FiltEST – Filter Element Simulation Softwaretool

Modellierung und Simulation von Filtrationsprozessen

Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und die Produktentwickler bei der optimalen Auslegung zu unterstützen, entwickeln wir die Filter Element Simulation Tool (FiltEST). Über ein Jahrzehnt Expertise und Erfahrung in der Modellierung und Simulation von Filtrationsvorgängen sind in dieser Simulationssoftware gebündelt.
 

FiltEST verwendet spezialisierte Modelle und numerische Verfahren

• zur Simulation der Strömung durch das Filtergehäuse und die Filtermedien
• zur Simulation des Partikeltransports und ihrer Abscheidung
• zur Berechnung der Entwicklung der Permeabilitätsverteilung sowie des Differenzdrucks infolge der Beladung

Die in FiltEST eingesetzten Filtrationsmodelle sind in der Lage, eine Reihe von dynamischen Effekten während der Filtration abzubilden. Dazu zählen sowohl das Zusetzen von Medien (clogging) als auch das Auswaschen von zuvor abgelagerten Partikeln (Reemission).

Die zughörigen Modellparameter für die Filtration und die Permeabilitätsentwicklung können aus Standardeffizienztests für die Filtermedien gewonnen werden. In vielen Fällen ist somit kein zusätzlicher Messaufwand zur Modellkalibrierung nötig.

Optimierung der Auslegung durch Simulationsstudien

FiltEST stellt den Anwendern »virtuelle« Prüfstände für Single- und Multipass-Tests zur Verfügung. Durch die flexible Implementierung dieser virtuellen Prüfstände kann die Software ein breites Spektrum an standardisierten Filtereffizienztests abdecken. Zudem können die in der Simulation verwendeten Teststäube aus mehreren Partikelgrößen (»Channels«) bestehen, was die Berechnung von Fraktionsabscheidegraden ermöglicht. Die Simulation rückt damit nicht nur näher an die realen Gegebenheiten, auch der Vergleich von Messungen mit Berechnungen wird erheblich erleichtert.

Mit diesen Möglichkeiten ausgestattet, können die Produktentwickler verschiedene Auslegungsparameter variieren und somit systematisch das optimale Design ihres Filterelements identifizieren. Insbesondere ermöglicht FiltEST die Sensitivitätsanalyse von Designänderungen, die bei der Realisierung als Prototyp mit erheblichem Aufwand verbunden wären. Dazu zählen die Variation von:  

• geometrischen Eigenschaften des Gehäuses, Form und Positionierung von Stützstrukturen (z.B. Gitter, Rippen),
• geometrischen Eigenschaften der Filtermedien (z.B. Faltenabstand und -form),
• Kombinationen von Filtermedien und Änderung der individuellen Mediendicken.

Kurz, FiltEST versetzt Produktentwickler in die Lage, verschiedene Filterauslegungen vor der Prototypenphase zu analyisieren und zu beurteilen.

Integration in den CAE-Workflow und Visualisierung

CAD-Daten können im Form von STL-Oberflächen importiert und mit Hilfe des eingebauten Gittergenerators in Rechengitter umgewandelt werden. Die Ergebnisse der Effizienzsimulationen werden als textbasierte Tabellen abgespeichert, die sich leicht mit jeder gebräuchlichen Worksheetsoftware (z.B. MS Excel®, OpenOffice, LibreOffice) zur weiteren Bearbeitung einlesen lassen.

Die Simulationsergebnisse auf dem Rechengitter werden im offenen VTK-Format gespeichert und können sowohl mit dem mitgelieferten Visualisierungstool als auch mit Open-Source-Software (z.B. Paraview, VisIt) betrachtet werden. Die 3D-Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes, der Druckverteilung, Partikelkonzentrationen und lokalen Abscheidung versetzt die Anwender in die Lage, in das Filterelement während des Betriebs hineinzuschauen, was wertvolle Hinweise auf mögliche weitere Designverbesserungen liefert.

Kopplung mit Strukturmechaniksimulationen für poröse Materialien

FiltEST-Simulationen können mit FeelMath, einer sehr effizienten Strukturmechaniksoftware des Fraunhofer ITWM für Verbundwerkstoffe und poröse Materialien, gekoppelt werden.

Dadurch ergeben sich tiefere Einblicke in das komplexe Zusammenspiel von Strömungseigenschaften (z.B. Permeabilität) und mechanischen Belastungen (z.B. Kompression) von Filtermedien.