Simulationsberechnungen am Projekt-Beispiel "Berlin-HFE-frei"

Wir benutzen die rechnergestützte Simulation zur Analyse von Systemen, die für die theoretische oder formelmäßige Behandlung zu komplex sind. Dies ist überwiegend bei dynamischem Systemverhalten gegeben. Für das Projekt Berlin-HFE-frei untersuchen wir die bestmöglichen geometrischen Daten des Contrafluranfilters der Firma ZeoSys unter Berücksichtigung der drei Filtermaterialien Zeolithe, Aktivkohle und Komposite. Der Verlauf der Durchströmung des Filters mit Gas soll optimiert werden, um das Gas-Aufnahmevermögen der Filtermaterialien und damit die Effizienz des Filters zu maximieren.

Der Contrafluranfilter der ZeoSys GmbH

Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM)

Die Simulation der Gasströmung erfolgt mit der multiphysikalisch arbeitenden FEM-Software COMSOL Multiphysics. 

Begonnen wird mit einem konstruktiven Nachbau der wesentlichen Bestandteile des zylinderförmigen Contrafluranfilters und einer Materialzuordnung seiner Bestandteile. Danach erfolgt eine Beschreibung seiner physikalischen Parameter.

Zur Berechnung des Strömungsverlaufs im Inneren des Zylinders wird dieser in ein Netz von kleinen Volumenelementen zerlegt. Durch die Variation der geometrischen Parameter wird dann der Einfluss auf den Strömungsverlaufs geprüft. 

Der Contrafluranfilter wurde am Computer in ein Netz kleiner Volumenelemente zer- legt.

Optimierung des Strömungsverlaufs

Angestrebt wird eine gleichmäßige Durchströmung des Zylinders. Der Strömungsverlauf im Inneren des Zylinders sollte im Optimum so erfolgen, dass eine Durchströmung aller Volumenanteile erreicht wird.

In unserem Beispiel wird geprüft, welchen Einfluss die Größe der Eintrittsöffnung für das Gas hat und ob der Gasstrom durch die Abänderung dieses Parameters günstig beeinflusst werden kann.

Zur Verringerung des Rechenaufwandes wurde der Zylinder in der Mitte durchgeschnitten. Dies ist hier möglich, weil der Contrafluranfilter im Aufbau in der Mitte symmetrisch ist. 

Beispiel 1: die Gasströme (rot) im Inneren des Filters zeigen Verwirbelungen im hin- teren Abschnitt des Zylinders

Die Berechnung der Gasströme (rot) im Modell zeigte, dass sich abhängig von der Größe der Eintrittsöffnung Verwirbelungen im Gasstrom bilden können. Im Beispiel 1 werden die hinteren Volumenanteile im Zylinder erst durch einen Wirbelanteil erreicht, das Gas strömt also nicht gleichmäßig durch das Filtersubstrat.

Beispiel 2: die gegenüber Beispiel 1 ver- kleinerte Eintrittsöffnung leitet des Gas gleichmäßiger durch den Filter

Im Beispiel 2 wurde die Eintrittsöffnung verkleinert. Dadurch konnte eine Verbesserung der Durchströmung aller Volumenanteile für das Gas erzielt werden. Der Gasstrom erfolgt nun gleichmäßiger und ohne Wirbelbildung im hinteren Abschnitt. 

Sollen weitere physikalische Parameter der Konstruktion  hinsichtlich ihres Einflusses auf den Gasstrom überprüft und gegebenenfalls verändert werden, kann dies ebenfalls in der Simulation erfolgen. Das ist zeit- und aufwandsparend und führt dadurch zur Verringerung der Kosten für die Optimierung einer Konstruktion.