Simulation von Fluid- und Partikelprozessen
Wir analysieren, charakterisieren und optimieren Bauteile und Materialien für Sie durch Strömungs- und Partikelsimulation, inkl. Variationsrechnungen und statistische Auswertungen. Je nach Anwendung auf der Makroskala (z.B. abgebildet Zyklon-Partikelabscheider) oder Mikroskala (faseriges Filtermedium rechts daneben) können wir aus einer Bandbreite verschiedener spezialisierter Softwaretools zurückgreifen. Es steht sowohl kommerzielle Software von Drittanbietern zur Verfügung als auch kostenlose Open Source Software und Software die wir selber entwickeln (DNSlab, Python).
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DNSlab Simulationssoftware
Überblick
Die DNSlab Simulationssoftware dient zur Auslegung und Analyse von porösen Strukturen für technische Anwendungen, insbesondere im Bereich Filtration und Adsorption. Die 3D Modelle der porösen Strukturen werden mit DNSlab generiert oder beispielsweise aus Tomographiedaten importiert. Mit Methoden der Bildauswertung, Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) und durch Modellierung von Partikelstößen (Diskrete Elemente Methode, DEM) können unter anderem Porosität, Permeabilität, Filtereffizienz, Filterkuchenaufbau und -abreinigung sowie Beladungs- und Durchbruchskurven für die porösen Strukturen bestimmt werden.
Die DNSlab Software stellt alle Funktionen zur Verfügung die benötigt werden zur Erstellung und Visualisierung der 3D Porenstrukturmodelle, Durchführung der Analysen und Simulationen sowie zur Auswertung und Aufbereitung der Simulationsergebnisse. Die Software kann sowohl auf einfacher Bürohardware verwendet werden als auch parallelisiert auf Hochleistungsrechnern. Alle DNSlab Aktionen können auch als Makro per Kommandozeile ausgeführt werden.
Veröffentlichungen
Veröffentlichungen zur Berechnung der Filtereffizienz mit DNSlab finden Sie hier >
Filtereffizienz
Unter der Voraussetzung einer hinreichend geringen Partikelkonzentration können die Rückwirkung der Partikel auf die Gas- oder Flüssigkeitsströmung sowie Partikel-Partikel Wechselwirkungen vernachlässigt werden. Die Filtereffizienz des porösen Mediums kann dann mit DNSlab berechnet werden, indem zunächst ein stationäres Strömungsfeld durch numerisches Lösen der Navier-Stokes-Gleichungen und anschließend die Partikeltrajektorien und eventuelle Kollision mit der porösen Struktur berechnet werden. Aus dem Verhältnis der abgeschiedenen Partikel zur Gesamtanzahl der Partikel einer Partikelgrößenklasse ergeben sich die Fraktionsabscheidegrade.
Druckverlust
Für ein 3D Modell eines porösen Mediums kann mit DNSlab die Druckverlustkurve für die Durchströmung mit Newton'schem Gas oder Flüssigkeit vollautomatisch berechnet werden. Ein Vernetzen oder Einstellen von Randbedingungen ist nicht mehr erforderlich. Nachdem die dimensionslose Strömungssimulation über einen breiten Geschwindigkeitsbereich abgeschlossen wurde, kann der Druckverlust für beliebige Newton'sche Fluide einfach ermittelt werden durch Eingabe der Dichte und Viskosität sowie der Anströmgeschwindigkeit oder des Volumen- bzw. Massenstroms und der Anströmfläche.
Modellierung poröser Strukturen
Einige wichtige Beispiele poröser Strukturen aus dem Bereich Filtration und Adsorption sind nebenstehend veranschaulicht. Die Modelle können mit DNSlab generiert oder beispielsweise aus Tomographiedaten importiert werden.
Zur grundlegenden Charakterisierung der porösen Struktur können mit DNSlab zunächst Porosität und Feststoffanteil, Oberfläche, Porengrößenverteilung und, entsprechend dem Glasperlentest, der Durchmesser der größten Kugel, die durch die Porenstruktur hindurchgeführt werden kann, bestimmt werden.
Filterkuchenaufbau und -abreinigung
Partikelabscheidung durch Siebung und Filterkuchenaufbau sowie das Wiederablösen abgeschiedener Partikel und Agglomerate können durch aufgelöste 2-Wege CFD-DEM Kopplung hochgenau simuliert werden. Mit dieser Methode wird das Strömungsfeld um jeden Einzelpartikel aufgelöst und die auf das Partikel wirkenden Kräfte durch Integration von Drücken und Relativgeschwindigkeiten an der Partikeloberfläche berechnet. Die Rückwirkung der Partikel auf die Strömung wird durch Geschwindigkeitsrandbedingungen an der Partikeloberfläche berücksichtigt. Dadurch werden Impulsübertragung auf das Fluid und Volumenverdrängung durch die Partikel abgebildet.
Als weniger rechenintensive Alternative zur 2-Wege CFD-DEM Kopplung steht auch 1-Weg CFD-DEM Kopplung in DNSlab zur Verfügung, bei der die Rückwirkung der nicht abgeschiedenen Partikel auf die Strömung vernachlässigt wird. Dadurch lässt sich der Rechenaufwand für die Strömungsberechnung stark reduzieren. Gleichzeitig kann auch eine breitere Partikelgrößenverteilung abgebildet werden.
Die 1½-Wege CFD-DEM Kopplung erlaubt die Simulation von Filterkuchenaufbau und -wiederablösung inklusive der einhergehenden Druckverluständerungen bei gleichzeitig verhältnismäßig geringem Bedarf an Rechenleistung. Das Strömungsfeld wird nur aktualisiert wenn eine signifikante Anzahl von Partikeln abgeschieden oder wieder abgelöst wurde, so dass das Strömungsfeld nicht in jedem Zeitschritt aktualisiert werden muss.
Adsorption
Unter Annahme eines stationären Strömungsfelds und permeabler Adsorbenskörner werden die Navier-Stokes-Brinkman Gleichungen gelöst um die lokalen Geschwindigkeiten und Drücke im Festbett aus Adsorbenskörnern zu berechnen. Anschließend wird durch eine explizite Zeitschrittiteration Konvektion, Diffusion und Adsorption des Adsorptivs entsprechend der Adsorptionsisotherme berechnet. Als Ergebnis erhält man die räumlich und zeitlich aufgelöste Beladung des Adsorbens, die Adsorptivkonzentration im Abströmgebiet des Festbetts und mithin die Durchbruchskurve.
