Weryfikacja modeli numerycznych CFD na przykładzie cyklonów stosowanych w cyklonowym wymienniku ciepła

Wasilewski, M.; Głodek-Bucyk, E.; Kalinowski, W.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Weryfikacja modeli numerycznych CFD na przykładzie cyklonów stosowanych w cyklonowym wymienniku ciepła

Autorzy

Wasilewski M. , Głodek-Bucyk E. , Kalinowski W.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Verification of numerical CFD models based on cyclones used in a cyclone suspension preheater

Języki publikacji

Abstrakty

Analizując dotychczasowe prace badawcze nad odpylaczami cyklonowymi z zastosowaniem modelowania numerycznego przepływów (Computational Fluid Dynamics – CFD) można stwierdzić, że stosowano głównie cztery modele numeryczne: k-ε, k-ε RNG, Reynolds Stress Model (RSM) oraz Large Eddy Simulations (LES). Celem niniejszej pracy była ocena dokładności i poziomu wiarygodności tych modeli na przykładzie cyklonu stosowanego w konstrukcjach cyklonowego wymiennika ciepła. Weryfikacji dokonano w zakresie wartości spadku ciśnienia i skuteczności odpylania mąki surowcowej. Otrzymane wyniki drogą obliczeniową porównano z wynikami pochodzącymi z rzeczywistej instalacji wypalania klinkieru. Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że w przypadku cyklonów stosowanych w cyklonowych wymiennikach ciepła najbardziej dokładne okazały się modele RSM (w przypadku skuteczności odpylania) oraz LES (w zakresie spadku ciśnienia). Przeprowadzona analiza oraz wnioski mogą być pomocne w procesie definiowania strategii badań numerycznych, będących etapem optymalizacji konstrukcji cyklonów stosowanych w cyklonowych wymiennikach ciepła.

A review of studies on the cyclone separators using Computational Fluid Dynamics (CFD) that have been published so far indicates that research has primarily involved four numerical models: k-ε, k-ε RNG, Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulations (LES). The aim of this paper was to assess the precision and reliability of these models based on a cyclone used as part of cyclone suspension preheater. The assessment concerned the value of pressure drop and separation efficiency of the raw meal. Results obtained through computation were compared to those obtained in a real clinker burning installation. The obtained results showed that in the case of cyclone separators used in cyclone suspension preheater the RSM model (in the case of separation efficiency) and LES model (in the case of pressure drop) were most accurate. The performed analysis and its conclusions may prove useful for defining the strategy of numerical research aimed at optimizing the structure of cyclones used in cyclone suspension preheater.

Słowa kluczowe

wymiennik ciepła wymiennik cyklonowy modelowanie numeryczne numeryczna mechanika płynów CFD weryfikacja separator cyklonowy wypał klinkieru

heat exchanger cyclone heat exchanger numerical modelling computational fluid dynamics CFD verification cyclone separator clinker burning

Wydawca

Wydawnictwo Instytut Śląski Sp. z o.o.

Czasopismo

Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych

Rocznik

2017

Tom

R. 10, nr 29

Strony

76--89

Opis fizyczny

Bibliogr. 30 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wasilewski M.

was.marek@gmail.com

Politechnika Opolska, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki

autor

Głodek-Bucyk E.

e.glodek@icimb.pl

Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Warszawa, Oddział Inżynierii Procesowej Materiałów Budowlanych, Opole

autor

Kalinowski W.

w.kalinowski@icimb.pl

Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Warszawa, Oddział Inżynierii Procesowej Materiałów Budowlanych, Opole

