Studies of erosion in gas-solid flows by using experimental and numerical techniques

Abstract

Die vorliegende Arbeit umfasst sowohl Experimente als auch numerische Simulationen. Eine experimentelle Analyse der Änderungen der Oberflächenrauheit von duktilen Materialien aufgrund von Feststoffpartikelerosion wird in einer Aufprallstrahlanlage unter Berücksichtigung von Erosionszeiten von 2,5, 5 und 10 Stunden und Neigungswinkeln von 10°, 20°, 30° und 40° durchgeführt. Die Luft- und Partikelgeschwindigkeit am Ausgang des Strahls waren ungefähr 26 m/s für die Luft und 9,5 m/s für die Partikel. Proben aus Aluminium 5754, Kupfer und Messing (70%Cu-30%Zn) wurden einer Erosion durch Quarzsand- und kugelförmige Glasperlenpartikeln mit einem anzahlgemittelten Durchmesser von 235,4 μm bzw. 211,5 μm unterzogen. Luftgeschwindigkeitsmessungen wurden am Ausgang des Aufprallstrahls unter Verwendung eines Einkomponenten-Laser-Doppler-Anemometers (LDA) durchgeführt. Messungen der Partikelbewegung wurden mit einer kombinierten Methode der Schattenbildgebung und der Particle Image Velocimetry (PIV) realisiert. Zweidimensionale Rauheitsprofile wurden durch optisches Scannen der Oberfläche jeder Probe nach der Erosion erfasst und mit dem Anfangszustand der Oberfläche verglichen. Die Veränderungen der Materialoberfläche wurden in der Region mit der stärksten Erosion anhand von drei Rauheitsparametern bewertet: 𝑅𝑎 (arithmetische Durchschnittshöhe), 𝑅𝑆𝑚 (durchschnittlicher Abstand an der Mittellinie) und Δ𝛾 (Standardabweichung der Rauhigkeitswinkelverteilung). Geschwindigkeitsmessungen des Strahlstroms zeigten den Einfluss des Neigungswinkels auf die Partikelbewegung. Die optischen Messungen lieferten den Einfluss von Feststoffpartikelerosion, Neigungswinkel und Partikelform auf die Oberflächenrauheit der untersuchten Materialien. Darüber hinaus ermöglichten die experimentellen Daten die Entwicklung einer einfachen Korrelation, um die Abhängigkeit des Rauhigkeitswinkel Δ𝛾 von der Feststoffpartikelerosion und dem Neigungswinkel für jedes analysierte Material abzuschätzen. Weiterhin wurde eine detaillierte experimentelle und numerische Untersuchung der Erosion durch Partikeltransport in einem pneumatischen Fördersystem durchgeführt. Erosions- und Partikelgeschwindigkeitsverteilungen wurden experimentell in einem pneumatischen Fördersystem erhalten, das aus einem horizontalen Rohr, einem 90°-Bogen, einem vertikalen Rohr und einem zweiten 90°-Bogen bestand. Krümmer aus Aluminium 6060-T66 wurden durch Quarzsand- und kugelförmige Glasperlenpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 234,6 μm bzw. 211,5 μm einer Erosion ausgesetzt. Die Erosionstiefe wurde an mehreren Stellen auf der Außenfläche beider Krümmer durch Anwendung einer nicht-invasiven Ultraschalltechnologie (UT) bewertet, aus der schließlich dreidimensionale Erosionskarten erhalten wurden. Die Geschwindigkeitsverteilungen des Fluides und der dispergierten Phase wurden vor jeder der Krümmer unter Verwendung eines Einkomponenten-Laser-Doppler-Anemometers und der Laserlichtschnitt in Kombination mit dem Particle Image Velocimetry gemessen. Es wurden Versuche mit einer