Evaluation of different drag models with the multiphase particle-in-cell method in OpenFOAM

Abstract

Hochöfen bestehen in ähnlicher Form wie heute seit dem 19. Jahrhundert und gehören seit jeher zu den größten Emittenten von Kohlendioxid. In einem Hochofen wird aus Eisenerz in einem kontinuierlichen Reduktionsprozess Roheisen erzeugt. Die Raceway ist die Wirbelzone, die beim Einblasen von Heißluft in die Kohleschüttung entsteht und ist ein integraler Bestandteil des Hochofenvorgangs. Trotz intensiver Forschung sind noch immer nicht alle Vorgänge darin verstanden. CFD Simulation kann ein nützliches Hilfsmittel zur Verbesserung der Effizienz von Hochöfen auf dem Weg zu einer klimafreundlicheren Stahlproduktion sein. Der Hochofenprozess lässt sich als Mehrphasenströmung beschreiben, da Partikel in Fluidphasen feinverteilt sind. Zur Simulation von Partikelströmungen gibt es zwei grundlegende Ansätze, die Euler-Euler Modelle(EE) und die CFD-Diskrete Elemente Methode (CFD-DEM). Multiphase Particle-In-Cell (MP-PIC) soll als Hybridmodell die Vorzüge von beiden verbinden. Dabei werden Partikel in sogenannte Pakete zusammengefasst. Diese Pakete sollen sich wie die äquivalente Anzahl von realen Partikeln verhalten. Dadurch wird die Anzahl der Partikel im System reduziert und der Rechenaufwand bei gleichbleibend akzeptabler Genauigkeit verringert. Ein wichtiger Bestandteil von Partikelströmungssimulationen ist das Widerstandsmodell, welches den Strömungswiderstand eines Partikels in einer Fluidströmung beschreibt. Verschiedene Ansätze beschreiben den Impulsaustausch. In dieser Arbeit wurde zuerst ein Vergleich von in der Literatur bereits existierenden Widerstandsmodellen anhand für eine Raceway typischen Bedingungen durchgeführt. Zusätzlich wurden die Widerstandsmodelle durch einen Vergleich des berechneten Druckverlusts mit experimentiellen Daten getestet. Im nächsten Schritt wurden die Euler-Lagrange (EL) Hybridmodelle in Kombination mit den gewählten Widerstandsmodellen für die Verwendung in einem Festbett und einer Wirbelschicht evaluiert. Als Letztes wurde die Fähigkeit der Modelle eine Racewaybildung vorauszuberechnen untersucht. Die Berechnungen zeigten, dass das Richardson-Zaki Modell keine vernünftigen Ergebnisse für den ersten Testfall geliefert hat. Deshalb wurde es nicht in den weiteren Tests berücksichtigt. Die restlichen Modelle zeigten vernünftige Druckverluste. Die EL Hybridmodelle zeigten eine gute Übereinstimmung für den Festbett Testfall. Die Ergebnisse des Wirbelschicht Testfalls hängen jedoch vom Widerstandsmodell ab. Die EL Modelle haben beim Berechnen der Racewaybildung im ersten der beiden Testfälle versagt. Im zweiten Fall lieferten sie akzeptable Ergebnisse. Die Ergebnisse dieser arbeit können für die Entwicklung von EL Hybridmodellen für die Raceway Zone verwendet werden.

Current blast furnace technology exists since the nineteenth century and has always been one of the biggest emitters of carbon dioxide. A blast furnace is used for smelting iron ore to produce pig iron. A hot air blast is injected at the lower part of the blast furnace. The raceway is a turbulent zone, that occurs when hot air is blown into the coke filling and is a significant part of the blast furnace. Although it has been widely studied, not all processes happening inside the raceway are known yet. CFD simulation can be a useful tool for improving the efficiency of blast furnaces for a more climate-friendly steel production. The blast furnace process is kind of a multiphase flow, with particles dispersed in fluid phases. There are two major modeling concepts for handling fluid-particle flows: Eulerian-Eulerian (EE) and the coupled CFD - discrete elements method (CFD-DEM). As a hybrid method, Multiphase Particle-In-Cell (MP-PIC) shall combine the advantages of both. Single particles are combined to so-called parcels. These parcels are supposed to behave like the equivalent number of real particles. Therefore, the particle number inside the system and the computational effort are reduced, while the accuracy stays acceptable. An important part of any gas-particle flow is the drag model. It describes the momentum exchange between particles and the surrounding fluid. Different approaches describe the exchange of forces and moments. In this work, a comparison of drag models from literature was conducted using typical raceway conditions. Additionally, the drag model performance was evaluated by comparing the predicted pressure drop to experimental values. In the next step, Eulerian-Lagrangian (EL) hybrid models in combination with chosen drag models were evaluated for a fixed bed and a fluidized bed. Finally, the capabilities to predict raceway formation were investigated using experimental literature. The simulations showed, that the Richardson-Zaki model failed to predict reasonable results for the first test case and was excluded from the subsequent evaluations. The remaining models predict reasonable pressure drops. EL hybrid models showed good agreement for the fixed bed test case, while the results depend on the drag models for the fluidized bed case. The EL models failed to predict the raceway formation for one of the two investigated cases. In the second simplified case, the EL models gave acceptable results. Findings of these simulations can be used for developing EL hybrid models for the raceway zone.