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Der gleiche Effekt ist zu beobachten, wenn die Position des Filters zu nah an der Aufgabe ist oder die Absauggeschwindigkeit zu hoch ist. Die Strömungs- und Partikelberechnungen im Silofreiraum wurden für ein Silo erstellt, welches hinsichtlich Größe und Bauform einem standardisierten Silo ähnelt. Das Potenzial der Strömungsberechnung ließe sich noch besser ausschöpfen, wenn das auszulegende Silo in Bauform und Größe sowie Art der Beschickung von standardisierten Silotypen abweicht. Aber bereits jetzt liefert die Simulation detailliertere Einblicke in die Partikelbewegung und trägt so zur Verbesserung der Auslegung bei.

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Die Berechnung von dichten Schüttgutströmungen stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Modellgleichungen. Da es in der Regel zu aufwändig ist, jede Partikel-Partikel-Wechselwirkung zu berücksichtigen, wird der Impulsaustausch zwischen den Partikeln anhand phänomenologischer Gleichungen berechnet. In diesen Gleichungen sind Modellparameter enthalten, die mit den herkömmlichen Messmethoden für Schüttgüter nur unzureichend oder gar nicht bestimmt werden können. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts wurde eine Methode entwickelt, mit der die Modellparameter der phänomenologischen Gleichungen bestimmt werden können. Ausgehend von einem einfachen Experiment erfolgt die inverse Bestimmung der Modellparameter.

Variationen eines Rotors

Als einfaches Experiment dient der in Abbildung 2 dargestellte ebene Auslaufversuch. Das Schüttgut wird in einem Trichter vorgelegt und zum Startzeitpunk wird der Trichterauslauf geöffnet. Das Schüttgut fließt vollständig aus dem Trichter und bildet auf der Auffangschale eine stabile Schüttung. Das Ausströmen des Materials wird gefilmt, die Auslaufzeit und der Schüttwinkel werden gemessen und für die Simulation als Zielgrößen verwendet. Entsprechend eines geeigneten Versuchsplans werden in der Simulation die Modellparameter variiert.

Die Simulationen liefern die Auslaufzeit, den Schüttwinkel und die Kontur der Schüttung während des Auslaufens. Aus den Simulationsergebnissen lässt sich nun ein empirischer Zusammenhang zwischen den Modellparametern und den Zielgrößen in Form eines Gleichungssystems erstellen. Mit einer Zielwertsuche in diesem Gleichungssystem lässt sich dann der nötige Modellparametersatz bestimmen. Zur Validierung wird das Experiment mit diesem Modellparametersatz noch einmal simuliert. Bei einer Übereinstimmung ist der Modellparametersatz gefunden. Ansonsten wird der beschriebene Vorgang mit enger gefassten Grenzen für die Modelparameter erneut durchgeführt.

Ist nun ein Satz an Modellparametern für ein bestimmtes Schütgut bestimmt, können auch komplexe Systeme analysiert und optimiert werden. Exemplarisch ist in Abbildung 3 das Berechnungsergebnis für einen Labormischer dargestellt. Die Besonderheiten bei dieser Berechnung sind die Komplexität des Rotors, die Bewegung des Rotors und die gegenläufige Bewegung des Behälters. Die dargestellte Oberflächenkontur wurde in experimentellen Beobachtungen bestätigt. Mit diesem virtuellen Prüfstand können nun Variationen der Rotorgeometrie sowie des Betriebspunktes durchgeführt werden.

Fazit: Die numerische Simulation von Schüttgutströmungen ist prinzipiell möglich. Es ist derzeit jedoch nicht möglich, alle Arten von Schüttgutströmungen mit einem Simulationswerkzeug zu bearbeiten. Für die erfolgreiche Simulation einer Schüttgutströmung spielt die Expertise des CFD-Ingenieurs eine wesentliche Rolle, er muss die zu analysierende Fragestellung soweit spezifizieren, dass er mit dem richtigen Simulationswerkzeug und den richtigen Modellen die Simulation durchführt. Eine sorgsam durchgeführte Simulation liefert zusätzliche Erkenntnisse über die Strömung im Inneren des Apparates und unterstützt so die Auslegung oder Optimierung von Apparaten.

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