Modeling of Liquid-Solid Flow in Industrial Scale
Tiainen, Jonna (2014)
Diplomityö
Tiainen, Jonna
2014
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201402111448
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201402111448
Tiivistelmä
In the present work, liquid-solid flow in industrial scale is modeled using the commercial software of Computational Fluid Dynamics (CFD) ANSYS Fluent 14.5. In literature, there are few studies on liquid-solid flow in industrial scale, but any information about the particular case with modified geometry cannot be found. The aim of this thesis is to describe the strengths and weaknesses of the multiphase models, when a large-scale application is studied within liquid-solid flow, including the boundary-layer characteristics.
The results indicate that the selection of the most appropriate multiphase model depends on the flow regime. Thus, careful estimations of the flow regime are recommended to be done before modeling. The computational tool is developed for this purpose during this thesis. The homogeneous multiphase model is valid only for homogeneous suspension, the discrete phase model (DPM) is recommended for homogeneous and heterogeneous suspension where pipe Froude number is greater than 1.0, while the mixture and Eulerian models are able to predict also flow regimes, where pipe Froude number is smaller than 1.0 and particles tend to settle. With increasing material density ratio and decreasing pipe Froude number, the Eulerian model gives the most accurate results, because it does not include simplifications in Navier-Stokes equations like the other models.
In addition, the results indicate that the potential location of erosion in the pipe depends on material density ratio. Possible sedimentation of particles can cause erosion and increase pressure drop as well. In the pipe bend, especially secondary flows, perpendicular to the main flow, affect the location of erosion. Tässä työssä käytetään kaupallista laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) ohjelmaa ANSYS Fluent 14.5 neste-kiintoainevirtauksen mallintamiseen teollisuusmittakaavassa. Kirjallisuudessa on muutamia tutkimuksia neste-kiintoainevirtauksesta teollisuusmittakaavassa, mutta tietoa kyseessä olevasta tapauksesta modifioidulla geometrialla ei löydy. Tämän diplomityön tavoitteena on kuvata monifaasimallien vahvuudet ja heikkoudet, kun tarkastellaan suuren mittakaavan sovellusta neste-kiintoainevirtauksen yhteydessä, sisältäen rajakerrostarkastelun.
Tulokset osoittavat, että tarkoituksenmukaisimman monifaasimallin valintaan vaikuttaa virtausalue. Siksi ennen mallintamista suositellaan virtausalueen huolellista arvioimista. Työn aikana on tähän tarkoitukseen kehitetty laskentatyökalu. Homogeeninen monifaasimalli pätee vain homogeeniselle suspensiolle, erillisten faasien mallia (DPM) suositellaan homogeeniselle ja heterogeeniselle virtaukselle, joissa putken Froude luku on suurempi kuin 1.0, kun taas seos ja Eulerian -malleilla voidaan ennustaa myös virtauksia, joissa putken Froude luku on pienempi kuin 1.0 ja partikkelit sedimentoituvat. Tiheyssuhteen kasvaessa ja putken Froude luvun pienentyessä Eulerian -malli antaa tarkimmat tulokset, koska se ei sisällä yksinkertaistuksia Navier-Stokes -yhtälöissä, kuten muut mallit.
Laskentatulokset osoittavat lisäksi putkessa potentiaalisen eroosioalueen sijainnin, joka on riippuvainen muun muassa tiheyssuhteesta. Mahdollisesti sedimentoituneet partikkelit voivat aiheuttaa eroosiota sekä lisätä painehäviötä. Putkimutkassa eroosioalueen sijaintiin vaikuttavat erityisesti päävirtausta kohtisuoraan olevat sekundäärivirtaukset. В данной работе поток жидкости и твердых частиц в промышленных масштабах моделируется коммерческим программным обеспечением по вычислительной гидродинамике (ВГД) ANSYS Fluent 14.5. В литературе представлены некоторые исследования потока жидкости и твердых частиц в промышленных масштабах, но никакой информации нельзя найти о частном случае потока с модифицированной геометрией. Целью данной работы является описать сильные и слабые стороны многофазных моделей, когда исследуется крупномасштабное применение геометрии в потоке, включая характеристики пограничного слоя.
