Numerische Strömungsmechanik

Dr.-Ing. Manuel Münsch

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Nan Chen, M. Sc.

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Temperaturfeld auf der Strukturoberfläche bei einer thermisch gekoppelten Fluid-Struktur-Simulation
Temperaturfeld auf der Strukturoberfläche bei einer thermisch gekoppelten Fluid-Struktur-Simulation

Die Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von Methoden zur numerischen Lösung der strömungmechanischen Grundgleichungen. Zu den Forschungsschwerpunkten lassen sich wie zählen: Finite-Volumen-Verfahren zur Berechnung von Strömungen in komplexen Geometrien, Fluid-Struktur-Wechselwirkungsprobleme, Implementierung und Validierung von Turbulenzmodellen, Large-Eddy-Simulationen, Mehrphasenströmungen sowie Strömungen mit Phasenübergängen.

Die entwickelten Berechnungsverfahren werden sowohl zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phänomene als auch zur Lösung von Problemen in praktischen Anwendungen eingesetzt. Durch den kombinierten Einsatz von numerischen und experimentellen Verfahren lässt sich der Entwicklungsaufwand, gleichermaßen zeitlich wie finanziell, wesentlich verringern. Unter Benutzung der Hochleistungs-Rechencluster des lokalen Rechenzentrums (RRZE) wird die Simulation komplexer Strömungen ermöglicht, die einen ganzheitlichen Einblick in das Strömungsfeld gibt, wie er nur mit Messungen nicht erreicht werden kann.

  • Entwicklung einer Methode zur anwendungsspezifischen Parametrierung der Formluft-Impact Technologie

    (Third Party Funds Single)

    Term: April 1, 2019 - March 31, 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Der jährliche europäische Kunststoffverbrauch lag 2016 bei 50 Mio. Tonnen (40 % Verpackungen). Um einen schonenden Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen zu gewährleisten, besteht ein vielversprechender Ansatz in der Minimierung des notwendigen Materialeinsatzes bei gleichbleibender Funktionalität. Ein häufig eingesetztes Verfahren, z.B. zur Herstellung von Verpackungen ist das Thermoformen. Mit Hilfe des Thermoformens können insbesondere dünnwandige Formteile hergestellt werden, wobei sich diese durch erhebliche Materialdickenunterschiede auszeichnen. Aus diesem Grund besteht von Seiten der KMU-geprägten kunststoffverarbeitenden Industrie, sowie des Werkzeug- und Maschinenbaus der Bedarf nach innovativen Technologien zur Reduktion des Materialeinsatzes.

    Im vorangegangenen Projekt (IGF: 18536 BG) wurde nachgewiesen, dass mit Hilfe der Formluft-Impact-Technologie (FIT) eine Erhöhung der lokalen Wanddicke um bis zu 190 % im Vergleich zu konventionellen Technologien erreicht werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnisse ist das Hauptziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes eine Methode zur Parametrierung der Technologie und ein Konzept zur Integration von FIT in bestehende Maschinen zu entwickeln.

  • Analyse und Modellierung der gerichteten lokalen Formluftströmung auf den Thermoformprozess

    (Third Party Funds Single)

    Term: July 1, 2016 - June 30, 2018
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Ein weit verbreitetes, kostengünstiges Herstellungsverfahren von dreidimensionalen Kunststoffformkörpern aus planen Halbzeug ist das Thermoformen. Es dient der Fertigung von technischen Bauteilen sowie Verpackungen. Nicht zuletzt aufgrund des hohen Ressourcenbedarfs für Verpackungen (70 % des weltweiten Kunststoffverbrauchs), besteht aus ökonomischen und ökologischen Aspekten ein stetiger Bedarf nach materialsparenden Technologien und Verfahren.

    Im Zuge des Thermoformenprozesses wird das Halbzeug, z. B. Folie, erwärmt und anschließend durch Über- oder Unterdruck umgeformt. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt in der Herstellung vergleichsweise dünnwandiger Formteile, bei geringem Materialeinsatz. Allerdings besteht derzeit keine Möglichkeit die Wanddicke bzw. deren -verteilung entsprechend der Anforderungen an das Formteil zufriedenstellend zu beeinflussen.

    Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Eigenschaften der Folie gezeigt werden, dass eine lokal gerichtete Aufbringung der Formluft und dadurch erzeugte Druck- und Temperaturunterschiede von 0,5 bar sowie 50 K auf der Folie, eine gezielte Beeinflussung der Wanddickenverteilung ermöglicht. Es wird erwartet, dass der Materialeinsatz somit bei gleichbleibenden Eigenschaften des Formteils um bis zu 15 % verringert werden kann. Die Aufbereitung der Ergebnisse in einer Richtlinie gewährleistet eine schnelle Überführung in die Unternehmen und verschafft diesen einen Vorteil auf dem wettbewerbsintensiven Verpackungsmittelmarkt, insbesondere mit Niedriglohnländern.

    Die komplexen Zusammenhänge von Prozessparametern, nichtlinearen Polymereigenschaften und Strömungsbedingungen erfordern eine fachübergreifende wissenschaftliche Zusammenarbeit, die von Seiten des KMU-geprägten Verpackungsmaschinenbaus nicht zu leisten ist. Es ist somit erforderlich, dassentsprechende Grundlagen durch interdisziplinäre Forschung erarbeitet und für die industrielle Anwendung aufbereitet werden.

Zu den aktuell oder kürzlich in Projekten behandelten Themen zählen:

  • Blasenströmungen
  • Beschichtungsprozesse
  • Konvergenzbeschleunigung für Simulationen mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung
  • Fluid-Struktur-Wechselwirkung: in turbulenten Strömungen, mit thermischer Kopplung, mit dünnwandigen Bauteilen
  • Strömungen mit Wärmeübergang
  • Hochleistungsrechnen
  • Weiterentwicklung des in-house Codes FASTEST-3D (Finite-Volumen)
  • Iterative Geometrieoptimierung
  • Strömungen mit Phasenübergängen

Als wichtigstes Diskretisierungsverfahren für die strömungsmechanischen Erhaltungsgleichungen in kommerziellen sowie frei verfügbaren Simulationscodes hat sich die Finite-Volumen-Methode etabliert. Folglich wird auch in der Numerik-Gruppe dieses Diskretisierungsverfahren am häufigsten angewandt. Hierbei kommen die gängigen kommerziellen Strömungslöser aber auch der in-house Code FASTEST-3D zum Einsatz. Darüber hinaus besteht Fachkompetenz in der Anwendung von Finite-Differenzen-, Finite-Elementen- und Lattice-Boltzmann-Verfahren. Aufgrund der langjährigen Erfahrung mit der Entwicklung und Anwendung von Turbulenzmodellen am LSTM ist eine realistische Einschätzung und Berechnung komplexer turbulenter Strömungen möglich.
In Zusammenarbeit mit anderen Forschungsbereichen des Lehrstuhls oder anderen Forschungsstellen finden experimentelle Untersuchungen der zu lösenden Problemstellungen zur Validierung der Simulationsergebnisse statt.

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