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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Numerical investigation of the erosion reduction in elbows promoted by a vortex chamber
Author: Duarte, Carlos Antonio Ribeiro
First Advisor: Souza, Francisco José de
First member of the Committee: Silveira Neto, Aristeu da
Second member of the Committee: Martignoni, Waldir Pedro
Summary: Erosive wear is usually a decisive factor for failure of pipelines plants. Many industrial processes which require conveying of erosive particles are directly exposed to problems of leakage or contamination. As a result, unnecessary costs are needed by maintenance operations. This industrial concern is responsible for leading researchers to develop analysis tools which can precisely quantify the problem of erosion. Due to this fact, to validate the CFD model, numerical results for the standard elbow are compared to the experimental data. After that, a vortex chamber was added to the standard elbow, preserving the same geometry characteristics (e.g., diameter and curvature radius) as well as the simulation parameters (e.g., initial velocity, density, viscosity, etc.). Based on four-way-coupled simulations of the gas-solid flow in both geometries, the comparison between the standard and vortex-chamber elbow results was performed and a detailed analysis of the mass loading influence on the flow and on the penetration rate was reached. The present work used the finite-volume, unstructured code UNSCYFL3D, which solves the gas flow using the fully coupled Euler-Lagrange approach. The two-layer k-epsilon was used to model turbulence effects. Interestingly, the results show that the penetration ratio in the vortex-chamber elbow does not exponentially reduces with the increase of the mass loading, distinguishing from the behavior observed in standard elbow. Another important finding is that the addition of the vortex chamber significantly shows the efficiency of the cushioning effect. Comparing the peak of penetration ratio in both elbow designs for a mass loading of 1.0, the reduction was around 93% when the vortex chamber is present. Therewith, based on numerical analyses of the coupled gas-solid flow the physical mechanism for the cushioning effect is proposed.
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.
Keywords: Elbow erosion
Vortex-chamber elbow erosion
Mass loading
Four-way coupling
Inter-particle collisions
Cushioning effect
Erosão em cotovelos
Erosão em cotovelos com câmara de vórtice
Carga mássica
Quatro-vias de acoplamento
Colisões entre partículas
Efeito de amortecimento
Desgaste mecânico
Lagrange, Funções de
Amortecimento (Mecânica)
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Language: eng
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: DUARTE, Carlos Antonio Ribeiro. Numerical investigation of the erosion reduction in elbows promoted by a vortex chamber. 2015. 95 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2015.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14986
Date of defense: 27-Mar-2015
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