Innerhalb des Forschungsprojektes SPH-Simulationsprogramm wurden Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Modelle für Fluide mit nichtnewtonschen Fließeigenschaften sowie für Mehrphasenströmungen in eine frei verfügbare Softwareumgebung (GPUSPH) implementiert.

Bild SPH-Simulationsprogram – Simulationsmethode für komplexe Maschinenbewegungen

Experimentelle Bestimmung der Kräfte auf ein sich bewegendes Messpaddel in einer Flüssigkeit

Projekt SPH-Simulationsprogramm – Simulationsmethode für komplexe Maschinenbewegungen

Mehrphasige Methoden der Smoothed Particle Hydrodynmics (SPH) für industrielle Anwendungsbereiche

Im Projektfokus stand die Modellierung beweglicher Wände, um praxisnahe Simulationen von Misch- und Verarbeitungsvorgängen in der Baustoff- und Verfahrenstechnik umzusetzen. Im Entwicklungsprozess wurde darauf geachtet, dass eine Simulation in industrierelevanten Dimensionen unter praxistauglichen Berechnungszeiten gewährleister werden kann. Somit wurden alle Softwareentwicklungen und Implementierungen auf eine Parallelisierung der Simulationsmethoden auf mehreren Prozessorkernen (CPU) oder Grafikprozessoren (GPU) ausgerichtet.

Modellierung von Mehrphasenströmungen mit sich bewegenden Elementen (z. B. Wände, Rührorgane)

Projektergebnisse und Handlungsempfehlungen

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes beinhalten eine detaillierte Studie zur Modellierung von Mehrphasenströmungen nichtnewtonscher Fluide einschließlich der Interaktion mit sich bewegenden Wänden bzw. Rührorganen mittels der SPH-Methode. Die erarbeiteten Handlungsempfehlungen hinsichtlich der Eignung des SPH-Ansatzes für praxisrelevante Fragestellungen in den Bereichen Mischen, Fördern und Trennen liefern wichtige Erkenntnisse für die Integration der SPH-Methode in den Entwurfsprozess von Maschinen und Anlagen. Die Anleitungen erleichtern den Einstieg in die Simulation von Verarbeitungsprozessen mittels SPH und die Auswahl geeigneter Simulationswerkzeuge und Methoden. Zudem können dadurch die Erfolgsaussichten der Umsetzung eines speziellen Anwendungsfalls abgeschätzt und etwaige Hindernisse vorher mit einkalkuliert werden. Bei der Realisierung der Simulationen im Projekt wurde großes Augenmerk auf die Validierung der Modelle und den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen gelegt. Besonders hervorzuheben sind dabei die Berechnung der Kraftmomente auf bewegte Maschinenteile. Dies stellt einen wichtigen Beitrag zum Einsatz der SPH-Methode im industriellen Bereich dar, da diese Prozessgrößen häufig optimiert werden sollen.

Bild Grafik SPH-Simulationsprogramm – Gegenüberstellung Experiment und Simulation

Gegenüberstellung von Experiment und Simulationen mit dem implementierten SPH-Mehrphasenmodell

Optimierung der Auslegung von Suspensionsmischern, 3D-Betondruck-Equipment und Pumpanlagen

Die Anwendungsbereiche in der Praxis

Durch die Ergebnisse des Forschungsprojekts wurden die Grundlagen gelegt, um verfahrenstechnische Prozesse wie Mischen, Befüllen und Trennen mit nichtnewtonschen Medien simulationstechnisch zu untersuchen. Auf Basis dieser Ergebnisse können in diesen Anwendungsgebieten nun gezielt im industriellen und wissenschaftlichen Umfeld Einzelprozesse simulationstechnisch analysiert und optimiert werden. Es bieten sich daher sowohl im wirtschaftlichen Sektor als auch bei der Generierung von Forschungsprojekten vielfältige Applikationsmöglichkeiten. Beispielhaft sei an dieser Stelle die Optimierung der Auslegung von Suspensionsmischern, 3D-Betondruck-Equipment und Pumpanlagen genannt. Aber auch die Erschließung weiterer Anwendungsbereiche im Rahmen von Forschungsprojekten oder Industriekooperationen mit mittelständischen Unternehmen – durch die Erweiterung und Integration angepasster SPH-Modelle in das entwickelte Softwaretool – sind möglich.

Bild SPH-Simulationsprogramm: Nachbildung der Phasenverteilung

Nachbildung der Phasenverteilung in Abhängigkeit der Zeit mittels des SPH-Modells in einem Viskosimeter

Entwicklung einer Benutzerobfläche für den Praxiseinsatz

Erweiterung des SPH-Simulationsprogrammes durch IAB-Unterstützung

Die Anwendung des SPH-Simulationsprogrammes mit dem hier implementierten Mehrphasenmodell wird als aussichtsreich angesehen, wenn es für den Einsatz innerhalb spezieller Prozesse gezielt vorbereitet wird. Dies beinhaltet auch die zusätzliche Entwicklung einer Benutzeroberfläche, die die Modellerstellung sowie die Definition der Programmparameter erleichtert. Darin wird eine Möglichkeit gesehen, gezielt spezifische Simulationswerkzeuge für mittelständische Unternehmen zur Verfügung zu stellen. Die IAB Weimar gGmbH steht in diesem Fall beim Entwurf der Benutzeroberfläche wie auch der spezifischen Anpassung an die Anforderungen des Unternehmens unterstützend zur Seite. Für diese entstehen durch die Nutzung der Software keine Lizenzgebühren und die Rechnerleistung könnte zusätzlich flexibel bei einem Cloud-Computing-Anbieter gemietet werden.


Ansprechpartner

Dr.-Ing. Rolf Lohse
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