Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8320
Main Title: Extension and improvement of the coupled CFD-DEM approach to describe multidimensional heat transfer and non-spherical particle shape for fluidized systems
Translated Title: Erweiterung und Verbesserung des gekoppelten CFD-DEM-Ansatzes zur Beschreibung der mehrdimensionalen Wärmeübertragung und der nicht-sphärischen Partikelform für fluidisierte Systeme
Author(s): Oschmann, Tobias Sebastian
Advisor(s): Kruggel-Emden, Harald
Referee(s): Kruggel-Emden, Harald
Scherer, Viktor
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The design and improvement of industrial applications involving granular materials in the field of energy and thermal process engineering is often based on the results of numerical simulations as the experimental determination of the key process parameters of interest is frequently hard to conduct due to limited accessibility of the processes. Most used numerical frameworks for granular materials, which are regularly also referred to as particle systems, assume spherical shaped particles although real particle systems, especially in industry, often involve non-spherical particle shapes. This assumption can lead to strong deviations between predictions from simulations and real behavior, especially in particle-fluid systems where the particle shape has a strong influence on the movement and the thermal behavior of the particles. In addition to that, simulations involving heat transfer often rely only on simple models which are limited to solely describe a constant temperature profile within one particle. This assumption is often not valid. Therefore, the scope of this cumulative dissertation is to derive novel models for a better understanding of the mechanical and thermal behavior of particle-fluid systems. As a model approach the coupled Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method (CFD-DEM) is used. Here all particle related information such as the translational and rotational motion over time are calculated by the DEM whereas the Navier-Stokes equations including the energy equation for the fluid are solved by the CFD. The new derived models for considering non-spherical particles or / and heat transfer are outlined in 7 publications. Firstly, the CFD-DEM approach is presented in its simplest form (from the point of view of this dissertation) for spherical particles and without heat transfer (investigation I). Secondly, in investigations II-IV, this CFD-DEM approach is extended by drag force models and a porosity model to consider non-spherical particles without heat transfer. Here simulation results are either compared against experiments (e.g. pressure drop), analytical results (e.g. pressure drop, rope formation and rope length) or numerical studies from literature. Besides this, the influence of the particle shape is investigated in a detailed manner based on mechanical mixing (investigation II-III) or rope formation (investigation IV) which underlines the importance for describing non-spherical particles within the CFD-DEM. After that, the CFD-DEM approach is extended to represent spatially resolved heat transfer for particles and walls which requires extending the modelling of other heat transfer mechanisms namely particle-particle and particle-wall contact heat conduction, particle-fluid convective heat transfer and radiation. Therefore, investigation V presents a new particle 3D heat transfer conduction model which is compared against an established Finite Volume Method in parts and a model assuming a spatially constant temperature for several test cases. Besides that, a distribution function for a more realistic heat trans-fer coefficient variation on the particle surface is implemented in the context of the particle interior resolved CFD-DEM approach to consider particle-fluid convective heat transfer (in-vestigation VI). Finally, in investigation VII a novel particle-wall heat transfer coupling algo-rithm is derived to describe particle-wall heat transfer due to contact while resolving the temperature field in both particles as well as the walls in three dimensions. The latter approach is especially important if systems under consideration cannot be assumed to be adiabatic.
