Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung des Materialverhaltens von Suspensionen im Übergangsbereich zwischen fluidem und granularem Verhalten

Numerische Simulationen erlauben eine schnelle Abschätzung der Vor- und Nachteile einzelner Designvarianten und damit zu einer deutlichen Beschleunigung des Entwicklungsprozesses. Die korrekte Darstellung einer Suspension in der Simulation erfordert jedoch einen hohen Modellierungsaufwand und schafft damit deutliche Hürden im Einsatz numerischer Methoden in der Bauindustrie.

Die Entwicklung eines vereinfachten Ansatzes zur Darstellung technischer Suspensionen soll es mittelständischen Unternehmen ermöglichen, ihre Entwicklungsprozesse auf Basis numerischer Ansätze zu beschleunigen und zu präzisieren. Es sind dabei deutliche technologische und wirtschaftliche Gewinne in den Bereichen des Prozessverständnisses sowie gezielter Entwicklung zu erwarten.

Basis der vereinfachten Modellierung wird dabei eine Kombination von Einzelmodellen sein, welche bestimmte Aspekte technische Suspension (mischungsabhängige Viskosität, Partikeltransport und Entmischung) in der Simulation darstellen.

Erfahrungen aus anderen Sparten zeigen, dass in der Verwendung numerischer Methoden ein hohes Potential zur Einsparung von Entwicklungskosten liegt. Ziel dieses Projektes ist es, dieses Potential mit Hilfe der neu entwickelten Modelle auch den Herstellern von Baustoffmaschinen zu erschließen. Es ist davon auszugehen, dass ein hoher Anteil der deutschen Baustoffmaschinenhersteller die hier entwickelten Programme im Bereich Forschung und Entwicklung einsetzen wird.

Die im Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse werden im Rahmen von Vorträgen, Veröffentlichungen und Seminaren sowie in direkter Beratung an die Industrie vermittelt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse in einschlägigen Fachzeitschriften publiziert sowie auf entsprechenden Tagungen und Messen präsentiert. Gleichzeitig fließen die Ergebnisse in die Praxis der Produktionsbetriebe ein, so dass insgesamt sehr hohe Erfolgsaussichten für die Umsetzung der Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben erwartet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein neues Simulationsverfahren entwickelt, welches das Verhalten realer Suspensionen im Bereich der betonverarbeitenden Industrie beschreibt. Hierbei war vor allem die Abbildung technischer Prozesse von Interesse, insbesondere Transport- und Mischvorgänge von Zementleim und Frischbeton. Die Umsetzung der Simulation erfolgte mittels Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD). Um den Rechenbedarf zu minimieren und sehr hohe Feststoffgehalte abbilden zu können, werden die beteiligten Phasen nicht explizit auflöst. Die Feststoffanteile von Zement und Gesteinskörnung (Sand, Kies) werden stattdessen als skalare Größen modelliert, die über eine Kopplung zu Dichte und Viskosität die resultierenden Suspensionseigenschaften wiedergeben. Das komplexe Materialverhalten der Suspension ergibt sich über Modellansätze, die neben dem Transport der Phasenanteile auch Trägheitseffekte und Entmischungserscheinungen beschreiben. Als Anwendungsfälle wurden eine Rohrstrecke und ein Mischer erfolgreich simuliert. Die Programmbibliotheken für die Anwendersoftware ANSYS Fluent und OpenFOAM wurden an die Mitglieder des Projektbegleitenden Ausschusses übergeben. Mit dem entwickelten Modellansatz liegt ein Werkzeug vor, mit dessen Hilfe die Auslegung und Optimierung von Prozessen und Maschinen deutlich unterstützt werden kann. Die Anwendung ist dabei nicht nur auf die betonverarbeitende Industrie beschränkt, sondern kann auch auf andere Wirtschaftsbereiche erweitert werden, bei denen Suspensionen hergestellt oder transportiert werden.