Extrusion 6-2021

25 Extrusion 6/2021 Eine iterative Fertigung sowie das empirische Testen der Düsen- lippe in Realversuchen ist allerdings unwirtschaftlich. Daher hat die vorliegende Veröffentlichung die Entwicklung eines Simula- tionsmodells zum Ziel, welches in der Lage ist, die Kühlluftströ- mung im Doppellippenkühlring ausreichend genau abzubilden. Ein solches Modell kann zukünftig dazu genutzt werden, be- reits vor der Fertigung der Düsenlippe diese simulativ hinsicht- lich der Vermeidung des Coanda-Effektes auszulegen. Aufgabe, Randbedingungen und Aufbau des Simulationsmodells Die Aufgabe des zu entwickelten Simulationsmodells besteht in der Abbildung der Kühlluftströmung im Doppellippenkühlring sowie innerhalb der Schlauchbildungszone. Auf Basis der visua- lisierten Strömungen soll der Coanda-Effekt durch eine gezielte Anpassung des Volumenstroms und der Düsenlippengeometrie in Abhängigkeit einer vorgegebenen Blasengeometrie vermie- den werden. Als Simulationssoftware wird die FVM-Software (Finite-Vol- umen-Methode) OpenFOAM (OpenFOAM Foundation, Lon- don, Großbritannien) eingesetzt. Die Luftströmung wird dabei ähnlich den Arbeiten von Sidiropoulos et al. als stationär und turbulent angenommen. Zum Abbilden der Turbulenz wird ein RANS-Turbulenz-Modell verwendet. Mit dem Ziel der Visualisie- rung der Strömungslinien und nicht der Abbildung des Abkühl- verhaltens entlang der Schlauchbildungszone ist es zudem aus- reichend, die Strömung als isotherm zu betrachten. Um die Re- chenzeit möglichst gering zu halten, wird die Strömung als 2- D-axisymmetrisch angesehen. Unter der Bedingung, dass die Simulation die Strömungen eines Doppellippenkühlrings abbil- den soll, ist es aufgrund des auftretenden Venturi-Effektes wichtig, die Strömung in der Simulation als kompressibel zu be- trachten. Der Venturi-Effekt beruht auf der Bernoulli-Gleichung der Strömungsmechanik, welche besagt, dass die spezifische Energie entlang einer Stromlinie konstant ist [BS08, Eck19, Pfe14]. Durch die Wandhaftung des Luftstroms an der Folien- blase ist es für eine höhere Genauigkeit des Modells weiterhin sinnvoll, die Blase als eine bewegte Blasenwand zu modellieren, damit die Abzugsgeschwindigkeit als Parameter berücksichtigt wird. Alle Anforderungen des Simulationsmodells sind in den Bildern 1 und 2 zusammengefasst. Mit diesen Randbedingungen kann das Simulationsmodell im- plementiert werden. Die Implementierung der Eingangsdaten in das Simulationsmodell ist in Bild 3 dargestellt. Ausgangsbasis sind die in Hopmann et al. durchgeführten Realversuche, in welchen die Strömungslinien mithilfe eines Matlabtools erfasst wurden [HKFV21]. Der reale Anlagenaufbau ( Bild 3 , links) wird anschließend in ein dreidimensionales CAD Modell überführt ( Bild 3 , Mitte). Für möglichst geringe Rechenzeiten wird die 3- dimensionale Schlaubildungszone, wie bereits zuvor erwähnt, in eine 2-dimensionale axisymmetrische Schlauchbildungszone überführt ( Bild 3 , rechts). Bei diesem Schritt ist es wichtig, die Gesamtkühlluftströmung um den gesamten Folienblasenum- fang (360°) entsprechend herunter zu skalieren. Als Eingangsparameter können nun unterschiedliche Düsenlip- pendesigns als auch verschiedene Kühlluftvolumenströme der einzelnen Lippen in die Maske des implementierten Simulati- onsmodells übertragen werden. Bild 4 zeigt eine schematische Zeichnung des am IKV vorhandenen Doppellippenkühlrings. Dieser besteht aus einer oberen Lippe mit einem Austrittswin- kel von 0° sowie einer unteren Lippe mit einem Austrittswinkel von 0°. Zudem sind weitere zu untersuchende Lippenausfüh- rungen dargestellt. Durch die einstellbare Öffnungsweite ist ei- ne gezielte Volumenstromänderung zwischen beiden Lippen möglich (vgl. Bild 4 ). Eine Öffnungsweite von 0 mm bedeutet, dass der gesamte Kühlluftvolumenstrom die untere Lippe ver- lässt, während er bei einer maximalen Öffnungsweite von 30 mm fast vollständig aus der oberen Lippe strömt. Nach der Auswahl des entsprechenden Düsenlippendesigns folgt der Präprozess. In diesem Teilschritt werden zunächst die gewünschten Geometrien des Kühlrings inklusive der Düsenlip- pen sowie der Folienblasegeometrien in die Software Blender Bild 3: Überführung der Versuchsreihe in das Simulationsmodell Realversuche 3-D CAD Modell 2-D Simulationsraum Luftströmung • Visualisierung der Strömung mittels Nebel • Beschreibung des Strömungs- verlaufes durch geplottete Funktion • Überführung des realen Prozess in ein 3-D CAD Modell • Überführung in 2-D-Modell (axisymmetrisch) • Öffnungsweite und Volumen- strom frei veränderbar Blase Obere Lippe Untere Lippe Blase Symmetrieachse Obere Lippe Untere Lippe Breite [mm] Höhe vomWerkzeugaustritt [mm] 0 400 280 160 40 100 200