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Titelaufnahme

Titel
CFD-DEM modeling of multiphase fluid-granular systems and its application to blast furnace tapping / submitted by Mathias Vangö MSc.
AutorInnenVangö, Mathias
Beurteiler / BeurteilerinPirker, Stefan ; Peters, Bernhard
Betreuer / BetreuerinPirker, Stefan
ErschienenLinz, 2019
Umfangix, 104 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2019
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-26500 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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CFD-DEM modeling of multiphase fluid-granular systems and its application to blast furnace tapping [10.93 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Einsatzdauer eines Hochofens ist primär von der feuerfesten Ausmauerung des Hochofengestells abhängig. Mit dem Ziel die Einsatzzeit zu maximieren und eine stetige, gute Drainage des Roheisens und der Schlacke zu gewährleisten, ist es essentiell die Strömungsvorgänge im Gestell nachzuvollziehen. Trotz der Notwendigkeit auf Informationen über den Zustand innerhalb dieser Zone zurückzugreifen, sind die Messdaten während des Betriebs sehr limitiert und zumeist nur auf die Peripherie beschränkt. Die Herausforderung der Modellierung dieser Strömungsphänomene liegt in der simultanen Berücksichtigung der Interaktion mehrerer kontinuierlicher Phasen (Roheisen, Schlacke, Reduktionsgas) sowie einer dicht gepackten Schüttung aus Kokspartikeln, die als Toter Mann bezeichnet wird. In der bisherigen Forschung wurde das Koksbett zumeist durch vereinfachte statische Porositätsverteilungen approximiert, obwohl verschiedene Studien darauf hinweisen, dass die Form und Position des Koksbettes dynamisch ist und von verschiedenen Parametern, wie bspw. der Masse der Möllersäule, der Porosität des Toten Manns sowie von den Flüssigkeitsständen im Gestell abhängen. Um die instationäre Charakteristik des Toten Manns zu erfassen, wird in dieser Arbeit ein kombinierter Simulationsansatz verwendet, der die Diskrete Elemente Methode (DEM) mit der numerischen Strömungsmechanik (CFD) koppelt. Während für die Modellierung der fluiden Phasen ein auf der Volume of Fluid (VOF) Methodik beruhender Ansatz verwendet wird, basiert die diskrete Beschreibung der Feststoff- bewegung des Toten Manns auf der DEM. Somit wird eine vollständiges Vier-Wege-Kopplung realisiert. Das CFD-DEM Model wurde mit einigen in der Literatur verfügbaren gut dokumentierten Testfällen validiert. Darüber hinaus wurde in Anlehnung an den Abstich eines Hochofens die Drainage von Wasser aus einem mit einem sitzenden und aufschwimmenden Partikelbett befüllten Acrylglasmodells im Labormaßstab untersucht und die Simulationsmethodik gegen die Experimente validiert. Ferner wurde die Funktionsweise des CFD-DEM Modells anhand eines kleinskaligen Modells eines Hochofengestells für einen sitzenden und schwimmenden Toten Mann aufgezeigt. Der signifikante Einfluss eines aufschwimmenden Partikelbetts auf die Strömungsbedingungen während der Drainage konnte so untersucht werden. Auch wenn die CFD-DEM Modellierung einige Vorteile mit sich bringt, ist die Anwendung im Vergleich zu Kontinuumsmodellen meist mit einem signifikant höheren Rechenaufwand verbunden und in der Anwendung auf Anlagen industrieller Größenordnung nicht praktikabel. Im Kontext der Abbildung eines industriellen Hochofens birgt nicht nur die Größe des Systems, sondern auch die prozessbedingt großen Differenzen der zeitlichen Skalen (Partikelinteraktionen im Bereich von Sekunden, Abstichintervall im Bereich von Stunden) eine derzeit nicht zu bewältigende Aufgabe. Mit dem Versuch die Problematik der räumlichen und zeitlichen Skalentrennung zu adressieren wurde ein Modell eingeführt, das die Lücke zwischen den wenig rechenzeitintensiven Kontinuumsmodellen und den sehr aufwändigen, präziseren CFD-DEM Modellen schließt. Dies wurde erreicht, indem die CFD-DEM Modellierung zur Berechnung räumlich aufgelöster inhomogener Lückengradverteilungen, welche mit verschiedenen Flüssigkeitsständen verknüpft wurden, für die Beschreibung des dynamischen Toten Manns in vereinfachter Form herangezogen werden. Das entwickelte dynamic void fraction model wurde durch einen Vergleich zu den zuvor durchgeführten Experimenten und CFD-DEM Simulationen validiert. Letztendlich, ermöglichte dieses Modell die erfolgreiche Simulation eines über mehrere Stunden andauernden Abstichintervalls eines industriellen Hochofens. Darüber hinaus wurde der in der Literatur diskutierte Effekt der natürlichen Konvektion aufgrund von Dichtegradienten innerhalb des Roheisens durch die Erweiterung des entwickelten Ansatzes um die Berücksichtigung von Wärmeübertragungsmechanismen und einem einfachen Modell zur Abbildung der natürlichen Konvektion erweitert

