Partikelbeladene Mehrphasenströmungen spielen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen eine wichtige Rolle. Typische Anwendungsbeispiele sind Wirbel- und Strahlschichten oder die pneumatische Förderung granularer Medien. Da sich die experimentelle Untersuchung derartiger Prozesse sehr schwierig gestaltet, ist es von Vorteil, die Prozessabläufe simulationsgestützt zu modellieren, um das korrekte Bewegungsverhalten sowohl der Partikel als auch der kontinuierlichen Fluidphase genau vorhersagen zu können. Dabei stellt die Abbildung von realen, unregelmäßig geformten Partikeln eine große Herausforderung für die Simulation dar.

Bild der Simulation der Umströmung eines unregelmässig geformten Partikels

Simulation der Umströmung eines unregelmässig geformten Partikels

Projekt MorphSim

Morphologiebasierte Modellierung des Strömungswiderstandes nichtsphärischer Partikel in der Strömungssimulation

Bild Partikelverhalten in einer Versuchsstrahlschicht

Partikelverhalten in einer Versuchsstrahlschicht

Projektziel

Ziel des Forschungsprojektes war daher die Erarbeitung eines Modells, das den von der Anströmungsrichtung abhängigen Widerstandsbeiwert nicht-sphärischer Partikel innerhalb der numerische Strömungssimulation (CFD) effizient approximiert und über einen weiten Geltungsbereich (bzgl. Partikel-Reynoldszahl und Partikelform) verfügt.

Bild Widerstandswerte nach dem neu entwickelten Modell in Abhängigkeit der Anströmrichtung

Widerstandswerte nach dem neu entwickelten Modell in Abhängigkeit der Anströmrichtung

Durch umfangreiche Simulationsstudien zur Umströmung eines Einzelpartikels konnte hinsichtlich des Widerstandsbeiwertes eine breite Datenbasis für eine Vielzahl von Partikelformen in Abhängigkeit der Anströmrichtung generiert werden. Zusätzliche Untersuchungen im Windkanal lieferten experimentelle Daten, die vor allem durch die Variation der Anströmrichtung den Wertebereich der aus der Literatur üblichen Widerstandsbeiwerte erweitern sowie die Ergebnisse der CFD-Berechnungen stützen. Die Ergebnisse zeigen, dass die bekannten Modelle zur Berechnung des Widerstandsbeiwerts, deutliche Abweichungen für stark unregelmäßige und asymmetrische Partikelformen aufweisen und somit deutliches Verbesserungspotenzial besteht.

Bild Gekoppelte CFD-DEM Simulation der Vorgänge in einer Strahlschicht mit nicht-sphärischen Partikeln

Gekoppelte CFD-DEM Simulation der Vorgänge in einer Strahlschicht mit nicht-sphärischen Partikeln

Als Grundlage für die Modellerstellung diente die in der Diskreten Elemente Methode (DEM) gängige Approximation der Partikelform über ein Mehrkugelmodell (Clump). Durch den Aufbau eines solchen Clumps aus Einzelkugeln ist es gelungen, den Widerstandsbeiwert durch die Betrachtung von Anströmflächen und Verschattungsbereichen vorauszuberechnen und den Einfluss der unterschiedlichen Anströmungsbedingungen abzubilden. Das entwickelte Widerstandsmodell ist vorrangig für gekoppelte CFD-DEM Simulation einsetzbar und zeichnet sich durch einen erweiterten Geltungsbereich hinsichtlich höherer Partikel-Reynoldszahlen aus, was gerade für die Betrachtung größerer Partikel notwendig ist.


Ansprechpartner

Dr.-Ing. Rolf Lohse
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