Kopplung des Einzelpartikel- und des Zwei-Kontinua-Verfahrens fur die Simulation von Gas-Feststoff-Stromungen

127 Pages·2004·2.074 MB·German

by  Grüner C.

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
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Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet
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Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2004
.
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oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs-
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Printed in Germany.
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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-
tauschanderGrenz߬achezwischendenbeidennumerischenVerfahreneineentscheidende
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.