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Simulation des Rührens und Mischens
in der Glasindustrie

Die Simulation von Rühr- und Mischvorgängen in der Glasindustrie kann hervorragend mit der CFD Software NOGRID points durchgeführt werden. Der Zweck des Rührens in der Glasindustrie ist die Homogenisierung des Glases, also die Herstellung von einheitlichem, homogenem Glas. Rührgeräte arbeiten unter hohen Temperaturen unter hoher mechanischer Beanspruchung. Deshalb müssen sie robust sein und haben oft große Anteile an Platin oder Platinlegierungen. Obwohl die benutzten Rührer, Rührstäbe, Mischer, Homogenisierer, Schneckenkolben (screw plunger) und Kolbenrührer (plunging stirrer) generell sehr effektiv arbeiten, verlässlich sind und eine vorhersagbare Lebensdauer haben, sind niedrigere Kosten und verbesserte betriebliche Effizienz vorrangige Ziele für die Zukunft.

Simulation von Pfadlinien beim Rühren und Mischen, berechnet mit NOGRID-Software

Abb. 1: Simulation Rühren und Mischen - Pfadlinien, berechnet mit NOGRID points 

Die Rührer-Applikation von NOGRID points analysiert kontinuierlich arbeitende Rührsysteme und hilft, das optimale Rührerdesign zur Erreichung der besten Produktqualität zu finden. Wir haben herausgefunden, dass die beste Art, die Qualität eines bestimmten Rührers zu messen, die Deformation einer Masse ist, die durch das Rührsystem strömt. Wir haben die lokale Deformation der Masse über den gesamten Weg durch das Rührsystem integriert. Das Ausmaß der Deformation indiziert, wie die Masse gedehnt wurde. Eine hohe Deformation bedeutet, dass Schlieren oder Knoten, die den Rührer durchlaufen, zu einer sehr langen Masse gedehnt werden und als Endergebnis schließlich verschwinden und die Produktqualität nicht länger beeinflussen.

Simulation von Pfadlinien mit gitterfreier CFD-Software Pfadlinien-Simulation mit gitterfreier CFD Software

Abb. 2: Simulation Rühren und Mischen - Pfadlinien am Ende der Untersuchung, berechnet mit NOGRID points 

In der Glasindustrie werden Homogenisierungssysteme verwendet, um die Produktqualität zu steigern. In der Praxis kann - abhängig vom Formungsprozess -  beobachtet werden, dass ein Rührsystem Glasdefekte sowohl erzeugen als auch beheben kann. Mit dem physikalischen Modellieren von Rührsystemen kann man leicht zeigen, wie Partikeltracer der Strömung folgen und was passiert, wenn die Tracer die an die Rührpropellerflügel grenzenden Bereiche durchdringen. Die Startposition der Tracer kann variieren, aber die isokinetischen Konditionen müssen angewendet werden. Angenommen, Dichte und  Viskosität der Tracer entsprechen den Fluideigenschaften, zeigt die physikalische Modellierung von Rührsystemen viele Effekte, die zum Verständnis der Strömung in Rührsystemen beitragen.

Um detaillierte Informationen über die Mischqualität eines bestimmten Rührsystems zu erhalten, verwenden wir die mathematische Simulation. Hier analysieren wir Partikeltracer auf ihrem Weg durch das Rührsystem. Wichtige Ergebnisse sind die Länge des Pfades, die Verweilzeit und die Verformung eines mathematischen Volumens. Insbesondere die Information über das Strecken eines bestimmten Volumens entlang des Partikelpfades zeigt die Qualität des Mischprozesses an.

Die Materialeigenschaften von echten Dehnungsstreifen können sich jedoch von denen der Glasschmelze unterscheiden. Um diesen Effekt zu modellieren, haben wir ein Tool entwickelt,  mit dem ein Volumen mit eigener Dichte und Viskosität berechnet werden kann. Dieses Volumen folgt nicht mehr den Strömungslinien des Fluids, sondern findet abhängig von mechanischen Kräften und dem Wandabstand seinen eigenen Weg durch das Rührsystem.