Numerical Simulation

Dr.-Ing. Manuel Münsch

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Nan Chen, M. Sc.

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Temperature distribution on the structure surface during a thermally coupled fluid-structure-interaction simulation
Temperature distribution on the structure surface during a thermally coupled fluid-structure-interaction simulation

The numerics group is engaged in the development and application of methods for the numerical solution of the basic fluid flow equations. Among the core research topics are finite volume methods for flows in complex geometries, fluid-structure-interaction problems, implementation and validation of turbulence models, large eddy simulations, multiphase flows and flows with phase transitions. The developed numerical methods are applied to the investigation of basic physical phenomena as well as to the solution of real-world problems, where the combination of simulations and experiments allows for significant reduction in both development time and cost. Using the high performance computing capabilities of the local computing center (RRZE), the simulation of
complex flows comes within reach, giving the possibility to obtain a holistic image of the flow under consideration, that could not be achieved using measurements alone.

  • Entwicklung einer Methode zur anwendungsspezifischen Parametrierung der Formluft-Impact Technologie

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2019 - 31. March 2021
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Der jährliche europäische Kunststoffverbrauch lag 2016 bei 50 Mio. Tonnen (40 % Verpackungen). Um einen schonenden Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen zu gewährleisten, besteht ein vielversprechender Ansatz in der Minimierung des notwendigen Materialeinsatzes bei gleichbleibender Funktionalität. Ein häufig eingesetztes Verfahren, z.B. zur Herstellung von Verpackungen ist das Thermoformen. Mit Hilfe des Thermoformens können insbesondere dünnwandige Formteile hergestellt werden, wobei sich diese durch erhebliche Materialdickenunterschiede auszeichnen. Aus diesem Grund besteht von Seiten der KMU-geprägten kunststoffverarbeitenden Industrie, sowie des Werkzeug- und Maschinenbaus der Bedarf nach innovativen Technologien zur Reduktion des Materialeinsatzes.

    Im vorangegangenen Projekt (IGF: 18536 BG) wurde nachgewiesen, dass mit Hilfe der Formluft-Impact-Technologie (FIT) eine Erhöhung der lokalen Wanddicke um bis zu 190 % im Vergleich zu konventionellen Technologien erreicht werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnisse ist das Hauptziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes eine Methode zur Parametrierung der Technologie und ein Konzept zur Integration von FIT in bestehende Maschinen zu entwickeln.

  • Analyse und Modellierung der gerichteten lokalen Formluftströmung auf den Thermoformprozess

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. July 2016 - 30. June 2018
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Ein weit verbreitetes, kostengünstiges Herstellungsverfahren von dreidimensionalen Kunststoffformkörpern aus planen Halbzeug ist das Thermoformen. Es dient der Fertigung von technischen Bauteilen sowie Verpackungen. Nicht zuletzt aufgrund des hohen Ressourcenbedarfs für Verpackungen (70 % des weltweiten Kunststoffverbrauchs), besteht aus ökonomischen und ökologischen Aspekten ein stetiger Bedarf nach materialsparenden Technologien und Verfahren.

    Im Zuge des Thermoformenprozesses wird das Halbzeug, z. B. Folie, erwärmt und anschließend durch Über- oder Unterdruck umgeformt. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt in der Herstellung vergleichsweise dünnwandiger Formteile, bei geringem Materialeinsatz. Allerdings besteht derzeit keine Möglichkeit die Wanddicke bzw. deren -verteilung entsprechend der Anforderungen an das Formteil zufriedenstellend zu beeinflussen.

    Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Eigenschaften der Folie gezeigt werden, dass eine lokal gerichtete Aufbringung der Formluft und dadurch erzeugte Druck- und Temperaturunterschiede von 0,5 bar sowie 50 K auf der Folie, eine gezielte Beeinflussung der Wanddickenverteilung ermöglicht. Es wird erwartet, dass der Materialeinsatz somit bei gleichbleibenden Eigenschaften des Formteils um bis zu 15 % verringert werden kann. Die Aufbereitung der Ergebnisse in einer Richtlinie gewährleistet eine schnelle Überführung in die Unternehmen und verschafft diesen einen Vorteil auf dem wettbewerbsintensiven Verpackungsmittelmarkt, insbesondere mit Niedriglohnländern.

    Die komplexen Zusammenhänge von Prozessparametern, nichtlinearen Polymereigenschaften und Strömungsbedingungen erfordern eine fachübergreifende wissenschaftliche Zusammenarbeit, die von Seiten des KMU-geprägten Verpackungsmaschinenbaus nicht zu leisten ist. Es ist somit erforderlich, dassentsprechende Grundlagen durch interdisziplinäre Forschung erarbeitet und für die industrielle Anwendung aufbereitet werden.

Among the currently or recently studied topics there are:
  • bubble flows
  • coating processes
  • convergence speed-up in fluid-structure-interaction simulations
  • fluid-structure-interaction: in turbulent flows, with thermal coupling or involving thin wall elements
  • flows with heat transfer
  • methods for high performance computing
  • development and implementation of the in-house code FASTEST-3D (Finite Volumes)
  • iterative geometry optimizationflows wit phase transitions

The most prominent discretization method for the governing equations of fluid flow in proprietary as well as freely available CFD codes is the finite volume method. Hence, this is also the commonly applied methods within the numerics group. At this, the current state of the art commercial flow solvers as well as the in-house code FASTEST-3D is used for the numerical prediction of fluid flows.
In addition, the group has expertise in the application of finite difference, finite element, and lattice-boltzmann methods. Due to years of experience with the development and application of turbulence models, a realistic assessment and simulation even of complex turbulent flows becomes possible.
In cooperation with other research groups from the institute or other research centers, experimental investigations can be conducted for the validation of the simulation results.

2024

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