Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8176
Main Title: Experimental and numerical analysis of non-spherical particles in fluidized process/energy technology systems
Translated Title: Experimentelle und numerische Analyse von nicht-sphärischen Partikeln in fluidisierten Systemen der Energie-/Verfahrenstechnik
Author(s): Vollmari, Kevin
Advisor(s): Kruggel-Emden, Harald
Referee(s): Kruggel-Emden, Harald
Schilde, Carsten
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Fluid flow through a packing of granular material is commonly encountered in natural processes such as deep percolation of water, in industrial processes such as the movement of petroleum/natural gas through sand/rock in oil and gas extraction as well as in fixed and fluidized beds. Fixed beds are used among others for applications such as catalytic reactions, heat transfer, filtering, adsorption, and gasification, while fluidized beds are utilized for cobustion, drying, cooling, agglomeration, spray-coating, heat transfer, transport, mixing and many more. Thereby, fixed and fluidized beds differentiate in the state of movement and dispersal of the solids. Due to varying requirements depending on the aforementioned applications, in-depth knowledge about the behavior of granules in the fluid flow is needed. For this reason, in recent years the simulation of fixed and fluidized beds has gained attention. Especially a coupling of the discrete element method (DEM), that tracks every individual particle discretely with computational fluid dynamics (CFD), which solves the fluid flow on a cell-based grid, where each cell is larger than a single particle, can help to gain a deeper under-standing. In this method, small scales such as collisions between particles are resolved, but computations are considerably faster when compared to methods that resolve the fluid flow around individual particles. So far most simulations carried out with the coupled DEM-CFD only consider spherical particles, therefore the necessary models, especially for the calculation of the interaction forces between non-spherical particles and the fluid are not well tested or verified. This, however, is essential for the DEM-CFD to take the step from being an academic research tool to being applicable for industrial scale problems. In this thesis, a coupled DEM-CFD that takes the particle shape into account was used to analyze fixed and fluidized beds. For the first time results were compared to analogously carried out experiments. Thus testing and verification, as well as identification of the current limitations of the numerical method, became possible. With this regard, this study aims to contribute towards the further improvement of the DEM-CFD so that eventually it could be used as an investigative tool for industrial processes. Based on a drag force correlation that is applicable for all particle shapes, the pressure drop of packings of spherical and non-spherical particles has been examined with the DEM-CFD and compared to experiments and analytical solutions. Results indicate better prediction results than available pressure drop correlations. Following, fluidized beds have been examined experimentally in terms of fluidization behavior, pressure drop and pressure fluctuations. Therefore, a particle tracking velocimetry (PTV) method was created to track individual particles in the experiments. Results indicate a strong influence of the particle shape on the prevailing flow regime so that available correlations for the prediction of the velocities where a regime change becomes apparent have been modified to give a better fit for non-spherical particles. Based on this fluidized beds were analyzed numerically in terms of fluidization behavior, pressure drop, particle orientations, and mixing. In the majority of cases, good agreement between experiment and simulation was found. It was shown that complex flow features of non-spherical particles, like an alignment with the flow, were reproduced with good accuracy by the DEM-CFD. Limitations were found in bidisperse systems when the particle shape of the two particle fractions strongly differed as well as in connection to wall effects, as the wall treatment relies on a coarse non-resolved model. Further testing of the method was done by examining a geometrically more complex dual-chamber fluidized bed. In this system, two fluidized beds are connected and particles constantly fed into the system. A radio-frequency identification (RFID)-system was developed to measure particle residence times in experiments, results were compared to numerical data. Good agreement was found for a variety of different operational conditions. In this thesis, the DEM-CFD with respect to the particle shape was for the first time compared to analogously set-up experiments. Good agreement for a variety of different cases and conditions were found, proving the capabilities of the coupled DEM-CFD when the particle shape is taken into account.
