Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Spritzstrahlsimulation für periodisch arbeitende, bewegte Reinigungsdüsen mit innovativem, gitterfreiem Ansatz und 2D-Wirkungsmodell (SpraySim)

Die automatisierte Spritzstrahlreinigung bietet branchenübergreifend ein erhebliches Potenzial zur Verringerung von Reinigungszeiten und -kosten sowie zur Reduktion des ökologischen Fußabdrucks. Optimierungsstrategien basieren bisher hauptsächlich auf Experimenten und Erfahrungswissen. Numerische Simulationen können die Entwicklungszeiten effizienterer Reinigungssysteme reduzieren, werden aber wegen des aktuellen Fokus auf rechenintensive Standardmethoden nur punktuell eingesetzt.

Die Nutzung diskontinuierlicher Spritzstrahlen kann die Wirkung von Reinigungssystemen verbessern. Hauptziel des Projektes ist daher die effiziente numerische Simulation solcher Spritzstrahlen, auch für bewegte Düsen. Dabei kommt die innovative, gitterfreie Simulation mit der Software MESHFREE zum Einsatz. Trotz ihrer hohen Effizienz ist die 3D-Spritzstrahlsimulation in MESHFREE jedoch nicht für Parameteroptimierungen geeignet.

Daher wird sie zur weiteren Reduktion des Rechenaufwands mit einem 2D-Wirkungsmodell kombiniert. Es nutzt die Flachwasser-Gleichungen, um die Strömung im entstehenden dünnen Fluidfilm auf der Oberfläche zu beschreiben und anschließend die Reinigungswirkung zu optimieren. Die Validierung dieses Ansatzes basiert auf der ebenfalls durchgeführten, experimentellen Vermessung der Strömung. Reinigungsexperimente erlauben zudem die Ermittlung von Korrelationen zwischen mechanischer Beanspruchung und Reinigungswirkung diskontinuierlicher, bewegter Spritzstrahlen.

Als Ergebnis sind neben den validierten Modellen erstmalig simulationsgestützte Vorhersagen zu geeigneten Pulsationsparametern zerfallener Spritzstrahlen und deren Bewegung bei der Reinigung zu erwarten. Darüber hinaus hat die angestrebte Softwareplattform, die die Modelle bündelt und kostenfrei zur Verfügung stehen wird, durch eine einfache Nutzbarkeit insbesondere für KMU das Potenzial, die Düsenentwicklung zu beschleunigen und die Effizienz automatisierter Reinigungssysteme signifikant zu verbessern.

Ergebniszusammenfassung:

Automatisierte Reinigung ist branchenübergreifend stark geprägt durch das Streben nach Effizienz und Umweltschutz. Das gilt insbesondere in der Lebensmittelindustrie, wo die Reinigung bis zu 25% der Maschinenarbeitszeit betragen kann. Bisher wurde für nicht-immergierte Systeme das vorhandene Optimierungspotenzial nicht genutzt. Grund dafür sind die experimentell und erfahrungsgetriebene Auslegungspraxis sowie das eingeschränkte Verständnis der Wirkvorgänge bei der Reinigung. Diese sind im Experiment nur begrenzt räumlich und zeitlich auflösbar. Numerische Strömungssimulationen versprechen einen hochaufgelösten Einblick in das Strömungsfeld, werden aber nur selten eingesetzt, da aussagekräftige Ergebnisse nicht mit vertretbarem Rechenaufwand erzielt werden können.

An dieser Stelle hat „SpraySim“ angesetzt, mit dem Ziel, eine effiziente und einfach zugängliche numerische Simulation zerfallener Spritzstrahlen mit industrierelevanten Rechenzeiten zu erarbeiten. Um neben statischen Düsen auch dynamische und diskontinuierliche Spritzstrahlen abbilden zu können, wurde eine innovative, gitterfreie Simulationsmethode gewählt, die in der Software MESHFREE (www.meshfree.eu) umgesetzt ist. Die Software wird von Forschungseinrichtung 1 (ITWM) selbst entwickelt, wodurch für das Projekt nötige Features einfach integriert werden konnten. Notwendige Voraussetzung zur Erarbeitung dieses neuen Ansatzes war die parallel an Forschungseinrichtung 2 (IVV) durchgeführte Vermessung des Strömungsfelds sowie der Reinigungswirkung. Die Kombination der Reinigungsergebnisse mit den aus den Simulationen erzielten, hochaufgelösten Informationen zum Strömungsfeld erlaubte das Ableiten von Korrelationen zwischen lokaler Beanspruchung und Reinigungswirkung. Diese generieren ein tieferes Verständnis der Reinigungsvorgänge und ermöglichen erstmalig simulationsgestützte Vorhersagen der Reinigung durch diskontinuierliche und bewegte Spritzstrahlen bis hin zu Optimierungsstrategien.