Numerische Analyse reibungsbehafteter Strömungen in teilgefüllten Extrudern

Publication date
2005
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Pokriefke, Gritt
Advisor
Böhme, Gert
Referee
Wünsch, Olaf
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2005-05-02
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
CFD
Zweiphasenmodell
Numerische Strömungssimulation
Viskose Strömung
Zweiphasenströmung
Abstract
Zur numerischen Simulation reibungsbehafteter Strömungen in teilgefüllten Extrudern wird die Finite-Volumen-Methode in Verbindung mit einem Eulerschen Zweiphasenmodell verwendet. Es gelingt die Behandlung der komplexen, dreidimensionalen Strömung mit freien Oberflächen in einem Gleichdrall-Doppelschneckenextruder. Die numerische Methode wird anhand eines zweidimensionalen Extrudermodells, bestehend aus einem rotierendem äußerem Zylinder und ruhender Innenwand, erprobt und mit experimentellen Ergebnissen validiert. In Abhängigkeit von bestimmten Parametern stellen sich verschiedene Strömungszustände ein. Eine dimensionslose kritische Kennzahl für den Übergang wird experimentell ermittelt und anhand der numerischen Rechnungen bestätigt. Die erprobte numerische Methode wird zur Simulation der dreidimensionalen Strömung in einem Gleichdrall-Doppelschneckenextruder (Förderelement) angewandt. Die Druck- und Leistungscharakteristiken im voll gefüllte Zustand werden diskutiert. Es wird gezeigt, dass Nutz- und Dissipationsleistung quadratische Funktionen des Durchsatzes sind. Dieser Sachverhalt wird theoretisch begründet. Symmetrieeigenschaften im Strömungsraum werden aufgezeigt und ihre Auswirkungen auf Kräfte und Momente erläutert. Mit der Berechnung des teilgefüllten Zustands gelingt erstmalig die numerische Simulation der komplexen dreidimensionalen Strömung mit freien Oberflächen in einem teilgefüllten Gleichdrall-Doppelschneckenextruder. Die Leistungscharakteristik bei Teilfüllung wird diskutiert. Der Begriff "Fördergrad" wird eingeführt und der Zusammenhang zwischen dem volumenbasierten Füllgrad und dem volumenstrombasierten Fördergrad aufgezeigt. Die im voll gefüllten Zustand beobachteten Symmetrien können zum Teil auch im teilgefüllten Zustand nachgewiesen werden. Unterschiede in der Förderung zwischen dem teilgefüllten und dem voll gefüllten Zustand und die Lage der freien Oberfläche werden diskutiert. Die an einem Plexiglasmodell durchgeführten experimentellen Untersuchungen belegen eine gute qualitative Übereinstimmung mit den numerischen Ergebnissen.
Version
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