Modeling of particle-radiation-interaction for the numerical simulation of coal combustion

Gronarz, Tim; Kabelac, Stephan; Kneer, Reinhold

doi:36989

Modeling of particle-radiation-interaction for the numerical simulation of coal combustion = Modellierung der Partikel-Strahlungs-Interaktion für die numerische Simulation der Kohleverbrennung

Gronarz, Tim^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tim Gronarz

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (g, 157 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Kabelac, Stephan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223279
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/721924/files/721924.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mie theory (frei) ; coal combustion (frei) ; particle radiation (frei) ; thermal radiation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wärmestrahlung an Partikeln im Kontext der Verbrennung pulverisierter Kohleuntersucht, entsprechende Modellierungsansätze vorgestellt und eine Parametervariation durchgeführt, um die Einflüsse der verschiedenen, die Wärmeübertragung durch Strahlung beeinflussenden Parameter, zu bewerten. Um ein grundsätzliches Verständnis zu erreichen, werden zunächst die Streu- und Absorptionseigenschaften von Kohlepartikeln mit Hilfe der Mie Theoriegenau untersucht. Die Mie Theorie wird im Rahmen dieser Arbeit als Referenzlösung verwendet. Der komplexe Brechungsindex ist die Materialeigenschaft, mit der die Interaktion von Wärmestrahlung und Materie beschrieben wird. Die verfügbaren Daten zum komplexen Brechungsindex von Kohle und Asche werden im Rahmen dieser Arbeit analysiert, verglichen, und hinsichtlich ihres Einflusses auf die Streu- und Absorptionseigenschaften untersucht. Anschließend werden Modellierungsansätze für die Beschreibung der Streuung und Absorption von Wärmestrahlung an Kohle- und Aschepartikeln vorgestellt. Darunter ist ein neuartiger Modellierungsansatz zur Beschreibung der Variation der Streu- und Absorptionseigenschaften von Kohlepartikeln während des Ausbrandes, basierend auf einem Schalenmodell. Zudem werden neuartige Approximationen für die Streufunktion vorgestellt. Ein vielversprechender Ansatz für die Streufunktion ist die modifizierte Henyey-Greenstein Phasenfunktion und mit Hilfe der Mie Theorie berechnete Vorwärtsstreufaktoren. Zuletzt werden diese Modelle in ein Programm zur Berechnung des Strahlungswärmetransporte simplementiert. Dazu wird die Streuphasenfunktion mit einer maßgeschneiderten Integrationsmethode, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, über diskrete Raumwinkel integriert. Die Modelle werden hinsichtlich ihres Einflusses auf den Wärmetransport untersucht. Neben den Streu- und Absorptionseigenschaften der Partikel werden alle anderen Parameter, die den Wärmestrom durch Strahlung beeinflussen können variiert, ihr Einfluss auf die Wärmeübertragung untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Eine wichtige Erkenntnisdieser Untersuchung für die vorliegende Arbeit ist, dass der Einfluss der Phasenfunktion mit einer guten Approximation hinreichend genau beschrieben werden kann. Die Ergebnisse dieser Dissertation können als Leitfaden dienen, wie Wärmestrahlung in Kohleverbrennungssimulationen behandelt werden kann.Wärmestrahlungan Partikeln im Kontext der Verbrennung pulverisierter Kohleuntersucht, entsprechende Modellierungsansätze vorgestellt und eine Parametervariationdurchgeführt, um die Einflüsse der verschiedenen, die Wärmeübertragungdurch Strahlung beeinflussenden Parameter, zu bewerten.Um ein grundsätzliches Verständnis zu erreichen, werden zunächst die StreuundAbsorptionseigenschaften von Kohlepartikeln mit Hilfe der Mie Theoriegenau untersucht. Die Mie Theorie wird im Rahmen dieser Arbeit als Referenzlösungverwendet. Der komplexe Brechungsindex ist die Materialeigenschaft, mitder die Interaktion von Wärmestrahlung und Materie beschrieben wird. Dieverfügbaren Daten zum komplexen Brechungsindex von Kohle und Asche werdenim Rahmen dieser Arbeit analysiert, verglichen, und hinsichtlich ihres Einflussesauf die Streu- und Absorptionseigenschaften untersucht.Anschließend werden Modellierungsansätze für die Beschreibung der Streuungund Absorption von Wärmestrahlung an Kohle- und Aschepartikeln vorgestellt.Darunter ist ein neuartiger Modellierungsansatz zur Beschreibung der Variationder Streu- und Absorptionseigenschaften von Kohlepartikeln während desAusbrandes, basierend auf einem Schalenmodell. Zudem werden neuartige Approximationenfür die Streufunktion vorgestellt. Ein vielversprechender Ansatzfür die Streufunktion ist die modifizierte Henyey-Greenstein Phasenfunktion undmit Hilfe der Mie Theorie berechnete Vorwärtsstreufaktoren.Zuletzt werden diese Modelle in ein Programm zur Berechnung des Strahlungswärmetransportesimplementiert. Dazu wird die Streuphasenfunktion miteiner maßgeschneiderten Integrationsmethode, die in dieser Arbeit vorgestelltwird, über diskrete Raumwinkel integriert. Die Modelle werden hinsichtlichihres Einflusses auf den Wärmetransport untersucht. Neben den Streu- undAbsorptionseigenschaften der Partikel werden alle anderen Parameter, die denWärmestrom durch Strahlung beeinflussen können variiert, ihr Einfluss auf dieWärmeübertragung untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Eine wichtige Erkenntnisdieser Untersuchung für die vorliegende Arbeit ist, dass der Einfluss derPhasenfunktion mit einer guten Approximation hinreichend genau beschriebenwerden kann.Die Ergebnisse dieser Dissertation können als Leitfaden dienen, wie Wärmestrahlungin Kohleverbrennungssimulationen behandelt werden kann.

In the present dissertation, scattering and absorption of thermal radiation by particles in coal combustion scenarios is investigated, modeling approaches are derived and a parameter variation is performed to quantify the influence of the parameters determining heat transfer. In the first section, scattering and absorption properties of coal particles are investigated, making use of the detailed Mie theory which serves as the reference solution throughout the present work. The complex index of refraction which is the material property that determines the interaction of matter with thermal radiation is introduced. Available data on the complex index of refraction for coal and ash particles in literature are compared, discussed investigated regarding their influence on the scattering and absorption properties. Then, modeling approaches are derived that allow to describe scattering and absorption by coal and ash particles in numerical simulations of coal combustion efficiently. This includes a novel approach to describe the variation of scattering and absorption properties of coal particles undergoing burnout based on a shell model. Also, new approximations for the scattering phase function are presented. A very promising approximation for the scattering phase function is provided by the modified Henyey-Greenstein scattering phase function and forward scattering factors calculated from precise Mie theory calculations. Finally, these models are implemented in a program to solve the radiative transport equation numerically. To be applied in a numerical scheme with an angular discretization, the scattering phase functions are integrated over discrete solid angles based on a customized integration procedure which is introduced in this work. The derived models are tested regarding their ability to describe scattering and absorption by particles. Besides the scattering and absorption properties of the particles, all remaining parameters determining radiative heat transfer in coal combustion scenarios are varied and their influence on heat transfer is investigated and the results are discussed. The most important finding for the present work is that with a good approximate scattering phase function, scattering by coal and ash particles can be described very reasonably. Finally, this thesis can be used as a guide on how to treat radiative heat transfer in coal combustion simulations.

OpenAccess:
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