On modeling of the time- or space-averaged gas-solid drag force in fluidized bed conditions

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Kallio, Sirpa
dc.date.accessioned 2015-05-06T09:00:44Z
dc.date.available 2015-05-06T09:00:44Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-951-38-8247-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8246-4 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15884
dc.description.abstract Computational fluid dynamic (CFD) modeling of industrial scale fluidized beds is a challenging task due to the mismatch between a large process size and fine flow structures. In the present work, methods are developed to overcome the problems in order to make it possible to use CFD as a cost-effective tool for development of processes based on the fluidized bed concept. Two approaches to tackle the problems related to fine flow structures are discussed: 1) transient simulation using a coarse computational mesh and subgrid-scale closure relations and 2) a steady-state simulation approach that applies time-averaged transport equations for mass and momentum. The biggest benefit of the transient coarse-mesh simulation approach is that the closure laws need to describe a much smaller fraction of the total momentum transfer than what is the case in steady-state modeling. The biggest drawback is that a long simulation is required to produce the average flow field. An additional complication is that the closure laws have mesh resolution as a parameter. Steady-state simulations produce the average flow field directly and thus significantly reduce the computation time. In this work, length scales of flow patterns in fluidized beds are analyzed from experiments. Averaged transport equations for mass and momentum are presented and the terms in the equations are analyzed. It is shown that drag force is one of the main terms to be modeled. A drag correction coefficient is defined and ways to determine it from transient CFD simulation data are presented. In the work, correlations for both the space-averaged and the time-averaged drag forces are applied in riser simulations. en
dc.description.abstract Teollisen mittakaavan leijuprosessien numeerinen virtauslaskenta (CFD) on haastava tehtävä, koska prosessin koon ja hienojen virtausrakenteitten välillä on suuri epäsuhta. Tässä työssä kehitetään menetelmiä näiden ongelmien voittamiseksi, jotta virtauslaskentaa voitaisiin käyttää kustannustehokkaana työkaluna leijuteknologiaan perustuvien prosessien kehittämisessä. Työssä käsitellään kahta lähestymistapaa hienojakoisten virtausrakenteiden aiheuttamien ongelmien ratkaisuun. Nämä ovat 1) aikariippuva simulointi käyttäen karkeaa laskentahilaa ja alihilamalleja yhtälöitten sulkemiseen ja 2) tasapainotilan virtauslaskenta perustuen aikakeskiarvoistettuihin jatkuvuus- ja liikeyhtälöihin. Aikariippuvan laskennan suurin hyöty on se, että sulkemisyhtälöillä kuvataan silloin pienempi osuus liikemäärän siirrosta kuin käytettäessä aikakeskiarvoistettuja yhtälöitä. Aikariippuvan laskennan suurin haittapuoli on, että keskimääräinen virtauskenttä pitää tuottaa laskemalla pitkä ajanjakso ja laskemalla aikakeskiarvo tuloksista. Menetelmän lisärasitteena on se, että laskentakopin koon pitää olla sulkemisyhtälöissä parametrina. Tasapainotilan virtauslaskenta tuottaa keskimääräisen virtauskentän suoraan, mikä lyhentää laskenta-aikaa merkittävästi. Työssä analysoidaan leijuprosessien epähomogeenisuuksien pituusskaaloja ja esitetään keskiarvoistetut liike- ja jatkuvuusyhtälöt tiheän kaasu-kiintoainesuspension virtauksen kuvaukseen. Yhtälöitten termien suuruusluokkia arvioidaan aikariippuvien simulointien tulosten perusteella. Analyysitulokset osoittavat, että kaasun ja kiintoaineen välinen vuorovaikutusvoima on yksi tärkeimmistä mallinnettavista termeistä virtausyhtälöissä. Tälle termille määritetään korjauskerroin ja esitetään tapoja sen analysointiin ja mallintamiseen aikariippuvien simulointien tulosten perusteella. Työssä implementoidaan sekä aika- että paikkakeskiarvoistukseen perustuvat yhtälöitten sulkemismallit numeeriseen virtausratkaisijaan ja simuloidaan molemmilla menetelmillä kiertoleijuprosesseja. fi
