Diskrete Elemente Methode innovatives Verfahren zur Abbildung des Schüttgutverhaltens

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1 Diskrete Elemente Methode innovatives Verfahren zur Abbildung des Schüttgutverhaltens H. Kruggel-Emden, K. Vollmari, T. Oschmann, B. Kravets, D. Markauskas 1

2 Inhaltsverzeichnis Kopplung von DEM und CFD klassischer FVM-Ansatz / Anwendungen SPH-Ansatz / Anwendungen LBM-Ansatz / Anwendungen Fazit 2

3 Inhaltsverzeichnis Kopplung von DEM und CFD klassischer FVM-Ansatz / Anwendungen SPH-Ansatz / Anwendungen LBM-Ansatz / Anwendungen Fazit 3

4 DEM-CFD Ansatz Diskrete Elemente Methode (DEM): m i d 2 x i dt 2 = F i k + F i pf + m i g I i dw i dt + W i (I i W i ) = Λ i 1 M i Kontaktkräfte F i k = F i n + F i t : lineares Feder-Dämpfer-Modell Partikel-/Fluidkräfte F n i = k n δn + γ n v n rel, F t i = min (k t ξ t, μ c F n i )t F i pf = F i d + F i p = β j V i u v i /(ε f 1 ε f ) i: Partikelindex, j: (x, y, z) 4

5 DEM-CFD Ansatz Computational Fluid Dynamics (CFD): Eulerscher-Ansatz für die Fluidphase (ε f ρ f ) + ε t f ρ f u = 0 (ε f ρ f u) t + ε f ρ f uu = ε F p + ε f τ + ε f ρ f g + f int Quellterm f int und Fluid-Partikel-Reibungskoeffizient β j nach Di Felice 1 f intj = βj u j vj β i,j = 1 2 ρ fc D A ε f u j v i,j 1 ε f 1 V i ε f (1 χ) Widerstandskoeffizienten-Modell von Hölzer und Sommmerfeld 2 C D = 8 Re φ Re 1 φ + 3 Re 1 φ 3/ log φ φ 1. R. Di Felice, Int. J. Multiph. Flow. 20 (1994) A. Hölzer, M. Sommerfeld, Powder Technol. 184 (2008)

6 Diskreter Elemente Code MVTA TU-Berlin Leistungsmerkmale - Simulation unterschiedlicher Schüttgüter in 3D: polydisperse Schüttungen (Kugeln) Partikelcluster / Partikelpolyeder (komplexe Partikel) - Berücksichtigung von komplexen Wandgeometrien - Anbindung an CFD (OpenFOAM, FLUENT,CFX) - Effiziente Parallelisierung (MPI) lokaler Rechencluster vorhanden (>30 Doppelprozessoren (12/16/20 Kerne)) - Datenexport an externe Software (TECPLOT, MATLAB) Derzeitige kommerzielle DEM-Software - PFC (ITASCA) - EDEM (DEM Solutions) - LIGGGHTS (DCS Computing) - 6

7 p [Pa] p [Pa] Druckverluste, Partikelorientierungen, Mischung 7 mm Kugeln 1,2 7 } Fluidgeschwindigkeit [m/s] 2 mm x 6 mm x 15 mm Plättchen 7 } 1.6 m/s 2.0 m/s 2.4 m/s 1,2 Fluidgeschwindigkeit [m/s] 7

8 Inhaltsverzeichnis Kopplung von DEM und CFD klassischer FVM-Ansatz / Anwendungen SPH-Ansatz / Anwendungen LBM-Ansatz / Anwendungen Fazit 8

9 Methodology Solid phase: Discrete Element Method (DEM) Liquid phase: Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Coupling between DEM and SPH using a local averaging technique DEM SPH DEM-SPH 9

10 Discrete Element Method Contact forces between particles: In normal direction: a linear spring damper model In tangential direction: a linear spring limited by the Coulomb condition 10

11 Smoothed Particle Hydrodynamics Mesh-less Lagrangian method Fluid is treated in terms of sampling particles SPH particles represent a finite, lumped mass of the fluid All physical variables evaluated at the positions of SPH points (particles) 11

12 Smoothed Particle Hydrodynamics Continuity equation Momentum conservation equation 12

13 SPH and DEM coupling Interaction force between SPH and DEM particles Solid particles Newton s third law is satisfied Fluid particles 13

14 Testing: Single-phase dam break 14

15 Testing: Single-phase dam break Position of the leading edge of the water compared with volume of fluid (VOF) results by Hirt & Nichols (1981) 15

16 Testing: Two-phase dam break 16

17 Testing: Two-phase dam break Experiment: Sun et al. (2013) 17

18 Particle separation in a container Aim: to test the capability of the numerical scheme to simulate wet particle separation Water: ρ=1000 kg/m 3 t = 0.s t = 1.2s 18

19 Particle separation in a container 19

20 Particle separation in a container t, s z: average vertical position of particles S1: Simulation 1 S2: Simulation 2 20

21 Particle separation in a container t, s z: average vertical position of particles S1: Simulation 1 S2: Simulation 2 21

22 Particle separation in a rotating drum Simulation of theseparation of plastic particles for recycling Particle mixture: polyethylene terephthalate (PET) and polypropylene (PP) 22

23 Particle separation in a rotating drum 23

24 Particle separation in a rotating drum The lumped particle mass vs time: fed mass and accumulated mass inside the drum 24

25 Particle separation in a rotating drum The mass rate of the separated particles Sunken particles Removed wrongly together with sunken particles 25

26 Inhaltsverzeichnis Kopplung von DEM und CFD klassischer FVM-Ansatz / Anwendungen SPH-Ansatz / Anwendungen LBM-Ansatz / Anwendungen Fazit 26

27 Numerical method Discrete phase space 19 distribution functions (df) f i density df, g i energy df e i - direction of f i or g i f i e i, g i (e i ) ρ = n f i i=1 n ρ 0 u = f i e i i=1 1 ρ 0 e = ρ 0 2 DRT = g i n i=1 D3Q19-model 27

28 Local heat transfer at single particle Global minima Re 28

29 Momentum transfer in a particle packing ε=

30 Heat transfer in a particle packing ε=

31 Local heat transfer in a particle packing θ Θ = 0 31

32 Inhaltsverzeichnis Kopplung von DEM und CFD FVM-Ansatz / Anwendungen SPH-Ansatz / Anwendungen LBM-Ansatz / Anwendungen Fazit 32

33 Fazit DEM/FVM: Gut etablierte Methode Verschiedenste Anwendungen (Mischung, Orientierung, Druckverluste, Wärmeübertragung, ) DEM/SPH: Bisher wenig eingesetzt / erste Ergebnisse vielversprechend Bedarf der weiteren Validierung durch experimentelle Untersuchungen DEM/LBM: Hohe Genauigkeit bei Abbildung von Wärme und Impulsaustausch Anwendung der DEM/LBM in Zukunft auch auf bewegte Partikelsysteme Interesse an angewandten Fragestellungen/Kooperationen/Consulting Kontakt: kruggel-emden@tu-berlin.de 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 34