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Mahlen & DispergierenNumerische Berechnung der Mahlkörperbewegungenin einer Rührwerkskugelmühle mit dem DEM-ModellANSYS Conference & 33rd CADFEM Users‘ MeetingJuni 24 – 26, 2015, Messe BremenWitali Sudermannwww.netzsch.com
Unternehmen NETZSCH-Gruppe - Mahlen & Dispergieren- Nass- und Trockenmahlen, Mischen, Dispergieren, Entlüften und Sichten Keramik und Glas, Lebensmittel (z.B. Kakaomassen), Druckfarben, Pigmente und Farbstoffe, Farben und Lacke (z.B. Dispersionsfarben, Holzlacke, Klarlack), Erze, Mineralien und MetalleNETZSCH Feinmahltechnik GmbH, Selbhorizontale Rührwerkskugelmühle [Net12]www.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Ziel der Arbeit numerische Strömungssimulation-Aufbau eines Modells zur Beschreibung aller erforderlichen physikalischenVorgänge der Mahlkörper in einer Rührwerkskugelmühle-Durchführung der Berechnungen mit ANSYS Fluent 15.0 Versuchsdurchführung-praktische Versuche an einerRührwerkskugelmühle LME20-Abgleich der CFD-Berechnungenmit der RealitätFunktion einer Rührwerkskugelmühle [Net12]www.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Vergleich Praxis und Simulation LME20-zentrische ScheibenRotor mit runden StiftenMahlbehälter: 20 LiterFüllgrad:60%MK:ZrO2 d 1Drehzahl:1378 min-1Durchsatz:500 comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen3
Numerische Berechnungen Rechengitter- ca. 635.000 Hexaederdrei TeilgitterKopplung der Gitter durch lösung bezüglich des k-omega-SST-ModellsVernetzungstool-ICEM CFDRechengitter LME20www.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Konvergenzanalyse Berechnung derMahlkörperbewegungen-Anzahl der Pakete:300.000Anzahl der Mahlkugeln: ca.12 Mio.Rechendauer:2 WochenKapazität:32-Kernedpm1 dpm2 dpm3 dpm4 dpm5 dpm6 dpm7 dpm8Masseanteile und Verteilung derMahlkörper in den Vermahlungskammernwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremendpm9
Vergleich Praxis und Simulation Drehmoment an der Rührwelle-Drehzahl: 1378 min-1ohne Mahlkugelnmit MahlkugelnDrehmoment (Versuch)8,1 Nm33,1 NmDrehmoment (CFD)7,6 Nm42,3 NmCFD-Ergebnisse zu DrehmomentDrehmomentkennlinie im Leerlauf (Praxis)Drehmomentmessung LME2035Drehmoment T [Nm]3025201510P [kW] (Antrieb GLRD)5P [kW] (total)00200400600800Drehzahl nwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen1000[min-1]120014001600
Vergleich Praxis und Simulation EinlassdruckDrehzahl: 1378 min-1Produktdurchsatz: 500 l/hDruckausbildung am Einlass(CFD-Berechnung)Einlassdruck LME200,60,5Druck p [bar]-0,40,30,2Druck [bar]0,10Druckverlauf am Einlass der LME20 inAbhängigkeit von der Drehzahl (Praxis)www.netzsch.com0200400ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen6008001000Drehzahl n [min-1]120014001600
,97-4-6-8Massestrom [kg/s]0,02Masseströme am äußerenStrömungsquerschnitt derMahlscheiben Produktdurchsatz:0,139 kg/s ( 500 kg/h)-10-10,02-12Farbtest im Betriebwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Modellbildung der dispersen Phase Partikelmodelle (ANSYS Fluent)- diskrete Partikel Methode (DPM) Basis für weitere PartikelmodelleVolumenanteile der Partikelphase sollen weniger als 10 – 12 % betragenUngeeignet für flüssig-flüssig GemischeBeispielanwendungen: Sprühtrocknen, Sedimentationsvorgänge, - diskrete Elemente Methode (DEM) wird als Kollisionsmodell genannt Berücksichtigung der dynamischen Effekte zwischen den Partikeln für dichte Partikelphase geeignet, bei denen die Kollisions- und Kontaktdominanzüberwiegt Verdrängung des Trägermediums wird vernachlässigt- dichte diskrete Partikel Methode (DDPM) basiert auf dem Euler-Ansatz kann als Erweiterung beim DEM-Modell eingesetzt werden Berücksichtigung der Volumenanteilewww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Modellbildung der dispersen Phase Diskrete Elemente Methode (DEM)-Ist eine Erweiterung des DPM-ModellsPartikel werden