Die Verbesserung industrieller Prozesse ist ein ständiges Ziel in der Industrie. Unternehmen unternehmen große Anstrengungen, um die Effizienz zu optimieren und Kosten und Zeiten in der Produktion zu reduzieren. In diesem Zusammenhang ist die Simulation mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) und anderer computergestützter Techniken zu einem Werkzeug von großem Interesse für die Gestaltung und Verbesserung von Prozessen in verschiedenen Branchen geworden. Von der Lagerung und Handhabung von Materialien bis hin zu chemischen und thermischen Prozessen ermöglichen diese Techniken die Vorhersage und Behebung von Problemen vor der Umsetzung und Konstruktion, wodurch Zeit und Ressourcen gespart werden.
Was ist CFD- und Multiphysik-Simulation?
Die numerische Strömungsmechanik (CFD, Computational Fluid Dynamics) ist ein Teilgebiet der Strömungsmechanik, das numerische Methoden und Algorithmen zur Analyse und Lösung von Problemen einsetzt, bei denen Strömungen eine Rolle spielen. Diese Technik ermöglicht es, das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen unter verschiedenen Bedingungen und Konfigurationen zu untersuchen.
Andererseits erweitert die multiphysikalische Simulation den Anwendungsbereich der CFD, indem sie Wechselwirkungen zwischen verschiedenen physikalischen Phänomenen wie Wärmeübertragung, Wechselwirkung mit festen Materialien, chemischen Reaktionen, Elektromagnetismus oder Strukturmechanik einbezieht. Dadurch lassen sich komplexe Probleme angehen, bei denen mehrere Phänomene gleichzeitig zusammenwirken.
Wenn die Analyse beispielsweise bewegliche Feststoffe umfasst, wird üblicherweise die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) verwendet, eine Simulationstechnik, die das Verhalten einzelner Partikel in Systemen modelliert, in denen die Wechselwirkung zwischen Feststoffen eine wichtige Rolle spielt, wie beispielsweise bei körnigen Materialien, Pulvern oder Kapseln. Diese Technologie ermöglicht die Analyse von Phänomenen wie Entmischung, Verdichtung, Vermischung und Transport von Feststoffen in industriellen Anlagen. Wenn die Fluid-Feststoff-Wechselwirkung modelliert werden muss, können DEM-Methoden mit der üblichen CFD oder der SPH-Methode kombiniert werden, die die Lösung hochdynamischer Strömungen mit komplexen Schnittstellen ermöglicht.
Anwendungen der Simulation in industriellen Prozessen
Die Anwendungen der CFD-, DEM- und Multiphysik-Simulation sind sehr vielfältig und umfassen zahlreiche Industriezweige. Zu den Bereichen, in denen wir bei ICEMM diese Techniken erfolgreich eingesetzt haben, gehören unter anderem:
- Wasseraufbereitungsanlagen: Wir modellieren den Wasserfluss und die Belüftung in Kläranlagen mittels CFD und gewährleisten so eine gleichmäßige und effiziente Verteilung.
- Thermische Simulation von elektrischen und elektronischen Geräten: Die CFD-Simulation ermöglicht es, die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung zwischen den verschiedenen Teilen eines Systems zu berechnen, wodurch die Kühlung der Komponenten vorhergesagt und verbessert werden kann.
- Mineralkonzentrationssysteme: In der Bergbauindustrie haben wir CFD- und DEM-Simulationen eingesetzt, um die Effizienz bei der Trennung und Konzentration von Mineralien zu verbessern und dabei die Konstruktion und die Betriebsbedingungen in Zentrifugalkonzentratoren zu optimieren.
- Biomassevergaser: Mithilfe von CFD und multiphysikalischen Partikelmodellen haben wir die Leistung des Fluidisierungsluftzufuhrsystems in Biomassevergasern verbessert und so die thermische Umwandlung und die Synthesegasproduktion optimiert.
- Handhabung und Transport von Feststoffen: Die DEM-Simulation wurde verwendet, um den Feststofffluss in Förderbändern, Trichtern und Zuführsystemen zu modellieren und Probleme wie Verstopfungen und vorzeitigen Verschleiß der Anlagen zu reduzieren.
- Misch- und Granulierprozesse: In der Pharma- und Lebensmittelindustrie ermöglicht die DEM-Simulation die Analyse der Wechselwirkung zwischen Partikeln in Mischern und Granulatoren und gewährleistet so eine bessere Homogenität des Endprodukts. Bei ICEMM haben wir an der Konstruktion und Optimierung von Mischern für den industriellen Einsatz gearbeitet.
