Multilevel Modelling of Dispersed Multiphase Flows

Modélisation à plusieurs niveaux des écoulements polyphasiques dispersés

Twente University of Technology

Corresponding author: J. A. M. Kuipers@ct. utwente. nl

Abstract

Dispersed multiphase flows are frequently encountered in a variety of industrially important processes in the petroleum, chemical, metallurgical and energy industries. Scale-up of equipment involving dispersed multiphase flows is quite difficult which is mainly due to the inherent complexity of the prevailing flow phenomena (formation of bubbles and clusters in gas-particle flows). Especially during the last decade significant research efforts have been made in both academic and industrial research laboratories to study dispersed multiphase flows using detailed microbalance models (1 to 3). Despite current limitations it has become clear that this approach offers a powerful complementary strategy parallel to careful experimentation and it is therefore anticipated that the role of modelling based on detailed microbalance models for design and operation of multiphase chemical reactors will significantly expand in the near future. In this paper the concept of multilevel modelling will be highlighted with which flow phenomena at different spatial and temporal scales can be studied. In addition some illustrative results will be presented which highlight current modelling capabilities in the area of dispersed gas-liquid and gassolid two-phase flows. Broadly speaking three different classes of models can be distinguished, each with its own specific advantages and disadvantages, namely models suited to study multiphase flows at the microscopic, mesoscopic and macroscopic level. It should be stressed here that “particle” corresponds to dispersed elements such as solid particles, droplets or bubbles. Lattice Boltzmann models are useful to study flow phenomena at the microscopic level and can be used to develop closure laws for fluid-particle interaction needed in continuum models. Due to current limitations of computer capacity the lattice Boltzmann approach is limited to study the collective motion of 1000 suspended particles. Discrete particle models are useful to study flow phenomena at the mesoscopic level and can be used to develop closure laws for particle-particle and particle-wall interactions needed in continuum models. In the discrete particle approach one does not attempt to resolve the flow field at subparticle level and at present therefore far more (typically 100 000) particles can be allowed in the computation. As a logical consequence the closure laws for fluid-particle interaction have to be specified which can be obtained from the lattice Boltzmann model. Finally the knowledge obtained on the basis of the lattice Boltzmann model (closures for fluid-particle interaction) and the discrete particle model (closures for particle-particle and particle-wall interactions) can be implemented in continuum models which are useful to study flow phenomena at the macroscopic level.

Résumé

Les écoulements polyphasiques dispersés sont fréquemment rencontrés dans un grand nombre de procédés industriels importants dans les industries pétrolière, chimique, métallurgique et de l'énergie. L'extrapolation des équipements mettant en jeu des écoulements polyphasiques dispersés est très difficile à réaliser en raison de la complexité propre aux phénomènes d'écoulement (formation de bulles et d'amas dans les écoulements gaz/particule). Pendant les dix dernières années, des efforts importants de recherche ont été réalisés dans des laboratoires de recherche à la fois universitaires et industriels pour étudier les écoulements polyphasiques dispersés en utilisant des modèles basés sur des bilans à l'échelle microscopique (1 à 3). Malgré les limitations présentes, il est apparu clairement que cette approche offrait une puissante stratégie, complémentaire de l'expérimentation minutieuse, et l'on s'attend donc, dans un futur proche, à un développement important du rôle de la modélisation basée sur des modèles de bilans à l'échelle microscopique dans la conception et l'exploitation des réacteurs chimiques polyphasiques. Dans cet article, le concept de modélisation à plusieurs niveaux est présenté et utilisé pour étudier les phénomènes d'écoulement à différentes échelles temporelles et spatiales. En outre, quelques résultats représentatifs sont présentés ; ils mettent en relief les capacités de modélisation actuelles dans le domaine des écoulements à deux phases dispersées, gaz-liquide et gaz-solide. D'une façon générale, on distingue trois catégories de modèles différentes, à savoir des modèles adaptés à l'étude des écoulements polyphasiques à échelle microscopique, mésoscopique et macroscopique, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients spécifiques. Il convient de souligner que le terme particuledésigne des éléments dispersés tels que des particules solides, des gouttelettes ou des bulles. Les modèles de Boltzmann sur réseau sont utiles pour étudier les phénomènes à une échelle fluide-particule nécessaire dans les modèles en milieu continu. En raison des limitations actuelles de la capacité des ordinateurs, l'approche par réseau de Boltzmann est limitée à l'étude du mouvement simultané de 1000 particules en suspension. Des modèles de particule discrets sont utiles pour étudier les phénomènes d'écoulement à une échelle mésoscopique et peuvent être utilisés pour développer des lois d'encadrement pour les interactions entre les particules et les interactions particule-paroi nécessaires aux modèles en milieu continu. Dans l'approche avec particules discrètes, l'on ne cherche pas à résoudre le champ d'écoulement au niveau de la sous-particule, et actuellement un nombre nettement plus important de particules peut être utilisé de ce fait dans le calcul (généralement 100 000). Il en résulte logiquement que, pour les lois de fermeture pour l'interaction fluide-particule, il doit être spécifié celles pouvant être obtenues à partir du modèle de Boltzmann sur réseau. Finalement, les connaissances obtenues sur la base du modèle de Boltzmann (fermeture pour l'interaction fluide-particule) et le modèle discret de particule (fermeture pour l'interaction entre les particules et l'interaction particule-paroi) peuvent être mises en application dans des modèles en milieu continu qui sont utiles pour étudier les phénomènes d'écoulement à l'échelle macroscopique.