als bewegte Massepunkte (𝑉𝑝 0) angenommen und haben keineAuswirkungen auf die Verdrängung des Trägermediums (𝛼𝑐 1)bis ANSYS Fluent 16.0 erfolgt keine Berücksichtigung der RotationsbewegungenVernachlässigung der Grenzschichtströmung sowie der Wirbelablösung an den Partikeln Impulserhaltungsgleichung 𝒖𝒑𝑚𝑝 𝑭𝑛,𝑘 𝑭𝑡,𝑘 𝑡-𝑭Ergänzung der Impulserhaltungsgleichung durch Normal- und TangentialkraftEinsatz des „soft sphere“ Modells zur Ermittlung der Normalkräftewww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Modellbildung der dispersen Phase „soft sphere“ Modell-vereinfachtes KollisionsmodellErmittlung der Überlappung 𝛿 als eine Größe für die Verformung eines KollisionspaaresFeder-Dämpfer-System 𝑭1 𝑘𝛿 𝜂𝐹 𝒖𝑝,12 𝒆12 𝒆12 Ermittlung der Federkonstante-nach ANSYS [ANS12]1 𝜋𝒖2𝑝,12𝑘 𝑑𝑝 𝜌𝑝12 𝜀𝑑2-nach Hertzsche Kontaktheorie𝑘 2𝑟𝑝 𝐸3(1 𝜎 2Deformation eines kollidierenden Partikelpaares (angelehnt an[ANS12])www.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Modellbildung der dispersen Phase Phasenkopplung- Zwei-Wege-Kopplung Wechselwirkungen zwischen derkontinuierlichen und dispersen Phase Implementierung des Rückimpulses alsQuellterm in die NSG𝑭 18𝜇𝐶𝑤 𝑅𝑒𝒖𝑝 𝒖𝑐𝜌𝑝 𝑑𝑝2 24𝑚𝑝 𝑡- Vier-Wege-Kopplung Entspricht dem Kollisionsmodell Berücksichtigung der Wechselwirkungenzwischen den Partikelnwww.netzsch.comKopplungsarten (angelehnt an [Cro05])ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Zusammenfassung das DEM-Modell ermöglicht realitätsnahe Abbildung der Mahlkugelbewegungenermöglicht einen Einblick in den Vermahlungsprozess- Analyse des StrömungsverhaltensMahlkugel- und KollisionsverteilungDie Genauigkeit der Mahlkugelverteilung ist von der Diskretisierung der PartikelphaseabhängigDas Verhalten der Mahlkörper ist von der Federkonstante und den ReibbeiwertenabhängigDie Größe der Partikelpakete und Gitterelemente müssen gegenseitig abgestimmtwerdenDie Gittererzeugung ist mit einem sehr hohen Aufwand verbundenwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
AusblickHard- und Software CFD-Rechencluster mit 32 CPUs und 512 GB RAM-Auslastung des Rechners bei 50 Mio Partikeln bis ca. 80% Erweiterung des Rechners auf 64 CPUs Durchführung der Berechnungen mit ANSYS Fluent 15.0-Update auf Fluent 16.0 17-fache Rechenbeschleunigung bezüglich des DEM-Modellszum Teil eine vollständige Auflösung der Partikelphase möglichZiel Einbindung der CFD-Berechnungen in die EntwicklungsphaseFunktionsnachweis und Optimierung vor dem Prototypenbaunumerische Versuchstechnik zuerst rechnen und dann Prototypenbauwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
KontaktdatenNETZSCHFeinmahltechnik GmbHSedanstraße 7095100 SelbTel.: 49 9287 :www.netzsch.comUnterstützt durchCFX Berlin Software GmbHKarl-Marx-Allee 90A10243 Berlinwww.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
Quellen[ANS12] ANSYS, Inc. ANSYS FLUENT Theory Guide. Canonsburg, USA : s.n., 2012[Cro05]Crowe, Clayton T. Multiphase Flow Handbook. Boca Raton : CRC Press, 2005[Dur06]Durst, Franz. Grundlagen der Strömungsmechanik - Eine Einführung in dieTheorie der Strömungen von Fluiden. Erlangen : Springer-Verlag BerlinHeidelberg, 2006[Mar11]Martin, Helmut. Numerische Strömungssimulation in der Hydrodynamik Grundlagen und Methoden. Berlin : Springer-Verlag, 2011[Net12]Netzsch-Feinmahltechnik GmbH. [Online] www.netzsch.com[Pas04]Paschedag, Anja R. CFD in der Verfahrenstechnik - Allgemeine Grundlagenund mehrphasige Anwendungen. Weinheim : WILEY-VCH Verlag, 2004[Sch12]Schwarze, Rüdiger. CFD-Modellierung - Grundlagen und Anwendungen beiStrömungsprozessen. Freiberg : Springer-Verlag, 2012[Yeo10]Yeoh, Guan Heng und Tu, Jiyuan. Computational Techniques for Multi-PhaseFlows. Burlington : Elsevier, 2010.www.netzsch.comANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' MeetingJune 24 – 26, 2015, Messe Bremen
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