Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Critical analysis of underground coal gasification models. Part II: Kinetic and computational fluid dynamics models. Literary studies and comparison of models

Żogała A.

Journal of Sustainable Mining

|

2014

|

Vol. 13, iss. 1

29--37

EN

Purpose Underground coal gasification, as a complex and technically difficult process, in many aspects requires the support provided by computer simulations. There are a lot of mathematical models of UCG, some of them are concentrated with the forecast of syngas composition. The most important may be divided into three groups: equilibrium, kinetic and CFD models. The purpose of this work was the detailed critical analysis of more advanced approaches (than equilibrium considerations) applied in simulations of the coal conversion process – both kinetic and based on computational fluid dynamics. The other aim of this paper was the comparative analysis of the most important models of underground coal gasification. Methods Literary studies, concerned with the features and mathematical description of kinetic and CFD models of coal gasification, were used as the research method applied in the work presented. Compilation of the kinetic parameters of gasification reactions was an important part of this article. For that purpose the analysis of Polish and foreign papers, monographs and university handbooks was undertaken. Results Critical analysis of kinetic and CFD models of coal gasification (together with their mathematical formulation) was the result of considerations presented in this article. Kinetic equations were shown separately for pyrolysis, homogenous and heterogeneous reactions. In the case of CDF models, except for the presentation of the conservation equation, the most important methods of modeling turbulence are described (for the reason that this phenomenon may have significant inflence on the final results). Practical implications The work presented describes practical issues connected with kinetic and CFD models, focusing on their capabilities, drawbacks and possible application problems. Originality/ value This paper presents state of art in the field of coal gasification modeling using kinetic and computational fluid dynamics approach. The paper also presents own comparative analysis (concerned with mathematical formulation, input data and parameters, basic assumptions, obtained results etc.) of the most important models of underground coal gasification.

2

Kształt pola prędkości w wyrobiskach przewietrzanych wentylatorami wolnostrumieniowymi - symulacja numeryczna przy użyciu lepkościowych modeli turbulencji

Branny M., Filek K., Nowak B.

Górnictwo i Geoinżynieria

|

2010

|

R. 34, z. 3/1

23-32

PL

Do przewietrzania przodków w systemach komorowo-filarowych powszechnie stosowane są wentylatory wolno- strumieniowe. Skuteczność ich działania zależy od wielu czynników, wśród których podstawowe znaczenia mają parametry początkowe strumienia powietrza wytwarzanego przez wentylator oraz miejsce jego zabudowy w wyrobisku. W pracy przy użyciu metod CFD wyznaczono 3D pole prędkości w komorze. Porównywano wyniki uzyskane przy opisie przepływu trzema modelami turbulencji: dwurównaniowymi k-epsilon i k-omega SST oraz jednorównaniowym Spalarta-Allmarasa. Wyniki obliczeń konfrontowano z pomiarami kopalnianymi [6].

EN

Room and pillar headings are frequently ventilated with the use of jet fans. The range of penetration of an air stream generated by the jet fan is determined by several parameters; the major determinants being the initial stream parameters and the place of fan's installation. The paper presents a method of calculation 3D velocity fields in room and pillar headings. Results obtained with the use of three turbulence models, it is two equations model k-l i k-u SST and one equation of Spalart-Allmaras. Calculation were compared with measurements [Meyer 1993].

3

Numerical simulation of airflowin blind headings ventilated with jet fans

Branny M.

Archives of Mining Sciences

|

2003

|

Vol. 48, nr 4

425-443

EN

The paper presents a method of calculation of velocity field in blind galleries ventilated by jet fans. The CFD code was used in numerical prediction of the airflow. Mathematical model consists of equations of continuity, Navier-Stokes and the standard equations of k-[epsilon] model of turbulence. The governing equation system is modified in near-wall region by introducing the wall function. There was assumed that the flow is turbulent, geometrically three-dimensional and the air could be treated as an incompressible gas. There were studied the flow fields obtained for two galleries with different cross-sections. Calculations and in situ measurements were performed for galleries in cooper mines. The calculated flow field, projected on same horizontal planes is presented. The measurements were taken in four cross-sections of gallery. A rotating vane anemometer and velometer were used in measurements. The experimental results were used to test simulation data. The quantitative correlation between experimental and numerical results is good but there are notified quantitative differences, however the accuracy of numerical representation seems to be sufficient for practical applications. The reasons of above differences stick both in simplifications of theoretical model as well as in measurement technics. The selection of proper boundary conditions on walls (giving consideration to roughness of surfaces) and at inlet is fundamental for accurate predictions.

