Mischen nicht- newtonscher Fluide

Matevž Dular

Die Abkürzung CFD steht für Computational Fluid Dynamics, zu deutsch computergestützte Strömungsmechanik. Die vergleichsweise junge Disziplin der Simulationstechnik ermöglicht die Analyse von Fluidströmungen jeder Art und liefert in Abhängigkeit vom physikalischen Umfeld neben dem reinen Strömungsverlauf, d. h. dem Geschwindigkeits- und Druckfeld der Strömung, Informationen zu Wärmeübergang, Stoffaustausch und Reaktionsgeschehen. Sie liefert damit Daten, die zur anwendungsgerechten Gestaltung und Dimensionierung von strömungsbeaufschlagten Bauteilen, Baugruppen und Anlagen bzw. Systemen dienen. Grundlage dieser Programme ist die numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit modernsten Algorithmen.

Im Bereich Mischen und Rühren wird CFD bereits seit längerer Zeit erfolgreich eingesetzt. Doch auch hier gibt es neue Anwendungen, die erst durch höhere Rechnerleistung oder neue physikalische Modelle in CFD-Programmen wie Ansys Fluent ermöglicht werden. Ein Beispiel ist das Mischen von hochviskosen nicht-newtonschen Fluiden. Solche Fluide, die in vielen industriellen Grundoperationen vorzufinden sind, haben oft komplexe rheologische Eigenschaften. Dies kann die Betriebskosten in die Höhe treiben und andere Probleme verursachen, beispielsweise schnelle Änderungen des Rührerdrehmoments während des Mischprozesses.

Bei der Entwicklung von Mischergeometrien wird CFD bereits häufig eingesetzt. Komplexere CFD-Studien, die auch Phänomene wie nicht-newtonsche Fluide und die Modellierung von freien Oberflächen beinhalten, sind jedoch noch selten. Das Ziel dieser Untersuchung war, die Leistungsfähigkeit der numerischen Simulation zur Vorhersage von lokalen Eigenschaften nicht-newtonscher Fluide in teilweise gefüllten Behältern zu ermitteln. Ein sehr großer, sechsflügliger radialer Blattrührer wurde in einem Behälter mit flachem Boden zum Mischen von Carboxymethyl-Cellulose verwendet. Das Geschwindigkeitsfeld im Inneren des Behälters wurde mit Hilfe der Laser-Doppler Anemometrie (LDA) vermessen, die charakteristische Trombe oberhalb des Rührers durch Zugabe eines Farbreagenz an der freien Flüssigkeitsoberfläche sichtbar gemacht. Die endgültige Form der freien Oberfläche wurde durch eine geometrische Rekonstruktion der Bilder des ausgeleuchteten Bereichs bestimmt.

Die experimentellen Ergebnisse wurden den mit Fluent 6.2 gewonnenen numerischen Resultaten gegenübergestellt. Instationäre Simulationen der Strömung wurden auf einem strukturierten Netz mit ca. 1 200 000 Zellen ausgeführt. Ein Potenzansatz beschrieb die rheologischen Eigenschaften des Fluids (Abhängigkeit der Viskosität von der Scherrate). Die Strömung wurde bei sehr langsamer Rotationsgeschwindigkeit als laminar angenommen; in den übrigen Fällen wurde das RNK-k-e-Turbulenzmodell verwendet. Das Volume-of-Fluid-(VOF)-Modell erlaubte die genaue Vorhersage der Form der freien Oberfläche.

Die Vorhersagen der Ausbildung und endgültigen Form des Wirbels oberhalb des Rührers stimmten gut mit den experimentell ermittelten Daten überein. Die Diskrepanzen waren bei hoher Rotationsgeschwindigkeit am geringsten und bei niedrigeren Drehzahlen etwas größer. Der Grund dafür ist vermutlich, dass die Druckgradienten, die die Bildung des Wirbels hervorrufen, klein sind und daher selbst kleinste Störungen während der Messungen größere Auswirkungen hatten. Die periodische Natur der bei den LDA-Messungen beobachteten tangentialen Geschwindigkeitskomponente wurde durch die Simulation gut vorhergesagt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Fluent-CFD-Berechnung eines nicht-newtonschen Mischprozesses mit freier Oberfläche mit relativ guter Genauigkeit möglich ist. Die gewonnenen Erfahrungen können für die Vorhersage von Strömungscharakteristiken und vor allem für die Optimierung von realen, komplexen industriellen Mischprozessen verwendet werden, bei denen experimentelle Messungen schwierig oder unmöglich sind.

Die CFD-Simulation kann Experimente nicht vollständig ersetzten, jedoch erheblich reduzieren. Wie das Beispiel zeigt, trägt die Strömungssimulation zu einem besseren technischen Verständnis, zur Verfahrensoptimierung und somit auch zu Energieeinsparung bei. Durch die Verringerung von kostenintensiven Modellversuchen und der Einsparung von Projektarbeitszeit hilft CFD außerdem die Planungs- und Auslegungssicherheit deutlich zu erhöhen.

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Mit dem Release Fluent 6.3 liefert Ansys noch umfassendere CFD-Technologie. Neben neuen Funktionalitäten für den industriellen Einsatz wurden wichtige numerische Verbesserungen hinsichtlich Genauigkeit, Effizienz und Stabilität implementiert. Insgesamt sind mehr als 100 zusätzliche Funktionen verfügbar, die Fluents Möglichkeiten in vielen Bereichen, einschließlich bewegter Netze, reagierender Strömungen und Mehrphasenströmungen deutlich erweitern. So wird die Berechnung von reagierenden Strömungen durch neue Modelle für langsame Chemie und Mikromischen unterstützt. Auch die Mehrphasenmodellierung bleibt weiterhin wichtig: Fluent 6.3 bietet Verbesserungen bei der Genauigkeit von instationärer Mehrphasenberechnung wie auch weiteren Möglichkeiten zum Einsatz von Mehrphasenmodellen.

Ein weiteres Plus ist die Möglichkeit zum Datenaustausch mit CAE-Paketen anderer Anbieter. Der Dateiim- und -export zu anderen Analyseprogrammen vereinfacht sich, beispielsweise im Bereich der Fluid-Struktur-Interaktion. Mit MixSim bietet Ansys darüber hinaus ein seit langem erprobtes Programm für Rühr- und Mischapplikationen an. Durch eine umfangreiche Bibliothek von Rührergeometrien ist MixSim besonders anwenderfreundlich und schnell einsetzbar.