Development and Verification of a Novel Lagrangian, (Non-)Spherical Dirt Particle and Deposition Model to Simulate Fluid Filtration Processes using OpenFOAM

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Entwicklung neuer Hochleistungsfiltermedien zur Ölfiltration ist im Bereich der automobilzuliefernden Industrie ein brisantes Thema. Diese Arbeit stellt den umfassenden Versuch dar, die Möglichkeiten der Filterfaserentwicklung bedeutend zu erhöhen. Rein experimentelle Versuchs- und Irrtumsverfahren, sollen dabei durch computergestützte, zielgerichtete Entwicklung abgelöst werden. Aus diesem Grunde wurde ein, auf mikroskopischer Ebene arbeitender, deterministischer Filtrationssolver auf Basis des frei verfügbaren, thermofluiddynamischen Simulationspaketes OpenFOAM entwickelt und programmiert. Das neu entwickelte C++ Programm ist in der Lage Interaktionen von Fluid, Fasern und Schmutzpartikeln sowie deren Ablagerungsmechanismen innerhalb der Umgebung realistisch rekonstruierter, mikroskopischer Fasergeometrien hochdetailliert zu modellieren. Durch statistische Mittelung wird dadurch auf einige der wichtigsten Prozessparameter der Filtration rückgeschlossen, zum Beispiel: Druckverlust, Partikeleindringtiefe und Filterfasereffizienz. Diese Arbeit präsentiert das neue Euler-Lagrangsche Partikelmodell hinter dem Filtrationssolver. Das Modell kann das Verhalten diskreter, sphärischer und nicht-sphärischer Schmutzpartikel, wie auch deren dynamische Interaktionen mit dem Fluid, den Fasern und untereinander berechnen. Die Hydrodynamik einzelner Partikel wird erstmals durch mehrere Fluidberechnungszellen aufgelöst. Die Software hat sich inzwischen auch schon in, über die Filtration hinausgehenden Anwendungsbereichen bewährt und stellt damit ein neues, Lagrangsches, nicht-sphärisches Partikelsimulationswerkzeug dar. Im Zuge dieser Arbeit wird das Modell wissenschaftlich aufbereitet und in seinen physikalischen wie numerischen Grundlagen Schritt für Schritt erläutert. Um Simulationsergebnisse qualitativ und quantitativ zu validieren wurde außerdem eine umfassende Versuchsanordnung entwickelt und ein semi-analytisches Validationsschema hergeleitet. Zusätzlich kann hiermit die Erfindung einer neuartigen Makroskopiemethode, um drei dimensionale Schmutzpartikelverteilungen erfassen, digitalisieren und auswerten zu können, präsentiert werden. Abschließend werden einige Anwendungsbeispiele des Simulators angeführt und mögliche, zusätzliche Anwendungsgebiete aufgezeigt. Die neuen Erkenntnisse, welche nun durch diese Entwicklung gewonnen werden können, werden zu einem besseren Verständnis von Filtrationsprozessen führen und die Filtermaterialentwicklung der Zukunft mitbeeinflussen.

Details

Titel in ÜbersetzungEntwicklung und Verifikation einer neuen, Lagrangschen, (Nicht-)Sphärischen Schmutzpartikelsimulationssoftware zur Modellierung von Fluidfiltrationsprozessen in OpenFOAM
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2009