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Engineering- und

Software-Lösungen

für CFD und FEA

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Unsere Produkte > Spezial CFD-Tools

Für die gezielte Modellierung von

• Filteranwendungen,
• Kunststoffanwendungen und
• Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI)

hat DHCAE Tools, basierend auf der renommierten CFD-Toolbox OpenFOAM®, Erweiterungen für einen komfortablen und professionellen Einsatz von Open Source-Lösertechnologie in einem industriellen Umfeld geschaffen.

Ventilanwendung: FSI-Kopplung von OpenFOAM® und CalculiX

Das Simulationstool kann überall dort eingesetzt werden, wo feste Partikel aus Gasen oder Flüssigkeiten mit dünnen Filtermedien in einer Anlage oder einem Gerät abgetrennt werden.

Modellierung von Filteranwendungen

Bereits in der Entwicklung, ohne einen Prototyp zu bauen, kann die Anströmung an den Filter optimiert werden. Dies führt zu einer

• höheren Filtereffizienz,
• besseren Ausnutzung des Filtermaterials und
• energetischen Prozessoptimerung durch einen geringeren Druckverlust.

Ihr Nutzen aus der Filtermodellierung

Modellierungsansatz

Die verwendete Modellierung beruht auf einem sogenannten Euler-Lagrangeschen Ansatz, der die kontinuierliche Strömung und die dispergierten Feststoffpartikel berücksichtigt. In dem Berechnungstool wird insbesondere die Rückwirkung der Partikel am Filter auf die Strömung, wie z.B. eine fortlaufende Verlagerung der Strömung in Zonen niedrigeren Widerstands, berücksichtigt.

Der Filter wird durch eine Fläche modelliert. Dies ermöglicht eine einfache Erstellung im CAD-System und stellt eine weit geringere Anforderung an die Netzgenerierung als eine volumenbasierte Modellierung.

Zum Arbeiten mit dem Filtersolver stehen dem Anwender zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

• Das textfile-basierte Arbeiten, wie unter OpenFOAM® üblich. Diese Arbeitsweise eignet sich für erfahrene OpenFOAM®-Anwender, oder wenn Sie bereits einen CFD-Workflow für OpenFOAM® in Ihrem Unternehmen integriert haben.

• Alternativ können Sie Ihren Filterberechnungsfall in CastNet definieren. Durch gezielte Anpassungen und Erweiterungen von OpenFOAM® für Filteranwendungen wurde von DHCAE Tools ein kosteneffizientes, zuverlässiges und stabiles Auslegungswerkzeug für die Filterindustrie geschaffen.

Modellierung für Filteranwendungen

Die Modellierung für Filteranwendungen wird dem Anwender besonders einfach gemacht:

• Die Filterflächen können direkt im CAD-Modell angewählt werden.
• Die Definition der Filterparameter und der Lösungseigenschaften in der Kopplung der Partikel mit der kontinuierlichen Phase wird direkt im GUI vorgenommen.
• Durch vorgefertigte oder eigenerstellte Templates ist der Simulationsfall mit wenigen Klicks definiert.
• Der gesamte Prozess mit allen Ausgabedateien ist in den automatischen Workflow integriert.

Support und Anpassung inklusive

In das Paket für den Filtersolver ist immer ein Support- und Anpassungspaket eingeschlossen. Hiermit passen wir die Lösungsmöglichkeiten des Tools an Ihre speziellen Bedürfnisse an. Sollten Sie z.B. eine spezielle Form der Beladungs-Charakteristik für Ihre Filter benötigen, wird diese unmittelbar von uns umgesetzt. Auch unterstützen wir Sie in der Anwendung des Solvers.

Eine Testumgebung steht für Sie bereit:

Für einen Test der Filtersimulation steht Ihnen eine komfortable Testumgebung mit Beispielen über das Internet zur Verfügung. Hier können Sie auch Ihre Filteranwendung direkt testen und abschätzen, welche Hardwareressourcen später für Sie erforderlich sein werden.

DHCAE Tools hat ein Werkzeug geschaffen, das ermöglicht, statische Fluid-Struktur-Anwendungen direkt von einer Modellierungsumgebung heraus zu lösen. Als Struktursolver können sowohl CalculiX (Open-Source) als auch Abaqus verwendet werden, wenn Abaqus in Ihrem Unternehmen zur Verfügung steht.

Der Solver ist für Solidkörper und Schalenelemente geeignet.

Er verwendet eine iterative Kopplung mit konsistenter Übertragung der Druckkräfte und Schubspannungen auf die Struktur. Die verschobene Geometrie, wie sie der Struktursolver berechnet, wird wieder zu OpenFOAM® zurückübertragen. Hier findet ein Geometrie-Update statt, und die Strömungskräfte werden von verformten Geometrien auf den Struktursolver übertragen. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis eine Konvergenz zwischen Strömungskräften und verschobener Struktur erzielt ist.

Durch die von DHCAE Tools zur Verfügung gestellte Datenumwandlung von CalculiX-Ergebnissen zu ParaView können die Ergebnisse von Strömung und Struktur gleichzeitig in ParaView dargestellt werden.

Ihr Nutzen aus der Modellierung für Kunststoffanwendungen

Die Kombination der GUI-basierten Pre-Prozessing-Fähigkeiten von CastNet mit den erweiterten Lösungsmöglichkeiten des hervorragenden Strömungssimulations-Lösers OpenFOAM® ermöglicht eine effiziente Werkzeugauslegung für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten in der Kunststoffverarbeitung.