Die Auslegung und Verbesserung von industriellen Anlagen zur Behandlung granularer Materialien im Bereich der Energie- und Verfahrenstechnik basiert häufig auf den Ergebnissen numerischer Simulationen, da experimentelle Untersuchungen in vielen Fällen aufgrund der Zugänglichkeit der Prozesse an ihre Grenzen stoßen. Die meisten verwendeten numerischen Ansätze für granulare Materialen, auch häufig als Partikelsysteme bezeichnet, setzen eine sphärische Partikelform voraus, obwohl reale Partikel in industriellen Prozessen oftmals nicht-sphärisch sind. Diese Vereinfachung kann insbesondere in Partikel-Fluid Systemen zu starken Abweichungen zwischen in der Simulation prädiziertem und realem Verhalten führen, da hier die Partikelform einen großen Einfluss auf die Bewegung und das thermische Verhalten der Partikel hat. Darüber hinaus beschränken sich viele Simulationen mit Wärmeübertragung auf einfache Modelle, die eine konstante Temperaturverteilung innerhalb eines Partikels an-nehmen, was eine Annahme ist, die in vielen Fällen unzutreffend ist. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation ist es daher, neue numerische Modelle zum besse-ren Verständnis des mechanischen und thermischen Verhaltens von Partikel-Fluid Systemen zu entwickeln. Als Modellrahmen wird der gekoppelte Computational Fluid Dynamics - Diskrete Elemente Methode (CFD-DEM) Ansatz verwendet. Innerhalb dieses Ansatzes werden alle Partikelinformationen wie die Translations- und Rotationsbewegung mittels DEM berechnet, wohingegen die Navier-Stokes-Gleichungen einschließlich der Energiegleichung für das Fluid durch die CFD gelöst werden. Die neuen abgeleiteten Modelle zur Berücksichtigung von nicht-sphärischen Partikelformen und / oder Wärmeübertragung sind in 7 Publikationen beschrieben. Zunächst wird der CFD-DEM-Ansatz in seiner aus der Sicht dieser Dissertation einfachsten Form für sphärische Partikel und ohne Wärmeübertragung vorgestellt (Untersuchung I). Anschließend erfolgt eine Erweiterung dieses CFD-DEM-Ansatz in den Untersuchungen II-IV um entsprechende Widerstandskraftmodelle und ein Porositätsmodell, um nicht-sphärische Partikel ohne Wärmeübertragung zu berücksichtigen. Hier werden Simulationsergebnisse entweder mit Experimenten (z.B. Druckverlust), analytischen Lösungen (z.B. Druckverlust, Strähnenbildung und -länge) oder numerischen Ergebnissen aus Veröffentlichungen aus der Literatur verglichen. Des Weiteren wird der Einfluss der Partikelform auf die mechanische Mischung (Untersuchung II-III) oder Strähnenbildung (Untersuchung IV) detailliert untersucht, um die Notwendigkeit der Beschreibung nicht-sphärischer Partikel innerhalb der CFD-DEM zu betonen. Anschließend wird der CFD-DEM-Ansatz erweitert, um Wärmeleitung innerhalb von Partikeln und Wänden räumlich und zeitlich aufgelöst zu berücksichtigen. Dies erfordert auch eine Anpassung der Abbildung anderer Wärmeübertragungsmechanismen wie der Partikel-Partikel und Partikel-Wand Wärmeleitung im Kontakt, dem konvektiven Partikel-Fluid Wärmeübergang sowie dem Wärmeaustausch durch Strahlung. Daher wird in Untersuchung V ein neues dreidimensionales Wärmeleitungsmodell für die Wärmeleitung innerhalb eines Partikels vorgestellt, das für mehrere Testfälle auf der Partikelebene mit einem etablierten Finite-Volumen-Verfahren und mit einem Modell, das die Temperatur räumlich nicht auflöst, verglichen wird. Darüber hinaus wird eine Verteilungsfunktion für eine realistischere Variation des Wärmeübergangskoeffizienten auf der Partikeloberfläche im CFD-DEM Ansatz realisiert, um den Wärmeübergang resultierend aus der Partikel-Fluid Konvektion zu berücksichtigen (Untersuchung VI). Abschließend wird in Untersuchung VII ein neuer Koppelungsalgorithmus für die Partikel-Wand Wärmeübertragung abgeleitet, um den Wärmeübergang resultierend aus dem Partikel-Wand Kontakt mit dreidimensionaler Wärmeübertragung innerhalb der Wände detailliert zu beschreiben, was insbesondere wichtig ist, wenn Prozesse nach außen nicht als adiabat angenommen werden können.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9240
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8320
Exam Date: 25-Feb-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 26-Apr-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFD-DEM-simulation
particle-fluid interaction
multidimensional heat transfer
packed bed
fluidized bed
CFD-DEM Simulationen
Partikel-Fluid Interaktion
mehrdimensionale Wärmeübertragung
Festbetten
Wirbelschichten
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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