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TU Berlin

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Simulation des Wärme- und Impulsaustausches in bewegten, durchströmten Schüttungen nicht-sphärischer Partikel mittels umströmungsaufgelöster DEM/CFD (DFG-Projekt)

Abbildung: Resultierendes qualitatives Temperaturfeld bei Durchströmung einer Packung.
Lupe

Systeme, bestehend aus einem partikulären Feststoff und einer Flüssigkeit, finden Anwendung in verschiedenen Branchen wie der Pharmaindustrie, der chemischen und verarbeitenden Industrie, dem Bergbau, dem Baugewerbe, der Metallerzeugung sowie der Energieerzeugung. Anwendungen in den aufgeführten Bereichen sind häufig durch eine starke Partikel/Fluid-Interaktion mit gleichzeitiger Wärmeübertragung gekennzeichnet; die zugehörigen Prozesse sind energieintensiv und weisen ein komplexes Verhalten auf, das selbst bei einfachen Prozessschritten oft zu Herausforderungen für die Prozessgestaltung und Prozesssteuerung führt.
Zur Verbesserung der Prozessgestaltung und Prozesssteuerung können neben experimentellen Untersuchungen numerische Verfahren genutzt werden, die eine probate und ergänzende Methode darstellen, um ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse besonders der Phasenwechselwirkung zu gewinnen. Aktuell verfügbare Verfahren, die die Partikelphase diskret mittels der Diskrete-Element-Methode (DEM) und das Fluid mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) als Kontinuum gekoppelt abbilden, zeigen jedoch Beschränkungen, insbesondere bei der Beschreibung des Impulsaustausches am Einzelpartikel. Offenbar ist eine einfache Überlagerung der Partikel/Fluidkräfte, die aus Korrelationen bezogen werden, nicht ausreichend, was jedoch fast immer im Falle von nichtaufgelöster DEM/CFD gemacht wird. Andere Studien zeigen, dass die Wärmeübertragung starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterliegt. Es bedarf daher weiterer Untersuchungen, um Aussagen zur Anwendbarkeit aktuell verfügbarer Korrelationen machen zu können. Insbesondere, da nicht-sphärische Partikelformen mehr und mehr an Bedeutung gewinnen, stellt sich die Frage, inwieweit die bestehenden Modelle für den Wärme- und Impulsaustausch für diese anwendbar sind.
Daher ist es das Ziel des aktuellen Projekts, bewegte Partikel/Fluidsysteme am Beispiel einer Wirbelschicht hinsichtlich ihrer Dynamik und Wärmeübertragung zu untersuchen. Dies erfolgt durch Kopplung der DEM mit zwei verschiedenen aufgelösten CFD-Ansätzen, nämlich der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) und einer klassischen Finite-Volumen-Methode (FVM), die die Navier-Stokes-Gleichungen löst. Statt eines oberflächenangepassten Gitters werden entweder Immersed Boundary Methoden (IBM) oder interpoliert Randbedingungen verwendet. Schnittstellen wie die IBM oder interpolierte Randbedingungen zwischen DEM und LBM oder FVM sind noch nicht umfassend etabliert, für dichte dynamische Systeme wenig angewandt und im Zusammenhang mit Partikeln komplexer Form kaum verwendet. Die Nutzung zweier verschiedener Methoden ermöglicht es, Genauigkeit und Laufzeitverhalten zu vergleichen. Die erwarteten Ergebnisse erlauben es, die Anwendbarkeit gängiger Korrelationen für den Impuls- und Wärmeübergang zu bewerten und Ansätze für Modellverbesserungen aufzuzeigen. 

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