Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Feinstaubbelastung
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Symbolbild Feinstaubbelastung, Auspuff vor Stadtansicht

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Simulation von Dieselpartikelfiltern

Optimierung gesinteter Metallfilter mit keramischer Faserauflage

Zusammen mit der Robert Bosch GmbH arbeiten wir an der Entwicklung neuester Partikelfiltersysteme im Abgasstrang von Dieselfahrzeugen. Im Fokus der Forschung stehen gesinterte Metallfilter mit keramischer Faserauflage, die es in Bezug auf den Gegendruck und das Standzeitverhalten zu optimieren gilt.

Dazu ist es erforderlich, das Sintersubstrat als virtuelle Geometrie zu generieren, wozu der ITWM-eigene Strukturgenerator GeoDict zum Einsatz kommt. Die Partikelsimulation findet auf der Mikro- und Nanoskala statt.

Simulation Dieselpartikelfilter
© ITWM
Simulation Dieselpartikelfilter
Simulation Dieselpartikelfilter
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Simulation Dieselpartikelfilter

Geometriegenerierung

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die virtuelle Geometriegenerierung des Sintersubstrats und der Faserauflage mittels des Strukturgenerators GeoDict. Die Modellierung des Substrats erfolgt auf Grundlage einer virtuellen Packung aus Kugeln und Zylindern, deren Größenverteilung den realen Sinterkörnern ähnlich ist.

Durch Anwendung morphologischer Dilation und Erosion erzielt man Strukturen, deren Eigenschaften wie Porosität oder Sehnenlängenverteilung mit Schliffbildern realer Proben verglichen und in Einklang gebracht werden. Die Faserauflage wird mit Hilfe des Nonwoven-Generators von GeoDict erzeugt. Die benötigten Eingabeparameter wie Porosität oder Faserorientierung werden ebenfalls aus Schliffbildern realer Proben extrahiert und sind durch den Generierungsprozess in der virtuellen Struktur innerhalb gewisser Schranken garantiert.

 

Partikelsimulation

Die Filtrationssimulation in den virtuellen Materialien geschieht mit dem GeoDict-Modul FilterDict. Nach Spezifikation von Russpartikelverteilung und verschiedensten Prozessparametern wird iterativ das Strömungsfeld und die Partikelbewegung berechnet.

Die Langrangesche Beschreibung der Partikelbewegung berücksichtigt:

  • Partikel-Fluid-Reibung
  • Partikelträgheit
  • den Einfluss Brown'sche Bewegung

Angelagerte Partikel werden protokolliert und modifizieren die Geometrie für den nächsten Iterationsschritt.

 

Herausforderung Skalenunterschiede

Eine Herausforderung bei der Simulation sind die Skalenunterschiede zwischen dem Filter und den Russpartikeln. Typischerweise wird der eigentliche Filter im Bereich von wenigen Mikrometern aufgelöst. Die kleinsten Partikel sind dagegen nur einige Nanometer groß. Aus diesem Grund werden Ansammlungen von Partikeln als poröse Strukturen modelliert, an denen wiederum deponiert werden kann.

In die Strömungssimulation gehen sie in einem Stokes-Brinkmann-Modell als Permeabilitäten ein. Erwähnenswert ist hierbei, dass der Aufbau der porösen Strukturen vorab an hochaufgelösten Einzelfasersimulationen studiert und entsprechende Modellparameter für die eigentliche Mikrosimulation abgeleitet werden.

Simulation Partikelfilter
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Simulation Partikelfilter
Vergleich zweier Filter mit und ohne Faserauflage
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Vergleich zweier Filter mit und ohne Faserauflage

Die Simulationen sind im Allgemeinen sehr aufwendig und erfordern den mehrtägigen Einsatz des ITWM Clusters. In einem simulativen Vergleich zweier Filter mit und ohne Faserauflage ist die Verzögerung des Gegendruckanstiegs bei Benutzung einer Faserauflage festzustellen, was einer längeren Standzeit entspricht. Dieses Verhalten wird auch in Experimenten beobachtet.

Projektpartner:

Robert Bosch GmbH

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