title: Coupled DEM-CFD simulation of a sinter shaft cooler
Creators: name: Unger, Harald
Publisher: name: TU Wien
Year: 2016
Subjects: subject: Diskrete Elemente Methode (DEM)
subject: Numerische Strömungsmechanik (CFD)
subject: gekoppelte Partikel-Fluid Simulation
subject: Sinter-Kühler
subject: Discrete Element Method (DEM)
subject: Computational Fluid Dynamics (CFD)
subject: coupled particle-fluid simulation
subject: sinter cooler

description: In dieser Arbeit werden die Anwendungsmöglichkeiten der Diskreten Elemente Methode (DEM) zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses eines Gegenstrom-Sinterkühlers untersucht. Durch Koppelung mit einer numerischen Strömungssimulation (CFD) kann der Impulsaustausch und der konvektive Wärmeübergang zwischen fester und fluider Phase simuliert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung von Phänomenen in granularen Strömungen, wie beispielsweise Segregation, sowie eine Abschätzung des Druckabfalls in der Schüttung und den Wärmeaustausch zwischen den Partikeln und dem Fluid. Ein Open-Source Software Gerüst bestehend aus LIGGGHTS, OpenFOAM und CFDEMcoupling wird für die numerischen Berechnungen verwendet. Der bereitgestellte inkompressible, gekoppelte Löser wird modifiziert, um den Temperatureinfluss auf die Fluiddichte und das Geschwindigkeitsfeld zu berücksichtigen. Testläufe werden durchgeführt, um Grundanforderungen wie Massen- und Energieerhaltung des erweiterten Lösers zu überprüfen. Die Rechenzeit von DEM Simulationen ist untrennbar mit der Anzahl der Partikel im Simulationsbereich verbunden, daher wurden zahlreiche Techniken entwickelt um die Recheneffizienz zu steigern. Eine Coarse-graining Methode wird angewendet um den Partikeldurchmesser maßstäblich zu vergrößern und folglich die Anzahl der Partikel im Simulationsgebiet zu verringern. Weiters wird die Partikelgrößenverteilung reduziert, um die großen Partikel als Begrenzungsfaktor für das Coarse-graining auszuschließen. Die unterschiedlichen Zeitskalen stellen ein wesentliches Problem in Bezug auf die Simulation von industriellen Prozessen dar. Die Aufenthaltsdauer eines Partikels im Sinterkühler kann sich auf Stunden belaufen, während die Größe des Zeitschrittes für die DEM Simulation im Bereich von Milli- oder sogar Mikrosekunden liegt. Daher wird eine Zeitskalierungsmethode angewendet, um die granulare Strömung zu beschleunigen und die Rechenzeit deutlich zu verkürzen. Zur weiteren Verringerung des Rechenaufwandes wird die dreidimensionale Geometrie auf eine quasi-achsensymmetrische Darstellung reduziert. Auf Basis der oben angeführten Modellierungstechniken werden die gekoppelten DEM-CFD Simulationen erfolgreich angewendet, um die Prozesse innerhalb des Sinterkühlers zu untersuchen. Sowohl die Bewegungsbahn der Partikel als auch Segregationseffekte und die Ausbildung von Totzonen werden abgebildet. Die gekoppelte Berechnung ist geeignet um den Druckabfall durch die Schüttung und das Temperaturfeld der Kühlluft und des Sintermaterials plausibel darzustellen. Weiters können damit Geschwindigkeitsspitzen identifiziert werden. Eine Plausibilitätsprüfung der Simulationsergebnisse wird anhand des Vergleichs mit einem bestehenden Berechnungstool für die Schachtkühleranlage, welches in Excel-VBA implementiert ist, durchgeführt. Diese Gegenüberstellung zeigt die Defizite der angewendeten Modellierungsansätze auf und erlaubt eine Bewertung der damit verbundenen Fehler. Schlussendlich bietet die Kombination unterschiedlicher Modelle eine praktikable Methode um den Entwicklungsprozess des innovativen Gegenstrom-Sinterkühlers zu verbessern und voranzutreiben.
description: In this work the application possibility of the Discrete Element Method (DEM) to enhance the development process of a cross-flow sinter cooler is examined. Through coupling with Computational Fluid Dynamics (CFD), the momentum exchange and convective heat transfer between the solid and fluid phase can be simulated. This enables the reproduction of granular flow phenomena such as segregation and the prediction of the pressure drop across the packed bed as well as the heat exchange between particles and fluid. An open source software framework consisting of LIGGGHTS, OpenFOAM and CFDEMcoupling is used for the numerical calculations. The provided incompressible coupled solver is modified to account for the influence of temperature on fluid density and velocity field. Test simulations are performed to verify basic requirements such as mass and energy conservation of the extended solver. The computation time of DEM simulations depends intrinsically on the number of particles in the simulation domain. Numerous techniques were developed to increase the computational efficiency. In this work, coarse-graining is used to scale up the particle diameter and consequently reduce the number of particles in the domain. Moreover, the particle-size distribution is truncated to exclude the large particles as a limiting factor on the coarse-graining approach. One of the fundamental problems related to the simulation of industrial processes with a coupled DEM-CFD method are different time-scales. The residence time of a particle in the sinter cooler can be in the scope of hours, while the time-step size of DEM simulations is in the range of milliseconds or even microseconds. Thus, a time-scaling approach is used to speed up the granular flow and reduce the processing time significantly. To decrease the computational effort even further, the three-dimensional geometry is reduced to a quasi-axisymmetric representation. On the basis of the above mentioned modeling techniques, coupled DEM-CFD simulations are successfully applied to investigate the processes inside the sinter cooler. The trajectory of the particles through the shaft cooler facility is illustrated as well as segregation effects and formation of dead zones. It is shown that the coupled approach is suitable for prediction of the pressure drop across the packed bed and the temperature field of the cooling air and the sinter material in a plausible manner. Additionally, velocity peaks and the reason for their appearance are identified. A plausibility check is performed by comparison of the simulation results with an existing calculation tool for the shaft cooler facility written in Excel-VBA. This confrontation demonstrates the shortcomings of the applied modeling approaches in the coupled DEM-CFD simulation and permits the assessment of associated errors. Eventually the combination of different modeling techniques provides a feasible method to improve and expedite the development process of the innovative counter-flow sinter cooler.