Dreidimensionale Simulation von Kapillarbrücken

Wer schon einmal versucht hat am Strand eine Sandburg zu bauen, der kennt den Unterschied zwischen nassem und trockenem Sand. Während der trockene Sand leicht rieselt kann der nasse Sand zu einer Burg geformt werden. Ursache für dieses Phänomen sind die starken Haftkräfte zwischen den Sandkörnern, welche aufgrund von Kapillarbrücken entstehen. Um diese Haftkräfte bestimmen zu können, muss die Geometrie der Kapillarbrücke exakt ermittelt werden. Dies ist in der Regel für den Bau einer Sandburg nicht zwingend erforderlich, jedoch gibt es zahlreiche industrielle Bereiche in denen die Haftkräfte eine derart große Rolle spielen, dass diese ermittelt werden müssen. Beispiele hierfür sind das Sintern von Metallen oder Keramiken sowie nahezu alle Prozesse, in denen ein Pulver auftritt.

Daher werden am Lehrstuhl für Partikelverfahrenstechnik Kapillarbrücken theoretisch erforscht, um die resultierenden Haftkräfte zu bestimmen. Je nach Anwendungsfall gibt es zahlreiche Näherungsverfahren zur Bestimmung rotationsymmetrischer Kapillarbrücken. Diese Verfahren können jedoch nicht ohne weiteres auf beliebige, dreidimensionale Partikel erweitert werden. Demzufolge ist die Berechnung der Kapillarkraft zwischen asymmetrischen Partikeln oder die Berücksichtigung von Oberflächenrauheiten bislang nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich. Somit ist es das langfristige Ziel, eine Methode zur dreidimensionalen Simulation von Kapillarbrücken zwischen beliebigen Partikeln zu entwickeln. Hierfür scheinen Optimierungsmethoden zur Berechnung energieminimaler Oberflächen eine geeignete Möglichkeit zu sein. Dabei wird die Young-Laplace-Gleichung als partielle Differentialgleichung formuliert und mittels eine Finiten Elemente Methode gelöst.

Die Entwicklung einer auf Kapillarbrücken hin optimierten Methode erfolgt in enger Kooperation mit PD Dr Stephan Schmidt vom Institut für Mathematik der Humboldt Universität Berlin.
 

• Stephan Schmidt, Melanie Gräßer, Hans-Joachim Schmid
  A Shape Newton Scheme for Deforming Shells with Application to Capillary Bridges
  Submitted (29.12.2020): SIAM Journal on Scientific Computing
  Preprint: https://arxiv.org/abs/2012.15016
   

• Melanie Gräßer, Andreas Brümmer
  Influence of water and oil clearance flow on the operational behavior of screw expanders
  Journal of process mechanical engineering (2016)
   
• Melanie Gräßer, Andreas Brümmer
  Influence of liquid in clearances on the operational behavior of twin screw expanders
  9th International Conference on Compressors and their Systems, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 90 (2015)
   
• Melanie Gräßer, Andreas Brümmer
  An analytic model of the incompressible one-phase clearance flow in liquid injected screw expanders
  9th International Conference on Screw Machines 2014, VDI Bericht 2228 (2014), pp. 71-89
   

2020

David Klein: "Weiterentwicklung eines freiwilligen Zusatzkurse zur Vermittlung von Selbstlernkompetenzen in der Studieneingangsphase im ingenieurwissenschaftlichen Bereich im Hinblick auf die Teilnehmeranzahl" (Masterarbeit)

Mats Vernholz: "Entwicklung eines Evaluationskonzeptes für einen neu entwickelten Kurs zur Vermittlung von Selbstlernkompetenzen in der Studieneingangsphase im ingenieurwissenschaftlichen Bereich" (Masterarbeit)

2019

Benjamin Elmar: " Entwicklung eines Algorithmus zur Erzeugung von rauen Partikeln" (Bachelorarbeit)

Vassil Rägo: " Berechnung der Kapillarkraft für eine beliebig geformte dreidimensionale Kapillarbrücke" (Masterarbeit)

2018

Christian Bähr: "Numerische Simulation von Flüssigkeitstropfen mittels OpenFOAM" (Studienarbeit)

Steffen Loeck: "Numerische Simulation von zweidimensionalen Kapillarbrücken mittels OpenFOAM" (Bachelorarbeit)

Julian Winkelhake: "Numerische Simulation von zwei- und dreidimensionalen Kapillarbrücken mittels OpenFOAM" (Masterarbeit)

Kathrin Faupel: "Entwicklung eines Konzepts zur Vermittlung von Selbstlernkompetenzen zur Verbesserung der Studieneingangsphase von Studierenden im ingenieurwissenschaftlichen Bereich" (Masterarbeit)

Tarek Remmert: "Analyse der Selbsteinschätzung der Studierenden hinsichtlich ihrer Selbstlernkompetenzen im Vergleich zur Empfehlung der Lehrenden in der Fakultät Maschinenbau der Universität Paderborn" (Masterarbeit)