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Promotion: Transportvorgänge nichtnewtonscher Fluide in verfahrenstechnischen Apparaten


Project Details
Project duration: 10/200410/2008


Abstract
Transportvorgänge haben im Maschinenbau und der Verfahrentechnik eine große Be-deutung und sind deshalb Gegenstand intensiver theoretischer und experimenteller Forschung [1]. Dabei wirken drei wesentliche Vorgänge zusammen: Die Strömung des Ma-terials infolge des Impulstransports, der Transport von Wärme und die Umwandlung der beteiligten Stoffe. Viele transportierten Materialien sind hochviskos, z.B. Kunststoff-schmelzen, Polymerlösungen und synthetische Öle. Zudem haben sie oft weitere kom-plexe thermorheologische nichtnewtonsche Eigenschaften wie scherentzähendes Flie-ßen, Viskoelastizität und Normalspannungsdifferenzen [2]. Zur Beschreibung von Transportvorgängen sind komplizierte Materialgesetze notwendig, die u. a. das Tempe-raturfeld im fluiden Medium mit dem Strömungsfeld koppeln. Hierbei ist zu beachten, dass die zeitliche und örtliche Entwicklung von Strömungs- und Temperaturfeld auf ganz unterschiedlichen Skalen stattfinden. Eine weitere Schwierigkeit sind die oft geometrisch komplexen Bauteile, in denen die Vorgänge ablaufen. Auslegungsprogramme z.B. für Schneckenmaschinen in der Kunststoffverarbeitung basieren daher meist auf eindimen-sionalen Modellen mit unrealistischen Annahmen und Randbedingungen [z.B. Sigma][8]. Die Ergebnisse sind dann nur partiell verwendbar. Stand der Forschung sind numeri-sche Simulationen von dreidimensionalen Strömungen nichtnewtonscher hochviskoser Fluide in Apparaten des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik unter isothermen Bedingungen [3, 4, 5, 6, 7]. Im VDI- Bericht Polymeraufbereitung 2002 [8] werden nicht isotherme eindimensionale Simulationen von Zweiwellenextrudern mit verschiedenen Programmen durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten vergli-chen und diskutiert. Rauwendaal [4] verweist auf nicht isotherme 2,5 D Berechnungen. Zhu und Chiruvella berechnen dreidimensional nicht isotherme Transportvorgänge in Einwellen- und Zweiwellenextrudern. Die reale Geometrie der Maschine wurde nicht modelliert. Sie verwendeten vereinfachte Abwicklungen [9, 10]. Ziel dieser Forschungs-arbeit ist die Analyse, Modellierung, numerische Simulation und experimentelle Validie-rung von Strömung- und Temperaturfeldern hochviskoser Fluide mit realistischen ther-mischen Randbedingungen in verfahrentechnische Apparaten. Folgende Aspekte sollen im Rahmen dieser Arbeit erarbeitet und untersucht werden. ? Analyse bekannter thermorheologischer Materialmodelle und/oder Entwicklung eines neuen Modells zur Beschreibung der Fluideigenschaften ? Einfluss der Randbedingungen auf die Transportvorgänge anhand einfacher Geometrien ? Numerisches Modell für Einwellen -und/oder Doppelschneckenextruder ? Experimentelle Validierung im Labor an vereinfachten Modellen und realen Apparaten
[1] M. Kraume, Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik, Springer Verlag 2004 [2] G. Böhme, Strömungsmechanik nichtnewtonscher Fluide, Teubner 2000 [3] O. Wünsch, Strömungsmechanik des laminaren Mischens, Springer Verlag 2001 [4] C. Rauwendaal, Polymer Extrusion, 4th edition, Hanser Verlag 2001 [5] G. Böhme, O. Wünsch: Analysis of shear- thining fluid flow in intermeshing twin- screw extruders, Arch. Appl. Mech. 67 (1997), 167-178 [6] O. Wünsch, R. Kühn, P. Heidemeyer: Simulation of the fluid flow of deeper screw lights for co- rotating twin screw extruders, Proceedings of the ANTEC 2003, Nashville Tennessee, USA [7] M. Leitner, O. Wünsch, G. Böhme: Dreidimensionale LDV und FEM zur Strömungsanalyse in statischen Mischelementen, Forsch. Ingenieurwesen 68 (2003), 39- 50 [8] M. Mours, J. Flecke, K. Kohlgrüber: Simulation von Zweiwellenextrudern- Einsatz und Grenzen, VDI- Gesellschaft Kunststofftechnik, Polymeraufbereitung 2002, 153- 174 [9] Weimin Zhu, Yogesh Jaluria: Transport processes and feasible operating domain in a twin- screw polymer extruder, Polymer Eng. and Science, January 2001, Vol. 41, No 1 [10] Raman V. Chiruvella, Y. Jaluria, V. Sernas: Extrusion of non- newtonian Fluids in a single- screw extruder with pressure back flow, Polymer Eng. and Science, February 1996, Vol. 36, No. 3


Co-Investigators

Last updated on 2017-11-07 at 13:57