Simulation und Analyse von durchströmten Kugelschüttungen in engen Rohren unter Verwendung von Hochleistungsrechnern

Simulation and analysis of flow through packed beds of spheres in narrow tubes using high performance computers

  • Durchströmte Kugelschüttungen sind ein in der chemischen Verfahrenstechnik häufig anzutreffender Reaktortyp. Bei kleinen Rohr- zu Kugeldurchmesserverhältnissen, wie dies beispielsweise bei stark exothermen Reaktionen aufgrund des beschränkten radialen Wärmeaustauschs nötig ist, werden die Strömungsverhältnisse durch lokale geometrische Inhomogenitäten dominiert. Nur ortsaufgelöste Betrachtungen können dann ein vertieftes Verständnis für die ablaufenden Transportprozesse liefern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher zunächst mit der Gewinnung und Analyse der geometrischen Struktur von Kugelschüttungen in engen Rohren. Dazu werden Daten bildgebender Verfahren (MagnetresonanztomographiDurchströmte Kugelschüttungen sind ein in der chemischen Verfahrenstechnik häufig anzutreffender Reaktortyp. Bei kleinen Rohr- zu Kugeldurchmesserverhältnissen, wie dies beispielsweise bei stark exothermen Reaktionen aufgrund des beschränkten radialen Wärmeaustauschs nötig ist, werden die Strömungsverhältnisse durch lokale geometrische Inhomogenitäten dominiert. Nur ortsaufgelöste Betrachtungen können dann ein vertieftes Verständnis für die ablaufenden Transportprozesse liefern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher zunächst mit der Gewinnung und Analyse der geometrischen Struktur von Kugelschüttungen in engen Rohren. Dazu werden Daten bildgebender Verfahren (Magnetresonanztomographie) genutzt, sowie ein numerischer Ansatz für die Geometriegewinnung auf Basis einer Monte-Carlo-Methode entwickelt. Zur anschließenden ortsaufgelösten Strömungssimulation wird ein Lattice-Boltzmann-Ansatz verwendet, der speziell unter Berücksichtigung der Anforderungen moderner Hochleistungsrechner implementiert wurde. Die erhaltenen Ergebnisse demonstrieren, dass dreidimensionale numerische Simulationen auf der Skala des Porenraums eine detaillierte Analyse der Transportprozesse erlauben und dass sie mit modernen numerischen Verfahren bei entsprechender programmiertechnischer Umsetzung auf heutigen Hochleistungsrechnern auch durchführbar sind.show moreshow less
  • Packed beds of spheres are a typical reactor for the chemical process industry. In case of small tube to particle diameter ratios, as for example required for highly exothermic reactions due to the limited radial heat exchange, the flow is dominated by local geometric inhomogeneities. As a consequence, only locally resolved investigations can provide a deeper understanding of the involved transport processes. The present work therefore starts with the acquisition and analysis of the geometric structure of packed beads in narrow tubes. For that purpose, data obtained by imaging techniques (Magnetic Resonance Imaging) is used, and a numerical approach based on a Monte Carlo method is developedPacked beds of spheres are a typical reactor for the chemical process industry. In case of small tube to particle diameter ratios, as for example required for highly exothermic reactions due to the limited radial heat exchange, the flow is dominated by local geometric inhomogeneities. As a consequence, only locally resolved investigations can provide a deeper understanding of the involved transport processes. The present work therefore starts with the acquisition and analysis of the geometric structure of packed beads in narrow tubes. For that purpose, data obtained by imaging techniques (Magnetic Resonance Imaging) is used, and a numerical approach based on a Monte Carlo method is developed to synthetically generate the geometric structure. The subsequent spatially resolved flow simulations are carried out using a lattice Boltzmann approach which was implemented specifically with the needs of high performance computers in mind. The obtained results demonstrate that pore-scale simulations allow a detailed analysis of the transport processes and that they are feasible using appropriately implemented recent numerical techniques and the power of contemporary high performance compute clusters.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Zeiser
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-12068
ISBN:978-3-89963-872-1
Advisor:Franz Durst
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/03/03
Release Date:2008/12/16
Tag:direct numerical simulation; high performance computing; lattice boltzmann method; packed bed; pressure drop
SWD-Keyword:Computersimulation; Direkte numerische Simulation; Druckabfall; Gitter-Boltzmann-Methode; Hochleistungsrechnen; Kugelschüttung
Original publication:München : Dr. Hut, 2008
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.05.-t Computers in experimental physics; Computers in education, see 01.50.H- and 01.50.Lc; Computational techniques, see 02.70.-c; Quantum computation architectures and implementations, see 03.67.Lx; Optical computers, see 42.79.Ta / 07.05.Tp Computer modeling and simulation
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 47.00.00 Fluid dynamics (for fluid dynamics of quantum fluids, see section 67; see also section 83 Rheology; for sound generation by fluid flow, see 43.28.Ra-in Acoustics Appendix) / 47.11.-j Computational methods in fluid dynamics
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 47.00.00 Fluid dynamics (for fluid dynamics of quantum fluids, see section 67; see also section 83 Rheology; for sound generation by fluid flow, see 43.28.Ra-in Acoustics Appendix) / 47.11.-j Computational methods in fluid dynamics / 47.11.Qr Lattice gas
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 47.00.00 Fluid dynamics (for fluid dynamics of quantum fluids, see section 67; see also section 83 Rheology; for sound generation by fluid flow, see 43.28.Ra-in Acoustics Appendix) / 47.56.+r Flows through porous media
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $