Simulation von Granulaten und Schüttgütern

Granulate und deren Verarbeitungsprozesse haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung und sind ein spannendes Forschungsfeld innerhalb der Simulation komplexer Fluide. Allein ca. 60 Prozent der Produkte der chemischen Industrie sind Granulate – weitere ca. 20 Prozent der Produkte enthalten pulverförmige Bestandteile.

GRAIN – Simulation Granularer Massenströme

Der Complex Rheology GRAIN Solver wurde entwickelt, um den Fluss granularer Materialien (z.B. Sand) zu bearbeiten. Um mit industriellen Problemen arbeiten zu können, haben wir zwei konkurrierende Ziele miteinander vereinbart:

  • Die gesamte Spannweite des komplexen, dreidimensionalen Verhaltens von granularen Strömungen muss so realistisch wie möglich reduziert werden.
  • Die Rechenzeit muss kurz genug sein, damit sie in einem industriellen Umfeld eingesetzt werden kann.

Beide Anforderungen werden in GRAIN erfüllt, indem wir ein spezielles nichtlineares hydrodynamisches Modell nutzen, welches wir bei uns im Institut entwickelt haben. Unser zusammengesetztes Modell vereint in sich die Charakteristiken von schnellen, dünnen granularen Strömungen mit Ansätzen der Bodenmechanik dichter, langsamer Strömungen. Es reproduziert bereits bekannte Ergebnisse der granularen Dynamik, wie z.B. Dilatanz, die Existenz von Scherbändern und festkörperähnliches Verhalten.

Dieses Modell und entsprechende numerische Methoden (d.h. verschiedene nichtlineare Finite Volumen Methoden) wurden in GRAIN – einem Modul der CoRheoS Softwareplattform – implementiert. CoRheoS ist dabei in der Lage die gesamte Simulation granularer Strömungen abzudecken, von der Erfassung beliebiger Geometrien bis zur Visualisierung.

Vorteil gegenüber anderen Methoden:

Ein wichtiger Vorteil von GRAIN im Vergleich zu partikel-basierten Methoden wie DEM ist, dass wir granulare Materialien als Kontinuum behandeln. Das ermöglicht die Simulation sowohl von schnellen, dünnen als auch langsamen, dichten granularen Vorgängen mit für die Industrie relevanten Materialvolumina und der realistischen Größe von Partikeln verschiedener Granulate und Pulver in einem gewöhnlichen CFD-Umfeld mit ähnlicher Berechnungszeit.

Die Wechselwirkung auf mikroskopischer Ebene von Partikeln wird hierbei ein Teil der Kontinuumsmodellierung. Zusätzlich kann die Parallelisierung der CFD Prozesse sehr effektiv erreicht werden, welche wir intensiv erforschen. Diese Ergebnisse können direkt in GRAIN angewendet werden, um die Simulationszeit weiter zu reduzieren.

 

Wechselwirkung sich bewegender Bestandteile

Der Anwendungsbereich für GRAIN hat sich in den vergangenen Jahren erneut stark durch die Wechselwirkung sich bewegender Bestandteile in granularen Medien vergrößert. Wir haben beispielsweise ein Industrieprojekt für Mischmaschinen mit schnell bewegenden Bestandteilen erfolgreich beendet, welches wir auf die anfänglichen Erfolge verschiedener vielversprechender Tests aufgebaut haben.

Dienstleistungen:

  • Dynamische 3D-Simulation mit räumlicher Auflösung von
    • Prozessen mit granularer Masseströmung
    • Zwei- und dreiphasigen luftgetriebenen Prozessen zur Feststoffverarbeitung
    • Mechanisch betriebenen Misch- und Fräsmaschinen
  • Virtuelle Tests des Designs, der Hochskalierung, des Flussverhaltens und der Verweilzeitverteilung.
  • Projektbasierte Zusammenarbeit und wissenschaftliche Beratung für
    • Charakterisierung des Materials für die Simulation in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IKTS
    • Erweiterungen der Modellierung für kundenspezifische Bedingungen der einzelnen Verfahren
    • Lizenzierung, Installation und erstes Laufenlassen der Software vor Ort

Simulation von Mischvorgängen und -geräten

Die Simulation von Mischern stellt die einzigartige Herausforderung dar, granulare Strömungen und sich rasant bewegende Mischgeräte zu verbinden, die enorme Scherkräfte in einem Feststoff erzeugen. Unser GRAIN Softwaremodul ist in der Lage, solche Prozesse zu simulieren, wobei es realistische Rotationsgeschwindigkeiten und Materialeigenschaften nutzt.

 

Ergebnisse:

  • Räumlich aufgelöste Informationen über die lokale Dichte, Geschwindigkeit, Scherkräfte, Druck und Bauteilbelastung
  • Virtuelle Tests für das Design der Mischmaschine, Hochskalierung des Mischers für verschiedene Größen und verschiedene Verfahrensbedingungen

Simulation eines EIRICH-Mischer der Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co KG.

Simulation von Segregationsprozessen

Granulare Systeme unterschiedlicher Partikelsorten – vorrangig Größen- und Dichteunterschiede – sind dem Phänomen der Segregation unterworfen, welches zur Entmischung der Bestandteile führt. Ein Prozess, der in Teilen der Montanindustrie zum Vorteil genutzt werden kann, führt in anderen Industriezweigen zu anhaltenden Herausforderungen. Selbst gut vermischte Systeme können später bei Be- und Entladung oder Transportvorgängen wieder an Qualität verlieren.

