On modeling of the time- or space-averaged gas-solid drag force in fluidized bed conditions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2015-05-20
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
61 + app. 114
Series
VTT Science, 86
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.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.Description
Supervising professor
Lampinen, Markku, Prof., Aalto University, Helsinki, FinlandKeywords
CFD modeling, fluidized bed, gas-solid drag, cluster, CFD-mallinnus, leijupeti, kaasu-kiintoainevastusvoima, klusteri
Other note
Parts
-
[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 View at publisher
- [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.
- [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.
- [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.
-
[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 View at publisher
-
[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 View at publisher
-
[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 View at publisher
-
[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 View at publisher
-
[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 View at publisher