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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Estudo experimental e numérico da dinâmica de partículas granulares em um tambor rotatório
metadata.dc.creator: Santos, Dyrney Araújo dos
metadata.dc.contributor.advisor1: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Duarte, Claudio Roberto
metadata.dc.contributor.referee1: Ataide, Carlos Henrique
metadata.dc.contributor.referee2: Vieira, Luiz Gustavo Martins
metadata.dc.contributor.referee3: Santana, César Costapinto
metadata.dc.contributor.referee4: Giudici, Reinaldo
metadata.dc.description.resumo: A eficiência dos processos industriais desenvolvidos em um tambor rotatório depende da forma como as partículas ou grãos movimentam-se em seu interior. O entendimento dos principais mecanismos que regem estes movimentos e a capacidade de prevê-los através de técnicas de modelagem computacional tornam-se de importância primordial para questões de operação, projeto e otimização. Neste sentido, este trabalho teve como foco a aplicação de metodologias experimentais e numéricas com o intuito de estudar: 1) o fenômeno de transição entre os diferentes regimes de escoamento; 2) mistura e segregação; 3) dinâmica de partículas em um tambor rotatório sob diferentes condições operacionais utilizando partículas com diferentes propriedades físicas. Foi proposta uma nova expressão para a velocidade crítica de rotação para centrifugação função, além do grau de preenchimento do tambor, das propriedades físicas das partículas. Uma modificação no modelo desenvolvido por Blumberg e Schlünder (1996) para a transição rolamento-cascateamento através da inclusão do efeito da forma das partículas foi também introduzida. Observou-se, pela primeira vez na literatura, o fenômeno de histerese quando da transição entre os regimes catarateamento-centrifugação o qual se mostrou dependente das propriedades físicas dos materiais particulados tais como: esfericidade, massa específica e coeficiente de atrito partícula-parede. Foi possível a realização de uma investigação, tanto quantitativa quanto qualitativa, acerca dos efeitos das diferenças de diâmetro, massa específica e da condição inicial do material no interior do tambor rotatório sobre o fenômeno de segregação radial e axial (mistura binária). O fenômeno da segregação axial foi observado apenas quando da diferença de diâmetros entre as partículas. A diferença tão somente da massa específica, independente das condições de velocidade de rotação e grau de preenchimento, não causou segregação axial. No que diz respeito à abordagem numérica, duas diferentes aproximações para a previsão do escoamento granular no interior do tambor foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. Comparações entre os perfis radiais de velocidade de sólidos experimentais e simulados através do modelo Euleriano mostraram que o modelo cinético-colisional, o qual tem sido aplicado com sucesso em muitas simulações de escoamento granulares diluídos pode, também, ser aplicado no tratamento de um escoamento granular denso presente em tambores rotatórios. Neste caso, observou-se também que a força de arrasto ou resistiva fluido-sólido pode ser negligenciada no caso de um tambor rotatório operando no regime de rolamento, onde não há entrada ou saída de fluido do sistema. No processo de calibração do modelo Lagrangeano através de um Planejamento Composto Central, os valores determinados dos parâmetros coeficiente de atrito (μp) e razão de amortecimento (ζ) para o arroz foram de, respectivamente, 0,425 e 0,149 (erro relativo de 2,9%), enquanto que para as esferas de vidro foram de 0,701 e 0,425 (erro relativo de 3,4%), respectivamente. Os parâmetros da modelagem Lagrangeana determinados para as partículas arredondadas (esferas de vidro) mostraram-se dependentes das condições operacionais. Já para as partículas irregulares (arroz), a calibração dos parâmetros através de um tambor em escala reduzida, mostrou-se adequada para o emprego na previsão do escoamento em tambores rotatórios em uma escala superior, podendo futuramente ser empregada em uma escala industrial.
Abstract: Since the industrial processes efficiency depends on the granular flow regime established under given operating conditions on the rotary drum, the ability to predict the particle motion inside this equipment, including the particle properties effect, is of primary importance. So, in this work an experimental and numerical study was carried out in order to investigate: the transition phenomenon between different flow regimes, the mixture and segregation phenomenon and the particle dynamic behavior inside an unbaffled rotary drum, under different operating conditions, using particles of different physical properties. A modification of the Blumberg and Schlünder model equation for rolling-cascading transition was proposed by the introduction of the particle shape effect, represented here by the sphericity. It was observed, for the first time, the hysteresis phenomenon in the transition between cataractingcentrifuging regimes which was shown to be dependent on the physical properties of the particles such as sphericity, density and particle-wall friction coefficient. A new expression relating the critical rotation speed for centrifuging as a function of the filling degree, which takes into consideration the particle properties and the hysteresis effects, was proposed. Regarding the segregation phenomenon, radial segregation due to particle diameter and density differences was observed in all systems studied after a few drum rotations. Size induced axial segregation (banding) was observed, as expected. However density differences alone did not induce axial segregation. As regards the numerical investigation, two different approaches were used for the granular flow prediction inside a rotary drum: Eulerian and Lagrangian. For the Eulerian approach, the results indicated that the kinetic model, which has been successfully applied in many dilute granular flow simulations, may also be applied in the dense granular flow treatment present in rotary drums. It was also observed that, the drag force can be neglected in the case of a rotating drum operated in the rolling regime where there is no fluid entering or leaving the system. Taking the computational efforts into account, this force can be set to zero in the entire calculation domain. For the Lagrangian model calibration, a sensitivity analysis of the numerical dynamic angle of repose due to variations in the friccional coefficient (μf) and the damping ratio (β), both varying from 0.149 to 0.701, was assessed using a Central Composite Design. The smallest deviation from the experimental data when using rice grains was obtained in the simulation whose parameters values were μf = 0.425 and β = 0.149 with an error of about 2.9%. As regards the glass beads, the smallest deviation between experiment and simulation was found using a friction coefficient μf = 0.701 and damping ratio β = 0.425 with an error of about 3.4%. For the case of the rotary drum using rice grains, which are characterized by irregular shapes, the calibrated model was affected by neither the filling degree nor the drum rotation speed. On the other hand, in the case of rounded particles (glass beads), the Lagrangian model parameters should be calibrated to specific conditions of rotation speed and filling degree and cannot be generalized.
Keywords: Regimes de escoamento
Mistura e segregação, Velocidade de partículas
DEM
CFD
Flow regimes
Mixture and segregation
Particle velocity
Escoamento multifásico
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Citation: SANTOS, Dyrney Araújo dos. Estudo experimental e numérico da dinâmica de partículas granulares em um tambor rotatório. 2015. 227 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2015.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15091
Issue Date: 23-Jul-2015
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