3D-CFD der Gas-Partikel-Strömung in einer Laval-Düse zur Vorhersage mechanischer Erosion

3D-CFD-simulations of the gas-particle flow in a Laval nozzle to predict mechanical erosion

  • Die vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-Düsen für den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Strömung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgeführt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Strömungslöser entwickelt. Zusätzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zusätzliche stochastische Methoden für die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld & Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kräfte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant & Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) berechnet. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches imDie vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-Düsen für den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Strömung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgeführt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Strömungslöser entwickelt. Zusätzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zusätzliche stochastische Methoden für die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld & Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kräfte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant & Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) berechnet. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches im Rauchgasreinigungssystem Laval-Düsen für den pneumatischen Abtransport von Asche verwendet. Aufgrund der hohen Gas- und Partikel-Geschwindigkeiten und der Kontur der Düsen sind diese massiv durch Erosion geschädigt worden. Dadurch haben diese ihre Funktion als Blende verloren, was eine Schädigung weiterer Komponenten des Rauchgasreinigungssystems zur Folge hatte. Zur Validierung des numerischen Strömungslösers wurde das Experiment von Kumar et al. (1983) ausgewählt und ein qualitativ vergleichbares Ergebnis generiert (60% des experimentellen Werts). Das charakteristische Verschleißbild des Experiments stellt sich nur unter Verwendung eines stochastischen Partikel-Wand-Kollisionsmodells mit hoher Wandrauigkeit ein. Im Fall glatter Wände ist der erosive Verschleiß insgesamt geringer und es verschiebt sich das Maximum der lokalen Erosionsrate. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist sowohl die Kontur der Laval-Düse des HKW Cottbus modifiziert worden als auch das Material der Düsenwandung von 13CrMo44-Stahl zu Siliziumcarbid-Keramik geändert worden. Die numerischen Simulationen des 4-Wege-gekoppelten Strömungslösers zeigen, dass sich das lokale Maximum der Verschleißrate im kritischen Bereich der Düsenkehle auf 1.5 % des Ausgangswerts reduziert und zugleich von der Düsenkehle weg verschiebt. In dieser Doktorarbeit ist im Gegensatz zu vergleichbaren numerischen Studien eine Validierung des Strömungslösers an experimentellen Daten durchgeführt worden. Zudem ist die Bedeutung der Partikel-Partikel-Kollisionen und der Wandrauigkeiten für die Berechnung des erosiven Verschleißes bei Laval-Düsen aufgezeigt worden.show moreshow less
  • The following doctoral thesis describes the mechanism for the mechanical erosion of a cold gas Laval nozzle, which is in use for pneumatic conveying of coal ash or coal. Therefore 3D-CFD-simulations of a gas-particle-mixture were performed using the software package OpenFOAM and a density based compressible 2-way-coupled and 4-way-coupled multiphase-solver was developed. In addition, the particle supplied methods were extensively enhanced, for example with an advanced stochastic particle-wall (Sommerfeld & Huber, 1999) and particle-particle treatment including linear and rotatory conservation of momentum. The following forces are in use for the numerical simulations: The drag-force by Henderson (1976), the force due to pressure and stress tensor and the buoyancy force. In order to calculate the wall erosion, the empirical models of Tabakoff (Grant & Tabakoff, 1973) and Oka (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) are applied. This work was done in collaboration with the Cottbus power plant, where some of its nozzles used for theThe following doctoral thesis describes the mechanism for the mechanical erosion of a cold gas Laval nozzle, which is in use for pneumatic conveying of coal ash or coal. Therefore 3D-CFD-simulations of a gas-particle-mixture were performed using the software package OpenFOAM and a density based compressible 2-way-coupled and 4-way-coupled multiphase-solver was developed. In addition, the particle supplied methods were extensively enhanced, for example with an advanced stochastic particle-wall (Sommerfeld & Huber, 1999) and particle-particle treatment including linear and rotatory conservation of momentum. The following forces are in use for the numerical simulations: The drag-force by Henderson (1976), the force due to pressure and stress tensor and the buoyancy force. In order to calculate the wall erosion, the empirical models of Tabakoff (Grant & Tabakoff, 1973) and Oka (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) are applied. This work was done in collaboration with the Cottbus power plant, where some of its nozzles used for the exhaust gas cleaning system were widened and destroyed. This led to a significant increase of the erosion within the entire system. So, the numerical solver was furthermore used for a geometrical optimization of these Laval nozzles. The numerical solver was validated with the experiment by Kumar et al. (1983). These results are in good agreement with the experiment (around 60 % of the experimental values), but could only achieved with stochastically modelled rough walls for the particle-wall-collisions. In the case of smooth walls the distribution of the erosive wear is very different profile with a substantial shift of the erosion rate’s maximum. With this experience, the shape of the industrial applied nozzle from the Cottbus power plant was modified as well as the wall material was changed from 13CrMo44-steel to silicon carbide. The numerical simulations of the 4-way-coupled multiphase-solver show a significant reduction of the erosion rate’s maximum to 1.5% of the start value together with a shift away from the nozzle throat. In contrast to former numerical studies this thesis was able to validate the numerical solver with experimental data and to show the importance of particle-particle-collisions and the correct approximation of the particle-wall-collisions for the prediction of the erosive wear.show moreshow less

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Metadaten
Author: Matthias Neben
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47976
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/01/21
Release Date:2019/06/17
Tag:Gas Partikel Strömung; Laval-Düse; Mechanische Erosion
CFD; Gas particle flow; Laval nozzle; Mechanical erosion
GND Keyword:Laval-Düse; Fluidpartikelströmung; Numerische Strömungssimulation; Erosion
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Aerodynamik und Strömungslehre
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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