SpraySim

Forschungstitel:
Spritzstrahlsimulation für periodisch arbeitende, bewegte Reinigungsdüsen mit innovativem, gitterfreiem Ansatz und analytischem Ersatzmodell

Arbeitsgruppe: Hygienegerechte Produktion

Forschungsstelle und wissenschaftliche Betreuung:

  1. Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Dr. Isabel Michel
  2. Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV Dresden, Matthias Joppa

IGF-Vorhaben: 21069 BG
Finanzierung: BMWi
Laufzeit: 2020 – 2022

Die automatisierte Spritzstrahlreinigung bietet branchenübergreifend ein erhebliches Potenzial zur Verringerung von Reinigungszeiten und -kosten sowie zur Reduktion des ökologischen Fußabdrucks. Optimierungsstrategien basieren bisher hauptsächlich auf Experimenten und Erfahrungswissen. Numerische Simulationen können die Entwicklungszeiten effizienterer Reinigungssysteme reduzieren, werden aber wegen des aktuellen Fokus auf rechenintensive Standardmethoden nur punktuell eingesetzt.

Die Nutzung diskontinuierlicher Spritzstrahlen kann die Wirkung von Reinigungssystemen verbessern. Hauptziel des Projektes ist daher die effiziente numerische Simulation solcher Spritzstrahlen, auch für bewegte Düsen. Dabei kommt die innovative, gitterfreie Simulation mit der Software MESHFREE (www.meshfree.eu) zum Einsatz. Trotz ihrer hohen Effizienz ist die 3D-Spritzstrahlsimulation in MESHFREE jedoch nicht für Parameteroptimierungen geeignet.

Daher wird sie zur weiteren Reduktion des Rechenaufwands mit einem 2D-Wirkungsmodell kombiniert. Es nutzt die Flachwasser-Gleichungen, um die Strömung im entstehenden dünnen Fluidfilm auf der Oberfläche zu beschreiben und anschließend die Reinigungswirkung zu optimieren. Die Grundlage zur Validierung dieses Ansatzes bildet eine umfangreiche experimentelle Untersuchung der Strömung. Referenzwerte werden durch Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen, die Messung des Wanddrucks beim Auftreffen der Strahlen sowie die Bestimmung des lokal im Strahl vorhandenen Volumenstroms gewonnen. Reinigungsexperimente für mehrere industrierelevante Verschmutzungen erlauben zudem die Ermittlung von Korrelationen zwischen der mechanischen Beanspruchung und der Reinigungswirkung diskontinuierlicher, bewegter Spritzstrahlen.

Als Ergebnis sind neben den validierten Modellen erstmalig simulationsgestützte Vorhersagen zu geeigneten Pulsationsparametern zerfallener Spritzstrahlen und deren Bewegung bei der Reinigung zu erwarten. Die Simulationsmodelle werden in einer Softwareplattform gebündelt und kostenfrei zur Verfügung gestellt. Die zu entwickelnde Plattform hat durch eine einfache Nutzbarkeit insbesondere für KMU das Potenzial, die Düsenentwicklung zu beschleunigen und die Effizienz automatisierter Reinigungssysteme signifikant zu verbessern.

Das hier vorgestellte IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV e.V.) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Aktuelle Termine zu diesem Projekt

04. / 05.11.2020