Modellierung und Simulation von Filtrationsprozessen

Innovative Filtrations- und Separationstechniken sind in vielen Fallen von wesentlicher Bedeutung bei der Entwicklung von hochwertigen Produkten bzw. effizienten Geraten oder wenn es gilt, eine moglichst hohe Lebensqualitat zu gewahrleisten. Es ist schwierig einen Industriebereich zu benennen, in dem Filter keine wichtige Rolle spielen. In einem ublichen PKW gibt es eine Vielzahl von Filtern. Andere Bereiche, die in hochstem Mase von der eingesetzten Filtertechnik abhangen, sind die Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser sowie der Einsatz von Entstaubungsanlagen im Energie- und Produktionssektor. Der Filtrationsmarkt wachst schnell und dementsprechend hoch ist der Innovationsdruck bei der Produktentwicklung. Daher kommt in zunehmendem Umfang Computer Aided Engineering (CAE) bei der Produktauslegung zum Einsatz. Damit den Entwicklungsingenieuren auch hierfur geeignete CAE-Werkzeuge zur Verfugung stehen, ist viel an mathematischer Forschung erforderlich. Die Fest-Flussig- und Fest-Gasformig-Filtrationsprobleme, die hier betrachtet werden sollen, sind von Natur aus Multiskalen- und Multiphysikphanomene. Die Grosen der Schmutzpartikel und der Fasern im Filtermaterial reichen vom Nanometerbereich bis hin zu mehreren hundert Mikrometern. Die Abmessungen von Filtergehausen dagegen konnen von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern betragen. Zudem kann sich das Filtermaterial (Filtermedium) je nach Anwendungsfall wie ein starrer Korper verhalten oder verformen. Dieses Kapitel gibt einen Uberblick uber die industriellen Anforderungen bei der Filterauslegung und die mathematischen Herausforderungen bei der Modellierung und Simulation von Filtrationsvorgangen. Dabei werden die Herangehensweisen zur rechnergestutzten Untersuchung der Filtrationsprozesse auf der mikroskopischen Ebene (Partikel- und Porenskala), auf der makroskopischen Ebene (Filterelement, Gehause) und deren Kopplung behandelt. Die Beitrage des Fraunhofer ITWM zu diesem Forschungsgebiet in Form von neuen Simulationsmethoden und Software werden kurz vorgestellt und ihre Bedeutung fur die Praxis an Hand von Beispielen erfolgreicher Industrieanwendungen illustriert.