26. - 28. September 2017 // Nürnberg, Germany

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Granulate und deren Verarbeitungsprozesse haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung und sind gleichzeitig 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. Für deren effiziente Verarbeitung spielt das Prozessverhalten, d. h. das Zusammenwirken der physikalischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Auf der anderen Seite stellen genau diese physikalischen Eigenschaften hohe Anforderungen an die Strömungsmodellierung sowie an die numerischen Algorithmen zur Lösung der auftretenden nichtlinearen PDEs.

In gemeinsamen Entwicklungsvorhaben mit Industriepartnern hat sich gezeigt, dass neben den schon genannten Herausforderungen die Charakterisierung der granularen Materialien ein entscheidender Baustein für prädiktive Simulationen ist. Hierzu wurden im letzten Jahr sowohl ein erstes ZIM-Projekt zur einphasigen Charakterisierung granularer Materialien erfolgreich abgeschlossen als auch ein MEF-Projekt zusammen mit dem Fraunhofer IKTS zur zweiphasigen Charakterisierung von Luft-Granulat-Strömungen gestartet. Im Rahmen dieser wie auch aktuell laufender Projekte zur Simulation von luftgetriebenen Granulatströmungen, von Rührwerksmühlen, Mischern und Silos wurden und werden die vorhandenen Simulationslöser zu einer Simulationsinfrastruktur inklusive Charakterisierung ausgebaut. Mittelfristiges Ziel ist hierbei die Simulation mit charakterisierten Materialien des Industriepartners.

Dieser Ansatz wirkt sich besonders auf die Modellierung granularer Einphasen-, Mehrphasen- sowie Suspensionsströmungen – einem neuen Modellierungsfeld – aus, da die Charakterisierung im Hinblick auf die zu lösenden Modelle durchgeführt werden muss, bzw. nur solche Modelle in Betracht gezogen werden sollten, welche ausschließlich experimentell charakterisierbare Parameter besitzen. Weiterhin sind besonders im Hinblick auf die Auswertung der Simulationen in der detaillierten Ortsauflösung sowie zur Untersuchung des Langzeit-Fließverhaltens im letzten Jahr neue Technologien innerhalb von Grain entwickelt und verfügbar gemacht worden. Zu Ersterem sind nun lokale Gitterverfeinerungen auch in den granularen Strömungslösern verfügbar, was feinere Auflösungen – besonders um z. B. bewegte Bauteile in Mischern oder Rührwerksmühlen – möglich macht. Zur Auswertung des Langzeit-Fließverhaltens ist es nun möglich, basierend auf einer schon vorhandenen Detailsimulation eines Zeitausschnittes mit quasi-stationärem Verhalten, einen statistisch relevanten langen Zeitraum mit Tracer-Partikeln zu simulieren. Dies ist sowohl in schnellen Prozessen (Mischer) als auch für Langzeit-Auslaufversuche mit Silos möglich.

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