CFD Untersuchung des Zerstäubungsprozesses mit einer Lanze und Tuyère

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung des Zerstäubungsprozesses in einem Hochofen im Modellmaßstab. Schweröl und Schweröl-Wasser-Emulsionen werden im Hochofenprozess häufig als Sekundärreduktionsmittel im Bereich der Windformen eingedüst und mit dem gleichzeitig eingebrachten Heißwind zerstäubt. Dazu wurde ein Open Source-CFD-Softwareprogramm verwendet, das für die parallelisierte Berechnung ideal geeignet ist und auf dem Hochleistungsrechner VSC2 der Technischen Universität Wien eingesetzt werden kann. Im Rahmen der Diplomarbeit werden für die Vernetzung der Geometrie verschiedene Methoden mit unterschiedlichen Softwaretools untersucht, um ein geeignetes Netz für die Diskretisierung zu erreichen. Die Vor- und Nachteile aller Methoden werden diskutiert. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modelle mit zunehmender Komplexität erzeugt, um den Zerstäubungsprozess zu simulieren. Diese Arbeit baut auf früheren Arbeiten am Institut, unter anderem von Marta Castano Martinez, auf, wobei in der vorliegenden Diplomarbeit mit größerer Strömungsdomäne, verbessertem Netz und leistungsfähigeren Turbulenzmodellen experimentiert wurde. Für die Zerstäubungssimulation wurde die Zweiphasenströmung mit dem VOF Verfahren ohne den Einsatz von Subgrid-Modellen beschrieben. Mit Hilfe von einphasigen, stationären Modellen können die benötigten Randbedingungen und Anfangswerte bei den Zweiphasensimulationen verwendet werden. Um die komplexere turbulente Strömung möglichst genau abzubilden, wurde das Large Eddy Simulationsverfahren bei den Mehrphasenberechnungen angewendet. Die verschiedene Betriebspunkte wurden mit Hilfe unterschiedlicher Flüssigkeiten und Geschwindigkeiten modelliert. Da das Geschwindigkeitsfeld einen erheblichen Einfluss auf die Tropfenbildung hat, wurden zuerst die zeitabhängigen Wirbelstrukturen analysiert und mit Experimente kontrolliert. Diese Validierung bestätigt, dass die Hauptströmung und gleichfalls die Wirbelstrukturen korrekt beschrieben werden können. Aus den Ergebnissen der Mehrphasensimulation können offenbare Unterschiede zwischen hoch- und niederviskosen Flüssigkeiten bemerkt werden, jedoch ist eine feinere räumliche Diskretisierung erforderlich, um den Sekundärzerfall und einzelne Tropfen weit entfernt von der Lanze zu erkennen. Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit bieten die Grundlage für weiterführende Arbeiten, bei der insbesondere der Fokus auf die bessere Beschreibung der Grenzflächenphänomene liegen sollte.

The present thesis deals with numerical modeling of the atomization process in a labscale model of a blast furnace. Heavy fuel oil and heavy fuel oil - water emulsions are commonly applied in the raceway zone as secondary reducing agent in blast furnace processes and with the simultaneous air intake atomized. The calculations are done with an open source CFD software, which is suitable for parallelised calculations on the high performance computer Vienna Scientific Cluster 2 (VSC2) of the Vienna University of Technology. As part of this thesis various meshing processes of the geometry by the use of different software tools are investigated, to achieve an appropriate discretised domain. Advantages and disadvantages of these methods are discussed. Models with increasing complexity are generated to simulate the injection process. This thesis is based on former studies of the institute mainly of Marta Castano Martinez. Though in the present work larger flow domains, improved mesh and more efficient trubulence models are experimented. To simulate the atomisation process the two-phase flow is described with the VOF method without the use of sub-grid models. The necessary boundary and intial conditions are calculated with the help of single-phase steady state flow models. For an accurate description of turbulent flow the Large Eddy Simulation method was in the multiphase simulations. Different operating points of the blast furnace are modelled by the use of different fluids and velocities. Since the velocity field has a significant impact on the droplet development, time-dependent vortex structures are analysed first and compared with experimental datas. This validation confirmed that the main flow and eddies are properly solved. Obvious differences could be detected between low- and high viscosity fluids, but further spatial mesh refinement are required to identify the secondary breakup and individual doplets far away from the oil lance. Therefore the results of this master thesis are a good basis further works with a particular focus on an improved description of the phase interface.