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Numerical Simulation

Dr.-Ing. Manuel Münsch

Nan Chen, M. Sc.

Temperature distribution on the structure surface during a thermally coupled fluid-structure-interaction simulation

Temperature distribution on the structure surface during a thermally coupled fluid-structure-interaction simulation

The numerics group is engaged in the development and application of methods for the numerical solution of the basic fluid flow equations. Among the core research topics are finite volume methods for flows in complex geometries, fluid-structure-interaction problems, implementation and validation of turbulence models, large eddy simulations, multiphase flows and flows with phase transitions. The developed numerical methods are applied to the investigation of basic physical phenomena as well as to the solution of real-world problems, where the combination of simulations and experiments allows for significant reduction in both development time and cost. Using the high performance computing capabilities of the local computing center (RRZE), the simulation of
complex flows comes within reach, giving the possibility to obtain a holistic image of the flow under consideration, that could not be achieved using measurements alone.

  • Analyse und Modellierung der gerichteten lokalen Formluftströmung auf den Thermoformprozess
    (Third Party Funds Single)
    Term: 1. July 2016 - 30. June 2018
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

    Ein weit verbreitetes,
    kostengünstiges Herstellungsverfahren von dreidimensionalen
    Kunststoffformkörpern aus planen Halbzeug ist das Thermoformen. Es dient
    der Fertigung von technischen Bauteilen sowie Verpackungen. Nicht
    zuletzt aufgrund des hohen Ressourcenbedarfs für Verpackungen (70 % des
    weltweiten Kunststoffverbrauchs), besteht aus ökonomischen und
    ökologischen Aspekten ein stetiger Bedarf nach materialsparenden
    Technologien und Verfahren.
    Im Zuge des Thermoformenprozesses wird das Halbzeug, z. B. Folie,
    erwärmt und anschließend durch Über- oder Unterdruck umgeformt. Ein
    wesentlicher Vorteil des Verfahrens liegt in der Herstellung
    vergleichsweise dünnwandiger Formteile, bei geringem Materialeinsatz.
    Allerdings besteht derzeit keine Möglichkeit die Wanddicke bzw. deren
    -verteilung entsprechend der Anforderungen an das Formteil
    zufriedenstellend zu beeinflussen.
    Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll unter Ausnutzung der
    temperaturabhängigen Eigenschaften der Folie gezeigt werden, dass eine
    lokal gerichtete Aufbringung der Formluft und dadurch erzeugte Druck-
    und Temperaturunterschiede von 0,5 bar sowie 50 K auf der Folie, eine
    gezielte Beeinflussung der Wanddickenverteilung ermöglicht. Es wird
    erwartet, dass der Materialeinsatz somit bei gleichbleibenden
    Eigenschaften des Formteils um bis zu 15 % verringert werden kann. Die
    Aufbereitung der Ergebnisse in einer Richtlinie gewährleistet eine
    schnelle Überführung in die Unternehmen und verschafft diesen einen
    Vorteil auf dem wettbewerbsintensiven Verpackungsmittelmarkt,
    insbesondere mit Niedriglohnländern.
    Die komplexen Zusammenhänge von Prozessparametern, nichtlinearen
    Polymereigenschaften und Strömungsbedingungen erfordern eine
    fachübergreifende wissenschaftliche Zusammenarbeit, die von Seiten des
    KMU-geprägten Verpackungsmaschinenbaus nicht zu leisten ist. Es ist
    somit erforderlich, dass
    entsprechende Grundlagen durch interdisziplinäre Forschung erarbeitet
    und für die industrielle Anwendung aufbereitet werden.

Among the currently or recently studied topics there are:
  • bubble flows
  • coating processes
  • convergence speed-up in fluid-structure-interaction simulations
  • fluid-structure-interaction with thermal coupling
  • fluid-structure-interaction involving thin-walled surfaces
  • flows with heat transfer
  • methods for high performance computing
  • continuing development of an in-house CFD code
  • iterative geometry optimizationflows wit phase transitions

The most prominent discretization method for fluid flow equations in proprietary as well as freely available CFD codes is the finite volume method. Hence, these are also the commonly applied methods within the numerics group. In addition, the group has expertise in the application of finite difference, finite element, and lattice-boltzmann methods. Due to years of experience with the development and application of turbulence models, a realistic assessment and simulation even of complex turbulent flows becomes possible.

In cooperation with other research groups from the institute or other reserach centers, experimental
investigations can be conducted for the validation of the simulation results.

2018

2015

2012

2010