Результаты показывают, что выбор наиболее подходящей многофазной модели зависит от режима потока. Таким образом, перед моделированием рекомендуется выполнить тщательные оценки режима потока. Для этой цели во время выполнения данной работы разработан вычислительный инструментарий. Гомогенная многофазная модель действует только для гомогенной суспензии, модель дискретных фаз (DPM) рекомендуется для гомогенной и гетерогенной суспензии, где число труб Фруда больше, чем 1.0, а модели смешения и Эйлера могут также предсказывать режимы потока, где число труб Фруда меньше, чем 1.0 и частицы имеют тенденцию оседать. С увеличением отношения плотности материала и уменьшением числа труб Фруда, модель Эйлера дает самые точные результаты, потому что она не содержит упрощения в уравнениях Навье-Стокса подобно другим моделям.
Кроме того, результаты показывают, что возможные места возникновения эрозии в трубе зависят от отношения плотности материала. Возможная седиментация частиц может вызывать эрозию и также увеличивать перепад давления. В колене трубы, особенно вторичные потоки, перпендикулярные к основному потоку, влияют на место образования эрозии.
The results indicate that the selection of the most appropriate multiphase model depends on the flow regime. Thus, careful estimations of the flow regime are recommended to be done before modeling. The computational tool is developed for this purpose during this thesis. The homogeneous multiphase model is valid only for homogeneous suspension, the discrete phase model (DPM) is recommended for homogeneous and heterogeneous suspension where pipe Froude number is greater than 1.0, while the mixture and Eulerian models are able to predict also flow regimes, where pipe Froude number is smaller than 1.0 and particles tend to settle. With increasing material density ratio and decreasing pipe Froude number, the Eulerian model gives the most accurate results, because it does not include simplifications in Navier-Stokes equations like the other models.
In addition, the results indicate that the potential location of erosion in the pipe depends on material density ratio. Possible sedimentation of particles can cause erosion and increase pressure drop as well. In the pipe bend, especially secondary flows, perpendicular to the main flow, affect the location of erosion.
Tulokset osoittavat, että tarkoituksenmukaisimman monifaasimallin valintaan vaikuttaa virtausalue. Siksi ennen mallintamista suositellaan virtausalueen huolellista arvioimista. Työn aikana on tähän tarkoitukseen kehitetty laskentatyökalu. Homogeeninen monifaasimalli pätee vain homogeeniselle suspensiolle, erillisten faasien mallia (DPM) suositellaan homogeeniselle ja heterogeeniselle virtaukselle, joissa putken Froude luku on suurempi kuin 1.0, kun taas seos ja Eulerian -malleilla voidaan ennustaa myös virtauksia, joissa putken Froude luku on pienempi kuin 1.0 ja partikkelit sedimentoituvat. Tiheyssuhteen kasvaessa ja putken Froude luvun pienentyessä Eulerian -malli antaa tarkimmat tulokset, koska se ei sisällä yksinkertaistuksia Navier-Stokes -yhtälöissä, kuten muut mallit.
Laskentatulokset osoittavat lisäksi putkessa potentiaalisen eroosioalueen sijainnin, joka on riippuvainen muun muassa tiheyssuhteesta. Mahdollisesti sedimentoituneet partikkelit voivat aiheuttaa eroosiota sekä lisätä painehäviötä. Putkimutkassa eroosioalueen sijaintiin vaikuttavat erityisesti päävirtausta kohtisuoraan olevat sekundäärivirtaukset.
Результаты показывают, что выбор наиболее подходящей многофазной модели зависит от режима потока. Таким образом, перед моделированием рекомендуется выполнить тщательные оценки режима потока. Для этой цели во время выполнения данной работы разработан вычислительный инструментарий. Гомогенная многофазная модель действует только для гомогенной суспензии, модель дискретных фаз (DPM) рекомендуется для гомогенной и гетерогенной суспензии, где число труб Фруда больше, чем 1.0, а модели смешения и Эйлера могут также предсказывать режимы потока, где число труб Фруда меньше, чем 1.0 и частицы имеют тенденцию оседать. С увеличением отношения плотности материала и уменьшением числа труб Фруда, модель Эйлера дает самые точные результаты, потому что она не содержит упрощения в уравнениях Навье-Стокса подобно другим моделям.
Кроме того, результаты показывают, что возможные места возникновения эрозии в трубе зависят от отношения плотности материала. Возможная седиментация частиц может вызывать эрозию и также увеличивать перепад давления. В колене трубы, особенно вторичные потоки, перпендикулярные к основному потоку, влияют на место образования эрозии.