Bibliografia

[1] Fluent 6.3.26 User’s Guide, 2006. Fluent, Inc.
[2] Launder B.E., Reece G.J., Rodi W., Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure, „Journal of Fluid Mechanics” 1975, Vol. 68, No. 3, s. 537–566.
[3] Wan G., Sun G., Xue X., Shi M., Solids concentration simulation of different size particles in a cyclone separator, „Powder Technology” 2008, Vol. 183, No. 1, s. 94–104.
[4] Wang B., Xu D.L., Chu K.W., Yu A.B., Numerical study of gas-solid flow in a cyclone separator, „Applied Mathematical Modelling” 2006, Vol. 30, No. 11, s. 1326–1342.
[5] Su Y., Zheng A., Zhao B., Numerical simulation of effect of inlet configuration on square cyclone separator performance, „Powder Technology” 2011, Vol. 210, No. 3, s. 293–303.
[6] Wilcox D.C., Turbulence Modeling for CFD, 2. ed., DCW Industries, La Canada 1998.
[7] Vreman B., Geurts B., Kuerten H., Large-eddy simulation of turbulent mixing layer, „Journal of Fluid Mechanics” 1997, Vol. 339, s. 357–390.
[8] Sagaut P., Large Eddy Simulation for Incompressible Flows, Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg 2006.
[9] Ma L., Ingham D.B., Wen X., Numerical modeling of the fluid and particle penetration through small sampling cyclones, „Journal of Aerosol Science” 2000, Vol. 31, No. 9, s. 1097–1119.
[10] Shin M.S., Kim H.S., Jang D.S., Chung J.D., Bohnet M., A numerical and experimental study on a high efficiency cyclone dust separator for high temperature and pressurized environments, „Applied Thermal Engineering” 2005, Vol. 25, No. 11/12, s. 1821–1835.
[11] Karagoz I., Kaya F., CFD investigation of the flow and heat transfer characteristics in a tangential inlet cyclone, „International Communications in Heat Mass Transfer” 2007, Vol. 34, No. 9/10, s. 1119–1126.
[12] Dobrowolski B., Skulska M., Wydrych J., Numerical modelling of erosion wear of components of cyclone separators, „Archiwum Energetyki” 2008, t. 38, s. 63–70.
[13] Mothilal T., Pitchandi K., Influence of inlet velocity of air and solid particle feed rate on holdup mass and heat transfer characteristics in cyclone heat exchanger, „Journal of Mechanical Science and Technology” 2015, Vol. 29, No. 10, s. 4509–4518.
[14] Gimbun J., Chuah T.G., Choong T.S.Y., Fakhru’l - Razi A., Prediction of the effects of cone tip diameter on the cyclone, „Journal of Aerosol Science” 2005, Vol. 36, s. 1056–1065.
[15] Zhao B., Su Y., Zhang J., Simulation of gas flow pattern and separation efficiency in cyclone with conventional single and spiral double inlet configuration, „Chemical Engineering Research and Design” 2006, Vol. 84, No. 12, s. 1158–1165.
[16] Chu K.W., Wang B., Vince A., Yu A.B., Barnett G.D., Barnett P.J., CFD-DEM study of the effect of particle density distribution on the multiphase flow and performance of dense medium cyclone, „Minerals Engineering” 2009, Vol. 22, No. 11, s. 893–909.
[17] Chu K.W., Wang B., Yu A.B., Vince A., CFD-DEM modelling of multiphase flow in dense medium cyclones, „Powder Technology” 2009, Vol. 193, No. 3, s. 235–247.
[18] Elsayed K., Lacor C., Optimization of the cyclone separator geometry for minimum pressure drop using mathematical models and CFD simulations, „Chemical Engineering Science” 2010, Vol. 65, No. 22, s. 6048–6058.
[19] Safikhani H., Akhavan-Behabadi M., Shams M., Rahimyan M.H., Numerical simulation of flow field in three types of standard cyclone separators, „Advanced Powder Technology” 2010, Vol. 21, No. 4, s. 435–442.
[20] Misiulia D., Andersson A.G., Lundström T.S., Computational Investigation of an Industrial Cyclone Separator with Helical-Roof Inlet, „Chemical Engineering Technology” 2015, Vol. 38, No. 8, s. 1425–1434.
[21] Brar L.S., Sharma R.P., Elsayed K., The effect of the cyclone length on the performance of Stairmand high-efficiency cyclone, „Powder Technology” 2015, Vol. 286, s. 668–677.
[22] Wasilewski M., Duda J., Multicriteria optimisation of first-stage cyclones in the clinker burning system by means of numerical modelling and experimental research, „Powder Technology” 2016, Vol. 289, s. 143–158.
[23] Wasilewski M., Analysis of the effects of temperature and the share of solid and gas phases on the process of separation in a cyclone suspension preheater, „Separation and Purification Technology” 2016, Vol. 168, s. 114–123.
[24] Houben J.J.H., Weiss Ch., Brunnmair E., Pirker S., CFD Simulations of Pressure Drop and Velocity Field in a Cyclone Separator with Central Vortex Stabilization Rod, „Journal of Applied Fluid Mechanics” 2016, Vol. 9, No. 1, s. 487–499.
[25] Wasilewski M., Brar L.S., Optimisation of the geometry of cyclone separators used in clinker burning process: A Case Study, „Powder Technology” 2017, Vol. 313, s. 293–302.
[26] Wasilewski M., Analysis of the effect of counter-cone location on cyclone separator efficiency, „Separation Purification Technology” 2017, Vol. 179, s. 236–247.
[27] Gronald G., Derksen J.J., Simulating turbulent swirling flow in a gas cyclone: a comparison of various modeling approaches, „Powder Technology” 2011, Vol. 205, s. 160–171.
[28] Pirker S., Goniva C., Kloss C., Puttinger S., Houben J., Schneiderbauer S., Application of a hybrid Lattice Boltzmann-Finite Volume turbulence model to cyclone short-cut flow, „Powder Technology” 2013, Vol. 235, s. 572–580.
[29] Mikulčić H., Vujanović M., Ashhab M.S., Duić N., Large eddy simulation of a two-phase reacting swirl flow inside a cement cyclone, „Energy” 2014, Vol. 75, No. 10, s. 89–96.
[30] Bogodage S.G., Leung A.Y.T., CFD simulation of cyclone separators to reduce air pollution, „Powder Technology” 2015, Vol. 286, s. 488–506.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-4ddb671a-3f33-4ba6-addc-c5309122c530