Projektmenu

Einleitung

Bisher gelangten Lagrange-Simulationsmodelle immer mehr in den Fokus, weil sie bestens geeignet sind zur Modellierung von Partikelbewegungen und Fluid-Partikel-Wechselwirkungen im Mikrobereich. Sie ermöglichen die Erfassung von Effekten wie Entmischung (Segregation), Hohlraumbildung oder die Wechselwirkung mit Strömungseinbauten, welche in der metallurgischen Industrie von Bedeutung sind.

  • Entwicklung bestimmter Lagrange-Modelle für Mikro- und Mesoskalen in einem CFD-DEM-Gerüst
  • Integration detaillierter Simulationen in Berechnungen großen Maßstabs für die Industrieanwendung
  • Entwicklung eines umfassenden, grobkörnigen diskreten Partikelmodells zur Simulation großindustrieller moving beds
  • Wissenszuwachs für metallurgische Prozesse im Partikelmaßstab

Vorgehensweise

Im Projekt 4.3 werden verfügbare Lagrange-Partikelmodelle weiterentwickelt, um eine industrietaugliche Anwendung für das Gebiet von Prozessen mit bewegten Bettschütungen zu erhalten. Dieses Ziel verlangt eine Kombination von mathematischen Modellentwicklungen und effizienter Implementierung unter Berücksichtigung der vorhandenen Hardware.

Hochaufgelöste Simulationen (Netzgittergröße << Partikelgröße) sind zwar rechnerisch exakt, allerdings nicht für Anwendungen in realer Größe durchführbar. Andererseits liefert ein „Two-Fluid“-Ansatz (Netzgittergröße >= Partikelgröße) nicht den direkten Zugang zum realen Verhalten einzelner Partikel. In diesem Projekt werden beide Welten miteinander kombiniert. Die Dynamik von Festkörperpartikeln wird mit der Discrete Element Methode (DEM) unter Verwendung des Open-Source DEM-Code LIGGGHTS berechnet. Die Bewegung der Kontinuumsphase, z. B. Gas oder Flüssigkeit, wird mit dem Open-Source CFD-Paket OpenFOAM simuliert. Hier werden Impuls und Änderungen in lokalen Volumsanteilen zwischen LIGGGHTS und OpenFOAM mithilfe des Kopplungscodes CFDEMcoupling ausgetauscht. In diesem Gerüst sind alle Codes open-source-basiert und können leicht an die Bedürfnisse dieses Projektes angepasst werden. Auf der Meso-Skala wird dieses Gerüst erweitert, um folglich chemische Reaktionen in der Gasphase (OpenFOAM) sowie der Partikelphase (LIGGGHTS) zu beschreiben und Umwandlungen zwischen den beiden eben genannten Phasen zu quantifizieren sowie auch den Wärmetransport von Feinstpartikeln / Staub, die Feststoffablagerung und den damit verbundenen Einfluss auf das Strömungsfeld zu ermitteln.

Um die Größe realer Industrieanlagen modellieren zu können, müssen bestimmte Annahmen getroffen werden z.B. grobe Körnungen (statt einzelner Partikel werden Partikelensembles und ihre Trajektorien simuliert) oder Zwei-Flüssigkeiten-Modelle. In Zonen und Bereichen von besonderem Interesse können feinkörnige Strukturen in die grobkörnige Umgebung eingebettet werden.

Ergebnisse und Anwendung

In diesem Projekt arbeiten drei wissenschaftliche Partner zusammen, die fundiertes spezifisches Know-How mitbringen. Auf den Gebieten Partikelströmung und Grobkörnungen die Johannes Kepler Universität Linz (Department of Particulate Flow Modelling), den Bereich der Gas-Feststoff-Reaktionsmodellierung deckt die Technische Universität Wien ab (Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften) und zur Beschreibung von Verbrennungsprozessen und der NOX-Modellierung besitzt die Montanuniversität Leoben Kompetenzen (Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik). Diese Gruppen entwickeln gemeinsam ein umfassendes, diskretes Modell  für grobe Körnungen zur Simulation von reaktiven bewegten Schüttungen im Industriemaßstab.

Die direkte Eindüsung alternativer Reduktionsmittel in die Hochofenracewayzone, beschrieben durch eine Simulation auf Basis der Finiten-Volumen-Methode in Kombination mit dem Lagrangian Partikel-Tracking-Modell, wird mit Simulationswerkzeugen gekoppelt, welche die Bewegung der Partikel im Koksbett in Gegenwart von Fluidphasen und unter Anwendung der Diskreten Elemente Methode berechnen. Folglich soll die Form des Hohlraums vor den Windformen modelliert werden, um Verbrennungsprozesse, Windimpuls und die Feststoffdruckeffekte, die sich aus der Last im Schachtofen ergeben, berechnen zu können. Die Vergasung und Verbrennung des eingedüsten Materials (z. B. Öl, Teer, Kunststoffpellets, Feinkohle etc.) und deren Einfluss auf die Racewaystruktur und -geometrie werden systematisch studiert.

Mithilfe des Projektes 4.3 (Diskrete Partikelmodelle) werden wir ein tieferes Verständnis für metallurgische Prozesse auf Partikelebene gewinnen. Ähnlich dem Projekt 4.2 werden diese Ergebnisse Industriepartnern ermöglichen, vorhandene Anlagen zu optimieren oder neue Aggregate zu entwickeln. Einerseits ermöglichen Methoden unter Verwendung grober Körnungen die Simulation gesamter Prozesse im großindustriellen Maßstab. Andererseits können diese diskreten Partikelmodelle auch in P 4.2 (Schüttgutmodelle) integriert werden. Dies ermöglicht es, „Vergrößerungslinsen“ von bestimmten relevanten Subregionen eines Schütgutreaktors, basierend auf diskreten Partikeln, zu kreieren. Die im Projekt 4.3 entwickelten Modellierungsmethoden werden in die K1-MET Simulationsplattform des Projektes 4.1 integriert.