Grundlagen und Anwendung von Strömungssimulationen in der Kunststoffverarbeitung
Fundamentals and Applications of Computational Fluid Dynamics in Polymer Processing

Die Veranstaltung vermittelt die Anwendung von numerischen Strömungssimulationen (CFD, computational fluid dynamics) auf typische Problemstellungen der Kunststoffverarbeitung. Dabei wird sowohl das notwendige Grundlagenwissen der genutzten numerischen Verfahren beleuchtet, als auch mittels praktischer Übungen der Umgang mit der Simulationssoftware Ansys (Meshing, Fluent, CFD-Post) vermittelt. Das erworbene Wissen wird in Form eines eigenständigen Projektes angewendet und zur Auslegung und Optimierung eines Werkzeuges für die Kunststoffverarbeitung eingesetzt.

In der Vorlesung werden die folgenden Grundlagen behandelt:

• • Numerische Modellierung
• • Die Finite-Volumen-Methode
• • Rechennetze
• • Diskretisierung
• • Lösungsverfahren

Die Übung bzw. die Hausarbeit befassen sich mit den Themen:

• • CAD-Modellierung von Werkzeugen
• • Vernetzung mit Anys Meshing
• • Durchführen von Simulationen mit Ansys Fluent
• • Auswertung mit Ansys CFD-Post
• • CFD-gestützte Geometrie-Optimierung

Das Lehrangebot wird ergänzt durch umfangreiches Material für das Selbststudium, dass über die moodle-Platform bereitgestellt wird (weitergehende Literatur, Kurzanleitungen, Videos). Die Ermittlung von Materialparametern für die Simulation wird in Form eines Praktikums vermittelt.

Die Studenten sind in der Lage, Grundlagen der Finiten-Volumen-Methode und der Generierung von numerischen Rechengittern zu erläutern. Sie erwerben Verständnis für Quellen numerischer Fehler und können die Grenzen der eingesetzten Verfahren sicher abschätzen.

Die Studenten sind in der Lage Materialparameter aus geeigneten Messwerten zu generieren und in eine Simulationssoftware zu integrieren. Sie sind fähig Problemstellungen der Kunststoffverarbeitung in der Simulationsumgebung ANSYS zu modellieren und das nötige Pre-Prozessing, die numerische Lösung und das Post-Prozessing durchzuführen bzw. zu überwachen.

Moukalled, Mangani, Darwish: The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics – An Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab. Springer, 2016

Ferziger, Perić: Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer, 2002

Veersteeg, Malalasekera: An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Prentice Hall, 2007

Lecheler: Numerische Strömungsberechnung: Schneller Einstieg in ANSYS CFX 18 durch einfache Beispiele. Springer, 2018

Michaeli: Extrusionswerkzeuge für Kunststoffe und Kautschuk: Bauarten, Gestaltung und Berechnungsmöglichkeiten. Hanser, 2009

Rauwendaal: Polymer Extrusion. Hanser, 2014

Campbell, Spalding: Analyzing and troubleshooting single-screw extruders. Hanser, 2013

Schröder: Rheologie der Kunststoffe. Hanser, 2018

Fundierte Kenntnisse in der Gestaltung und Erzeugung von CAD-Modellen

Kenntnisse der Bachelor-Veranstaltungen „Mathematik“, „Numerische Methoden für Ingenieure“ und „Strömungsmechanik“

Besuch der Master-Veranstaltung „Kunststoffmaschinen und -verarbeitung: Extrusionstechnik“ wird empfohlen

The course covers the application of computational fluid dynamics (CFD) to typical problems in polymer processing. The fundamentals of the used numerical methods will be discussed and practical exercises will be given to show the handling of the simulation software Ansys (Meshing, Fluent, CFD-Post). The acquired knowledge will then be used in a self-responsible project to design and optimise a die for polymer processing.
The following fundamentals are covered in the lecture:

• • Numerical Modeling
• • The Finite Volume Method
• • Computational Grids
• • Discretisation
• • The Solution Process

The exercise respectively the homework deals with the topics:

• • CAD modelling of dies
• • Meshing with Anys Meshing
• • Performing simulations with Ansys Fluent
• • Evaluation with Ansys CFD-Post
• • CFD-supported geometry optimisation

The course is complemented by extensive material for self-study, which is provided via the moodle platform (further literature, short instructions, videos). The students will measure material parameters for the simulation in a lab course.

The students are able to explain the basics of the finite volume method and the generation of grids for numerical computations. They gain an understanding of sources of numerical errors and can reliably estimate the limits of the methods used.

The students are able to generate material parameters from at set of empirical data and integrate them into a simulation software. They are able to model problems of plastics processing in the simulation environment ANSYS and are able to perform and monitor the necessary pre-processing, numerical solution and post-processing.

Moukalled, Mangani, Darwish: The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics – An Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab. Springer, 2016

Ferziger, Perić: Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer, 2002

Veersteeg, Malalasekera: An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Prentice Hall, 2007

Lecheler: Numerische Strömungsberechnung: Schneller Einstieg in ANSYS CFX 18 durch einfache Beispiele. Springer, 2018

Michaeli: Extrusionswerkzeuge für Kunststoffe und Kautschuk: Bauarten, Gestaltung und Berechnungsmöglichkeiten. Hanser, 2009

Rauwendaal: Polymer Extrusion. Hanser, 2014

Campbell, Spalding: Analyzing and troubleshooting single-screw extruders. Hanser, 2013

Schröder: Rheologie der Kunststoffe. Hanser, 2018

Solid knowledge in the design and generation of CAD models

Knowledge of the Bachelor courses „Mathematik“, „Numerische Methoden für Ingenieure“ and „Strömungsmechanik“

We recommend attending the Master's course „Kunststoffmaschinen und -verarbeitung: Extrusionstechnik“