Das Materialverhalten von Schüttgütern ändert sich gravierend beim Mischen unter Wasserzugabe.

Bild Mörtelmischer

Mörtelmischer (reale Abbildung u. Simulation)

Simulation von Mischprozessen

Die Simulation ist ein erfolgreiches Werkzeug zur Optimierung vielfältiger Verarbeitungsprozesse wie z. B. Mischprozesse. Sowohl flüssige Medien als auch Schüttgüter sind mittels Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics – CFD) bzw. Diskreter Elemente Methode (DEM) modellierbar. Bisher kann die Kombination trockener und fluider Phasen in einem Mischprozess jedoch nur eingeschränkt nachgebildet werden. Dies gilt insbesondere, wenn sowohl der trockene als auch der flüssige Volumenanteil hoch sind. Von Interesse ist dabei, wie sich die Flüssigkeit im gesamten Mischraum verteilt und wie sich Materialverhalten, Energiebedarf und Mischeffektivität durch die Flüssigkeitszugabe verändern.

Feuchteübergang in der Simulation

Für diesen Anwendungsfall mit dem Schwerpunkt Frischbeton entstand im Rahmen des AIF-geförderten Vorlaufforschungsprojektes SimMoWet ein Kontaktmodell auf Basis der DEM in EDEM von DEM Solutions. Dies umfasst die komplette Abbildung des Übergangs vom trockenen zum feuchten Schüttgut und bis hin zur Suspension. Für jedes Zwischenstadium findet eine entsprechende Modellierung des Materialverhaltens Berücksichtigung. Die Grundlage für eine prozessabhängige Repräsentation der spezifischen Materialzustände bildet ein parametrisierbares Simulationsmodell für jeden Feuchtegrad. Einen Kernpunkt des Modells stellt die Realisierung der Aufnahme bzw. des Übergangs von Feuchtigkeit auf die verschiedenen Partikel dar. Zu diesem Zweck besitzt jedes Teilchen eine zusätzliche Feuchtigkeitsvariable, die den Feuchtigkeitsgehalt und die Zusammensetzung der Flüssigkeit, z. B. aus Wasser und Zement, speichert. Am Anfang wird Wasser in Form von Partikeln zugegeben. Treten Wasser- und Trockenpartikel in Kontakt, kommt es zu einem zeit- und zustandsabhängigen Feuchtigkeitstransfer. Volumen und Feuchtigkeitsgehalt der ursprünglich trockenen Teilchen nehmen über die Zeit zu, während die Wasserpartikel an Volumen verlieren. Bei geringem Feuchtegrad ändern die trockenen Partikel ihren Zustand zunächst in nass. Ist genügend Flüssigkeit transferiert, können diese Partikel selbst als Flüssigkeit repräsentiert werden (Suspensionspartikel, die Mörtel- oder Zementleim abstrahieren) oder es bildet sich ein Zweischicht-Partikel mit festem inneren Kern und äußerer Flüssigkeitsschicht aus.

DEM Simulation eines Zementleim-Mischprozesses mit vertikalem Schnitt durch Gemenge und Behälter. Einfärbung der Partikel in Abhängigkeit des Wassergehalts von Weiß (trocken) über Grau (feucht) bis hin zu Blau (Wasser).

Feuchteabhängiges Materialverhalten

In Abhängigkeit der Feuchtigkeitsvariablen der Partikel wird zum Zeitpunkt der Partikelberührung das Kontaktmodell ausgewählt. Für trockene Partikel findet ein Reibungsmodell Berücksichtigung, bei feuchten Partikeln wirken zusätzliche Flüssigkeitsbrückenkräfte. Eine Berechnung dieser kohäsiven Kräfte erfolgt in Abhängigkeit der Partikelgröße, dem Flüssigkeitsvolumen, der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und dem Abstand der Teilchen. Steigt der Flüssigkeitsgehalt lokal weiter an, ist ein Modell zur Simulation des Suspensionsverhaltens notwendig. Hierbei finden Partikel mit dem oben beschriebenen 2-Schicht-Modell Anwendung, die über ein Bingham-Ersatzmodell interagieren.

 

Bild der Simulation Kontaktarten im Zwei-Schicht-Modell

Kontaktarten im Zwei-Schicht-Modell für Frischbeton in DEM Simulationen

Vorteile des Modells

Die Verwendung des vorgestellten Simulationsmodells ermöglicht die prozessbegleitende Kontrolle der Feuchtigkeitsverteilung in einem Mischprozess. Damit bietet das entwickelte Simulationsmodell ein leistungsstarkes Werkzeug zur Analyse von Mischzustand und Mischqualität bei komplexen Nassmischprozessen unterschiedlichster Konsistenz an.


Ansprechpartner

Dipl.-Inf. Knut Krenzer
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