Mischung/Segregation und Wärmeübertragung in fluidisierten Systemen der Energietechnik: Ein Beitrag zur Weiterentwicklung der gekoppelten CFD-Diskreten Elemente Methode für polydisperse Systeme komplexer Partikelgeometrie
Final Report Abstract
Die Diskrete Elemente Methode (DEM) entwickelt sich immer weiter zu einem der wichtigsten Verfahren zur Beschreibung der Bewegung granularer Systeme. Gekoppelt mit Verfahren der numerischen Strömungssimulation (CFD) lassen sich wesentliche Fragestellungen der Energietechnik sowie der Mechanischen Verfahrenstechnik in mechanisch angeregten Systemen mit überlagerter Fluidströmung wie Rosten, Schächten und Trommeln oder fluidisierten Systemen wie Wirbelschichten oder beim pneumatischen Transport in hoher Detailtiefe untersuchen. Um den Schritt vom akademischen Untersuchungsinstrument zur Anwendung auf technisch relevante Problemstellungen zu erreichen, stand und teilweise steht die Entwicklung der DEM-Methode vor einer Herausforderung, nämlich dem Ersatz von häufig aus numerischer Einfachheit kugelförmig angenommener Partikel durch nicht-sphärische, reale Partikelformen. Während für die geometrische Abbildung nicht-sphärischer Partikel und deren mechanischer Interaktion in der DEM-Methode bereits Modelle bestehen, ist eine Bereitstellung geeigneter Modellgesetze für die fluidmechanischen Kräfte/Momente und die Abbildung der relevanten Wärmeübertragungsmechanismen in Systemen komplex geformter Partikel mit unterschiedlichem Lückenvolumen jenseits der eines dichten Festbettes nur ansatzweise erfolgt. Im Rahmen des Projektes wurden auf Basis von numerischen Untersuchungen mittels CFD-Simulationen auf Basis der Lattice Boltzmann Methode (LBM), bei denen die Partikelumströmung detailliert aufgelöst wurde, Datensätze gewonnen, die zur Ableitung von Modellgesetzen und Korrelationen für die Partikel/Fluidkräfte und Momente und die Nusseltzahlen für granulare Systeme komplexer, ausgewählter Partikelgeometrie geeignet sind. Für ausgewählte Fälle gelang es ausgehend von bestehenden Modellen Weiterentwicklungen abzuleiten und in die DEM/CFD zu integrieren. Ebenso wurden Modelle für komplex geformte Partikel entwickelt, die die Berücksichtigung von Kontaktwärmeübergang, Wärmeübergang im Zwickelbereich zwischen Partikeln, Wärmestrahlung zwischen Partikeln, Partikeln und Gas sowie Wärmeleitung innerhalb der Partikel berücksichtigen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass die Modelle die Realität soweit möglich abbilden, aber gleichzeitig die Modellkomplexität die Anforderung berücksichtigt, dass Systeme mit großen Partikelzahlen beherrschbar bleiben. Auf Basis dieser Werkzeuge wurde mittels der erweiterten DEM/CFD das für die Energietechnik sowie Mechanische Verfahrenstechnik relevante Anwendungsgebiet durchströmter Partikelsysteme (Festbett, Wirbelschicht und pneumatischer Transport) adressiert. Es wurden Mischung, Entmischung und Austrag sowie die Wärmeübertragung in diesen Systemen untersucht und die Ergebnisse wurden mit eigenen ausgewählten Experimenten verglichen. In diesem Rahmen wurden auch neue Messverfahren entwickelt. Zu großen Teilen wurden gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Experiment festgestellt. Das Projekt liefert damit die Basis, um in Zukunft die DEM-Methode zuverlässig in der Energietechnik, aber auch der Mechanischen Verfahrenstechnik unter Einsatz von beliebigen, komplexen Partikelgeometrien zu verwenden.
Publications
- 2014, Numerical investigation of mixing and orientation of non-spherical particles in a model type fluidized bed, Powder Technology 258, 304-323
Oschmann T., Hold J., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.03.046) - 2014, Numerical investigation of pneumatic conveying of non-spherical particles in a pipe bend, Powder Technology 268, 219-236
Kruggel-Emden H., Oschmann T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.08.033) - 2015, Pressure drop investigations in packings of arbitrary shaped particles, Powder Technology 271, 109–124
Vollmari K., Oschmann T., Wirtz S., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.11.001) - 2016, Development and verification of a resolved 3D inner particle heat transfer model for the Discrete Element Method (DEM), Powder Technology 291, 392-407
Oschmann T., Schiemann M., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.12.008) - 2016, Direct numerical simulation of coupled fluid flow and heat transfer for single particles and particle packings by a LBM-approach, Powder Technology 294, 236-251
Kruggel-Emden H., Kravets B., Jasevicius R, Suryanarayana M.K.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.02.038) - 2016, Experimental and numerical study of fluidization and pressure drop of spherical and non-spherical particles in a model scale fluidized bed, Powder Technology 291, 506-521
Vollmari K., Jasevičius R., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.11.045) - 2016, Flow regime transitions in fluidized beds of nonspherical shaped particles, Particuology 29C, 1-15
Kruggel-Emden H., Vollmari K.,
(See online at https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.01.004) - 2017, Investigation of local heat transfer in random particle packings by a fully resolved LBM-approach, Powder Technology 318, 293–305
Kravets B., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.05.039) - 2017, Mixing Quality in Mono- and Bidisperse Systems under the Influence of Particle Shape: A Numerical and Experimental Study, Powder Technology 308, 101–113
Vollmari K., Oschmann T., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.072) - 2017, Numerical and Experimental Investigation of the Heat Transfer of Spherical Particles in a Packed Bed with an Implicit 3D Finite Difference Approach, Granular Matter 19: 47
Oschmann T., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10035-017-0711-z) - 2018, A novel method for the calculation of particle heat conduction and resolved 3D wall heat transfer for the CFD/DEM approach, Powder Technology 338, 289–303
Oschmann T., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.07.017) - 2018, Numerical and Experimental Analysis of Particle Residence Times in a Continuously Operated Dual-Chamber Fluidized Bed, Powder Technology 338, 625-637
Vollmari K., Kruggel-Emden H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.07.061) - 2019, A new drag force and heat transfer correlation derived from direct numerical LBM-simulations of flown through particle packings, Powder Technology 345, 438–456
Kravets B., Rosemann T., Reinecke S. R., Kruggel-Emden H.,
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.01.028)