Das Segregationsmodul der GRAIN Software ist in der Lage das Trennverhalten von Partikelmischungen zu simulieren, welches durch die Partikelinteraktion bei Scherung in fließenden granularen Systemen hervorgerufen wird.

Die Simulationen zeigen die anteilige Verteilung großer (blau) und kleiner Partikel (rot) beim Mischvorgang bei unterschiedlich ausgelegten Mischern.

Ergebnisse:

  • Räumlich aufgelöste Informationen über die lokale Verteilung unterschiedlicher Partikelsorten
  • Virtuelle Tests zur Validierung der Güte von Misch- oder Trennprozessen

Simulation und Auslegung von Silos

Simulationen zu Verweilzeiten und Fließprofilen in Silos mit unterschiedlichen Einbauten und Designs am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (MVT), TU Kaiserslautern.

Basierend auf unserem einzigartigen Modell für Strömungen granularer Füllmaterialien ermöglichen wir innerhalb unserer GRAIN Software die Simulation des Materialflusses und den Einfluss von Installationen, Einbauten und des Silodesigns selbst auf das Strömungsfeld im Silo.

Insbesondere ist GRAIN in der Lage, silospezifisches Verhalten wie Kern- und Massenfluss vorherzusagen und die Verweilzeit des Materials in einem Silo zu berechnen. Im Gegensatz zu DEM-Simulationen sind wir in der Lage Silos mit Industriegröße und realistischer Partikelgröße zu berücksichtigen, und erhalten dabei Berechnungszeiten, die mit komplexen CFD-Simulationen vergleichbar sind.

Das Einblasen von Luft zur Lockerung des Schüttgutes oder zur Trocknung des Schüttgutes kann durch eine gekoppelte Simulation mit FLUID simuliert werden.   

 

Ergebnisse:

  • 3D-Simulation mit räumlicher Auflösung der Strömungen im Silo mit lokalen Informationen über die Dichte, Geschwindigkeit, Druck, Bauteilbelastung
  • Virtuelle Tests und Auswertung von Verweilzeitverteilung, Strömungsbild und Fließpfad für beliebig gesetzte Sucher und Marker
Verweilzeit
© Fraunhofer ITWM
Verteilung der Verweilzeit.

Simulation von Rührwerkskugelmühlen

Simulation Mühle
© Fraunhofer ITWM
Das Beispiel zeigt die Simulation des Flusses einer TiO2-Susupension durch granulare Rührwerkskugeln in einer vertikal rotierenden Scheibenmühle der KRONOS INTERNATIONAL, INC.

Die Simulation der Strömung in Rührwerkskugelmühlen stellt eine besondere Herausforderung dar. Hier verbinden sich mehrere Forschungsgebiete der Berechnung komplexer Strömungen innerhalb einer Simulation:

  • Zweiphasige Suspensionsströmung von Pulver und Wasser, modelliert als nicht-Newtonsches Fluid
  • eine dritte Phase der als granular modellierten Kugeln, schnell bewegte Bauteile
  • eine vierte Phase der umschließenden Luft

Die damit auftretenden Modellierungs- und numerischen Schwierigkeiten sind herausfordernd. Die Interaktion von vier räumlich und zeitlich voll aufgelösten Phasen muss sowohl untereinander als auch mit den sich schnell bewegenden Bauteilen modelliert werden. Den daraus resultierenden phasenabhängigen Anforderungen an die numerischen Verfahren begegnen wir mittels einer erweiterten Zeitschrittsteuerung.

Erstmals haben wir hier die Module FLUID, also mehrphasige, nicht-Newtonsche Modellierung zusammen mit einer dritten Newtonischen Phase und GRAIN – für die Simulation der Rührkugeln in einer solch komplexen Fragestellung – kombiniert. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner wurden die daraus resultierenden Simulationsergebnisse erfolgreich mit vorhandenen Messungen abgeglichen.

 

Ergebnisse:

  • Dynamische Berechnung lokaler Größen
  • Dichteverteilung der Suspension und Rührwerkskugeln
  • Geschwindigkeitsfelder und Druckverteilung
  • Scherkräfte und Verlustleistung in allen Phasen
  • Virtuelle Tests der Leistung der Mühle in Bezug auf:
    • Lokale Belastung und lokale Verlustleistung um die Mahlleistung zu charakterisieren
    • Lokale Scherkräfte an den Tellern und Zylinderwänden um den abrasiven Verschleiß zu verdeutlichen

Simulation des Pneumatischen Transports

Beim Pneumatischen Transport wird granulares Material mithilfe einer Gasströmung durch ein Rohrsystem transportiert – dies ist eine oft verwendete und besonders produktschonende Art des Transports. Der Pneumatischen Transport bedarf jedoch einer vorsichtigen und materialspezifischen Auslegung, da unter Umständen eine Blockade des Rohres durch Verstopfung oder ungünstige Strömungsverhältnisse drohen.

Mit dem Softwaremodul GRAIN ist zur Auslegungsunterstützung erstmals ein ganzheitlicher Ansatz in Entwicklung, der Ingenieurinnen und Ingenieure bei einer material- und systemsensitiven Einstellung der Strömungsrandbedingungen (wie z.B. Granulatmenge oder die Gasgeschwindigkeit) unterstützen soll.

Die Simulation zeigt den Transport granularer Masse im Strömungsfeld eines Rohrsystems – zusätzliche Darstellung im Querschnitt an Positionen A und B - am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disperser Systeme der TU München.

Ergebnisse:

Räumlich aufgelöste Informationen für

  • lokale Gas- und Granulatgeschwindigkeit
  • Druckabfall der Gasphase
  • lokale Porosität des granularen Materials
  • Granulatmassenstrom