Fördergeschwindigkeit von etwa 37,9 m/s für zwei unterschiedliche Partikelmassenbeladungen durchgeführt, d.h. η = 0,3 and 1,0 kg Partikel/kg Luft. Die experimentellen Ergebnisse zeigen nicht nur die unterschiedlichen Eigenschaften der Erosionskarten, die mit unterschiedlichen Partikelmassenbeladungen und Partikeltypen erhalten wurden, sondern auch das Auftreten des Abschirmeffekts mit zunehmender Partikelmassenbeladung. Mit den durchgeführten experimentellen Studien werden auch nützliche Informationen für die Validierung numerischer Methoden und Erosionsmodellen bereitgestellt. Überdies wurde das gekoppelte Euler-Lagrange Verfahren in Kombination mit dem Standard-k-ε-Turbulenz-Modell angewendet, um die zuvor beschriebene Gas-Feststoff- Strömung vorherzusagen und die Erosion abzuschätzen. Alle numerischen Simulationen wurden mit dem Open-Source-Code OpenFOAM® 4.1 durchgeführt. Die Standard-Lagrange- Bibliotheken von OpenFOAM® 4.1 wurden jedoch erweitert, um alle notwendigen Modelle zu berücksichtigen. Partikel werden sowohl unter Berücksichtigung der Translations- als auch der Rotationsbewegung verfolgt und alle relevanten Kräfte, die auf die Partikel wirken, wie Schwerkraft/Auftrieb, Widerstand und Auftrieb aufgrund von Scherung und Partikelrotation, werden berücksichtigt. Die turbulente Dispersion der Partikel wird stochastisch durch ein Einschritt-Langevin-Modell beschrieben und der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Partikel-Wand-Kollision wird stochastisch in Form einer Rauheitswinkelverteilung berücksichtigt. Die Partikel-Partikel-Interaktion, nämlich die 4-Wege-Kopplung, wird unter Berücksichtigung eines stochastischen Ansatzes berechnet, bei dem in jedem Lagrange- Zeitschritt ein fiktiver Kollisionspartner auf der Grundlage der lokalen Eigenschaften der realen Teilchen erzeugt wird (Eigenschaften in jeder numerischen Zelle). Vier in der Literatur verfügbare Erosionsmodelle werden implementiert und zusätzlich durch experimentelle Daten von Mazumder et al.1 and Solnordal et al.2 validiert. Außerdem wird eine numerische Validierung eines Gas-Feststoff-Strömung durchgeführt, wie von Huber3 and Huber and Sommerfeld4,5 beschrieben, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Berechnungen und Messungen erzielt wurde. Schließlich werden Vorhersagen der Erosionstiefe und der Geschwindigkeitsverteilung mit den erhaltenen experimentellen Daten verglichen. Darüber hinaus wird der Einfluss des Kopplungsgrades und der Oberflächenrauheit auf die Ergebnisse numerisch detailliert analysiert. Der Einfluss der Änderungen auf die Oberflächenrauheit aufgrund der Erosion auf die Partikelbewegung innerhalb des Systems und auf die Erosion selbst wird ebenfalls numerisch aufgezeigt. Die numerischen Ergebnisse verdeutlichen die Fähigkeit des gekoppelten Euler-Lagrange Verfahrens zur Vorhersage von Gas-Feststoff- Strömungen und zeigen, wie wichtig es ist, sowohl Partikelkollisionen als auch Partikel-Wand- Interaktion zu berücksichtigen. Obwohl einige Abweichungen festgestellt wurden, stimmen die meisten numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Daten der pneumatischen Fördereinrichtung ziemlich gut überein.

