CFD-Examination of the application of highly-viscous polymer systems in textile finishing

Zusammenfassung Strömungsvorgänge bilden einen wesentlichen Bestandteil zahlreicher Prozessabläufe u.a. in der Textilindustrie. In dieser Arbeit mit dem Titel „CFD-Untersuchung des Auftrags hochviskoser polymerer Systeme in textilen Verarbeitungsprozessen“ von Markus Schmidt wurde versucht, drei gängige Verfahren numerisch zu simulieren. Physikalische Basis waren die Kontinuumsgleichung, die Navier-Stokes-Gleichung und die Energiegleichung. Zur numerischen Lösung dieser Gleichungen wurden die Softwarepakete FLUENT bzw. PolyFlow verwendet. Simulation der Luftströmung in Baumwollreinigern Die Reinigung von Baumwolle bedarf aufgrund der dichten Struktur und den in ihr eingebetteten Verunreinigungen spezieller Verfahren. Weit verbreitet ist die Methode, die Baumwolle durch schnell laufende Walzen einer Beschleunigung auszusetzen. Je massiger ein Schmutzpartikel ist und je loser es in der Baumwolle verhaftet ist, desto weniger kann es dieser Bewegung folgen und wird abgetrennt. Die hohen Drehzahlen bedingen eine vermehrte Luftbewegung und Wirbelbildung. Hierdurch folgen die Partikel nach der Abtrennung von der Baumwolle keiner geraden Trajektorie tangential zur Rotorbewegung, sondern können wieder zurückgesaugt werden. Zur Vermeidung der Rückbewegung wurden zunächst Parameterstudien durchgeführt bezüglich des Radius der Messerkante, des Winkels des Messers und des Abstands des Niederhalters zur Garnitur. Weiterhin wurden die Länge des Niederhalters und des Auswurfkanals verändert. Diese Maßnahmen erbrachten allerdings keine nennenswerte Verbesserung. Diese konnte durch zusätzliche Spalte zwischen Statorwand und rechter Seite des Niederhalters sowie hinter dem Messer erzielt werden. Simulation eines Spannrahmentrockners Die Zielsetzung war die Optimierung der Trocknungsgeschwindigkeit in einem Spannrahmentrockner. Hierzu sollte insbesondere eine Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Luft und Textil erreicht werden. Dieser wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst, welche ihren Ursprung in den Eigenschaften der bei einem Trocknungsprozess zusammen spielenden Materialien haben. Diese sind die Luft, das Textil selbst sowie das im Textil enthaltene Wasser, einmal in flüssiger und einmal in gasiger Form. Zum einen muss zwischen der Gasphase des Wassers und der Luft unterschieden werden. Dies ist mit dem zur Verfügung stehenden "`Species Transport"'-Modell möglich. Zum zweiten muss das Wasser auch als Flüssigkeit einbezogen werden. Zum dritten ist das Textil selbst ein Wärmespeicher, der Energie aufnimmt und leitet. Daher wurde mit einer UDF versucht, das poröse Modell so zu erweitern, dass auch der Temperaturhaushalt des Textils und der auf ihm enthaltenen Feuchtigkeit in die Simulation einfließen konnte. Hierdurch wurde gezeigt, dass die Einbeziehung des Textils als eigenständige Komponente, vor allem im Hinblick auf einen separaten Wärmehaushalt, in die Simulation möglich ist bei gleichzeitiger Nutzung des porösen Modells der Simulationssoftware FLUENT. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Nachvollziehbarkeit des Wärmeaustauschs zwischen Luft und Textil geschaffen und damit für die Bestimmung der Wärmeübergangszahl. Des weiteren konnte ein Wirbel im Bereich vor dem Ventilatorzulauf ausgemacht werden, welcher die Luftumwälzung behindert. Ähnlich verhält es sich mit den im Zwischenraum von Düsen und Textil beobachteten Wirbeln. Simulation der Strömung der Auftragsmasse eines Walzenrakels Es wurde das in der Industrie häufig verwendete Verfahren des Walzenrakels mit Spitz- und Schuhrakel simuliert. Dabei wurden die Parameter Warengeschwindigkeit, Viskosität, Rakeltyp und Rakelstellung, Textilspannung, Temperatur und Textiloberfläche untersucht. Die Untersuchungen der Abhängigkeit der Beschichtungsdicke von der Warengeschwindigkeit und Viskosität ergaben, dass die Schichtdicke sowohl mit zunehmender Warengeschwindigkeit als auch mit zunehmender Viskosität abnimmt. Die Entstehung von Abrissen, Rheologiestreifen oder Dilatanzbuckeln konnten nicht simuliert werden. Aus physikalischer Sicht sind Abrisse mit den Modellvorgaben einer Kontinuumsmechanik auch nicht zu erwarten, da die mikroskopischen Eigenschaften der Beschichtungsmasse nicht in das Modell mit eingehen. Zu erwarten gewesen wären allerdings Rheologiestreifen oder Dilatanzbuckel, da diese strömungstechnisch durch Wirbelbildung entstehen könnten. In den Simulationen wurde anfangs eine "`no-slip-Bedingung"' angenommen. Diese Bedingung wurde durch eine geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft ersetzt. Dadurch ergab sich eine signifikante Verringerung der Schichtdicke. In den Simulationen entstand unter dem Rakel rechts vom Spalt ein Unterdruck. Wurde das Textil als freie Oberfläche modelliert, ergab sich durch den Unterdruck eine Anhebung des Textils, allerdings nur für sehr kleine Textilspannungen