Einleitung
Seit einigen Jahren werden Lagrange-Methoden (d. h. partikelbasierte numerische Solver/Methoden wie die Diskrete-Elemente-Methode oder DEM) verwendet, um die Wechselwirkung von Partikeln zu untersuchen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Kopplungsansätze entwickelt, die die Lagrangen- und die Euler’schen Betrachtung bzw deren Wechselwirkung (d. h. z.B. Partikel und Flüssigkeiten) erlauben. Gegenwärtig sind diese Methoden in der Lage, physikalische Phänomene detailliert aufzulösen und den Zugang zur Entwicklung und Implementierung weiterer Gleichungen für z. B. thermochemische Aspekte zu ermöglichen. Leider erfordert DEM für größere Partikelzahlen hohe Rechenressourcen. Der Grund dafür ist der Methode selbst inhäriert, da für die physikalische Korrektheit jeder Kontakt zwischen den Partikeln aufgelöst werden muss. Geeignete Zeitschritte der Simulation sind daher sehr klein und der Rechenaufwand steigt mit Erhöhung der Partikelzahl schnell an. Industrielle Systeme wie Hoch- oder Reduktionsöfen oder Sinterprozesse weisen üblicherweise riesige Partikelzahlen auf und resultieren deshalb schnell in einem unbefriedigenden Rechenaufwand. Verschiedene Ansätze wie die künstliche Vergrößerung der Partikel, um ihre Anzahl zu verringern (Coarse Graining), die Verwendung von GPUs usw. sind im Fokus der Entwicklungen um diese Probleme zu überwinden oder zu vermindern (Im Projekt 4.4 – Fast Simulations untersuchen wir einen gänzlich neuen Ansatz). Die üblichen Methoden zeigten gravierende Einschränkungen bei der Verwendung in metallurgischen Aggregaten da diese oft hoch dynamische (z.B. Wirkbelzone im HO) UND quasistatische Bereiche (z.B. langsam bewegtes Bett im HO) beinhalten. Zusätzlich zu der großen Zeitlichen Bandbreite sind ebenfalls massive geometrische Skalen (Staubpartikel bis hin zu rießigen Gesamtprozessabmessungen) zu überbrücken. Ein globales Modell muss daher die Informationen lokal detaillierter Untersuchungen umfassen, um eine recheneffiziente Modellierung zu entwerfen.
Die Forschung in der ersten Förderperiode (2015-2019) ergab vielversprechende Ergebnisse für detaillierte Modellentwicklungen und erste Anwendungen für einen direkten Reduktionsschacht. Viele Details sind allerdings noch nicht in der gewünschten Genauigkeit enthalten und sollen in diesem Projekt weiter verbessert werden.
Herausforderungen
Für eine quantitative Untersuchung der in metallurgischen Aggregaten beobachteten Phänomene ist es erforderlich, die physikalischen Effekte im Detail zu untersuchen. Um diese Erkenntnisse auf eine geeignete Simulation des gesamten Prozesses übertragen zu können, sind spezifische Modellierungsansätze erforderlich.
Dieses Projekt umfasst die Entwicklung beider Aspekte: die Analyse, Formulierung, und Implementierung detaillierter Phänomene in thermochemischer und kinetischer Hinsicht sowie deren Überführung in industriell anwendbare Modelle.
Ergebnisse und Anwendung
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung detaillierter Modelle für die Wechselwirkungen und Reaktionen granularer Phasen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in recheneffiziente Modelle von Prozessen im industriellen Maßstab überführt, um detaillierte Untersuchungen in industrierelevanten Zeiträumen zu ermöglichen. Folglich erleichtern die Ergebnisse die Verbesserung als auch das Verständnis der betrachteten industriellen Prozesse und deren Abläufe und ermöglichen so eine schnellere Optimierung von Designvarianten.