Kopplung des Einzelpartikel- und des Zwei-Kontinua-Verfahrens fur die Simulation von Gas-Feststoff-Stromungen PDF
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Kopplung des Einzelpartikel- und des Zwei-Kontinua-Verfahrens fu¨r die Simulation von Gas-Feststoff-Str¨omungen Zur Erlangung des akademischen Grades eines Dr.-Ing. vom Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen der Universit¨at Dortmund genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Christof Gru¨ner aus Tarnowitz Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 22. Oktober 2004 1. Gutachter: Prof. Dr. Karl Strauß 2. Gutachter: Prof. Dr. Herbert Koch Dortmund 2004 Berichte aus der Strömungstechnik Christof Grüner Kopplung des Einzelpartikel- und des Zwei-Kontinua-Verfahrens für die Simulation von Gas-Feststoff-Strömungen . D 290 (Diss. Universität Dortmund) Shaker Verlag Aachen 2004 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2004 . Copyright Shaker Verlag 2004 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 3-8322-3458-6 ISSN 0945-2230 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • eMail: [email protected] Danksagung DievorliegendeArbeitentstandimRahmenmeinerT¨atigkeitalswissenschaftlicherAnge- stellteramLehrstuhlEnergieprozeßtechnik&Str¨omungsmechanikdesFachbereichesBio- undChemieingenieurwesenderUniversit¨atDortmund. HerrnProf.Dr.K.Straußdankeich herzlichfu¨rdieUnterstu¨tzungdieserArbeitundfu¨r dasmirentgegengebrachteVertrauen.MitseinenAnregungenundRatschl¨agenhatermaß- geblichzumGelingenderArbeitbeigetragen. Dankenm¨ochteichauchHerrnProf.Dr.H.Kochfu¨rdiefreundlicheU¨bernahmedesKor- referates. Frau Prof. Dr. G. Sadowski und Herrn Prof. Dr. P. Walzel danke ich fu¨r die MitwirkunganderPru¨fungsowieHerrnProf.Dr.U.K¨osterfu¨rdieU¨bernahmedesKom- missionsvorsitzes. DenstudentischenHilfskr¨aften,Studien-undDiplomarbeiterndankeichfu¨rihrenvorbild- lichenEinsatzbeiderBearbeitungdergestelltenThemen. DenMitarbeiternundKollegendesLehrstuhlsEnergieprozeßtechnik&Str¨omungsmecha- nikseifu¨rihreHerzlichkeitundHilfsbereitschaftgedankt. Mein ganz besonderer Dank gebu¨hrt meinen Eltern, meinen Geschwistern und deren Fa- milienfu¨rdenlangj¨ahrigenRu¨ckhalt,dasgroßeInteresse,mitdemsiemeinenWerdegang verfolgthaben,sowiediestetsvorbehaltloseUnterstu¨tzungmeinerZiele. Meiner Frau Silvia danke ich fu¨r ihre liebevolle und verst¨andnisvolle Unterstu¨tzung. Ihr sonnigesGemu¨tundihreGeduldwarenmirstetseineQuellemeinerBemu¨hungen. Meinen Eltern in Dankbarkeit Zusammenfassung In der hier vorliegenden Arbeit wird ein gekoppeltes Verfahren fu¨r die Simulation von Gas-Feststoff-Str¨omungen entwickelt. Als Basis fu¨r die Kopplung dienen zwei etablierte Simulationsverfahren. Dies ist zum einen das deterministische Zwei-Kontinua-Verfahren, bei dem sowohl die Gasphase als auch der dispers verteilte Feststoff als koexistierende Kontinuaaufgefasstwerden.ZumanderenwirddasstochastischeEinzelpartikel-Verfahren eingesetzt, bei dem die Beschreibung der Bewegung der Feststoffteilchen mit Hilfe einer detailliertenEinzelpartikelbetrachtungvorgenommenwird. Die Aufteilung der Str¨omungsgeometrie in stochastische und deterministische Zonen er- folgtunterVerwendung einesGebietszerlegungskriteriums,daszwei Bedingungen mitein- ander kombiniert, welche dieGu¨ltigkeitdes Zwei-Kontinua-Verfahrens pru¨fen.Zu diesem Zweck wird ein funktionaler Zusammenhang entwickelt, der den so genannten KTGF- Deformationsanteilbeschreibt.MitdessenHilfeistdieBeschreibungvonDeformationenei- nerVerteilungsfunktionderPartikelgeschwindigkeitenm¨oglich,dieausdenGradientender granularenTemperaturundderPartikelgeschwindigkeitresultieren.BeidiesenDeformatio- nenhandeltessichumAbweichungenderVerteilungsfunktionvonderMaxwell-Verteilung, dieinderHerleitungderbeschreibendenGleichungenfu¨rdasZwei-Kontinua-Verfahrenzu- grundegelegt sind. Die Formulierung des KTGF-Deformationsanteils ist so gew¨ahlt, dass eindirekterVergleichmiteinerBewertungsfunktionDEq,p,dieweitergehendeDeformatio- neneinerVerteilungsfunktionvonderGleichgewichtsverteilungerfasst,erfolgenkann.Eine weitereBedingungistdieGu¨ltigkeitderKontinuumsannahme,dieebenfallseinenotwen- digeVoraussetzungfu¨rdasZwei-Kontinua-Verfahrenist.DielogischeVerknu¨pfungbeider Bedingungenerm¨oglichteineZuordnungeinesderbeidennumerischenBerechnungsverfah- renzueinembestimmtenBereichderStr¨omungsgeometrie. Fu¨rdieKonstruktiondesgekoppeltenSimulationsverfahrenswirddasentwickelteKriteri- umineinenadaptivenGebietszerlegungsalgorithmusintegriert.AusgehendvonderDefini- tioneinerRandzone,welchediestochastischeZonevonderdeterministischenZonetrennt, kanneinerr¨aumlichenVer¨anderungderZonenimVerlaufederSimulationRechnunggetra- gen werden. Innerhalbdes gekoppelten Simulationsverfahrensspielt der Informationsaus- tauschanderGrenzfl¨achezwischendenbeidennumerischenVerfahreneineentscheidende Rolle.UmeinekonservativeBehandlungderBilanzgr¨oßenandieserGrenzfl¨achezugew¨ahr- leisten,werdenentsprechendeU¨bergangsbedingungenvorgestellt. Fu¨r die Berechnung der Feststoffphase mit dem gekoppelten Simulationsverfahren wird eineZwei-Schritt-L¨osungstrategievorgeschlagen. Diesesiehtim erstenSchritteine Initia- lisierungvor,inderaufeffizienteWeiseeineN¨aherungsl¨osungerzeugtwird.ImAnschluss daranerfolgteineersteGebietsaufteilung.ImzweitenSchrittfindetdiegekoppelteBerech- nungderFeststoffphaseaufderBasisderadaptivenGebietszerlegungstatt. DasvorgestelltegekoppelteSimulationsverfahrenwirdanhandvonSimulationeneinerGas- Feststoff-Str¨omung in ausgew¨ahlten Str¨omungskonfigurationen getestet. Dabei kann eine gute U¨bereinstimmung zwischen den Ergebnissen des gekoppelten Verfahrens und denen des Einzelpartikel-Verfahrens, das als bestm¨ogliche Approximation zu Referenzzwecken herangezogenwird,festgestelltwerden.
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