Fachgruppe Simulation und Modellierung

In vielen Forschungsgebieten reichen experimentelle Methoden allein nicht mehr aus oder sind zu teuer, um weiteren Wissensgewinn zu generieren. In diesen Bereichen nimmt die Simulation der grundlegenden Prozesse einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Darüber hinaus wird kontinuierlich daran gearbeitet, einzelne Verfahren modellieren zu können, um eine optimale Auslegung des Gesamtprozesses zu ermöglichen. Mit der seit Jahrzehnten steigenden Rechnerleistung sind mittlerweile sehr detaillierte und aufschlussreiche Forschungsarbeiten mit Hilfe von (numerischen) Simulationen möglich.
Am Institut für Partikeltechnik werden mehrere Simulationsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt: Der Schwerpunkt liegt auf der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) sowie der Populations-Bilanzen-Methode (PBM). Daneben wird auch die Kopplung der Numerischen Strömungsmechanik (CFD) mit der DEM betrachtet. Die Diskrete-Elemente-Methode wird derzeit genutzt, um (Rührwerks-)Kugelmühlen, Fließ- und Mischvorgänge und Kompaktierung von Pulvern sowie das mechanische Verhalten partikulärer Schichten und Agglomerate zu untersuchen. Dabei werden die einzelnen Mahlkörper, Produktpartikel und Agglomerate durch diskrete Elemente dargestellt und ihr Verhalten bei Kontakt berechnet.

FG_Simulation FG_Simulation_RW

DEM Simulation einer Mikrokompression einer Elektrode mit einem Flat Punch als Prüfkörper (links)
und Simulation der Partikelbewegung in einer Rührwerkskugelmühle (rechts)

Aus diesen sehr fein aufgelösten Partikelbahnen und Kräften können Informationen bezüglich der Zerkleinerung, der Durchmischung oder der makroskopischen Eigenschaften der Schichten und Agglomerate entnommen werden. Um die Zerkleinerung in Mühlen vorhersagen zu können, werden am Institut prädiktive Modelle auf Basis der Populations-Bilanzen-Methode entwickelt, mit denen die Zerkleinerungsergebnisse einer Mühle bei dis- oder kontinuierlicher Fahrweise berechnet werden können. Durch Verknüpfung von Modellen bzw. Simulationen auf unterschiedlichen Größenskalen können gesamte Prozesse im Detail untersucht und Optimierungspotentiale ermittelt werden, ohne den gesamten Prozess experimentell untersuchen zu müssen.
Neben diesen beiden Schwerpunkten werden durch Simulationsrechnungen Flüssigkeit-Partikel-Interaktionen oder das mechanische Verhalten von Schüttgütern oder einzelnen Agglomeraten/Partikeln vorhergesagt. Allgemein wird angestrebt, die numerisch gewonnen Kenntnisse in Modelle einzuarbeiten, die dem besseren Verständnis und der Vorhersage des Prozesses dienen sollen. Für alle Methoden ist eine Kalibrierung und anschließende Validierung mittels am Institut vorhandener Messmethodik wichtig.