Das Partikelverhalten in Strömungen besser verstehen mit der neuen Pathlines-Funktion in AVL IMPRESS™ M

In diesem Artikel werden Pfadlinien in einem Zyklonabscheider mit einem Durchmesser von 20 cm und einer Höhe von etwa 50 cm demonstriert. Dieser Gerätetyp wird in der Regel zur Abscheidung von Partikeln oder Tröpfchen aus einem Gasstrom mittels Zentrifugalkraft verwendet. Zu den üblichen Anwendungen gehören:

• Entstaubung bei der Holz- oder Metallbearbeitung
• Vorfiltration in Vakuum- oder Luftfiltrationsanlagen
• Feststoff-Gas-Trennung in chemischen oder pharmazeutischen Prozessen 

In diesem Fallbeispiel scheiden wir staubförmige Metallpartikel mit einem Massenstrom von ca. 10g/Sekunde ab, wie er in der Metallverarbeitung auftreten kann.

Um die Pfadlinien anzuzeigen, navigieren Sie zur Registerkarte Ergebnisse und erstellen Sie ein Spray 3D Ergebnisobjekt. Neu in Version 2025 R1 können Sie in den Eigenschaften der Spray 3D Daten angeben, welche Zeitschritte der Spraydaten geladen werden sollen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Beispielsweise kann die Größe der Partikelgeschwindigkeit einer Farbe zugewiesen werden, während die Partikelanzahl mit den Steuerelementen unter Verarbeitung/Maske auf 200 begrenzt werden kann, um die visuelle Unübersichtlichkeit zu verringern. Die resultierende Visualisierung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Eine Einschränkung der konventionellen Partikeldarstellung wird schnell deutlich: Während die Positionen der Partikel in einem bestimmten Zeitschritt klar dargestellt werden, bleiben ihre Flugbahnen im Laufe der Zeit verborgen. Selbst die Animation in Abbildung 3 gibt nur einen sehr begrenzten Einblick in die zugrunde liegenden Strömungsmuster.

Abbildung 3: Partikel in einem Zyklonabscheider 

Die neue Pathlines-Funktion in 2025 R1 löst dieses Problem, indem sie die gesamte Bewegungsgeschichte der Partikel innerhalb des Strömungsfeldes sichtbar macht.

Musterlinien können in den Eigenschaften von Sprayobjekten über die spezielle Registerkarte Musterlinien aktiviert werden. Um die Übersichtlichkeit in komplexen Szenen zu erhalten, ist es ratsam, die Anzahl der angezeigten Partikel und Bahnlinien über die Einstellungen in Verarbeitung/Maske zu begrenzen. Standardmäßig zeigt AVL IMPRESS™ M die vollständigen Trajektorien über die gesamte Simulationsdauer an. Die Dicke der Bahnlinien kann mit dem Regler für den Glyphengrößenbereich angepasst werden, und die Einfärbung kann auf der Grundlage aller verfügbaren Ergebnismengen über die Einstellungen unter Bahnlinien/Farbzuordnung vorgenommen werden. 

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für diese Visualisierung. Obwohl sie bereits wertvolle Informationen über die Partikelbahnen liefert, kann ihre Interpretierbarkeit durch weitere Verfeinerung verbessert werden.

Um zu steuern, welcher Teil der Partikelbahn angezeigt wird, navigieren Sie zur Registerkarte Pfade/Spuren. Eine besonders leistungsstarke Option ist Wachsen, die die Partikelbahnen von ihrem Injektionspunkt bis zum aktuellen Animationsschritt anzeigt, wie in den Animationssteuerungen im Menüband festgelegt. Bei der Wiedergabe scheinen die Pfade zu wachsen, wodurch die sich entwickelnde Partikelbewegung dynamisch sichtbar wird - eine effektive Methode zur Veranschaulichung von instationärem Verhalten. In Abbildung 5 wird deutlich sichtbar, wie Partikel von der Wand des Zyklonabscheiders zurückprallen.

Abbildung 5: Mit der Option „Grow“ werden die vollständigen Flugbahnen der Partikel sichtbar, wie sie von der Innenwand des Zyklonabscheiders zurückprallen.

Eine weitere nützliche Option ist Trace, die die Trajektorien des aktuellen Zeitschritts zusammen mit einer konfigurierbaren Anzahl vorheriger Schritte, die durch den Parameter „Length“ definiert wird, darstellt. Da die Bahnlinienfunktion das bestehende Partikelvisualisierungssystem erweitert, können sowohl Partikel als auch Bahnlinien gleichzeitig angezeigt werden. Abbildung 6 zeigt, dass Trace ein leistungsfähiges Werkzeug ist, um die Richtung der Partikel und den aktuellen Pfadverlauf darzustellen.

Abbildung 6: Die Trace-Option bewahrt den Bewegungsverlauf und reduziert auch die visuelle Unübersichtlichkeit. 

Weitere Einblicke können durch die Aktivierung von Geschwindigkeitsvektoren an jedem Partikel gewonnen werden, indem die auf der Registerkarte Vektoren verfügbaren Steuerelemente verwendet werden. Vektoren, Partikel und Pfadlinien zusammen ermöglichen es Ingenieuren, komplexe Strömungsdaten in einem einzigen Bild oder Video klar zu kommunizieren. Abbildung 7 veranschaulicht eine solche Animation.

Abbildung 7:  Hinzufügen von Pfeilsymbolen zur Anzeige der Partikelgeschwindigkeit. 

Die Anwendungsmöglichkeiten von Pfadlinien erstrecken sich auch auf andere Modelle. Abbildung 8 zeigt einen Schnappschuss aus der Simulation eines Motors mit Benzindirekteinspritzung (GDI), der mit Pfeilen zur Darstellung der Tröpfchengeschwindigkeit erweitert wurde. Vektoren, Partikel und Bahnlinien können jeweils unabhängig voneinander durch verschiedene Ergebnisgrößen eingefärbt werden. Diese Visualisierung vermittelt umfassende Informationen über die Position der Tröpfchen, die momentanen Geschwindigkeiten und die zuletzt zurückgelegten Bahnen und bietet einen detaillierten Überblick über die Sprühdynamik im Brennraum.

Die neue Pfadlinienfunktion in IMPRESS M 2025 R1 verbessert die Visualisierung instationärer Partikelbewegungen erheblich, indem sie vollständige oder partielle Trajektorien im Zeitverlauf sichtbar macht. Mit flexiblen Optionen für die Einfärbung und Animation bieten Pfadlinien einen tieferen Einblick in die Sprühdynamik und das komplexe Strömungsverhalten - und ermöglichen es Ingenieuren, fundiertere Design- und Analyseentscheidungen zu treffen.