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TU Berlin

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Systematische Bewertung und Weiterentwicklung von Coarse-Graining-Ansätzen für die Diskrete Elemente Methode zur Modellierung von fluidisierten Partikelsystemen (DFG-Projekt)

Abbildung: Visualisierung des CFD-CGDEM-Ansatzes: Der CGParcel (links) bewegt sich mit der mittleren Translations- und Winkelgeschwindigkeit des Originalsystems (rechts).
Lupe

Die Kopplung zwischen der numerischen Strömungssimulation (CFD) und der Diskreten Elemente Methode (DEM) unter Zuhilfenahme von Coarse-Graining-Methoden zu CFD-CGDEM ist ein relativ neues effizientes numerischen Verfahren zur Simulation von kombinierten Partikel-/Fluidströmungen. Basierend auf der DEM wird bei diesem Verfahren eine frei wählbare Anzahl von Partikeln zu jeweils einem repräsentativen Parcel zusammengefasst. Dies reduziert die Anzahl der zu verfolgenden Partikel signifikant, was die Berechnungszeit entsprechend verkürzt und die Methode daher für die Berechnung von industrierelevanten Problemstellungen interessant macht. Wie bei der DEM werden die Trajektorien der Parcel durch Lösen der newtonschen Gesetzte unter Verwendung entsprechender Kontakt- und Fluidinteraktionsmodelle berechnet. Die Partikel-Partikel-, Partikel-Wand- und Partikel-Fluid-Interaktionskräfte müssen aus Gründen der Energieerhaltung bzw. aus ähnlichkeitstheoretischen Überlegungen heraus skaliert werden. In der Vergangenheit ist eine Vielzahl von Skalierungsvorschriften entwickelt worden, wobei ein systematischer Vergleich dieser bisher nicht stattgefunden hat.
Das beantragte Projekt wird die unterschiedlichen existierenden Skalierungsansätze zunächst vergleichen und untersuchen, welcher der Ansätze auch bei größer werdenden Skalierungsfaktoren, die bisher Schwierigkeiten bereiten, akkurate Ergebnisse liefert. Der Einfluss von geometrisch engen Reaktorkonfigurationen bei großem Skalierungsfaktor auf die Ergebnisqualität wird untersucht. Erste Voruntersuchungen haben gezeigt, dass das Verhältnis von charakteristischer Reaktorabmessung und Parceldurchmesser einen kritischen Wert nicht überschreiten sollte. Mithilfe eines adaptiven Coarse-Graining-Ansatzes, welcher es erlaubt in geometrisch engen und weiten Bereichen unterschiedliche Skalierungsfaktoren einzusetzen wird exemplarisch untersucht, inwieweit ein solches Verfahren den effizienten Einsatz von CFD-CGDEM auch in technisch wichtigen Reaktoren mit geometrisch engen Einbauten ermöglicht.
Bei der DEM gibt es bzgl. der Gitterweite die Voraussetzung, dass diese grD-CGDEM auch Parceldurchmesser sein muss. Einhergehend mit dem Coarse-Graining kommt es daher zur Vergröberung des Rechengitters und damit zur Kaschierung wichtiger Mesoskaleneffekte, wie z.B. Clusterbildung. Es wird daher die Möglichkeit geprüft, ob Methoden, die die Einschränkung hinsichtlich der notwendigen Gittergröße aufheben die Genauigkeit der CFD-CGDEM erhöhen. Zusätzlich wird untersucht, ob eine Modellierung der Mesoskaleneffekte durch den Einsatz gefilterter Drag-Modelle die Ergebnisqualität bei großen Skalierungsfaktoren positiv beeinflusst.
CFD-CGDEM ist bisher kaum für die Simulation von poly-dispersen Systemen verwendet worden. Existierende Untersuchungen haben den Aspekt der korrekten Darstellung des Segregationsverhaltens bisher nicht untersucht. Am Beispiel eines bi-dispersen Systems wird im Rahmen des Projekts gezeigt, ob CFD-CGDEM in der Lage ist das Segregationsverhalten sowohl im mechanisch angeregten als auch im fluidisierten System korrekt zu beschreiben.
Zum Ende des Projekts wird basierend auf der erlangten „Best Practice“ und den entwickelten Methoden anhand eines komplexen industrienahen Anwendungsfalls die Frage beantwortet, ob CFD-CGDEM eine effiziente und akkurate Methode für die Simulation von partikulären Systemen im Industriemaßstab, sowohl für mono- als auch bi-disperse Systeme, ist und in welchem Rahmen sie sich einsetzen lässt

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