Validierung: Strömung, Filtrationseffizienz und elektrostatischen Effekten in komplexen Filtermedien
Validierung von Simulationen mit FilterDict und FlowDict
Im Rahmen des ElekSim-Projekts wurden die Filtrationssimulationen von GeoDict in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. (IUTA) umfassend validiert.
Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten von Filtermedien unterschiedlicher Geometrien, Faserstrukturen und Abmessungen konnte die hohe Vorhersagegenauigkeit von GeoDict für praxisnahe Filtrationsanwendungen nachgewiesen werden.
Validierung der Simulation elektrostatischer Effekte in Filtermedien
Die hier vorgestellte Validierung konzentriert sich auf Filtermedium A, eines von fünf kommerziellen Filtermedien, die im Rahmen des ElekSim-Projekts untersucht wurden. Das Filtermedium wurde aus hochauflösenden µCT-Aufnahmen mithilfe einer KI-gestützten Bildsegmentierung rekonstruiert, wodurch ein detailliertes dreidimensionales digitales Abbild der realen Mikrostruktur entstand. Abbildung 1 zeigt die für die Simulationen verwendete rekonstruierte Geometrie.
Im ersten Validierungsschritt wurde die Strömung durch den rekonstruierten Filter durch Lösung der Navier–Stokes–Brinkman-Gleichungen simuliert. Der berechnete Druckverlust (bzw. die Luftdurchlässigkeit) wurde mit experimentellen Messwerten verglichen, um zu überprüfen, ob das digitale Modell die reale Filterstruktur korrekt abbildet. Für Filtermedium A wurde experimentell bei einem Differenzdruck von 200 Pa eine Luftdurchlässigkeit von 1300 ± 250 l/(m²·s) gemessen, während die GeoDict-Simulation 1510 l/(m²·s) vorhersagte. Die sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment bestätigt die hohe Genauigkeit der rekonstruierten digitalen Mikrostruktur.
Nach der Validierung der Strömungssimulation wurden Filtrationssimulationen über den gesamten Partikelgrößenbereich durchgeführt. Zunächst wurde die rein mechanische Filtration simuliert, indem alle elektrischen Ladungen von den Fasern entfernt wurden, entsprechend den experimentell entladenen Filtermedien. GeoDict reproduzierte die gemessene Filtrationseffizienz mit hoher Genauigkeit, einschließlich des charakteristischen Minimums der Filtrationseffizienz bei der Most Penetrating Particle Size (MPPS) (siehe Abbildung 1). Anschließend wurden elektrostatische Effekte berücksichtigt, indem den Fasern realistische Ladungsverteilungen zugewiesen sowie elektrophoretische und dielektrophoretische Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Fasern modelliert wurden. Die für die geladenen Filtermedien berechneten Gesamtfiltrationseffizienzen stimmten ebenfalls sehr gut mit den experimentellen Messungen überein und reproduzierten die charakteristischen Filtrationseffizienzkurven von Elektretfiltern (siehe Abbildung 2).
Die sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment sowohl für den Druckverlust als auch für die Filtrationseffizienz zeigt, dass GeoDict die maßgeblichen mechanischen und elektrostatischen Partikelabscheidungsmechanismen zuverlässig erfasst.
Die erfolgreiche Validierung an mehreren Filtermedien mit unterschiedlichen Fasermaterialien, Geometrien und Aufladungsverfahren bestätigt die Robustheit des Simulationsansatzes und unterstreicht das Potenzial von GeoDict als prädiktives Werkzeug für die virtuelle Auslegung, Optimierung und Entwicklung moderner Filtermedien.
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