Modellierung und Simulation von Strömungsvorgängen in Wechselwirkung mit Beladungs-, Regenerations- und Alterungsprozessen in Gasfiltersystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das geförderte Vorhaben konzentrierte sich auf die Entwicklung eines mathematischphysikalischen Modells zur Beschreibung der Filtration von partikelbeladenen Heißgasströmen und des induzierten transienten Deckschichtaufbaus. Eingebunden sind darüber hinaus zyklische Regenerationen des Filtersystems durch Oxidationsreaktionen, die im weiteren Betrieb zu einer Alterung des Filtermediums führen können. Durch eine Kopplung eines kommerziellen Strömungssimulationsprogramms mit Rechenmodellen, die zur Beschreibung der Beladungs-, Regenerations- und Alterungsvorgänge des Filtermediums erstellt wurden, kann das transiente Filtrationsverhalten beschrieben werden. Dazu gehört u. a. die Charakterisierung der zeitlichen Änderung der Druckdifferenz über das Filtermedium, des Regenerationsverhaltens sowie der damit zusammenhängenden Dauerhaltbarkeit von Filtermedien. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Auslegung und Optimierung von neuartigen Filtermedien und liefern Aussagen über Möglichkeiten zur Verlängerung der Standzeiten von Filtersystemen, wodurch ein wirtschaftlicherer Betrieb ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch den Einsatz des Simulationsmodells die Anzahl von kosten- und zeitintensiven experimentellen Untersuchungen in der Filtersystementwicklung minimiert werden. Die entwickelten Modellierungs- und Rechenmethoden weisen Grundlagencharakter auf und lassen sich auf eine Vielzahl von Partikel-Filtersysteme übertragen. Die experimentelle Validierung der Ergebnisse erfolgte anhand eigener Untersuchungen als auch durch Ergebnisse aus der Literatur. Das im Rahmen dieses Projektes entwickelte mathematisch-physikalische Simulationsmodell, das in ein kommerzielles Strömungssimulationsprogramm (FLUENT) eingebunden wird, kann als Auslegungshilfe bereits in einer frühen Phase der Filtersystementwicklung eingesetzt werden. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse können die Teilprozesse der Beladung, der Regeneration und der Alterungsvorgänge analysiert werden und Vergleiche mit unterschiedlichen Betriebsrandbedingungen gezogen werden. Die Kombination aus den im Rahmen dieses Projektes entwickelten und angewandten Modellierungs- und Simulationsmethoden zur Beschreibung der Prozessschritte in Gasfiltersystemen und den experimentellen Untersuchungen zeigen Grundlagencharakter und lassen sich auf eine Vielzahl von Filtersystemen übertragen. Die Anzahl kosten- und zeitintensiver experimenteller Untersuchungen, die zur Charakterisierung neuartiger Filtersysteme benötigt werden, kann damit auf eine Mindestanzahl reduziert werden. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Modelle und experimentellen Untersuchungen bieten eine Reihe von Ansatzpunkten für zukünftige Forschungsarbeiten. In weiterführenden numerischen Arbeiten kann die offene Struktur des Simulationsmodells genutzt werden, um zusätzliche anwendungsspezifische Teilprozesse eines Filter-Lebenszyklus zu berücksichtigen. Dazu gehört z. B. die Berücksichtigung einer katalytischen Beschichtung der Filtermedien. Ähnliche Anwendungen werden in jüngster Vergangenheit in der Automobilindustrie im Bereich der dieselmotorischen Abgasnachbehandlung durch Dieselruß-Partikelfilter verfolgt. Zusätzliche experimentelle Untersuchungen sind dabei von essentieller Wichtigkeit und sollten parallel dazu durchgeführt werden. Die mit der Weiterentwicklung des Simulationsmodells hinzukommenden experimentellen Untersuchungen erweitern die bestehende Datenbasis stetig. Das Simulationsmodell kann damit für eine wachsende Zahl an Anwendungen schon frühzeitig im Entwicklungsprozess eingesetzt werden, wodurch Optimierungsmöglichkeiten des Gesamtfiltersystems erkannt und ausgenutzt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Numerical investigations of diesel particulate filter systems with 2D and 3D simulation models. World Filtration Congress 10 (Leipzig 2008)
