Gegenstand des Vorhabens ist die experimentelle Untersuchung, Modellierung und numerische Simulation der strömungsbedingten Verformung von Filtermedien in der Flüssigfiltration. Dieses Phänomen ist für die Praxis von großer Bedeutung, da bei der Auslegung von Filterelementen konstruktive Maßnahmen zur Fixierung und Stabilisierung der Filtermedien getroffen werden müssen. Die ausschließliche Verwendung von Prototypen kann zu einem erheblichen Entwicklungsaufwand führen. Andererseits werden Filtermedien in gängigen Simulationstools als starre Materialien modelliert, sodass solche Berechnungen nicht zielführend sind.
Im Rahmen des Vorhabens wurde eine Messapparatur entwickelt und realisiert, die die Verformung von Filtermaterialien optisch erfasst, während sie durchströmt werden. Dabei kann wird der anliegende Differenzdrucks variabel vorgegeben und zusätzlich der Volumenstrom gemessen werden. Eine Vielzahl von Filtermedien aus verschiedenen Anwendungsbereichen der Flüssigfiltration wurde auf diese Weise untersucht.
Die Auswertung der Ergebnisse hat gezeigt, dass durchströmte Filtervliesstoffe ein komplexes Materialverhalten aufweisen. Dieses ist gekennzeichnet durch elasto-plastische Verformung mit Verfestigung. Ein entsprechendes Materialmodell konnte für dieses Verhalten identifiziert werden.
Für die Simulation werden die Strömungsberechnungen mit strukturmechanischen Simulationen gekoppelt. Hierbei wurden sowohl für die Verwendung eines gemeinsamen Rechengitters als auch für den Fall, dass jede Simulation ein eigenes Rechengitter verwendet, Kopplungsalgorithmen entwickelt und durch Vergleich mit bekannten Ergebnissen validiert. Hierbei kommen sowohl bekannte kommerzielle Simulationstools als auch Open-Source-Löser und selbst entwickelte Software zum Einsatz.
Die gekoppelten Simulationen wurden mit Erfolg durch Vergleich mit den Messungen validiert. Ferner gestatten sie die Simulation der Verformung von gefalteten Filtern bei Durchströmung.
Verschiedene Methoden zur Bestimmung der strukturmechanischen Modellparameter wurden im Hinblick auf Eignung und Aufwand bei der Realisierung im Unternehmensalltag getestet.
Hersteller von Filterelementen und -medien profitieren von den Ergebnissen des Vorhabens, da das Verständnis des Materialverhaltens stark von einfachen linearen Modellen abweicht und daher andere Auslegungsmaßnahmen nahelegt. Die konkrete Gestaltung kann mit Hilfe der entwickelten Simulationsmethoden rechnergestützt ermittelt werden und die Entwicklungszeit verkürzen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 10/2019 bis 12/2022 an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU), Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik (Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel. 0631 / 205 - 3524) unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk (ebenso Leiter der Forschungseinrichtung) und beim Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM (Fraunhofer-Platz 1, 67663 Kaiserslautern, Tel. 0631 / 31600 – 0) unter der Leitung von Dr. Ralf Kirsch (Leiterin der Forschungseinrichtung Prof. Dr. Anita Schöbel)
Das IGF-Vorhaben Nr. 20859 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.