Modelling and simulation of the hydrodynamic properties of protection and filter fabrics under consideration of service loads to predict their barrier and permeability properties
Final Report Abstract
Zahlreiche technische Anwendungen erfordern textile Strukturen, die definierte Durchlässigkeits- und Retentionseigenschaften kombinieren. Mono- oder Multifilamentgewebe besitzen gegenüber Membranen und Vliesstoffen den Vorteil, dass sie große Kräfte übertragen können, so dass sie neben der Barriere- auch eine Stütz- und Haltefunktion übernehmen. Die Anforderungen sind z. T. gegenläufig, so dass die Auswahl eines Filtermittels eine hochkomplexe Fragestellung darstellt, bei dem die Anwendungsanforderungen und die Filtermitteleigenschaften ausgewogen berücksichtigt werden müssen. Es ist bekannt, dass sich die Porenmorphologie infolge mechanischer Beanspruchung maßgeblich verändert, beispielsweise während des Gebrauches. Bei Zugbeanspruchung kommt es aufgrund der Querkontraktion der Garne einerseits und der textilen Struktur andererseits zu Morphologieänderungen der Mikro- und Mesostruktur, die wiederum zu Veränderungen der Gewebepermeabilität führen. Deshalb fokussiert sich das Ziel des Forschungsvorhabens auf die realitätsnahe Simulation der Permeabilitäts- und Barriereeigenschaften von Schutz- und Filtertextilien unter gebrauchsnahen Beanspruchungen, um Gewebe mit maßgeschneiderten Eigenschaften ohne Trial-and-Error gezielt zu entwickeln. In Rahmen des Projekts gelang es erstmalig, die hydrodynamischen Eigenschaften von Schutz- und Filtertextilien unter Berücksichtigung gebrauchsnaher Beanspruchungen zu modellieren und zu simulieren, so dass eine Vorhersage der Barriere- und Permeabilitätseigenschaften möglich wurde. Dabei war es möglich, die Zusammenhänge zwischen den Maschinen-, Prozessparametern und der Gewebekonstruktion sowie den resultierenden Gewebeeigenschaften wie Permeabilität und Porenmorphologie durch die grundlegende in-situ- Charakterisierung der Gewebemorphologie und Gewebeeigenschaften von über 200 Geweben zu erfassen. Diese umfangreichen experimentellen Ergebnisse bilden eine fundierte Basis zur erfolgreichen Entwicklung eines allgemeingültigen Modells auf Basis eines Künstlichen Neuronalen Netzes zur Vorhersage der Gewebemorphologie und Hydrodynamik (Permeabilität, Partikelretention) in Abhängigkeit von den Maschinen- und Prozessparametern. Um die skalenübergreifenden komplexen Morphologieänderungen der Gewebe auf Mikro-, Meso- und Makroebene unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Gebrauchsbelastung zu verstehen, wurde eine unikale Messmethodik zur in-situ Erfassung der Porenveränderung entwickelt. Diese Methode erlaubt die Erfassung der Porenmorphologie im ein- und biaxialen Belastungszustand unter Zug- und Scherbeanspruchung vor, während und nach statischer und zyklischer Belastung. Die erarbeiteten Erkenntnisse wurden für die Aufstellung der geometrischen Modelle herangezogen. Die strukturmechanischen Simulationsergebnisse konnten anhand der experimentell erzielten Daten kalibriert und validiert werden. Weiterhin konnte die mehrphasigen hydrodynamischen Eigenschaften (wie Permeabilität und Partikelretention) mittels CFD- Methode in Mikro- und Mesostruktur für unbelastete und belastete Gewebe erfolgreich modelliert und simuliert werden. Die validierten Simulationsergebnisse lieferten wichtige Erkenntnisse zur Strömung und Retention von Geweben unter Belastung. Daraus konnten die Gewebeeigenschaften unter gebrauchsnaher Belastung vorhergesagt werden. Insgesamt wird festgestellt, dass die Gewebemorphologie und den aus der Porenmorphologie resultierenden Gebrauchseigenschaften (z. B. Permeabilität, Retention bzw. Filtration) durch die Gewebekonstruktion insbesondere durch den Gewebeindex maßgeblich beeinflusst werden. Des Weiteren hängen die Gebrauchseigenschaften sehr stark von den Materialparametern, insbesondere Filamentdurchmesser und Filamentanzahl, ab, so dass höhere Abscheidegrade und ein besseres Strömungsverhalten durch die Verwendung von feintitrige Filamentgarnen im Gewebe erzielt werden konnten. Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass es möglich ist, Gewebefilterstoffe simulationsgestützt mit erheblich reduziertem Aufwand zu entwickeln. Außerdem haben die validierten Modelle und die aufgestellten Simulationstools zu einem vertieften Verständnis der Grundlagen komplexer Retentionsmechanismen in Geweben mit verschiedenen funktionalen Anforderungen beigetragen.
Publications
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