Nicht-Newtonische Materialmodelle

Für die Modellierung des strukturviskosen Fließverhaltens von Polymeren können alle gängigen Viskositätsgesetze unterstützt werden, beispielsweise:

• Carreau, Carreau-Bird, Carreau-Yasuda und Varianten
• PowerLaw, CrossPowerLaw und weitere Potenzgesetze
• Bingham, Herschel-Bulkley, YieldCarreau und weitere Modelle mit Fließgrenze

Für einen zuverlässigen und stabilen Simulationsverlauf bietet der Polymer-Löser weitere Unterstützung für den Anwender, z.B.:

• Automatische Initialisierungen: Die Berechnungsfelder werden automatisch mit stabilen und konvergenzbeschleunigenden Einstellungen für die nicht-Newtonschen Materialien vorbelegt.
• Stabilisierer für die Löser-Einstellungen: Für einen automatischen Wechsel von stabilen zu akkuraten Löser-Einstellungen (Diskretisierungsmethoden, Relaxationsfaktoren, usw.) während des Simulationslaufs steht ein Stabilisierer-Modul zur Verfügung.

Schneller zur Lösung mit stabilen und genauen Simulationsmethoden

Berücksichtigung von Temperatur-Einfluss

Viele Verarbeitungsvorgänge bei Kunststoffen erfordern eine besondere Berücksichtigung der Schmelzetemperatur

• Temperaturabhängige Viskositätsmodelle: Für die korrekte Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit bei den nicht-Newtonschen Materialmodellen stehen Verschiebungsmodelle, wie Arrhenius-Gleichung oder WLF-Modell (Williams-Landel-Ferry), zur Verfügung.
• Thermische Belastung: Zur Erzielung hoher Produktqualität werden maximale Temperaturen und Verweilzeiten vom Löser berechnet, und kritische Bereiche können beim Post-Prozessing lokalisiert werden.
• Viskose Erwärmung: Die viskose Erwärmung wird vom Löser zusammen mit dem Temperaturtransport berechnet.
• Wärmetransport und Wärmeleitung: Wärmetransport durch Fließen der Schmelze und die geringe Wärmeleitung speziell von Kunststoffen ergeben komplexe Temperaturverteilungen während der Verarbeitung und bei Abkühlprozessen. Eine Vielzahl möglicher Randbedingungen steht für die Simulation zur Verfügung.

Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI)

Vorankündigung:

FSI-Kopplung zwischen OpenFOAM® und CalculiX/Abaqus

Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) treten auf, wenn durch eine Strömung Kräfte auf einen elastischen Körper ausgeübt werden, die dort Spannungen, Dehnungen oder Verschiebungen hervorrufen. Andererseits kann die Strömung beeinflusst werden, wenn durch äußere Krafteinwirkung auf einen elastischen Körper Verschiebungen im Strömungsraum erzeugt werden. In beiden Fällen wird die in der reinen Strömungssimulation (CFD) übliche Annahme der starren Wand verlassen und durch die elastische Modellierung des Körpers ersetzt. Somit stellt die Fluid-Struktur-Analyse die Kopplung einer CFD-Simulation mit einem Festigkeitsproblem dar.

FSI-Anwendungen: Aufweitung eines Extrusionswerkzeuges durch Strömungskräfte

Partikelverteilung auf Filterfläche bei einem Wasserfilter

Filteranlage zur Luftreinhaltung

Modellierung von Kunststoffanwendungen

Durch die Simulation von Kunststoffschmelzen können die Fertigungsprozesse erheblich optimiert werden.

• Der Druckverbrauch kann durch eine effiziente Werkzeugauslegung reduziert, die Produktionsgeschwindigkeit erhöht und die Betriebszeit zwischen den Düsenreinigungen verlängert werden.
• Das extrudierte Produkt weist eine höhere Qualität auf, da beispielsweise thermische Belastungen oder Belastungen durch hohe Scherraten minimiert werden.
• Eine optimierte Werkzeugauslegung reduziert darüber hinaus die notwendigen Einfahrversuche.

Insgesamt werden die Kosten für die Herstellung von Extrusionswerkzeugen sowie die Produktionskosten im laufenden Betrieb deutlich reduziert.

Vielfältige Ergebnisausgabe aus dem Polymersolver

Optimierung von Austrittsprofilen

Workflow mit dem Polymersolver

Temperaturverteilungen

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Meso-Modellierung mit Filterkuchenmodell

    PDF-Beschreibung                              Video                                     

Aktuelle Veröffentlichungen zu Filteranwendungen:

Ulrich Heck, Martin Becker

Ständig im Fluss: Strömungsverlagerung an Filter, CIT Plus, Okt 2016, pdf-Dokument

Ulrich Heck, Martin Becker

Customized solvers optimize filtration device design, Filtration and Separation Oct 2016, pdf-Dokument

Makro-Modellierung

    PDF-Beschreibung                              Video                                     Webinar

Ulrich Heck, Martin Becker

Macroscopic filter modelling based on computational fluid dynamics (CFD)

FILTECH-Conference 2018, Powerpoint

Ulrich Heck, Martin Becker

Multi-scale filtration process modelling based on Euler-Lagrange approaches including fluid-structure interactions

Nafems Konferenz Bamberg, 2018, pdf