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Bibliographic Metadata

Title
Eulerian two-phase simulation of the flotation process with OpenFOAM / eingereicht von DI Georg Holzinger
Additional Titles
Eulersche Zweiphasen-Simulation des Flotationsprozesses mittels OpenFOAM
AuthorHolzinger, Gerhard
CensorPirker, Stefan ; Schwarz, Phil
PublishedLinz, September 2016
Descriptionxii, 188 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Linz, Dissertation, 2016
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der Verfasserin
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)CFD / Mehrphasen CFD / OpenFOAM / Flotation
Keywords (EN)CFD / multiphase CFD / OpenFOAM / flotation
Keywords (GND)Flotation / Numerische Strömungssimulation / Zweiphasenströmung / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-13201 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Eulerian two-phase simulation of the flotation process with OpenFOAM [7.01 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit ist ein Flotationsmodell in ein bestehendes CFD Werkzeug zu integrieren. Das quell-offene (open-source) CFD Programmpaket OpenFOAM wurde für diese Zwecke gewählt, da es die größte Freiheit bietet im Bezug auf Modell-Entwicklung und Implementierung. Im Zuge dieser Arbeit wurde einige Beispiele einer reinen, dispersen Zweiphasen-Strömung untersucht und mit Daten von diversen Quellen validiert. Diese Simulationen sind, obwohl kein Bezug zur Flotation vorhanden ist, ein Beispiel zur Illustration der gewählten Simulationsmethode der Zweiphasen-Strömung. Am Beispiel des begasten Rührkessels werden einige Vorarbeiten zur späteren Anwendung des Flotationsmodells erledigt. Es wurden zwei verschiedene Blasensäulen simuliert und validiert mit Daten aus diversen Quellen. Zum einen wurde eine Blasensäule nach Becker et al. im eigenen Labor aufgebaut und zur Validierung der eigenen Simulationen verwendet. Zum anderen wurde eine Blasensäule nach Deen validiert anhand von Mess- und Simulationsdaten aus der veröffentlichten Literatur. Der untersuchte Rührkessel besteht aus einem zylindischen Tank mit Stromstörern und einem Scheibenrührer (Rushton-Turbine). Dieser weit verbreitete Aufbau ist Gegenstand vieler Untersuchungen und es ist dementsprechend viel Literatur dazu verfügbar. Die Simulations-Ergebnisse der beiden Blasensäulen und des Rührkessels passen gut zu den Validierungsdaten. Die Implementierung des Flotationsmodells folgte dem Beispiel von OpenFOAM im Bezug auf die von OpenFOAM praktizierte Objekt-Orientierung. Dies führt zu einem modularen und sehr einfach erweiterbarem Design des Flotationsmodells. Schließlich wurde das entwickelte Flotationsmodel an zwei Beispielen getestet. Die erste Anwendung, ein begaster Rührkessel, ist eher ein akademischer Testfall. Der begaste Rührkessel zeichnet sich durch eine wohl definierte, quasi standardisierte Geometrie und große Auswahl an Literaturdaten zur Validerung der Strömungsverhältnisse aus. Darüberhinaus enthält der begaste Rührkessel alle Komponenten einer mechanischen Flotationszelle im diskontinuierlichen Betrieb. Das zweite Anwendungsbeispiel für das Flotationsmodell ist eine Flotationssäule unseres Industriepartners. Diese arbeitet kontinuierlich und weist, im Gegensatz zum Rührkessel, reale Maßstäbe der industriellen Anwendung auf. Die Anwendungsbeispiele zeigen die Machbarkeit einer kombinierten Simulation von Zweiphasen Strömung und kinetischem Flotationsprozess in einer Flotationszelle. Die stark unterschiedlichen Zeitskalen von Strömung und kinetischem Prozess zieht jedoch sehr lange Rechenzeiten nach sich.

Abstract (English)

The objective of this work was to implement a kinetic model for mineral flotation into the framework of an existing computational fluid dynamics (CFD) code. The open source CFD framework of OpenFOAM was selected for this task, as it allows for the greatest freedom in terms of model implementation. In the course of this work several examples of dispersed two-phase flow were studied. Although, these simulations of bubbly flows are not directly related to the work on flotation, they serve to illustrate the chosen simulation method and, in the case of the stirred tank, lay some ground work for the later application of the flotation model. Two sorts of bubble columns have been simulated and validated with data from various sources. First, a bubble column following Becker et al. was validated against data gathered from in-house experiments. Then, the Deen bubble column was validated using simulation and measurement data from published literature. The investigated stirred tank featured a cylindrical vessel with baffles and a Rushton impeller. This widely used configuration is rather well suited for validation, as there is a large body of literature available. The simulations of both the bubble column cases and the stirred tank fit well to the validation data. The flotation model has been implemented following the example of OpenFOAM's own implementation making use of the concept of object orientation. This leads to a modular and easily extendible design of the flotation model. Finally, the implemented flotation model has been applied to two cases. The first application is an aerated, generic stirred tank, representing mechanical flotation cells. This test case features a well defined geometry and has been extensively studied in several aspects. The second application is a scaled-up version of an industrial flotation apparatus produced by the industrial partner. This apparatus represents a continously operating flotation device in contrast to the first case, which represents a batch process. The simulations demonstrate the feasibility of a combined simulation of the two-phase flow and the flotation kinetics within a flotation apparatus. However, the simulations also reveal an issue related to the different time scales of the flow dynamics and the kinetic process.