Neuartige Verfahren zur Bestimmung von Modellparametern für die CFD-Simulation partikelbehafteter Strömungen

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1 Neuartige Verfahren zur Bestimmung von Modellparametern für die CFD-Simulation partikelbehafteter Strömungen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Informatik und Automatisierung der Technischen Universität Ilmenau von Dipl.-Inf. (FH) Andre Seeliger geboren am 28. September 1974 in Zittau Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. R. Hampel, HS Zittau/Görlitz Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. C. Ament, TU Ilmenau Dr.-Ing. U. Gall, Vattenfall Europe AG Tag der Einreichung: 19. Februar 2010 Tag der Verteidigung: 15. Dezember 2010

2 IX Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis XIII XVII XIX XXV 1. Einleitung Motivation Stand von Wissenschaft und Technik Untersuchungen zu partikelbelasteten Strömungen Partikelmesstechnik Numerische Simulation partikelbehafteter Strömungen Offene Probleme Zielsetzung und Gliederung der Arbeit Gesamtzielsetzung Einzelzielsetzungen Einordnung des Themas in das Gesamtvorhaben Gliederung der Arbeit Experimentelle Basis Versuchsanlagen und Technische Ausstattung Versuchsstände am Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik (IPM) der Hochschule Zittau/Görlitz Technische Ausstattung Software Physikalische Materialeigenschaften Kühlmittel Isolationsmaterial Übersicht über die Experimente Grundlagen zum Verhalten von Partikeln im ruhenden Fluid Begriffsklärung Einzelpartikel im ruhenden Fluid Sphärische Partikel Nichtsphärische Partikel Faserpartikel Flocken 24

3 X 3.3. Partikelkollektiv-Verhalten Kollision, Zerfall und Agglomeration Turbulenzbetrachtung Rückschlüsse für die Versuchskonzeptionen Bildbasierte Analyse der sedimentierenden Partikelphase Einsatz der Bildverarbeitung zur analytischen Erfassung von Mehrphasensystemen Arbeitsschritte der digitalen Bildverarbeitung Einführung und Begriffsklärung Interpretation der observierten Szenarien Einzelpartikelanalyse Bildvorverarbeitung Segmentierung Merkmalsextraktion Merkmalsselektion Bildfolgenanalyse, Objektverfolgung Fehlerbetrachtung Verifikation der experimentellen Datenbasis Versuchsauswertung, Erste Ergebnisse Klassifizierung Erweiterte Auswertung der experimentellen Daten Experimentelle Analyse des Kollektiv-Verhaltens Bildvorverarbeitung und Segmentierung Merkmalsextraktion Versuchsauswertung Bildfolgenanalyse, Optischer Fluss Experimentelle Untersuchungen zum Feinanteil Definition Mikroskopische Voruntersuchungen Bildauswertung und Interpretation der experimentellen Daten Zusammenfassung Bildbasierte 3D-Rekonstruktion des Partikelvolumens Aufnahmetechniken Stereophotogrammetrie Tiefenbildgenerierung via Disparität Nachweis des Lambert-Beersches Gesetzes Ergebnisse Triangulationsverfahren Auswertung und Ergebnisse Zusammenfassung Numerische Simulation von Mehrphasen-Systemen mit ANSYS CFX Numerische Simulationen mit ANSYS CFX 83

4 XI 6.2. Geometrie- und Gittererstellung Mehrphasen-Modellansätze unter ANSYS CFX Euler-Lagrange Tracked Particles Euler-Euler-Verfahren Schlussfolgerungen Modellparameter in CFX Randbedingungen Turbulenz Turbulente Dispersion Vorgehensweise bei der Ergebnisverifikation Modellierung mit einer Dispersphase Preprocessing, Überleitung der Messgrößen für die Parametrierung Postprocessing, Bewertung der Simulationsergebnisse Modellierung mit zwei Dispersphasen Preprocessing, Überleitung der Messgrößen für die Parametrierung Postprocessing, Bewertung der Simulationsergebnisse Modellierung des Feinanteils Übertragbarkeit der Modelle Optimierung von Klärprozessen bei der Abwasseraufbereitung Prozessoptimierung in der Papierherstellung Faserplattenherstellung im Nassverfahren Schlussfolgerungen Zusammenfassung und Wertung Schwerpunkte Wichtigste Ergebnisse Wertung und Ausblick 101 A. Anhang 103 A.l. Beschreibung der Versuchsanlagen am Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik (IPM) 103 A.l.l. Versuchsstand Säule" 103 A.1.2. Versuchsstand Ringkanal" 104 A.1.3. Versuchsstand Quader" 104 A.1.4. Versuchsstand Porosität" 104 A.1.5. Versuchsstand Fragmentierung" 105 A.2. Technische Daten 106 A.2.1. Komponenten des Messsystems 106 A.2.2. Bildaufnahmetechnik 107 A.2.3. Rechnerkonfiguration für CFD-Simulationen 108 A.3. Software 108 A.3.1. Kommerzielle Software 108

5 XII A.3.2. Eigenentwickelte/Freie Software 108 A.4. Ergänzungen zum Theorieteil 110 A.4.1. Korrelationsfunktionen für die Berechnung des Widerstandsbeiwertes 110 A.5. Übersicht und Versuchsablauf der durchgeführten Experimente A.5.1. Eignungsstudie der Beleuchtungstechniken 112 A.5.2. Experimentieranordnung Einzelpartikelanalyse" 113 A.5.3. Experimentieranordnung Partikelkollektiv" 114 A.5.4. Experimentieranordnung Feinanteil" 115 A.5.5. Experimentieranordnung Stereo" 116 A.5.6. Experimentieranordnung Triangulation" 117 A.6. Digitale Bildverarbeitung 118 A.6.1. Formfaktoren 118 A.6.2. Kontur- und Flächenmomente einer Region 119 A.7. Auswertung der experimentellen Daten zum Zweck der Klassifizierung sowie Charakterisierung von Einzelpartikeln und Partikelkollektiv A.7.1. Clusterzentren 120 A.7.2. Clustervaliditätsprüfung 121 A.7.3. Clusteralgorithmus nach Wong & Chen 122 A.7.4. Klassenspezifische Partikeleigenschaften 123 A.7.5. Berechnung der Partikelgemischdichte 125 A.7.6. Klassenweise Bestimmung der sinkgeschwindigkeitsäquivalenten Kugelpartikel 127 A.7.7. Partikelkollektiv-Verhalten 130 A.8. CFD-Simulation mit ANSYS CFX 134 A.8.1. Definition des inital belasteten Volumens in CEL 134 A.8.2. Simulationsergebnisse 135 A.8.3. Korrelationsfunktionen zur Bestimmung der Viskosität von Fasersuspensionen 139 Literaturverzeichnis 141