dc.format.extent 61 + app. 114
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher Teknologian tutkimuskeskus VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 86
dc.relation.haspart [Publication 1]: Mondal, D.N., Kallio, S., Saxén, H., Length scales of solid clusters in a two-dimensional circulating fluidized bed of Geldart B particles, Powder Technology, 269 (2015) 207–218. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.08.031
dc.relation.haspart [Publication 2]: Kallio, S., Taivassalo, V., Hyppänen, T., Towards time-averaged CFD modelling of circulating fluidized beds, 9th Int. Conf. on Circulating Fluidized Beds, Hamburg, 2008.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Niemi, T., Peltola, J., Kallio, S., Time averaged modeling of BFBs: Analysis of the terms in the momentum equations, In: Proceedings of Fluidization XIV Conference, May 2013, Noordwijkerhout, The Netherlands, pp. 559–566.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Taivassalo, V., Kallio, S., Peltola, J., On Time-Averaged CFD Modeling of Circulating Fluidized Beds, International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, 13 (2012) 363–373.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Kallio, S., Peltola, J., Niemi, T., Parametric study of the time-averaged gas–solid drag force in circulating fluidized bed conditions, Powder Technology 257 (2014a) 20–29. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.02.022
dc.relation.haspart [Publication 6]: Kallio, S., Peltola, J., Niemi, T., Modeling of the time-averaged gas–solid drag force in a fluidized bed based on results from transient 2D Eulerian–Eulerian simulations, Powder Technology 261 (2014b) 257–271. DOI: 10.1016/j.powtec.2014.04.045
dc.relation.haspart [Publication 7]: Kallio, S. , Peltola, J., Niemi, T., Analysis of the time-averaged gas–solid drag force based on data from transient 3D CFD simulations of fluidized beds, Powder Technology 274 (2015) 227–238. DOI: 10.1016/j.powtec.2015.01.029
dc.relation.haspart [Publication 8]: Shah, S., Ritvanen, J., Hyppänen, T., Kallio, S., Wall effects on space averaged two-fluid model equations for simulations of gas–solid flows in risers, Chemical Engineering Science 89 (2013) 206–215. DOI: 10.1016/j.ces.2012.11.020
dc.relation.haspart [Publication 9]: Shah, S., Myöhänen, K., Kallio, S., Hyppänen, T., CFD simulations of gas–solid flow in an industrial-scale circulating fluidized bed furnace using subgrid-scale drag models, Particuology 18 (2015) 66–75. DOI: 10.1016/j.partic.2014.05.008
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Energy en
dc.title On modeling of the time- or space-averaged gas-solid drag force in fluidized bed conditions en
dc.title Aika- tai paikkakeskiarvoistetusta kaasu-kiintoainevastusvoimasta leijupetiolosuhteissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Energiatekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Energy Technology en
dc.subject.keyword CFD modeling en
dc.subject.keyword fluidized bed en
dc.subject.keyword gas-solid drag en
dc.subject.keyword cluster en
dc.subject.keyword CFD-mallinnus fi
dc.subject.keyword leijupeti fi
dc.subject.keyword kaasu-kiintoainevastusvoima fi
dc.subject.keyword klusteri fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-8247-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Lampinen, Markku, Prof., Aalto University, Helsinki, Finland
dc.opn Pirker, Stefan, PhD, Johannes Kepler Universität, Linz, Austria
dc.rev De Wilde, Juray, Prof., Université catholique de Louvain, Louvain-la-neuve, Belgium
dc.rev Muurinen, Esa, PhD, Oulu University, Oulu, Finland
dc.date.defence 2015-05-20


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account