Autor: David Hund

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit numerischen Methoden zur Simulation der Kuchenfiltration. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf den in der Anfangsphase der Kuchenfiltration auftretenden Wechselwirkungen zwischen Filtermittel, Fluid und Partikel. Diese Wechselwirkungen beeinflussen zum einen die Brückenbildung und zum anderen den Interferenzwiderstand. Die Brückenbildung erlaubt die Verwendung eines offenporigen Filtermittels und ermöglicht den Filterkuchenaufbau auch dann, wenn die Durchmesser der Partikel kleiner sind als die Poren des Filtermittels. Im Gegensatz dazu reduziert der Interferenzwiderstand die Filtrationsleistung, da durch Wechselwirkungen zwischen Filtermittel und der ersten Partikellage der Durchströmungswiderstand erhöht wird. Die Untersuchung der Brückenbildung und des Interferenzwiderstands stellten unterschiedliche Anforderungen an die Simulationsmethoden. Der dynamische Prozess der Brückenbildung wurde an einem vereinfachten Porenmodell mittels optimierter Zwei-Wege CFD-DEM Kopplung unter Berücksichtigung der Adhäsion simuliert. Die Randbedingungen des Simulationsmodells wurden so gewählt, dass zur Reduzierung der Rechendauer ein möglichst kleiner Ausschnitt des Filtermittels simuliert werden konnte. Die ermittelten Filtrationsverläufe bei konstantem Druck und bei konstanter Geschwindigkeit stimmen mit den theoretisch zu erwarteten Filterkurven überein. Anhand der Simulationen wurde die Brückenbildungszeit für sphärische, zylindrische und unterschiedlich geladene Partikel bei unterschiedlichen Konzentrationen und Anströmgeschwindigkeiten bestimmt. Des Weiteren wurde mit den gewonnenen Simulationsergebnissen die theoretischen Überlegungen zur linearen Abhängigkeit der Brückenbildungszeit von der pro Zeiteinheit am Filtermittel ankommenden Partikelanzahl, für eine konstante Anströmgeschwindigkeit, verifiziert. Änderte sich jedoch die Anströmgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Partikelfluss wurde keine Abhängigkeit festgestellt. Zur Untersuchung des Interferenzwiderstandes wurde die Software DNSlab (Variante A) zur Direkten Numerischen Simulation verwendet, welche die Generierung von 3D-Gewebemodellen, die Strömungssimulation, die Partikelabscheidung und den Einfluss abgelagerter Partikel auf die Strömung ermöglicht. Simulierte Filtermittel-Leerwiderstände komplexer Gewebemodelle stimmten sehr gut mit experimentell ermittelten Ergebnissen überein. Untersuchungen zur Partikelablagerung an monofilen Leinwandgeweben zeigten, dass der Interferenzwiderstand maximal wird, wenn die Partikelgröße im Bereich der Porengröße liegt. Dies bestätigen experimentelle Ergebnisse der Literatur. Im Vergleich zur Leinwandbindung konnte durch die Wahl eines 3-3 Köpergewebes mit gleicher nomineller Porenweite aber unterschiedlicher Porengeometrie der Interferenzfaktor um 50 % reduziert werden. Durch die Verwendung eines Köpertressengewebes konnte dieser weiter herabgesetzt werden. Jedoch wurde durch die Komplexität des Gewebes der Filtermittel-Leerwiderstand erhöht und dadurch keine erhebliche Reduzierung des Interferenzwiderstands festgestellt. Anhand einer neu in DNSlab implementierten Kopplung der Lattice-Boltzmann-Methode mit der DEM (Variante B), welche die Vorteile der bisher verwendeten Methoden vereint, wurde der dynamische Filterkuchenaufbau an einem Köpergewebe unter der Berücksichtigung der Partikel-Partikel- und der Partikel-Filtermittel-Wechselwirkungen simuliert. Zusätzlich wurde mittels der LBM-DEM-Kopplung die Strömung sowohl um die abgelagerten als auch um die noch nicht abgelagerten Partikel aufgelöst. Der ermittelte Filtrationsverlauf im dt/dVF-VF-Diagramm entspricht dem theoretischen Verlauf einer Filtration bei konstantem Druck. Eine weitere Validierung zeigte, dass die simulierte aufgelöste Partikelsinkgeschwindigkeit mit der analytischen Lösung übereinstimmt.