Modellierung des Einflusses von Partikelagglomeration und -bruch für eine verbesserte numerische Berechnung von Gaszyklonen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung von Simulationstechniken zur Berechnung von staubbeladenen Gasströmungen. Die dabei entwickelten Verbesserungen der numerischen Modellierungsansätze führen zunächst zu einer Erweiterung der numerischen Darstellungsmöglichkeiten und in der Folge zu einer Verbesserung der erreichbaren Vorhersagequalität. Reale Prozesse können in der Simulation also genauer wiedergegeben und damit besser verstanden werden. Dieses erweiterte Prozessverständnis eröffnet in der Folge zusätzliche Möglichkeiten für die Prozessoptimierung und die Weiterentwicklung von prozessrelevanten Anlagenteilen. Die in diesem Projekte betrachteten Strömungsprozesse finden sich in vielen industrie-relevanten Anwendungen. So bilden die hier untersuchten Gas-Partikel-Strömungen die Grundlage für Prozesse wie Staubabscheidung oder Kohlenstaubfeuerungen. Die Ergebnisse lassen sich jedoch auch auf andere disperse Mehrphasensysteme wie Flüssigkeits-Partikel-Strömungen in der Wasseraufbereitung oder Flüssig-Gas-Strömungen in Blasensäulen übertragen. Disperse Mehrphasenströmungen werden maßgeblich durch die Interaktion zwischen den einzelnen Phasen beeinflusst: einerseits trägt die kontinuierliche Gasphase die in ihr enthaltenen Partikel und beeinflusst ihre Bewegung über die Strömungskräfte. Andererseits bildet die Partikelphase, insbesondere bei hohen Beladungen und großer Dichtedifferenz, eine zusätzliche Impulsquelle bzw. -senke für den umgebenden Gasstrom. Während die kontinuierliche Phase im Euler/Lagrange-Verfahren analog zur klassischen CFD-Methodik modelliert wird, werden die einzelnen Partikel der dispersen Phase mit Hilfe eines Lagrange-Ansatzes dargestellt. Die einzelnen Partikel werden also als sich durch das umgebende Kontinuum bewegende Massepunkte betrachtet. Aus den an jedem Partikel aufgestellten Kräftebilanzen werden dabei Beschleunigungen ermittelt und in der Folge die Bahnkurve des jeweiligen Partikels berechnet. Die in diesem Projekt implementierten numerischen Modelle lassen sich in zwei Gruppen aufteilen: zum einen wurden zusätzliche Möglichkeiten zur genaueren Modellierung der Interaktion zwischen Partikel- und Gasphase geschaffen, zum anderen wurde die Darstellung von Agglomerationsprozessen und der damit verbundenen Agglomeratporosität besser an die realen Vorgänge angepasst. Zu Beginn des Projektes konnten Euler-/Lagrange-Simulationen nur auf der Basis von Fluidsimulationen durchgeführt werden, welche den Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS) Ansatz zur Turbulenzmodellierung verwendeten. Dieser Ansatz der Turbulenzmodellierung ist jedoch für komplexe Strömungsvorgänge nur begrenzt einsetzbar und wird daher zu-nehmend von genaueren Large-Eddy-Simulationen (LES) abgelöst. Daher wurden zusätzliche Modelle entwickelt, welches auch eine Kombination von Lagrangeschem Tracking mit LES-Rechnungen ermöglicht. Weiterhin wurde ein Modell implementiert, welches den Einfluss der lokalen Partikelkonzentration auf die zwischen Partikel und Fluid wirkenden Kräfte wiedergibt. Dieses Modell ermöglicht damit die Abbildung von konzentrations-abhängigen Prozessen (z.B. Schwarmsedimentation) im Rahmen der Simulation. Auf der Seite der Partikelphase wurde ein zusätzliches Modell entwickelt, welches nach einer Partikelkollision die durch Anlagerungsprozesse entstehende Struktur von Agglomeraten speichert und der Simulation zugänglich macht. Bisherige Ansätze stellten Agglomerate als volumenäquivalente Kugeln dar und vernachlässigten somit die aus dem Anlagerungsprozess resultierende Porosität der in der Strömung entstehenden Agglomerate. Zusätzlich ermöglicht die Speicherung der Agglomeratstruktur auch die Auflösung späterer Bruchvorgänge, welche durch Strömungsbeanspruchung als auch durch Kollisionsereignisse ausgelöst werden können. Nach der Entwicklung der oben beschriebenen Modelle wurden diese in bereits bestehende Programme implementiert und anhand verschiedener Testfälle validiert. Gleichzeitig wurde parallel zu den beschriebenen numerischen Arbeiten die Mehrphasenströmung in einem Gaszyklon experimentell untersucht und die Ergebnisse für weitere Validierungen aufbereitet. Die möglichen Anwendungen liegen vor allem in den Bereichen der Prozessentwicklung und –optimierung. Aufgrund der hohen, meist jährlich anfallenden Kosten für kommerziell einsetzbare Strömungs-Simulationsprogramme besteht von Anwenderseite die Forderung, diese Programme möglichst flexibel und in einem breiten Spektrum von Anwendungen einsetzen zu können. Daher bestehen immer Bestrebungen, neue Anwendungsgebiete für die numerische Simulationen zu erschließen und gleichzeitig die Genauigkeit der verwendeten Modelle zu erhöhen. Verbesserungsbedarf besteht bei der numerischen Performance. Kombiniert man alle im Rahmen dieses Projektes entwickelten Modelle in einer Simulation, so ergeben sich Rechenzeiten, die für Nutzer aus der angewandten oder industrienahen Forschung nicht mehr akzeptabel sind. Daher sollte hier über weitergehende Parallelisierung oder über eine Implementierung des Partikeltrackings auf Graphical Processing Units (GPUs) nachgedacht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2007. LES-Simulation of the formation of particle strands in swirling flows using an unsteady Euler-Lagrange approach. 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig, Germany
Lipowsky, J. und Sommerfeld, M.
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2008. Influence of Particle Agglomeration and Agglomerate Porosity on the Simulation of Gas Cyclones. 6th International Conference on CFD in Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, SINTEF/NTNU, Trondheim, Norway
Lipowsky, J. und Sommerfeld, M.
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2010. A quasi-transient Euler-Lagrange approach for the calculation of time-dependent dispersed two-phase flows. Book of Abstracts Sixth International Conference on Computational Fluid Dynamics, pp. 218 – 219, St. Petersburg, Russia, 12. – 16. July 2010
Lipowsky, J. and Sommerfeld, M.
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2010. Transient Euler/Lagrange modelling for predicting unsteady rope behaviour in gas-particle flows. Proceedings of FEDSM2010 ASME Joint U.S. - European Fluids Engineering Summer Meeting, August 1 – 5, 2010, Montreal, Canada, Paper No. FEDSM-ICNMM2010-31335
Sommerfeld, M., Lipowsky, J. and Laín, S.