Zusammenfassung (Englisch)

The campaign length of a blast furnace (BF) is limited by the hearth inner lining lifetime. In order to maximize it and ensure a good draining of hot metal and slag, understanding the flow in the hearth is essential. Despite its necessity, information about the state of the hearth is limited due to a lack of accessibility and direct measurements during operation. Thus, numerical methods are valuable tools for such investigations. Challenges in modeling the flow involve several continuous phases (hot metal, slag and hot blast) as well as the presence of the deadman, a dense bed of coke particles. Although the deadman takes on various shapes and positions which depend on several operational conditions (e.g. the weight of the burden, the deadman porosity as well as the liquid levels in the hearth), and thus shows dynamic behavior, previous research treated the deadman as a simplified static porous medium. To account for the deadmans transient characteristics, we present in this work a computational fluid dynamics (CFD) - discrete element method (DEM) coupled method. A volume of fluid (VOF) approach is utilized to model the multiple fluids, while the DEM is used to describe the deadman by treating the coke particles as discrete entities, resulting in a complete four-way coupled model. The CFD-DEM model was validated on a few selected cases where well-documented solutions could be found. Additionally, in analogy to the BF tapping, we performed lab-scale experiments on the drainage of water through sitting and floating particle beds, which served as additional validation to the model. Furthermore, the CFD-DEM model was employed and demonstrated on a small-scale hearth, where we compared it to a static, floating particle bed and highlighted how the dynamic deadman alter the drainage behavior. ^Although the CFD-DEM model offers several advantages, it comes at a significantly higher computational cost than the Eulerian approaches. Especially, if we consider the huge industrial-scale BFs, scale-up of the model becomes a serious concern due to not only the large spatial scale variations present, but also the large separation of temporal scales (from particle collisions of fractions of a second, to several hours for a single tapping cycle). Attempting to address the issues of spatial and temporal scale separations, we introduce a model intended to bridge the gap between the computationally cheap Eulerian methods and the expensive but accurate CFD-DEM ones. By utilizing the CFD-DEM model to provide spatially detailed, inhomogeneous porosity distributions of the deadman, and by relating them to various liquid levels in the hearth, we could describe the dynamic deadman in a simplified manner within a Eulerian framework. This model, referred to as the dynamic void fraction model, was validated by comparisons with the previously obtained CFD-DEM simulation results of the experimental setup. Ultimately, it enabled us to successfully simulate several hours of real-time for a full-scale BF hearth. Moreover, it was reported in literature that natural convection due to density variations in the hot metal significantly alters the flow field as compared to the isothermal conditions. In order to account for this effect, we extended the dynamic void fraction model by incorporating fluid and solid temperatures, and subsequently a simplified model for the natural convection.

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