Granulare und Schüttgutströmungssimulation

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

GRAIN – Simulation Granularer Massenströme

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

  • 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 ein spezielles nichtlineares hydrodynamisches Modell benutzt wird, welches bei uns im Institut entwickelt wurde. 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 granulare Materialien als Kontinuum behandelt werden. 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 Puder in einem gewöhnlichen CFD-Umfeld mit ähnlicher Berechnungszeit.

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

 

Wechselwirkung sich bewegender Bestandteile

Der Anwendungsbereich für GRAIN hat sich im vergangenen Jahr erneut stark durch die Wechselwirkung sich bewegender Bestandteile in granularen Medien vergrößert. Daraufhin wurde ein Industrieprojekt für Mischmaschinen mit schnell bewegenden Bestandteilen erfolgreich beendet, welches auf die anfänglichen Erfolge verschiedener vielversprechender Tests aufgebaut wurde.

Dienstleistungen:

  • Dynamische 3d Simulation mit räumlicher Auflösung von
    • Prozessen mit granularer Masseströmung
    • Zwei- und dreiphasigen luftgetriebenen Prozessen zur Feststoffverarbeitung
    • Mechanischbetriebenen Misch- und Fräsmaschinen
  • Virtuelle Tests des Design, 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,
    • Lizensierung, Installation und erstes Laufenlassen der Software vor Ort

Partner

  • AG Pulvertechnologie am Fraunhofer IKTS
  • Lehrstuhl für Verfahrenstechnik disperser Systeme (VDS) der TU München
  • Projet PELIGRIFF IFPEN Lyon

 

Weiterführende Publikation

Latz, A., Schmidt, S. (2010). Hydrodynamic modeling of dilute and dense granular flow. Granular Matter, 12(4), 387–397.