Fluidströmungen durch Schüttungen oder Packungen granularen Materials treten in einer Vielzahl von natürlichen Prozessen wie etwa beim Versickern von Wasser oder industriellen Prozessen wie etwa der Bewegung von Erdöl/Erdgas durch Sand und Gestein bei der Öl- und Gasförderung oder Festbetten und Wirbelschichten auf. Festbetten kommen unter anderem bei Anwendungen wie etwa katalytischen Reaktionen, Wärmeübertragung, Filtration, Adsorp-tion und Vergasung zum Einsatz, während Wirbelschichten für Verbrennung, Trocknung, Ab-kühlung, Agglomeration, Sprühbeschichten, Wärmeübertragung, Feststofftransport, Mischung und vieles Weiteres eingesetzt werden können. Wirbelschichten und Festbetten unterscheiden sich dabei vor allem im Bewegungszustand und der Verteilung der Partikel. Aufgrund der stark variierenden Anforderungen je nach Anwendung ist ein tiefgehendes Verständnis des Verhaltens von granularem Material in einer Fluidströmung notwendig. Daher hat in letzter Zeit die Simulation von Festbetten und Wirbelschichten vermehrte Aufmerksamkeit gefun-den. Insbesondere eine Kopplung der Diskreten Elemente Methode (DEM), in welcher jedes einzelne Partikel nachverfolgt wird, mit der Computational Fluid Dynamics (CFD), in welcher die Strömung in Zellen, die größer als ein einzelnes Partikel sind, berechnet wird kann dazu beitragen, ein tieferes Verständnis zu erlangen. In dieser Methode werden Prozesse auf klei-nen Skalen wie etwa Partikelkollisionen aufgelöst, aber die Rechendauer ist deutlich geringer im Vergleich zu Methoden, die die Umströmung um jedes einzelne Partikel auflösen. Jedoch wurde in den meisten vorhergegangenen Studien die Partikelform nicht berücksichtig, d.h. es wurden nur sphärische Partikel untersucht. Daher sind die Modelle, die für die Abbildung der Interaktion zwischen Partikel und Fluid von nichtsphärischen Partikeln notwendig sind bisher nicht ausreichend getestet und verifiziert. Dies ist jedoch essenziell, damit die DEM-CFD den Schritt vom akademischen Forschungswerkzeug zur Anwendbarkeit für industrielle Fragestel-lungen nehmen kann. In dieser Arbeit wurde eine gekoppelte DEM-CFD, die sowohl die Par-tikelform als auch Orientierung berücksichtig, zur Untersuchung von Festbetten und Wirbel-schichten eingesetzt, um so die Methode zu testen und validieren und mögliche Beschrän-kungen aufzuzeigen. Ziel ist es zur Weiterentwicklung der DEM-CFD beizutragen, sodass diese als Untersuchungswerkzeug für industrielle Prozesse dienen kann. Basierend auf einer Widerstandskraftkorellation die für alle sphärisch und nicht sphärisch geformten Partikel gültig ist, wurde der Druckverlust von Packungen sphärischer und nichtsphärischer Partikel nume-risch in der DEM-CFD bestimmt und mit Experimenten sowie analytischen Lösungen vergli-chen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Simulation den Druckverlust präziser vorhersagen kann, als die momentan verfügbaren analytischen Lösungen. Anschließend wurden das Flui-disierungsverhalten, der Druckverlust und die Druckschwankungen in einer Wirbelschicht experimentell untersucht. Der starke Einfluss der Partikelform auf den vorherrschenden Strömungszustand konnte gezeigt und vorhandene Korrelationen zur Vorhersage von charak-teristischen Geschwindigkeiten bei denen eine Änderung des Strömungszustands auftritt, in Bezug auf die Körperform verbessert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden das Fluidisierungsverhalten, der Druckverlust, Partikelorientierungen und Mischung in einer Wir-belschicht numerisch untersucht. Hierzu wurde ein Particle Tracking Velocimetry (PTV) Algo-rithmus entwickelt, um das Partikelverhalten im Experiment zu bestimmen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment in dem Großteil der untersuch-ten Fälle gefunden. Es wurde gezeigt, dass die Simulation in der Lage ist, komplexe Fließei-genschaften von nichtsphärischen Partikeln wie etwa eine Anordnung in Richtung der Flu-idströmung wiederzugeben. Für bidisperse Mischungen wurden Abweichungen zwischen Ex-periment und Simulation gefunden, wenn die Mischungskomponenten stark in ihrer Form variieren. Weiterhin wurden Abweichungen in Folge von Wandeffekten festgestellt, da die Strömung in Wandnähe in der DEM-CFD nur in einer groben, nicht im Detail aufgelösten Form berechnet wird. Weitere Untersuchungen wurden an einer im Vergleich zur Anlage der vorherigen Untersuchungen geometrisch komplexeren Doppelkammerwirbelschicht durchge-führt. In diesem System sind zwei Wirbelschichtkammern miteinander verbunden und Parti-kel werden konstant in und aus dem System geführt. Ein radio-frequency identification (RFID) System wurde entwickelt, um Partikelverweilzeiten in der Anlage experimentell zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden mit Simulationsdaten verglichen und eine gute Überein-stimmung für eine Vielzahl von Betriebszuständen wurde festgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit, wurde die DEM-CFD unter Berücksichtigung von nicht-sphärischen Partikeln zum ersten Mal experimentell validiert. Es wurde eine gute Überein-stimmung für eine Vielzahl verschiedener Fälle und Bedingungen festgestellt, und so die Fä-higkeiten der gekoppelten DEM-CFD mit Beachtung der Partikelform gezeigt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9075
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8176
Exam Date: 16-Nov-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 26-Mar-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): DEM
CFD
DEM-CFD
Discrete Element Method
non-spherical particles
experiments
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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