Untersuchung des Rinsvorgangs mit Methoden der Numerischen Strömungsmechanik

Simulation of PET bottle rinsing

  • In dieser Arbeit wurden Computersimulationen zu diversen Rinsprozessen entwickelt, durchgeführt und analysiert. Die Computersimulationen basieren auf einer turbulenten Zweiphasenströmung (Wasser und Luft), die mittels Methoden der Numerischen Strömungsmechanik (Finite-Volumen-Verfahren) berechnet wurden; die Berechnungen wurden mit dem Open-Source-Code OpenFOAM durchgeführt. Das mathematische Modell kann auf verschiedene Flaschen- und Düsentypen angewandt werden - im Rahmen dieser Arbeit wurde dIn dieser Arbeit wurden Computersimulationen zu diversen Rinsprozessen entwickelt, durchgeführt und analysiert. Die Computersimulationen basieren auf einer turbulenten Zweiphasenströmung (Wasser und Luft), die mittels Methoden der Numerischen Strömungsmechanik (Finite-Volumen-Verfahren) berechnet wurden; die Berechnungen wurden mit dem Open-Source-Code OpenFOAM durchgeführt. Das mathematische Modell kann auf verschiedene Flaschen- und Düsentypen angewandt werden - im Rahmen dieser Arbeit wurde der Flaschentyp (0,5 L-PET-Flasche) konstant gehalten, während der Düsentyp variiert wurde. Mittels experimenteller Daten, die zuvor am Teststand gemessen wurden, wurde das zugrundeliegende mathematische Modell validiert. Die Validierung umfasste dabei zwei spezifische Eigenschaften: zum einen die Erfassung des zeitlichen Verlaufs und Charakters des Rinsprozesses und zum anderen die Verteilungscharakteristik der hydrodynamischen Kräfte entlang der Flaschenwand. Ersteres wurde durch Experimente mit einer High-Speed Videokamera erreicht, letzteres durch die Durchführung von sog. Senf-Ethanol-Experimenten. Das Senf-Ethanol-Experiment besteht darin, eine Flasche, deren Flaschenwand mit einer Senf-Ethanol-Mischung benetzt ist, auszuspülen; dabei korreliert das Maß, in dem die Senfschicht abgetragen wird, mit den angreifenden hydrodynamischen Kräften über einen bestimmten Zeitraum. Basierend auf den Computersimulationen wurden die jeweiligen Rinsszenarien auf hygienerelevante Kenngrößen hin untersucht. Diese Merkmale sind in der vorliegenden Arbeit spezifiziert als Reinigungseffizienz, Benetzungsgrad und Dauer der Entleerung. Als Reinigungseffizienz wird hier das zeitliche Integral über die Wandschubspannungen definiert. Sowohl Reinigungseffizienz als auch Benetzungsgrad werden dazu durch sog. Reinigungskarten entlang der Flaschenwand dargestellt. Dadurch erhält der Ingenieur neben der Visualisierung des Merkmals auch eine gute räumliche Darstellung von dessen lokaler Ausprägung. Zur Darstellung der Flaschenentleerung werden sog. Massenverlaufsdiagramme herangezogen, welche die Wassermassen als Funktion der Zeit grafisch darstellen. Basierend auf den zuvor beschriebenen Ergebnissen lassen sich schließlich Reinigungsdefizite aufdecken, die Aufschluss über die weitergehende Optimierung der Düsenstruktur geben.show moreshow less
  • In this study, computer simulations for bottle rinsing processes were developed, carried out and analyzed. The simulations are based on a two-phase turbulent model (water and air); the computations were carried out using a finite volume method provided by OpenFOAM software. The mathematical model can be applied to different kinds of bottle and nozzle types. However, in the framework of this study a 0.5 L PET bottle was used while the nozzle type was varied. To determine the accuracy of the matheIn this study, computer simulations for bottle rinsing processes were developed, carried out and analyzed. The simulations are based on a two-phase turbulent model (water and air); the computations were carried out using a finite volume method provided by OpenFOAM software. The mathematical model can be applied to different kinds of bottle and nozzle types. However, in the framework of this study a 0.5 L PET bottle was used while the nozzle type was varied. To determine the accuracy of the mathematical model, it was validated by experimental data which were measured in a laboratory using test rig. The validation approach involved the investigation of two specific properties: (i) the characterization of temporal events and (ii) the characteristic distribution of the hydrodynamic forces during rinsing. The former was carried out using a high-speed video camcorder, the latter by a so-called mustard-ethanol-experiment. The mustard-ethanol experiment consists of rinsing a bottle which is uniformly coated with mustard-ethanol on its inner surface; the mustard is then removed according to the effectiveness of the hydrodynamic forces over a specific time range. Based on computed data, the respective rinsing scenarios were investigated in terms of cleaning characteristics such as cleaning effectiveness, water coverage and emptying time. Cleaning effectiveness is understood as the temporal integrated wall shear stresses. Both cleaning effect and water coverage are depicted through bottle maps. Thereby the engineer obtains not only a visualization of the particular characteristic, but also an illustration of its spatial distribution. The emptying process is depicted by so-called water mass history diagrams showing the amount of water within the bottle as a function of time.show moreshow less

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Metadaten
Author: Claus Meister
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-35854
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Frank-Jürgen Methner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/07/09
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/06/21
Release Date:2012/07/09
Tag:CFD; Flaschenspülung; OpenFOAM; Rinsing; interFoam
CFD; OpenFOAM; bottle; interFoam; rinsing
Institutes:Fakultät III - Prozesswissenschaften -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)