Computational Fluid Dynamics Modeling and Mathematical Optimization of Recovery Boilers

Tämä väitöskirja kuuluu sovelletun laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) tutkimusalaan. Tutkimuksen keskipisteenä on olemassa olevien korkeinta tasoa edustavien CFD- ja matemaattisten optimointimenetelmien hyödyntäminen moniskaalaisiin erittäin suuren kokoluokan suunnittelun optimointitehtäviin. Tutkittavana sovelluksena on soodakattila. Soodakattilaa käytetään mustalipeän polttamiseen, joka on sellunvalmistusprosessin sivutuote. Tavoitteena on parantaa ymmärryksen tasoa soodakattilan sisäisistä monimutkaisista fysikaalisista ja kemiallisista ilmiöistä. Tässä väitöskirjassa useiden suunnitteluratkaisuiden vaikutuksia näihin ilmiöihin tutkitaan systemaattisesti ja kvantitatiivisesti ensimmäisen kerran. Ensimmäinen osa keskittyy palamisprosesseihin soodakattilan tulipesässä. Sijaismallipohjainen optimointimenetelmä ja CFD-mallinnus yhdistetään tulipesän dimensioiden ja palamisprosessien yhteyden paremmaksi ymmärtämiseksi sekä kvantifioimiseksi. Optimoinnin tuloksena saadaan Pareto-optimaalisten geometrioiden joukko ja syitä palamisprosessien tehostumiselle tutkitaan. Tämän jälkeen tehdään hyvin systemaattinen CFD-tutkimus, jossa pyritään ymmärtämään tyypillisten sekundääritason ilmajärjestelmään liittyvien suunnitteluratkaisuiden vaikutuksia sekoittumiseen, tunkeutumiseen sekä pystysuuntaisen virtauskentän tasaisuuteen. Useita ilmajärjestelmän optimaalista suunnittelua koskevia johtopäätöksiä muotoillaan. Toinen osa keskittyy virtauskenttään ja lämmönsiirtoon soodakattilan tulistinalueella. Sijaismallipohjainen optimointimenetelmä ja CFD-mallinnus integroidaan tulistinalueen geometrian vaikutusten paremmaksi ymmärtämiseksi virtauskenttään sekä lämmönsiirtoon. Numeerisia tuloksia analysoidaan ja selitetään fysikaalisia mekanismeja parantuneen suorituskyvyn taustalla sekä selitetään linkki geometrian, virtauskentän ja lämmönsiirron välillä. Tämän jälkeen kehitetään uusi täysin kolmiulotteinen CFD-malli tulistinalueen monimutkaisten kolmiulotteisten virtaus- ja lämmönsiirtoilmiöiden simuloimiseksi. Kaksi sarjaa täyden teollisen mittakaavan mittauksia raportoidaan ja niitä hyödynnetään simuloinnin tulosten validoimiseksi. Kolmiulotteisten tulosten lisäarvo ja uudet johtopäätökset havainnollistetaan. Tämän työn tärkeimmän lisäarvon katsotaan muodostuvan seuraavista tekijöistä. Ensisijaisesti, työ on yksi ensimmäisistä kattavista soodakattilan sisäisiä prosesseja käsittelevistä numeerisista tutkimuksista. Merkittävää uutta tietoa saadaan seuraavilta alueilta: 1) tulipesän geometrian suunnittelusta, 2) tulistinalueen geometrian suunnittelusta ja 3) palamisilmajärjestelmän suunnittelusta. Lisäksi tehdään poikkeuksellinen validointitutkimus simulointien ja kokeiden välillä tulistinalueella. Lopuksi, merkittävää uutta tietoa saadaan optimointimenetelmien käytöstä soodakattiloiden ja samankaltaisten erittäin suuren kokoluokan sovellusten kontekstissa.