Simulation of Fluid-Structure Interaction using OpenFOAM: Filtration Processes in Deformable Media

Titel in Übersetzung: Simulation von Fluid-Struktur Interaktion unter Verwendung von OpenFOAM: Filtrationsprozesse in deformierbaren Medien

Marianne Mataln

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

85 Downloads (Pure)

Abstract

In technischen Filtrationsprozessen sind vor allem zwei Effekte von grundlegender Bedeutung: die Wechselwirkung zwischen dem Fluid mit der Faserstruktur des Filters und die Ablagerung der, mit der Flüssigkeit transportierten Schmutzpartikel. Traditionell werden zur Untersuchung von Filtrationskenngrößen, wie der Filtereffizienz, aufwendige, destruktive Tests angewandt. Um die Zerstörung der Faserstruktur jedoch zu vermeiden und exakt reproduzierbare Bedingungen zu schaffen, bieten sich Simulationen als eine sehr gute Alternative an. Während sich andere, verwandte Publikationen mit der Entwicklung eines Schmutzpartikel-Ablagerungskonzeptes befassen [2-5], bezieht sich diese Arbeit auf die Entwicklung eines Simulationsprogrammes zur Modellierung von Deformationseffekten. Die Deformation der Filterfasern wird infolge der, auf die Oberfläche der Struktur wirkenden strömungsmechanischen Druck- und Scherkräfte ausgelöst. Im Gegenzug erfolgt eine Änderung des Strömungsfeldes durch die Bewegung des Festkörpers. Zur Modellierung dieses Verhaltens ist es erforderlich die strömungsmechanischen Differentialgleichungen des Fluides, die Navier-Stokes Gleichungen und jene der Strukturmechanik des Festkörpers, also das Hook’sche Gesetz, zu koppeln. Um die geometrische Konsistenz zu wahren, wird zur räumlichen Disketisierung ein zeitabhängiges Berechnungsgitter verwendet, welches in jedem Zeitschritt an die Deformation des Festkörpers angepasst wird. Der entwickelte Algorithmus ist in einem einzigen Simulationsprogramm auf Basis der Open Source Simulationstoolbox OpenFOAM® realisiert. Anhand von Plausibilitätskontrollen und verfügbaren, experimentellen Daten wird die entwickelte Software gründlich validiert. Auf diese Weise entsteht ein verlässliches Werkzeug zur Simulation der Fluid-Struktur Interaktion im mikroskopischen Bereich, welches erfolgreich an realistischen, aus CT-Scans rekonstruierten Fasermaterialen angewendet wird. Darüber hinaus wird eine Koppelung mit dem separat entwickelten Langrangen Schmutzpartikelmodell verwirklicht. Diese Verknüpfung ermöglicht somit die gleichzeitige Simulation aller relevanten physikalischen Phänomene in einem einzigen Finite Volumen Simulationsprogramm auf Basis von OpenFOAM®. In Experimenten kann ein nichtlineares Verhalten des Druckabfalles über die Dicke des Faserelements in Abhängigkeit der Durchflussraten beobachtet werden. Eine weitere, durch die Deformation beeinflusste, charakteristische Filtereigenschaft ist die Filtereffizienz, also die Fähigkeit Schmutzpartikel verschiedener Klassierungen aus dem Fluid abzuscheiden. Das neuentwickelte Simulationswerkzeug zur Filtrationsanalyse ermöglicht eine Untersuchung dieser Beobachtungen. In dieser Arbeit werden viele neuartige Erkenntnisse präsentiert, die den hohen Grad des Einflusses der Deformation des Filtermaterials auf den gesamten Filtrationsprozess unterstreichen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist das Design eines Filtrationswerkzeuges zur Entwicklung und Optimierung von neuen Hochleistungsfiltermaterialien ohne die Notwendigkeit von zeitraubenden und kostenintensiven Experimenten.
Titel in ÜbersetzungSimulation von Fluid-Struktur Interaktion unter Verwendung von OpenFOAM: Filtrationsprozesse in deformierbaren Medien
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Beurteiler B (intern)
  • Brandstätter, Wilhelm, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2010

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Fluid-Struktur Interaktion
  • OpenFOAM
  • Filtration

Dieses zitieren