- Lagerung von Plastikflaschen: Mithilfe von DEM-Simulationen können wir die Anordnung der strukturellen Elemente innerhalb der Silos untersuchen und optimieren, wodurch Verformungen und Verstopfungen reduziert und die Effizienz beim Entladen des Materials verbessert werden.
Technologien zur Simulation komplexer Probleme in industriellen Prozessen
Um präzise Simulationen in verschiedenen industriellen Anwendungsfällen durchzuführen, können verschiedene numerische Methoden verwendet werden, mit denen Erhaltungsgleichungen gelöst und das Verhalten von Flüssigkeiten und Feststoffen modelliert werden können.
Für CFD-Simulationen sind die gängigsten Methoden die FVM (Finite Volume Method) und die FEM (Finite Element Method). Während die FVM eher für Probleme der konventionellen Strömungsmechanik verwendet wird, bietet die FEM in einigen Fällen der Multiphysik gewisse Vorteile. Häufig wird auch die SPH-Methode (Smoothed Particle Hydrodynamics) für Strömungen mit komplexen Luft-Wasser-Grenzflächen verwendet. Bei der Arbeit mit granularen Feststoffen, Kapseln in der pharmazeutischen Industrie oder Partikeln im Bergbau ist die DEM-Methode (Discrete Element Method) die gängigste Methode.
In vielen industriellen Anwendungen ist die Kombination verschiedener Simulationstechniken erforderlich, um komplexe Probleme effizient anzugehen. Einige Beispiele hierfür sind:
- Fluid-Struktur-Interaktion (CFD-FEM): Wenn ein Fluid auf eine feste Struktur trifft oder diese verformt, wie beispielsweise in bestimmten Fällen der Hydraulik, ermöglicht die Kombination von CFD und FEM die Bewertung der mechanischen Spannungen und thermischen Auswirkungen auf die Materialien.
- Flüssigkeits-Partikel-Wechselwirkung (CFD-DEM): In Systemen, in denen feste Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert sind, wie beispielsweise in Zyklonen, Abscheidern oder Wirbelschichten, ermöglicht die Kopplung zwischen CFD und DEM die Analyse sowohl des Flüssigkeitsverhaltens als auch der Partikeldynamik.
- Fortschrittliche thermische Prozesse in CFD: In Anwendungen wie Industrieöfen, Turbinen und Kühlsystemen ist die Wärmeübertragung ein entscheidender Faktor. Die CFD-Simulation ermöglicht die Optimierung der Konstruktion dieser Systeme, wodurch Energieverluste reduziert und die thermische Effizienz verbessert werden.
Um diese Probleme anzugehen, gibt es zahlreiche Softwareprogramme, mit denen CFD- und multiphysikalische Simulationen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können. Zu den am häufigsten verwendeten gehören Ansys Fluent zusammen mit Rocky DEM, MSC Cradle, OpenFOAM oder MFiX.
Warum Simulation zur Optimierung industrieller Prozesse einsetzen?
CFD- und Multiphysik-Simulationen verändern die Art und Weise, wie industrielle Prozesse entworfen und optimiert werden. Ihre Fähigkeit, das Verhalten komplexer Systeme, die sowohl Flüssigkeiten als auch Feststoffe umfassen, zu modellieren und vorherzusagen, ermöglicht es, die Effizienz zu verbessern, Kosten zu senken und eine bessere Leistung in verschiedenen Anwendungen zu erzielen. In einem zunehmend wettbewerbsorientierten industriellen Umfeld stellt der Einsatz dieser Werkzeuge einen Vorteil für die Innovation von Produktionsprozessen dar.
Bei ICEMM führen wir seit nunmehr 20 Jahren Simulations- und Berechnungsarbeiten in verschiedenen Industriezweigen durch, in denen Techniken der numerischen Strömungsmechanik (CFD) Anwendung finden. Dazu verfügen wir über zahlreiche Simulationssoftwareprogramme, die es uns ermöglichen, die fortschrittlichsten Berechnungstechnologien einzusetzen und einen effizienten und qualitativ hochwertigen Service zu bieten.
Wir verfügen außerdem über umfangreiche Erfahrung mit Strukturuntersuchungen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM), wodurch wir Kunden, die Untersuchungen oder Optimierungen ihrer Produkte in diesem Bereich benötigen, einen Komplettservice bieten können.
Unser Ansatz ist kundenorientiert und auf die spezifischen Anforderungen des Projekts oder der Entwicklung ausgerichtet. Dabei setzen wir unsere Erfahrung und unsere technischen Fähigkeiten ein, um mithilfe von Simulationen ein sichereres Produkt von höchster Qualität zu erzielen.