The current work is comprised of both experiments and numerical simulations. An experimental analysis of the changes in the surface roughness of ductile materials exposed to solid particle erosion is performed in an impingement jet facility considering erosion times of 2.5, 5 and 10 hours and inclination angles of 10°, 20°, 30° and 40°. Air and particle velocity at the exit of the jet were approximately 26 m/s and 9.5 m/s, respectively. Aluminium 5754, copper and brass (70%Cu-30%Zn) samples were subjected to erosion by quartz sand and spherical glass beads particles with a number mean diameter of 235.4 μm and 211.5 μm, respectively. Air velocity measurements were performed at the exit of the impingement jet by using a one-component laser Doppler anemometer (LDA). Measurements of particle motion were acquired by applying a combined method of shadow imaging and particle image velocimetry (PIV). Two-dimensional roughness profiles were acquired by optically scanning the surface of each sample after erosion and compared with the initial state of the surface. Changes in the material surface were assessed in the region with most pronounced erosion in terms of three roughness parameters: 𝑅𝑎 (arithmetic average height), 𝑅𝑆𝑚 (mean spacing at the mean line) and Δ𝛾 (standard deviation of the roughness angle). Velocity measurements of the jet flow demonstrated the influence of the inclination angle on particle motion. The optical measurements showed the influence of solid particle erosion, inclination angle and particle shape on the surface roughness of the analysed materials. Moreover, the experimental data allowed for the development of a simple correlation to estimate the dependence of the roughness angle Δ𝛾 on solid particle erosion and inclination angle for each material analysed. In addition, a detailed experimental and numerical analysis of erosion due to particle transport in a pneumatic conveying system was performed. Erosion and particle velocity distributions were obtained experimentally in a pneumatic conveying system composed of a horizontal pipe, a 90° bend, a vertical pipe and a second 90° bend. Aluminium 6060-T66 bends were exposed to erosion by quartz sand and spherical glass beads particles with a number mean diameter of 234.6 μm and 211.5 μm, respectively. Erosion depth was assessed at several locations on the outer surface of both bends by applying a non-invasive Ultrasonic Technology (UT), from which three-dimensional erosion maps were finally obtained. Fluid and dispersed phase velocity distributions were measured prior to each one of the bends by applying a onecomponent laser Doppler anemometer and the laser-light sheet technique combined with particle image velocimetry. Experiments were carried out with a conveying velocity of about 37.9 m/s for two different particle mass loadings, i.e. η = 0.3 and 1.0 kg particles/kg air. The experimental results not only show the distinct characteristics between the erosion maps obtained with different particle mass loadings and different particle types, but also show the emergence of the shielding effect with increasing particle mass loading. Also, with the conducted experimental studies useful information is provided for validating numerical methods and erosion models. Moreover, the coupled Euler-Lagrange approach in combination with the standard k-ε turbulence model was applied for predicting the previously described gas-solid flow and estimating erosion. All numerical simulations were performed using the free and open-source code OpenFOAM® 4.1. However, the standard Lagrangian libraries from OpenFOAM® 4.1 were extended to account for all necessary models. Particles are tracked considering both translational and rotational motion and all relevant forces acting on the particles, such as gravity/buoyance, drag and transverse lift due to shear and particle rotation, are accounted for. Particle dispersion due to turbulence is predicted stochastically by means of a single step Langevin equation and the influence of surface roughness on particle-wall interaction is accounted for stochastically in terms of a roughness angle distribution. Particleparticle interaction, namely 4-way coupling, is computed by considering a stochastic approach, in which a fictitious collision partner is generated each Lagrangian time step based on the local properties of real particles (properties in every numeric cell). Four erosion models available in the literature are implemented and validated through experimental data provided by Mazumder et al.1 and Solnordal et al.2. Furthermore, a numerical validation of a gas-solid flow as described by Huber3 and Huber and Sommerfeld4,5 is also performed, in which a good agreement between calculations and measurements was obtained. Lastly, predictions of erosion depth and velocity distribution are compared with the obtained experimental data. Moreover, the influence of the degree of coupling and surface roughness on the results are analysed numerically in detail. The impact of the changes on surface roughness due to erosion on particle motion within the system and erosion itself is numerically demonstrated as well. The numerical results highlight the ability of the coupled Euler-Lagrange approach in predicting gas-solid flows and reveal the importance of considering both inter-particle collisions and particle-wall interactions accounting for surface roughness. Although some discrepancies have been obtained, most of the numerical results are in reasonably good agreement with the experimental data acquired in the pneumatic conveying facility.