikugelmodell für halbflexible Fasern. Die Orientierungsellipsoide visualisieren ein verallgemeinertes Feld der Momente zweiter Ordnung. Die Vektoren stellen die Faserkrümmung dar — die Farben veranschaulichen den Grad der Krümmung während die Richtung eine gemittelte Richtung des Krümmungsvektors ist.

Der Complex Rheology Grain Löser wurde entwickelt um Strömungen von granularen Materialien (z. B. Sand) zu behandeln. Um sich mir industriellen Problemen zu beschäftigen, müssen zwei konkurrierende Ziele erfüllt sein:

• Die komplette Bandbreite des komplexen dreidimensionalen Verhaltens der granularen Strömungen muss so realistisch wie möglich nachgebildet sein.
• Die Rechnungszeit muss für den Gebrauch in einem industriellen Umfeld kurz genug sein.

Beide Anforderungen sind durch den Gebrauch eines speziellen nicht-linearen hydrodynamischen Modells erfüllt, welches am ITWM entwickelt wurde. Unser Hybridmodell kombiniert die Eigenschaften der schnellen granularen Strömung mit dem Ansatz der Bodenmechanik für dichte Kriechströmungen. Es reproduziert bekannte Ergebnisse der granularen Dynamik wie zum Beispiel die Dilatanz, das Vorliegen von Scherbändern und das Festkörperverhalten.

Siloströmungen:

Ein grundlegender Effekt der Siloströmung ist die Unterscheidung von Kern- und Massen-Strömungen, welche von der Steilheit des Silokegels, von der Wandspannung und von der inneren Reibung des granularen Materials abhängt. Bei flachen Silos entstehen die so genannten Kernströmungen, wo die Körner durch das Zentrum des Silos fließen und nur im Zentrum entsteht eine Strömung in Richtung des Abflusses.

In steilen Silos strömen die Körner an jedem Punkt im Silo abwärts, kein inverses Korn ist im Zentrum zu beobachten und eine Massenströmung tritt auf. Es kann nicht nur das in unseren Simulationen nachgebildet werden, sondern mit ihr kann auch das volle Geschwindigkeitsfeld, welches die Größe der stillstehenden Zone und die Druckverteilung in dem Silo beinhaltet, vorausgesagt werden.

Kernschießen:

Sandkörner sind in der Gießereiindustrie für das Gießen komplizierter Maschinenteile sehr verbreitet . Sie werden durch das Schießen mit hoher Geschwindigkeit eines unter Druck gesetzten Sand-Luft-Gemisches in einen Kernkasten produziert, welcher so homogen wie möglich gefüllt werden muss. Fü das Erhalten einer homogen gefüllten Form müssen die Öffnungen an den dazugehörigen Positionen in den Kernkasten durchbohrt werden, damit die Hemmung der Sandströmung vermieden wird, z. B. wegen zusammengedrückten Luftlöchern. Simulationen des gesamten Kernschießprozesses werden helfen, die optimalen Positionen für diese Öffnungen zu finden, welche von der Geometrie des Kernkasten und von der Beschaffenheit des Sandes abhängen. Die Sanddynamik ist verbunden mit der kompressiblen Navier-Stokes Gleichung für Luft.
Die Bilder zeigen die Sandströmungsvorhersage in einer Windungsgeometrie (VIGI-Projekt). Das erste Bild ist das experimentelle Ergebnis (ausgeführt durch das Institut für Gießereitechnik in Düsseldorf) und das zweite Bild ist das Simulationsergebnis

Haufenbildung:

Wir sind in der Lage Sandhaufen mit vorhersagbaren Abhängen zu simulieren, welche in den seitlichen Bildern zu sehen sind.

• Linkes Bild: Schüttwinkel mit ungefähr 25 Grad.
• Rechtes Bild: Schüttwinkel mit ungefähr 15 Grad.

"Sandströmung mit Hindernissen":

Die Simulation zeigt ein einfaches nicht geschlossenes granulares Material in einer Zweistufen-Geometrie.