Mischung/Segregation und Wärmeübertragung in fluidisierten Systemen der Energietechnik: Ein Beitrag zur Weiterentwicklung der gekoppelten CFD-Diskreten Elemente Methode für polydisperse Systeme komplexer Partikelgeometrie

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Die Diskrete Elemente Methode (DEM) ist eines der bedeutenden neueren Verfahren zur Beschreibung der Bewegung granularer Medien. Gekoppelt mit Verfahren der Computational Fluid Dynamics (CFD) lassen sich wesentliche Fragestellungen der Energietechnik, wie z. B. die Wärmeübertragung und Reaktion in mechanisch angeregten Systemen (Roste) oder fluidisierten Systemen (Wirbelschichten) in hoher Detailtiefe untersuchen. Um den Schritt vom akademischen Untersuchungsinstrument zur Anwendung auf technisch relevante Problemstellungen zu erreichen, steht die Entwicklung der DEM-Methode vor einer zentralen Herausforderung: Der Ersatz von heute kugelförmig angenommen Partikeln durch komplexe, reale Partikelformen. Während für die geometrische Abbildung solcher Körper und deren mechanische Interaktion in der DEMMethode bereits Modelle bestehen, ist eine Bereitstellung geeigneter Modellgesetze für die fluidmechanischen Kräfte/Momente und die Abbildung der relevanten Wärmeübertragungsmechanismen in Systemen komplex geformter Partikel mit unterschiedlichem Lückenvolumen jenseits der eines dichten Festbettes nur ansatzweise erfolgt. Deshalb soll der vorliegende Antrag einen Beitrag leisten, diese Hürde für die DEM-Simulation zu überwinden. Auf Basis von numerischen Untersuchungen mittels CFD-Simulationen, bei denen die Partikelumströmung detailliert aufgelöst wird, werden Datensätze gewonnen, die zur Ableitung von Modellgesetzen und Korrelationen für die Widerstandskraft, das Widerstandsmoment, die Magnuskraft, die Saffmankraft und die Nusseltzahlen für polydisperse, granulare Systeme komplexer, ausgewählter Partikelgeometrie geeignet sind. Ansätze für Kräfte und Momente werden ausgehend von bestehenden Modellen abgeleitet und in einen DEM/CFD-Code integriert. Ebenso werden Modelle für komplex geformte Partikel entwickelt, die die Berücksichtigung von Kontaktwärmeübergang, Wärmeübergang im Zwickelbereich zwischen Partikeln, Wärmestrahlung zwischen Partikeln, Partikeln und Gas sowie Wärmeleitung innerhalb der Partikel berücksichtigen. Hierbei wird darauf geachtet, dass die Modelle die Realität soweit möglich abbilden, aber gleichzeitig die Modellkomplexität die Anforderung berücksichtigen muss, dass Systeme mit großen Partikelzahlen beherrschbar bleiben. Auf Basis dieser Werkzeuge wird mittels eines erweiterten DEM/CFD-Codes das für die Energietechnik relevante Anwendungsgebiet fluidisierter Partikelsysteme adressiert. Es werden Mischung, Segregation und Austrag sowie die Wärmeübertragung in diesen Systemen untersucht und die Ergebnisse werden mit eigenen ausgewählten Experimenten verglichen. Eine erfolgreiche Projektdurchführung vorausgesetzt, bereitet der vorliegende Antrag eine notwendige Basis, um in Zukunft die DEM-Methode auch auf reagierende Systeme der Energietechnik mit beliebigen, komplexen Partikelgeometrien zu verwenden.