DEM-CFD Simulation dichter Fluid-Feststoff-Strömungen: pneumatischer Transport von Schüttgut

Energie- und verfahrenstechnische Prozesse sind sehr häufig mit Zwei- oder Mehrphasen Strömungen verbunden. Dabei können die unterschiedlichen koexistierenden Phasen gasförmig, flüssig oder fest sein und aus verschiedenen oder gleichen Beststandteilen verschiedener Aggregatzustände bestehen. Hauptaugemnerk dieser Arbeit liegt auf dem Bereich der Fluid-Feststoff-Strömungen, wobei im Speziellen verschiedene Anwendungen der pneumatischen Förderung untersucht werden. Gerade bei industriellen Anlagen ist es von großem Interesse einen effizienten und schonenden Transport der Güter zu gewährleisten. Um eine Optimierung dieser Prozesse zu erreichen und ein tieferes Verständnis über die komplexen Wechsel wirkungen zwischen den Phasen zu entwickeln, nimmt die numerische Simulation der entsprechenden Phänomene eine immer wichtigere Rolle ein.

Die Arbeit ist in zwei Teile untergliedert. Im ersten Teil wird ein Verfahren zur numerischen Simulation entwickelt und vorgestellt. Der zweite Teil umfasst dann die sukzessive Validierung des numerischen Verfahrens und die Untersuchung konkreter Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der pneumatischen Förderung. Dabei wurden verschiedene Förderzustände bis hin zu hohen Feststoffbeladungen untersucht, so dass auch die dichte Pfropfenförderung simuliert werden konnte.

Zur numerischen Simulation von Fluid-Feststoff-Strömungen wurde ein auf dem Euler Lagrange Ansatz basierendes Verfahren entwickelt, bei dem die Feststoffphase durch eine Diskrete-Elemente Methode (DEM) abgebildet wird und so die bei hohen Feststoffbeladungen nicht zu vernachlässigenden Kontakte einzeln berücksichtigt. Das Fluid wird hingegen als kontinuierliche Phase nach der Euler'schen Betrachtungsweise mit Hilfe der Computational Fluid Dynamies (CFD) simuliert. Durch eine Phasenkopplung werden beide Verfahren miteinander kombiniert und die gegenseitige Beeinflussung der beiden Phasen berücksichtigt. Dadurch können auch sehr dichte Fluid-Feststoff-Strömungen unter Berücksichtigung der realen interpartikulären Wechselwirkungen mit einem sehr hohen Detailgrad numerisch simuliert werden.

Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die entwickelten Verfahren und Modelle eine sehr gute Übereinstimmung mit den ausgewählten Referenzfällen aus dem Bereich der pneumatischen Förderung erreichen. Es wurden verschiedene Förderzustände und sich einstellende Strömungsphänomene gut erfasst und darüber hinaus auch Transportprozesse im industriellen Maßstab dargestellt. Durch ihren hohen Inforrnationsgehalt stellt das DEM-CFD Verfahren einen fiir energie- und verfahrenstechnische Fragestellungen sehr leistungsfähiges Verfahren dar. Vorteilhaft ist, dass im Gegensatz zu den häufig verwendeten Euler-Euler Verfahren auch sehr inhomogene Fluid-Feststoff-Strömungen abgebildet und auch bei dichten Feststoffverteilungen sehr detailreiche Ergebnisse erzielt werden. Dadurch ist es möglich direkte Einblicke in dichte Feststoffansammlungen zu erhalten um auftretende Phänomene direkt analysieren zu können.