FPM zur Simulation von Strömungsproblemen in der Glasproduktion

FPM zeigt eine hervorragende Brauchbarkeit für Anwendungen in der Glasindustrie, da hier häufig Probleme mit freien Oberflächen auftreten, z.B. beim Gießen von Glas in Formen oder beim Transport von flüssigem Glas in offenen Rinnen. Hinzu kommen Problemstellungen mit zeitlich bewegter Geometrie.

 

Simulation Befüllen eines Hohlzylinders

Für die Firma Schott Glas simulierten wir das einfache Befüllen eines Hohlzylinders mit einem extrem kurzen Glas. Ein solches Glas zeichnet sich dadurch aus, dass mit abnehmender Temperatur des Glases die Viskosität des Materials stark ansteigt und dieser Anstieg exponentiellen Charakter aufweist. Zur Befüllung des Zylinders wird ein Rohr zwischen die äußere und innere Zylinderwand eingebracht und während des Befüllens, entsprechend der steigenden freien Oberfläche, nach oben weggeführt. Eine der interessierenden technischen Fragestellungen ist nun, wie hoch man die Befüllungstemperatur wählen muss, damit der Zylinder einwandfrei befüllt wird und die Schmelze nicht vorher erstarrt.

Eine direkt damit in Zusammenhang stehende Frage ist das Einstellen der Temperatur an den Zylinderwänden, da dort die Schmelze am schnellsten abkühlt. Vorzeitiges Erstarren ist also im Allgemeinen auf eine unzureichende Beheizung der Wände zurückzuführen.

Die linke Bildfolge zeigt das Füllen des Hohlzylinders bei akzeptabler Wandtemperatur. Es kommt nicht zu vorzeitigen Erstarrungsprozessen, dagegen erkennt man ein fast quasistationäres Ein- und Breitlaufgebilde des flüssigen Glases. Die rechte Bildfolge zeigt einen Befüllvorgang mit eindeutig zu tief gewählter Randtemperatur. Die Schmelze stockt, noch ehe sie vollständig im Zylinderring breitgelaufen ist. In diesem Fall müssten die Produktionsparameter - insbesondere die Randtemperatur - verändert werden, um zu einem akzeptablen Ergebnis zu kommen.

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Füllen des Hohlzylinders bei akzeptabler Wandtemperatur.

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Befüllvorgang mit zu tief gewählter Randtemperatur.

Schlieren in Glasströmungen

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Schlierendynamik in einem Rührgerät: Diese zweidimensionale Studie zeigt, wie sich Schlieren ausbreiten und beim Rühren verändern.

In der Glasproduktion treten häufig Schlieren in der Schmelze auf. Das sind unerwünschte Verunreinigungen des Glases, die an den Wänden der Schmelzwanne oder in Rinnen und Rohren entstehen, in denen das Glas fließt. Die Schlieren zeichnen sich durch unterschiedliche physikalische Eigenschaften gegenüber der Glasschmelze aus. Dabei sind besonders Dichte- und Viskositätsunterschiede zwischen Schliere und Glas zu verzeichnen.

Vom technischen Standpunkt her ist es nur schwer möglich, Schlierenbildung komplett zu verhindern. Dagegen erscheint es wesentlich einfacher, die bereits existierenden Schlieren im flüssigen Glas durch Rührgeräte zu homogenisieren. Da flüssiges Glas allerdings ein äußerst zähes Medium ist, kommt der Optimierung der Rühraggregate eine besondere Bedeutung zu, weil eine Vermischung des Glases ohne Turbulenz nur schwer realisierbar ist.

 

Effektivität des Rührers durch Simulation untersuchen

Grundidee dieses für die Firma Schott Glas in Mainz bearbeiteten Projekts ist es, die Effektivität des Rührers durch Simulationen zu verifizieren und gegebenenfalls Veränderungen der Rührergeometrie zu erproben. Man betrachtet dazu ein strömendes Zweiphasenmedium (Glas und Schliere) und bildet die Dynamik der Schliere innerhalb des Rühraggregats numerisch ab. Die FPM eignet sich hier prinzipiell sehr gut, da sie durch ihre Lagrange-Formulierung sich bewegende Phasen und Geometrien inhärent beherrscht.

Simulation eines Tropfenspeisers

Geometrie des Tropfenspeisers
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Geometrie des Tropfenspeisers.

Ein Beispiel für ein instationäres Strömungsproblem mit freien Oberflächen ist ein Tropfenspeiser (TC-25), wie er in der Produktion traditioneller Röhrenbildschirme eingesetzt wird. Das Beispiel TC-25 veranschaulicht die vielfältigen Möglichkeiten der Finite-Pointset-Methode (FPM). Ein Tropfenspeiser führt einem kontinuierlichen Produktionsprozess innerhalb eines Zyklus jeweils einen Tropfen flüssigen Glases zu. Der erzeugte Tropfen wird in eine Form eingebracht, wo er in einem weiteren Schritt mit Hilfe eines Stempels zu einem Bildschirm gepresst wird.

Der zu generierende Tropfen muss bestimmten Vorgaben bezüglich Größe bzw. Temperatur genügen, und es sollte vor Inbetriebnahme eines solchen technologischen Prozesses sichergestellt sein, dass diese Vorgaben im Produktionszyklus auch eingehalten werden können. Ein Tropfenformungsprozess nach dem TC-25-Muster ist jedoch sehr sensibel, es gibt einige Parameter, die den Formungsprozess erheblich beeinflussen können. Simulationen sind daher für die Auslegung sehr hilfreich.

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Tropfenspeiser

Formungsprozess TC-25

Bei der Apparatur des TC-25 handelt es sich um eine nach oben offene Wanne, die Glasschmelze enthält. Ein über dem Glasspiegel befindliches Zuflussrohr stellt einen kontinuierlichen Nachschub an Glasschmelze sicher. Im Boden der Wanne ist eine Speiseröffnung (Ablauf) eingebracht. Eine periodisch auf und ab bewegte »Nadel« oberhalb des Ablaufs sorgt für die Portionierung des Glasmassenstroms.

Dabei entsteht bei der Aufwärtsbewegung der Nadel ein Sog, der das Austreten von Glasschmelze aus der Speiseröffnung verhindert. Es füllt sich ein Hohlraum mit Glasschmelze, die bei der anschließenden Abwärtsbewegung der Nadel durch die Speiseröffnung getrieben wird und sich dabei zum Tropfen formt. Jeder der auf diese Weise periodisch entstehenden Tropfen wird abgeschnitten und fällt in die Form, in der er schließlich zum Bildschirm verpresst wird. Die Nadel selbst ist noch von einer Hülse umgeben, die einmal pro Zykluszeit um ihre eigene Achse rotiert und für gute Durchmischung der Glasschmelze sorgt.

Wir haben uns mit dem TC-25 an einem breit angelegten Benchmarking beteiligt und dabei nachgewiesen, dass FPM mühelos einen solchen Prozess simulieren kann.

Projektart: Industrieprojekte
Projektpartner: Schott Glas, Mainz