Innovative Simulationsmethoden zur Beschreibung von Gas /Partikelsystemen

Innovative Simulationsmethoden zur Beschreibung von Gas /Partikelsystemen H. Kruggel-Emden, B. Kravets, F. Elskamp, T. Oschmann, K. Vollmari, D. Markauskas, C. Pieper, S. Wirtz, V. Scherer Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Juniorprofessur für Dynamik granularer Systeme Ruhr-Universität Bochum Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 1

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 2

Forschungsschwerpunkte - Schüttguttechnik Einzelpartikelmodelle und Modellauswirkung auf Systeme Einfluss von komplexen Partikelformen Untersuchungen zur Durchmischung in Schüttungen Pneumatische Förderung Wärmeübertragungsmodelle Trocknungsprozesse Mehrphasen Strömungen Reagierende Schüttungen Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 3

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 4

Diskrete Elemente Methode (DEM) Bewegungsgleichungen der Partikel F k v P F G F G k F v P m i d 2 x i dt 2 = F i c + m i g +F i pf I i dw i dt +W i (I i W i ) = Λ i 1 M i Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 5

Gekoppelter DEM-CFD-Ansatz Partikel/Fluidkräfte: F pf i = F d i + F p i = β j V i u v i /(ε f 1 ε f ) Strömungssimulation (CFD): (ε f ρ f ) + ε t f ρ f u = 0 (ε f ρ f u) + ε t f ρ f uu = ε F p + ε f τ + ε f ρ f g + f int Impulsquellterm f int, Reibungsbeiwert β und Widerstandskoeffizient C D C D = 8 Re f intj = βj u j vj β i,j = 1 2 ρ 1 fc D A ε f u j v i,j 1 ε f ε (1 χ) V f i 1 + 16 1 φ Re φ + 3 1 Re φ 3/4 + 0,42 100,4 log φ 0,2 1 φ Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 6

Diskreter Elemente Code Leistungsmerkmale - Simulation unterschiedlicher Schüttgüter in 3D: polydisperse Schüttungen (Kugeln) Partikelcluster / Partikelpolyeder (komplexe Partikel) - Berücksichtigung von komplexen Wandgeometrien - Anbindung von CFD-Software (FLUENT,CFX) - Effiziente Parallelisierung (MPI) lokaler Rechencluster vorhanden (>30 Doppelprozessoren (12/16 Kerne)) - Datenexport an externe Software (TECPLOT, MATLAB) Derzeitige kommerzielle DEM-Software - PFC (ITASCA) - EDEM (DEM Solutions) - LIGGGHTS (DCS Computing) Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 7

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 8

Druckverluste durch Korrelationen Ergun 1 Gleichung für D/d P >> 10 Δp = 150 1 ε 2 η f w f L ε 3 d2 + 1,75 1 ε P ε 3 ρ 2 f w f d P Eisfeld, Schnitzlein 2 Gleichung für 1,73 < D/d p < 91 Δp L = K 1 1 ε 2 ε 3 η f w f d P 2 M 2 + M 1 ε B W ε 3 ρ 2 f w f d P M = 1 + Allen et al. 3 4d p 6D(1 ε) B W = k 1 (d P D) 2 +k 2 2 Δp L = a Re Duct + b Re Duct c ρ f w 2 f A p 2 4 V p 1 ε ε 3 1. S. Ergun, Chem. Eng. Sci. 48 (1952) 89-94. 2. B. Eisfeld, K. Schnitzlein, Chem. Eng. Sci. 56 (2001) 4321-4329. 3. K.G. Allen, T.W. von Backström, D.G. Kröger, Powder Technol. 246 (2013) 590-600. Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 9

Experimenteller und numerischer Aufbau Fluidauslass Fixierung Strömunsgleichrichter Druckmessstellen DEM-/CFD- Zelle Fixierung, fluiddurchlässig Fluideinlass / Kompressor Fluideinlass Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 10

