CFD Simulation mit Partikeln

Silo mit Partikeln in CFD Simulation
Stoffströme mit Partikeln findet man in einer Vielzahl von industriellen Prozessen. Vom einfachen Transport (pneumatisch, über Förderbänder, diskontinuierlich) bis hin zu komplexen Syntheseprozessen in der pharmazeutischen Industrie und überall dazwischen. Plastikpartikel werden in Gussformen geblasen um Autositze herzustellen, Kaffeebohnen werden getrocknet, Erze in Hydrozyklonen getrennt und Gase in Siftern entstaubt. Um solche Prozesse mittels Computersimulation zu optimieren, müssen zwei unterschiedliche Berechnungsansätze vereint werden: DEM (Discrete Element Method) und CFD (Computational Fluid Dynamics). DEM befasst sich mit der Interaktionen von einer großen Anzahl von Partikeln (wie zum Beispiel in einer Sandschüttung), CFD hingegen beschreibt die Bewegung von Fluiden (Flüssigkeiten, Gase) in einem Kontinuum. Da beide Methoden auch sehr viel Rechenleistung benötigen ist die Kopplung erst seit kurzem überhaupt vernünftig machbar. Nicht zuletzt deswegen braucht es eine Menge Erfahrung und Wissen um aus der großen Anzahl an verfügbaren, wissenschaftlichen Modellen für jedes der beiden Regime die richtigen auszuwählen und zu kombinieren.

Basierend auf LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), einer öffentlichen Programmbibliothek zur Modellierung von molekulardynamischen Simulationen wurde eine Erweiterung namens LIGGGHTS® (LAMMPS improved for general granular and granular heat transfer simulations) geschaffen und mittels einer weiteren Bibliothek, CFDEM®, mit CFD gekoppelt. Alle diese Bibliotheken wurden zur Verwendung mit der open-source Simulations-Software OpenFOAM geschrieben. Obwohl diese Programme mittlerweile weltweit und von einige großen Industrieunternehmen eingesetzt werden, sind sie trotz allem nicht einfach zu verwenden. Durch den hohen Rechenaufwand bedingt sind die entsprechenden Simulationen oft entweder in der Partikelanzahl oder aber der Simulationsdauer limitiert. Dennoch ist es mit dem richtigen Ansatz mittlerweile möglich, hunderttausende Partikel gleichzeitig zu simulieren und dennoch durchaus handhabbare Simulationszeiten zu erreichen. Untenstehend zeigen wir als Beispiel eine entsprechende Simulation von der Befüllung einer Form zur Herstellung von Autositzen.


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