Publicação: Contribuições ao estudo da fluidodinâmica em leito de jorro: estudos experimentais e de simulação via CFD
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
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Coorientador
Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Resumo
O leito de jorro é caracterizado por estabelecer um movimento cíclico e uniforme das
partículas em seu interior promovendo, desta forma, um íntimo contato entre as fases. Esta
característica em seu escoamento é de fundamental importância industrial, visto que a maioria
dos processos requerem uma adequada taxa de transferência de massa e energia. No entanto,
por possuir regiões de escoamento com diferentes caracteristícas e, a depender de suas
condições operacionais e geométricas, poder vir a operar em regime de instabilidade, um
maior entendimento de seu comportamento fluidodinâmico é necessário. No intuito de se
obter perfis de velocidade e porosidade em um leito de jorro cônico-cilíndrico, utilizou-se de
uma técnica intrusiva a qual emprega como sonda de medida fibra óptica. Para a validação
das medidas de velocidade realizadas por meio da sonda, foi utilizada uma técnica nãointrusiva
composta por uma câmera de alta velocidade. Já para a calibração da sonda para a
medida de porosidade, considerou-se a suposição de linearidade entre a intensidade do sinal
de voltagem captado pela sonda e a concentração de sólidos em um determinado volume de
medida. As medidas foram realizadas a diferentes condições de velocidade de ar, diâmetros de
esferas de vidro e alturas em relação à entrada do leito. Uma investigação sobre o quanto da
perturbação causada ao escoamento na utilização de uma técnica intrusiva foi realizada por
meio do registro da variação da altura e do deslocamento da fonte em relação ao eixo central
do leito. Empregou-se a técnica de Fluidodinâmica Computacional (CFD), utilizando-se do
modelo Euleriano Granular Multifásico, na determinação dos perfis de velocidade e
porosidade, e na análise numérica da perturbação causada ao escoamento pela introdução da
sonda nas mesmas condições empregadas experimentalmente. Como modelo de arraste,
utilizou-se dos modelos de GIDASPOW et al.(1992), GIDASPOW (1994) e RUC (1994).
Utilizou-se, também, do modelo de GIDASPOW que se encontra no manual do software
Fluent® e, visto que o mesmo se encontra redigido de forma equivocada neste manual,
pequenas variações quando comparados ao modelo correto foram obtidas. Os perfis simulados
utilizando-se dos modelos de GIDASPOW et al. (1992) e GIDASPOW (1994) subestimaram
os valores de velocidade na região de jorro enquanto o modelo RUC superestima os valores
de velocidade nesta mesma região, sendo que, na região anular tanto os perfis experimentais
quanto os simulados, com diferentes modelos de arraste, se mostraram próximos. Foi possível
prever, através da análise dos perfis de fração volumétrica de sólidos simulados, a perturbação
causada pela introdução da sonda ao escoamento, verificando uma satisfatória
correspondência entre estes e o experimental. Esta perturbação foi detectada com maior
intensidade na região de jorro e na região de transição entre esta e a região anular. A análise
de perturbação mostrou-se de fundamental importância quando da simulação de perfis de
propriedades do escoamento obtidos experimentalmente por uma técnica intrusiva, pois, na
prática os trabalhos sobre simulações encontrados na literatura não levam o fenômeno da
perturbação em consideração.
Abstract
The spouted bed is characterized by establishing an effective contact between the
phases and promoting a cyclical and uniform movement of the particles. This feature is of
great industrial importance since most processes require an adequate rate of mass and energy
transfer. However, depending on operating and geometric conditions the spouted bed can
operate in an unstable regime thus reducing its efficiency. So, a better understanding about its
fluid-dynamic behavior is necessary. In order to obtain velocity and porosity profiles in a
conical-cylindrical spouted bed, an intrusive fiber optical technique was used. To validate the
velocities measured by the probe a non-intrusive method composed by a high-speed video
camera was used. As for the calibration of the probe to measure the porosity, it was
considered the assumption of linearity between the intensity of the voltage signal captured by
the probe and the concentration of solids in a given volume of measurement. The
measurements were carried out at different air velocity conditions, diameters of glass spheres
and heights in the spouted bed. An investigation about the disturbance caused to the flow by
an intrusive technique was performed by recording the height variation and displacement of
the fountain. In this work, the Computational Fluid Dynamics (CFD), using the Eulerian
Granular Multiphase model was used to determine the porosity and velocity profiles and
numerical analysis of the flow disturbance caused by the introduction of the probe under the
same experimental conditions. The following drag models were investigated: GIDASPOW et
al. (1992), GIDASPOW (1994) and RUC (1994). The GIDASPOW model found in the
Fluent® user guide was also used and, as it is written so erroneous in this user guide, small
variations when compared to the correct model were obtained. The profiles obtained by
simulations using the models GIDASPOW et al. (1992) and GIDASPOW (1994) appeared to
underestimate the velocity values in the region of jet while the RUC model slightly
overestimates the velocity values in the same region. In the annular region the simulations
agree well with the experimental results regardless of the drag model used. It was possible for
all conditions examined experimentally to foresee, by means of analysis of the profiles of
solids volume fraction simulated, the disturbance caused by the introduction of the probe to
the flow. Disturbance was detected with greater intensity in the region of jet and in the
transition region between it and the annular region. The disturbance analysis is of great
importance while simulating the properties of the flow obtained experimentally by means of
an intrusive technique, because in practice the works on simulations present in the literature
do not take the disturbance phenomenon into account.
Palavras-chave
Leito de jorro, Sonda de fibra óptica, Modelagem multifásica, Método intrusivo, Spouted bed, Fiber optical probe, Multiphase modeling, Intrusive method, Processo de leito de jorro
Citação
SANTOS, Dyrney Araújo dos. Contribuições ao estudo da fluidodinâmica em leito de jorro: estudos experimentais e de simulação via CFD. 2011. 125 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.