Υπολογιστική διερεύνηση της ισοθερμοκρασιακής ροής σε ρευστοποιημένη κλίνη ανακυκλοφορίας

Abstract

Στην εργασία αυτή γίνεται η τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση της ισοθερμοκρασιακής ροής συγκεκριμένης πιλοτικής μονάδας ρευστοποιημένης κλίνης ανακυκλοφορίας ισχύος 1.2ΜWth. Η συνεχόμενη αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος σε παγκόσμιο επίπεδο σε συνδυασμό με οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους επιβάλλουν την κατασκευή αποδοτικότερων σταθμών παραγωγής. Ένα από τα είδη των νέων σχετικά τεχνολογιών είναι οι ρευστοποιημένες κλίνες ανακυκλοφορίας (circulating fluidized bed – CFB). Ειδικότερα, στις περιπτώσεις των μονάδων μεγάλου μεγέθους, η επιστήμη της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (computational fluid dynamics - CFD) αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για τη σχεδίασή τους, καθώς οι ημιεμπειρικές σχέσεις υστερούν σε τέτοιας κλίμακας εφαρμογές. Έτσι, η επιστημονική κοινότητα έχει κατ’ αρχήν στρέψει το ενδιαφέρον στην κατανόηση της ισοθερμοκρασιακής (ή «κρύας») ροής στην κλίνη, δηλαδή στην συμπεριφορά του αέρα και των στερεών που βρίσκονται μέσα σ’ αυτήν από ρεολογικής άποψης. Ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο υπολογιστικής προσομοίωσης της κοκκώδους διφασικής ροής μέσα στην κλίνη είναι το EMMS (Energy-Minimization Multi-Scale) το οποίο βελτιώνει την εκτίμηση της οπισθέλκουσας δύναμης σε σχέση με τα υπάρχοντα μοντέλα. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης επηρεάζεται και από δευτερεύουσες παραμέτρους: Η επιλογή της οριακής συνθήκης τοίχου για τη στερεά φάση επηρεάζει το τελικό αποτέλεσμα και γι αυτό απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή. Ο συντελεστής αποκατάστασης δε, επιλέγεται με εμπειρικό τρόπο και έχει μικρό μερίδιο στην διαμόρφωση των αποτελεσμάτων. Τέλος, η μορφή που θα έχει το υπολογιστικό πλέγμα σχετικά με την ομοιομορφία του μεγέθους των υπολογιστικών κελιών επηρεάζει κατά πολύ τη λύση. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι το EMMS βελτιώνει τα αποτελέσματα συγκριτικά με το συμβατικό μοντέλο, και σε συνδυασμό με την παραμετρική διερεύνηση που έγινε παρέχονται σημαντικές πληροφορίες για την βέλτιστη μοντελοποίηση της ροής τόσο σε επίπεδο ακρίβειας της λύσης όσο και επίπεδο υπολογιστικού κόστους.

In this work, a three-dimensional numerical simulation of isothermal flow of a 1.2 MWth Circulating Fluidized Bed unit is performed. The constant increase of electric power worldwide, in conjunction with economic and environmental reasons necessitates the construction of more efficient power plants. Circulating fluidized bed (CFB) is one of the new technologies in the field of energy production industry. Especially, in case of large units, the science of computational fluid dynamics (CFD) is an important tool for their design, thus the imi-empirical relations are lagging behind in this scale applications. Thus, the scientific community is focusing on understanding the air and solid behavior inside it by rheological point of view. A promising numerical simulation model of the dense two-phase flow within the bed is EMMS (Energy-Minimization Multi-Scale), which improves the estimation of drag force compared with existing models. The results of simulation are influenced by secondary factors, too: The choice of wall boundary conditions for the solid phase affects the final result and therefore requires special attention. In addition, the rate of coefficient of restitution is chosen in an empirical way and has a stake in shaping the results. Finally, the uniformity of the computational grid throughout the bed has a significant effect to the solution. Finally it was shown that EMMS model improves the results compared with the conventional model, and combined with the results of parametric investigation, important information is provided for optimal modeling of flow both at the level of solution accuracy and computational cost level.