Partikelsimulation Damit alles in Bewegung bleibt

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Überall wo große Mengen an Teilchen und Körpern – unabhängig von ihrer Größe, Form, Material und Adhäsionskraft – in Schütt-, Misch-, Rutsch- oder Fließvorgängen in Bewegung gesetzt werden, können Simulationen helfen, die Prozesse zu verstehen und gezielt zu verbessern.

Simulation ist in vielen Bereichen der Schüttguttechnologie gefragt: Seien es Maßnahmen zur Optimierung des Bewegungsvorgangs der Masse, etwa zur Minimierung von Materialverlusten oder zur Vermeidung bzw. Unterdrückung von Staubbildung. Gleichzeitig liefern Simulationsergebnisse wichtige Informationen, um Peripherieprodukte effizient zu gestalten, beispielsweise zur Erhöhung der Lebensdauer von Transportbändern und anderen Komponenten. Mit der Simulationssoftware Rocky DEM (DEM – Discrete Element Modeling) werden Rührwerkmühlen, SAG-Mühlen, Brecher, Förderbänder und -schnecken (u.a. für Hackschnitzel, Fruchtfleisch oder Tabletten), Rutschen, Hochdruck-Mahlwalzen, Mischer, Vibrationsfilter und Separatoren optimiert. Das Partikelspektrum reicht von kleinen Teilen wie Sand, Stroh, Getreide, Reis, Tabletten, Müll, Recyclingmaterial und Granulat bis hin zu Geröll, Muren und Lawinen. Beispielsweise unterstützen DEM-Simulationen von Mahlprozessen Ingenieure dabei, die relative Leistungsfähigkeit von Mühlen zu bewerten. Denn speziell bei solchen Anlagen ist es sehr schwierig, während des Betriebs Messungen durchzuführen und diese auszuwerten.

Entwickelt wurde Rocky DEM von ESSS, einem großen Simulationsspezialisten aus Brasilien, und Granular Dynamics International, einem Unternehmen aus den USA mit 30-jähriger Erfahrung mit DEM-Berechnungen und umfassenden Know-how. Mit der Software lassen sich unterschiedliche Kombinationen aus Form, Größe und Adhäsion (Anhangskraft) mit eindeutigen Partikeldefinitionen herstellen und mischen. Beispielsweise ermöglichen die numerischen Modelle die Auswertung des Transports von Schüttgut auch in nassem Zustand, bei dem u.a. die Anhäufung von Material, die zu Verstopfungen führen kann, eine wichtige Rolle spielt.

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Genauere Analyse von Entladeprozessen

In vielen Industriebereichen kommen Silos zum Einsatz, um diverses Granulatmaterial zu lagern. Jedoch treten häufig noch Probleme bei den Lade- und Entladeprozessen auf. Diese reichen von Verstopfungen über unerwünscht Entmischung bis zum Silozusammenbruch. Um die physikalischen Vorgänge in den Silos vollständig zu verstehen, wird die DEM-Simulation verwendet. Dabei wird zunächst die reale Partikelform definiert, die in diesem Zusammenhang ein sehr wichtiger Parameter ist. Die Form hat sehr hohen Einfluss auf die Dynamik, die Akkumulation und das Verdichten des Materials. Deshalb werden die Partikel zunächst als 3D-Scan erfasst oder direkt im CAD-System als 3D-Modell digitalisiert und danach in Rocky-DEM importiert. Auf diese Weise lassen sich die verschiedensten Steinformate erfassen und für die Simulation verwenden, genauso wie alle anderen Materialien, die in den unterschiedlichen Industriebereichen wie beispielsweise Pharmazie, Agrartechnik und Lebensmittel zu finden sind.

Die strukturelle Integrität von Silos und von Übergabeschurren kann durch die Kräfte in den Strukturen aufgrund des Partikelaufpralls und der auftretenden Reibung ausgewertet werden. In der Software werden die Grenzen der Domäne des diskreten Elemente-Modells durch CAD-Zeichnungen dargestellt und innerhalb dieser Grenzen wird das Feld der Kräfte über die Zeit berechnet. Diese Kräfte können wiederum an ein Finite-Elemente-Modell (FEM), z.B. in der Simulationssoftware Ansys Mechanical, übertragen werden, um dort die strukturellen Belastungen und die Lebensdauer des betreffenden Gerätes zu analysieren. Der Ansatz einer gekoppelten Simulation im Bereich der Strömungsanalyse verbindet die DEM-Simulation mit der CFD-Berechnung (Computational Fluid Dynamics).

Gekoppelte Simulation für Fluid-Partikel-Prozesse

Mit dieser Methode lassen sich Systeme modellieren, bei denen feste Teilchen in Flüssigkeiten oder gasförmigen Stoffen enthalten sind. Damit wird die Palette gekoppelter Fluid-Partikel-Prozesse durch numerische Simulationen erweitert. Komplexe Phänomene wie pneumatische Förderung, Schlammströmung innerhalb von Mühlen oder auch Strömungen von Partikeln in der Luft und in Flüssigkeiten lassen sich so simulieren und analysieren.

Eine solche Kopplung ist sowohl als Ein-Wege-Kopplung (CFD zum DEM) sowie auch als Zwei-Wege-Kopplung (CFD und DEM gleichzeitig) durchführbar – beispielsweise zwischen Rocky-DEM und Ansys Fluent, um körnige und flüssige bzw. gasförmige Systeme zu analysieren.

Die DEM-Simulation ermöglicht die detaillierte Untersuchung von industriellen Prozessen wie Zerkleinerungs- und Trennungsprozesse und den Schüttguttransport. Dabei liefert die Analyse nicht nur Informationen über das teilchenförmige Material, sondern zeigt auch die Interaktion mit beweglichen und unterstützenden Strukturen auf. Davon abgesehen: Partikelsimulationen helfen generell, die Prozesse zu verstehen und systematisch zu verbessern.

Austrag aus dem Silo, pneumatische Förderung, Explosionsschutz oder auch Simulation rund um Schüttgüter – auf dem diesjährigen Schüttgutforum am 15. und 16. November in Würzburg tauchen Anwender in einen intensiven Erfahrungsaustausch ein. Weitere Informationen zum Programm und Anmeldung finden Sie unterwww.schuettgut-forum.de.

* Der Autor ist Mitarbeiter bei Cadfem, Grafing.

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