Validierung der Strukturgenerierung und Navier-Stokes-Strömungssimulation für hierarchische Mikrosiebe
Validierung: GridGeo und FlowDict
Die Validierung der GeoDict-Simulationen für hierarchische Mikrosiebe wurde durch den Vergleich virtuell generierter Strukturen und entsprechender Navier-Stokes-Strömungssimulationen mit den experimentellen Daten von Buchsbaum et al. (2021) durchgeführt. Die untersuchten Mikrosiebe wurden mittels Float-Casting hergestellt und bestehen aus drei hierarchisch übereinander angeordneten Schichten mit unterschiedlichen Porengrößen: einer groben Schicht mit Poren von etwa 68 µm, einer mittleren Schicht mit Poren von etwa 7 µm und einer feinen Schicht mit Poren von etwa 0,24 µm (siehe Abb. 1a und 1b).
Diese geschichtete Struktur stellt einen anspruchsvollen Validierungsfall dar, da der Strömungswiderstand durch das Zusammenwirken von Poren auf sehr unterschiedlichen Längenskalen bestimmt wird.
Mikrosiebstruktur mit GridGeo modellieren
Mit GridGeo wurde die hierarchische Mikrosiebstruktur virtuell erzeugt, indem der dreischichtige Aufbau der experimentellen Proben nachgebildet wurde. Das generierte Modell umfasst die grobe, mittlere und feine Siebschicht und diente als Grundlage für die anschließenden Strömungssimulationen. Damit wird der Workflow zur Strukturgenerierung validiert, da gezeigt wird, dass GridGeo geometrisch repräsentative Modelle komplexer, geschichteter Mikrosiebsysteme erzeugen kann, die für prädiktive Simulationen geeignet sind. Eine Seitenansicht der modellierten Geometrie ist in Abb. 1c dargestellt.
Strömung simulieren und Messwerte vergleichen
Auf Grundlage der generierten Mikrosiebstrukturen wurden in GeoDict Navier-Stokes-Simulationen durchgeführt, um die Durchströmung der verschiedenen Siebkonfigurationen zu berechnen; das Strömungsfeld ist in Abb. 1c gezeigt. Die simulierten Permeanzen wurden direkt mit den entsprechenden experimentellen Messwerten von Buchsbaum et al. verglichen.
Für die grobe Schicht C betrug die simulierte Permeanz 1,05 × 10-6 m, verglichen mit einem experimentellen Wert von (0,9 ± 0,2) × 10-6 m. Für die kombinierte grobe und mittlere Struktur CM ergab die Simulation 5,93 × 10-8 m, in sehr guter Übereinstimmung mit dem gemessenen Wert von (5,5 ± 0,7) × 10-8 m. Für die vollständige hierarchische Struktur CMF betrug die simulierte Permeanz 2,76 × 10-9 m , verglichen mit dem experimentellen Wert von (2,8 ± 0,2) × 10-9 m.
GeoDict-Workflow validieren
Die sehr gute Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Permeanzen bestätigt, dass GeoDict den Strömungswiderstand hierarchischer Mikrosiebe über mehrere Strukturkonfigurationen hinweg präzise vorhersagen kann. Insbesondere die erfolgreiche Vorhersage der vollständigen CMF-Struktur zeigt, dass der kombinierte GridGeo- und FlowDict-Workflow die relevanten geometrischen und hydrodynamischen Effekte in komplexen, mehrlagigen Mikrosiebsystemen erfassen kann.
Die Validierung zeigt somit, dass GeoDict einen zuverlässigen virtuellen Workflow zur Erzeugung realistischer Mikrosiebstrukturen und zur Vorhersage ihrer Durchströmungseigenschaften bereitstellt und damit die Auslegung und Optimierung fortschrittlicher Filtrations- und Trennmedien unterstützt.
Referenzen
Buchsbaum, J., Ranis, S., Angelow, K., Linden, S., Tegenkamp, C., & Goedel, W. A. (2021). Hierarchically Structured Microsieves Produced via Float-Casting. Langmuir, 37, 2040–2055. doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02936
Benötigen Sie weitere Unterstützung?
Unser Team aus dem technischen Support hilft Ihnen gerne bei allen Fragen rund um GeoDict weiter!