Modellierung der Turbulenzmodulation einer hochbeladenen reaktiven Zweiphasenströmung am Beispiel des Zementherstellungsprozesses

Dipl.-Ing. Hillers, Michael

Dateibereich 20838

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In der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, mit welchen Modellen der numerischen Strömungssimulation (CFD) die Beschreibung der Turbulenzmodulation einer hochbeladenen reaktiven Zweiphasenströmung eines großindustriellen Prozesses erfolgen kann. Diese Untersuchung wurde beispielhaft am Vorcalcinierprozess der Zementindustrie durchgeführt. Mit Turbulenzmodulation wird die Beeinflussung der Turbulenz eines Fluids (in diesem Fall durch Partikel) bezeichnet. Durch diese Beeinflussung kann die Turbulenz der Fluidphase sowohl zunehmen als auch sinken. Turbulenzmodulation tritt bei hochbeladenen Zweiphasenströmungen auf, die u. a. in der pneumatischen Förderung, in Wirbelschichten, Blasensäulen, Zyklonabscheidern oder beim Vorcalcinierprozess vorkommen können. Der Vorcalcinierprozess ist ein komplexer Prozess, dessen einzelne Teilvorgänge (Verbrennung der eingesetzten Brennstoffe, heterogene Reaktionen im Kalkmehl, chemische Reaktionen in der Gasphase, Beeinflussung des Strahlungswärmeaustauschs und der Turbulenz durch die anwesenden Partikel) sich gegenseitig beeinflussen. Für die Modellierung des Vorcalcinierprozesses ist daher ein Modell zur Beschreibung der Turbulenzmodulation erforderlich, da mit einem solchen Modell die turbulente Vermischung der verbrennenden Gasphasenspezies im Vorcalcinator genauer beschrieben wird. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurde untersucht, wie die Beschreibung der Turbulenzmodulation erfolgen kann. Als Ausgangsmodell der Untersuchung wurde das Standard-k--Modell verwendet, das bei der Beschreibung der Turbulenz von Einphasenströmungen seit langem etabliert ist. Für die Beschreibung der Turbulenzmodulation einer zweiphasigen Strömung kann dieses Modell angepasst werden, zum einen durch zusätzliche Quellterme für die Modellgrößen k (kinetische Turbulenzenergie) und  (Dissipationsrate der kinetischen Turbulenzenergie), zum anderen durch eine beladungsabhängige Modellierung der turbulenten Viskosität. In der Vergangenheit wurden verschiedene Quellterm- und Viskositätsmodelle in der Literatur veröffentlich. Eine Auswahl dieser Modelle wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit für den CFD-Code FLUENT® implementiert. Anschließend wurden unter Verwendung dieser Modelle in der Literatur dokumentierte Experimente zur Turbulenzmodulation in Laboranlagen simuliert. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messwerten aus den Experimenten verglichen. Keines der untersuchten Modelle konnte die Anforderungen an numerische Stabilität und Vorhersagegenauigkeit erfüllen. Daher wurde ein existierendes Modell der beladungsabhängigen turbulenten Viskosität weiterentwickelt. Dieses weist die notwendige numerische Stabilität auf und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten aus den Laboruntersuchungen. Abschließend erfolgten CFD-Simulationen eines Vorcalcinators mit dem CFD-Code FLUENT®, bei denen unter anderem der Einfluss des Modulationsmodells auf die Berechnungsergebnisse untersucht wurde. Von allen untersuchten Quellterm- und Viskositätsmodellen konnte nur das weiterentwickelte Viskositätsmodell alle Anforderung bezüglich numerischer Stabilität und Vorhersagegenauigkeit erfüllen. Es gestattet die Berücksichtigung der Turbulenzmodulation bei der CFD-Simulation komplexer großindustrieller Prozesse und leistet damit einen Beitrag zur Verbesserung der Beschreibung von CO-Ausbrand und NOx-Abbau beim Vorcalcinierprozess, die von der Turbulenzmodulation beeinflusst werden. In seiner gegenwärtigen Form ist das Modell der beladungsabhängigen turbulenten Viskosität an Fluidströmungen mit monodispersen Partikeln angepasst, weil nur für solche eine hinreichende Basis an Messwerten aus Experimenten vorhanden ist. Eine Erweiterung auf polydisperse Partikel ist wünschenswert, verlangt jedoch den vorherigen Aufbau einer Datenbasis entsprechender Messwerte. Die Durchführung von Messungen zur Turbulenzmodulation durch polydisperse Partikel ist daher Voraussetzung für eine Weiterentwicklung des vorgestellten Modells.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Numerische Strömungssimulation, CFD, Turbulenz, mathematische Modellierung, Calcinierung
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Görner, Klaus [Betreuer(in), Doktorvater]
Univ. Prof. Dr.-Ing. Scherer, Viktor [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
24.07.2008
Dokument erstellt am:
01.09.2008
Promotionsantrag am:
09.04.2008
Dateien geändert am:
15.10.2008
Medientyp:
Text