Häufigkeit [-] Häufigkeit [-] p [Pa] p [Pa] Druckverluste in der DEM/CFD 7 mm Kugeln 4,5 } 1 2 mm x 6 mm x 15 mm Plättchen 1 4,5 } Fluidgeschwindigkeit [m/s] Fluidgeschwindigkeit [m/s] Porosität [-] Porosität [-] 4. T. Oschmann, H. Kruggel-EmdenWCPT-7 2014 ; 5. H. Kruggel-Emden, T. Oschmann, Powder Technology 268 (2014) 219 236 Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 11

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 12

Experimenteller und numerischer Aufbau Fluidauslass Strömunsgleichrichter Druckmessstellen DEM-/CFD- Zelle Highspeedkamera Fixierung, fluiddurchlässig Fluideinlass / Kompressor Fluideinlass Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 13

Mittlere Betthöhe [cm] Fluidisierungsverhalten 6 mm x 6 mm Zylinder FB SB SF EB ITF TF Druckschwankung Betthöhe+Schwankung Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 14

Bilderkennung: PTV α Partikel-Erfassung über: 1. Kantenerkennung 6 2. Morphologische Operationen 3. Blob-Analyse 7 Orientierungserkennung über: Hauptachsen / Linienerkennung 6. J. Canny, IEEE Transactions on Pattern and Analysis and Machine Intelligence 8 (1986) 679 698 7. M. B. Dillencourt, H. Samet, M. Tamminen, JACM 39 (1992) 253 280 Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 15

Druckverluste Minimale Fluidisierungs Geschw. } Experiment Simulation Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 16

Partikelorientierung 1.6 m/s 2.0 m/s 2.4 m/s Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 17

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 18

0.41 m Setup und Parameter Wirbelschicht 90 Rohrkrümmer Partikel Typ 1 Partikel Typ 2 Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 19

Mischung in einer Wirbelschicht Kugeln Zylinder Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 20

Degree of mixing [-] Degree of mixing [-] Ergebnisse für ein Kugel/Zylinder-Gemisch 1 Simulation 1 Experiment (PTV) 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 Time [s] 100 % spheres 50 % spheres 0 % spheres 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 Time [s] 100 % spheres 50 % spheres 0 % spheres Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 21

Ergebnisse für den Rohrkrümmer Kugeln Zylinder Kugeln Zylinder s Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 22

Gliederung Kurze Vorstellung: Forschungsschwerpunkte Simulationsmethodik: Gekoppelte DEM/CFD-Methode Druckverluste in Partikelschüttungen: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Partikelorientierung in Wirbelschichten: DEM/CFD-Methode und experimentelle Validierung Mischung von Partikeln in fluidisierten System: DEM/CFD und experimentelle Untersuchungen Trocknung von Biomasse: Erweiterung der DEM/CFD und geeignete Validierung durch Experimente Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 23

Industrielle Trocknung Trockner Partikelsystem Partikel Poren Bilanzierung: Trockengut & -medium Partikel & Gas Lokale Interaktion Transportwiderstand im Partikel Vielzahl an Modellen 3 Phasen Komplexe Struktur Anisotropie Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 24

Modellentwicklung am Einzelpartikel Versuchsstand: Buchenholz D = 10 mm Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 25

Buchenholz: Oberflächentemperatur Ruhende Schüttung Bewegte Schüttung Experiment Simulation (3D) Experiment Simulation (3D) Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 26

Zusammenfassung Gute Wiedergabe des Schüttgutverhaltens durch die DEM/CFD DEM/CFD ermöglicht zusätzlich Einblicke in das Strömungsverhalten sowie die Wärmeübertragung Derzeit Einschränkungen bei maximaler Partikelzahl reale Systeme können aber untersucht werden DEM kann experimentelle Untersuchungen ergänzen oder teilweise sogar ersetzen Optimierung von Anlagen und Apparaten möglich Interesse an angewandten Fragestellungen/Kooperationen Kontakt: kruggel-emden@leat.rub.de Schüttgut 2015 Dortmund 05. November 2015 27