Numerical investigation of the erosion reduction in elbows promoted by a vortex chamber

Abstract

O desgaste erosivo é geralmente um fator decisivo na ruptura de gasodutos. Muitos processos industriais que necessitam transportar partículas erosivas estão diretamente expostos a problemas de vazamento ou de contaminação. Como resultado, custos desnecessários são usados em operações de manutenção. Essa preocupação industrial é responsável por motivar os pesquisadores a desenvolver ferramentas de análise que possam quantificar com precisão o problema da erosão. Devido a esse fato, para validar o modelo de CFD, os resultados numéricos para o cotovelo padrão são comparados com dados experimentais. Depois disso, uma câmara de vórtice foi adicionada ao cotovelo padrão, mantendo as mesmas características geométricas (e.g., diâmetro e raio de curvatura), bem como os parâmetros de simulação (e.g., velocidade inicial, densidade, viscosidade, etc.). Com base em simulações com quatro vias de acoplamento do escoamento gás-sólido em ambas geometrias, a comparação entre os resultados de cotovelo padrão e do cotovelo com câmara de vórtice foi realizada e uma análise detalhada da influência da carga mássica no escoamento e na taxa de penetração foi obtida. O presente trabalho utilizou o código de volumes finitos UNSCYFL3D, que resolve o escoamento de gás usando a abordagem de Euler-Lagrange totalmente acoplada. O modelo k-epsilon duas camadas foi usado para modelar os efeitos de turbulência. Curiosamente, os resultados mostram que a taxa de penetração no cotovelo com câmara de vórtice não reduz exponencialmente com o aumento da carga mássica, contradizendo o comportamento observado no cotovelo padrão. Outra descoberta importante é que a adição da câmara de vórtice mostra significativamente a eficiência do efeito de amortecimento. Comparando-se o pico da taxa de penetração em ambos os modelos de cotovelo para uma carga mássica de 1.0, a redução foi cerca de 93 % quando a câmara de vórtice está presente. Com base em análises numéricas do escoamento de gás-sólido acoplado, o mecanismo físico do efeito de amortecimento é proposto.