PL

Eksploatacja w kopalniach LGOM-u polega na rozcinaniu złoża pasami i komorami na filary technologiczne. Komory tworzą wyrobiska ślepe o długościach wynoszących przeważnie 25-30 m, które przewietrzane są wentylatorami wolnostrumieniowymi instalowanymi na ich wlotach. Skuteczność przewietrzania zależy od zasięgu strumienia generowanego przez wentylator, a jej ocena może opierać się na istniejącym rozkładzie parametrów takich jak prędkość przepływu, temperatura powietrza czy stężenie gazów. W artykule przedstawiono teoretyczny sposób wyznaczania pola prędkości w wyrobiskach ślepych przewietrzanych wentylatorami wolnostrumieniowymi oraz w oparciu o pomiary in situ podjęto próbę weryfikacji modelu. Do opisu ruchu powietrza w komorze wykorzystano techniką bazującą na metodach CFD. Rozważany przepływ jest typu eliptycznego, można w nim wyróżnić obszar ze strugą nawiewną, strefą objętą przepływem recyrkulacyjnym i warstwą z przepływem przyściennym. Model matematyczny złożony jest z równań Naviera-Stokcsa (1) i ciągłości (2) oraz dwu równań (4), (5) tworzących model lepkości turbulentnej k-[epsilon] ( kinetyczna energia turbulencji, dyssypacja kinetycznej energii turbulencji). Warunki brzegowe na ścianach zadawane są w postaci funkcji przyściennych uwzględniających chropowatość powierzchni. Przy formułowaniu równań zachowania opisujących przepływ w warstwie przyściennej korzystano z badań J. Nikuradzego. W rozwiązaniu numerycznym stosowano dwuwarstwowy model funkcji ściany, oparty na równaniach (10) i (11). Naprężenia styczne na ściance chropowatej wyznaczano z zależności (12) i (13). W węzłach bezpośrednio przylegających do ścian sztywnych model turbulentny jest modyfikowany poprzez uwzględnienie w równaniu (1) siły powodującej zmniejszanie prędkości w warstwie przyściennej, wynikającej z zależności (12), (13). Również w członach źródłowych równania (4) wprowadza się odpowiednie zmiany uwzględniające naprężenia styczne zdefiniowane wzorami (12), (13). W rozważaniach przyjmuje się, że przepływ ma charakter turbulentny 3D, a powietrze jest gazem nieściśliwym. Dyskretyzację obszaru przeprowadzono w oparciu o siatkę różnicową o przesuniętych węzłach. Przy wyprowadzaniu schematu różnicowego korzystano z metody objętości kontrolnej oraz techniki up wind. Człony konwekcyjne i dyfuzyjne aproksymowano schematem hybrydowym. Do wyznaczania pola prędkości i ciśnień stosowano algorytm (Branny 2000) wzorowany na procedurach SIMPLE/SIMPLER. Obliczenia i pomiary in situ prędkości przepływu powietrza wykonano dla dwóch komór różniących się wymiarami poprzecznymi i polami przekrojów. Kształt i wymiary komór, w których wykonano pomiary przedstawiono na rysunku 1. Wyrobiska przewietrzane były wentylatorami WOO-63. W obliczeniach numerycznych przyjęto, że komory mają kształt prostopadłościanów o wymiarach 5,0 x 2,0 x 27 m i 5,5 x 4,0 x 26 m. Wyznaczone pola prędkości prezentowane są w postaci rzutów na wybrane płaszczyzny pionowe (x1-x3) i przedstawione na rysunkach 2 i 3. W obu wariantach strumień powietrza płynie do przodka wzdłuż ścian wyrobiska przy których umieszczony jest wentylator, natomiast strumień powrotny wzdłuż ścian przeciwległych. Strefa wyrobiska rozciągająca się od wentylatora na odległość 17-18 m charakteryzuje się intensywnym mieszaniem powietrza. Ilość recyrkulującego powietrza w znacznej jej części przekracza wydatek wentylatora. Prędkość przepływu powietrza mierzono anemometrem skrzydełkowym firmy Lambrecht, welometrem precyzyjnym firmy Luga oraz anemometrem czaszowym firmy Castell. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają rozkłady prędkości (obliczonej i zmierzonej) wzdłuż linii pomiarowych (osi x2) w trzech wybranych przekrojach poprzecznych komory niskiej. Zmierzone i obliczone maksymalne i minimalne prędkości w odległościach równych 0,5 m od stropu i spągu oraz w połowie wysokości wyrobiska zestawiono w tabeli 1. Pod względem jakościowym, wygenerowany na drodze numerycznej obraz pola prędkości odzwierciedla przepływ rzeczywisty, odnotowuje się natomiast różnice ilościowe. Przyczyn tych różnic można upatrywać zarówno w uproszczeniach tkwiących w modelu teoretycznym, jak i w technice pomiaru prędkości przepływu. Zależności (12) i (13) uwzględniają tzw. chropowatość piaskową, opierającą się na jednym wymiarze charakterystycznym - wymiarze nierówności ściany. Wiadomo, że wpływ ma nie tylko wysokość nierówności, ale również ich kształt oraz gęstość rozmieszczenia na powierzchni. Wyrobiska górnicze charakteryzują się dużą, niejednorodną chropowatością ścian. Jest to rodzaj przewodów wentylacyjnych nic mający odpowiednika w innych zastosowaniach technicznych. W piśmiennictwie brakuje sprawdzonych wzorów uwzględniających wpływ tego typu chropowatości na przepływ w warstwie. Przy stosowanej technice pomiaru wielkością mierzoną był moduł wektora prędkości, natomiast kierunek i zwrot określano wizualnie. Przy tej metodzie błąd pomiaru może być znaczny, szczególnie w obszarach o zmiennym kierunku przepływu. Pomimo stwierdzonych różnic ilościowych pomiędzy obliczeniami i pomiarami można uznać, że wyniki symulacji numerycznej opisują przepływ rzeczywisty z wystarczającą dla praktyki dokładnością. Dokładność odwzorowania zależy przede wszystkim od wyboru właściwych warunków brzegowych na ścianach sztywnych (uwzględniających dużą chropowatość powierzchni) oraz w otworze nawiewnym.