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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-9949-093X
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
Alternate title (s): Numerical and experimental investigation of granular flow and rotational drum axial and radial segregation phenomena
Author: Brandao, Rodolfo Junqueira
First Advisor: Barrozo, Marcos Antonio de Souza
Second Counselor: Duarte, Claudio Roberto
First member of the Committee: Ataíde, Carlos Henrique
Second member of the Committee: Coutinho Filho, Ubirajara
Third member of the Committee: Santos, Dyrney Araújo dos
Fourth member of the Committee: Medronho, Ricardo de Andrade
Summary: A compreensão acerca do comportamento de escoamentos granulares e da dinâmica de partículas é de fundamental importância no que diz respeito à concepção de projetos e otimização de equipamentos industriais. Dentre eles, os tambores rotatórios têm ganhado destaque devido à sua geometria relativamente simples, que consiste em uma estrutura cilíndrica horizontal que gira em torno do próprio eixo. Entretanto, a segregação de partículas tem se tornado um dos recorrentes problemas na utilização deste equipamento, podendo afetar negativamente a eficiência do processo de mistura. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo estudar o fenômeno de segregação de partículas em um tambor rotatório por meio de técnicas numéricas e experimentais. No estudo numérico, foi utilizada a abordagem Lagrangeana, na qual cada partícula é acompanhada, individualmente, com a consequente aplicação do balanço de forças, levando em consideração as interações com as demais partículas através de leis de contato. Experimentalmente, foram mensurados os coeficientes de restituição, atrito estático e atrito de rolamento, baseado nas normas da ASTM G194-08, além da determinação do ângulo de repouso estático e da velocidade crítica de centrifugação, avaliando o efeito das variáveis de projeto do equipamento e das propriedades físicas granulares. Quanto à abordagem Lagrangeana, realizou-se a utilização dos parâmetros DEM obtidos experimentalmente para quantificação da difusividade granular e da cinética de segregação no interior do tambor rotatório, avaliando a influência das propriedades físicas granulares como diâmetro e densidade. Para isto, foram empregadas razões de tamanho e densidade variando de 0,1 a 1,0, com o tambor operando nas velocidades de rotação de 1,0 rad/s e grau de preenchimento de 25%. Tanto as diferenças de diâmetro quanto as diferenças de densidade promoveram o fenômeno de segregação nas direções radial e axial. Uma análise mais aprofundada foi realizada em relação à constante cinética de segregação e o índice de segregação estacionário, para os quais foi avaliado a influência das propriedades granulares. Ao comparar as imagens do leito granular no estudo dos regimes de escoamento obtidas experimentalmente com as geradas pelo resolvedor numérico, foi observada a similaridade entre as mesmas, permitindo afirmar que a ferramenta numérica se mostrou promissora na análise do fenômeno.
Abstract: Understanding the behavior of granular flows and particle dynamics is of fundamental importance with regard to project design and optimization of industrial equipment. Among them, the rotating drums have gained prominence due to their relatively simple geometry, which consists of a horizontal cylindrical structure that rotates around the axis itself. However, particle segregation has become one of the recurring problems in the use of this equipment, which may negatively affect the efficiency of the mixing process. In this context, the present work aimed to study the phenomenon of particle segregation in a rotating drum by numerical and experimental techniques. In the numerical study, the Lagrangian approach was used, in which each particle is accompanied individually, with the consequent application of the balance of forces, taking into account the interactions with the other particles through contact laws. Experimentally, the coefficients of restitution, static friction and rolling friction were measured, based on ASTM G194-08 norms, as well as the determination of the static angle of repose and the critical speed of centrifugation, evaluating the effect of equipment design variables and of granular physical properties. As for the Lagrangian approach, the experimentally obtained DEM parameters were used to quantify the granular diffusivity and segregation kinetics inside the rotating drum, evaluating the influence of granular physical properties such as diameter and density. For this, size and density ratios ranging from 0.1 to 1.0 were employed, with the drum operating at rotational speeds of 1.0 rad / s and 25% fill degree. Both diameter differences and density differences promoted the phenomenon of segregation in the radial and axial directions. Further analysis was performed in relation to the segregation kinetic constant and the stationary segregation index, for which the influence of granular properties was evaluated. When comparing the granular bed images in the study of the experimentally obtained flow regimes with those generated by the numerical resolver, the similarity between them was observed, allowing to affirm that the numerical tool was promising in the analysis of the phenomenon.
Keywords: Tambor rotatório
Abordagem Lagrangena
Segregação de partículas
Dinâmica de partículas
Simulação numérica
Rotary drum
Lagrangian approach
Particle segregation
Particle dynamics
Numerical simulation
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: BRANDÃO, Rodolfo Junqueira. Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório, 2019. 184 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia , 2019. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27713
Date of defense: 16-Dec-2019
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