Multi-Scale Modeling of Adhesion Forces in Gas-Solid Fluidized Beds

Modélisation multi-échelle des forces d'adhésion dans les lits fuidisés gaz-solide Le dépassement de la chute de pression du lit à la vitesse minimale de fluidisation, qui se produit pendant la transition d'un état de lit fixe à un état de lit fluidisé, est un phénomène courant pour les particules fines classées dans le groupe A selon la classification de Geldart. Ces particules présentent une hystérésis entre les courbes de chute de pression pour les trajectoires de vitesse de gaz décroissante et croissante. Cette étude utilise deux modèles de pression de particules adhésives dans des simulations de modèles à deux fluides pour incorporer l'influence de la force de Van der Waals interparticulaire, dans le but de prédire le dépassement de la pression. Le premier modèle de pression adhésive, développé dans le cadre de la théorie cinétique des écoulements granulaires rapides, n'a pas réussi à capturer le dépassement en raison de la prévalence de contacts multiples et prolongés dans les lits fixes. Nous avons proposé une fermeture alternative basée sur le nombre de coordination, générant une contribution adhésive significativement plus élevée que le modèle de la théorie cinétique et reproduisant avec succès le dépassement de la chute de pression.En outre, nous avons construit une base de données numériques CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method) pour prédire l'hystérésis dans la chute de pression. Cette base de données peut guider la formulation d'une équation de transport eulérienne pour le nombre de coordination, permettant l'incorporation des effets de l'historique des déformations. Nous avons étudié l'impact de la force de Van der Waals et de la friction statique sur la fluidisation des solides fins à l'échelle moyenne en utilisant des simulations CFD-DEM et leur rôle dans l'apparition du phénomène de dépassement de pression. Notre analyse examine des paramètres tels que la chute de pression du gaz, le vide du lit, le nombre de coordination, les pressions répulsives et adhésives des solides, le gradient vertical de vitesse des solides, le tenseur de tissu et la contrainte de cisaillement particule-paroi tout au long des processus de défluidisation et de fluidisation. Nous avons démontré qu'il est nécessaire de prendre en compte l'adhésion de Van der Waals pour prédire l'expansion homogène du lit sur toute la gamme des vitesses, du minimum requis pour la fluidisation au minimum pour le bullage. L'ensemble de données CFD-DEM généré peut guider le développement de fermetures de contraintes solides pour les modèles à deux fluides afin d'incorporer les effets de l'adhésion de Van der Waals et de la friction statique sur l'hydrodynamique de la fluidisation, ce qui permet de prédire l'hystérésis dans la chute de pression du lit à l'échelle macroscopique. Dans ce travail, nous avons incorporé un modèle de frottement statique-dynamique dans le code CFD-DEM massivement parallèle YALES2 à l'aide d'un algorithme en deux étapes, afin de remédier aux lacunes du modèle de frottement dynamique de Coulomb, qui est pratique pour les écoulements granulaires rapides mais ne s'applique pas aux lits stationnaires. Nous avons validé notre mise en œuvre par une série de tests à macro- et micro-échelle. En outre, nous avons introduit dans YALES2 les forces de Van der Waals entre particules et entre particules et parois, et validé cet ajout à l'échelle microscopique. En outre, nous avons postulé une expression de relaxation pour le terme source dans l'équation de transport des nombres de coordination et déterminé le temps de relaxation des nombres de coordination à l'aide de données de simulation CFD-DEM. En outre, nous avons utilisé une technique de pénalisation pour coupler de manière semi-implicite les phases gazeuse et solide, en particulier par le traitement implicite des forces de traînée et d'Archimède. Cette approche vise à résoudre les problèmes de stabilité rencontrés lorsque le couplage interphase est explicite.