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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-2538-4517
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo numérico dos efeitos de microbolhas para redução de atrito em canais com escoamento ascendente
Alternate title (s): Numerical study of the effects of microbubbles for reducing friction in channels with upward flow
Author: Velasco, Lívio José
First Advisor: Souza, Francisco José de
First member of the Committee: Silveira Neto, Aristeu da
Second member of the Committee: Almeida, Odenir de
Third member of the Committee: Ataíde, Carlos Henrique
Fourth member of the Committee: Duarte, Cláudio Roberto
Summary: Nosso ambiente é cercado por turbulência, e escoamentos turbulentos são encontrados com frequência em diversas aplicações de engenharia, como em compressores, bombas e transporte de fluidos por dutos. Na maioria das aplicações o arrasto é o grande responsável pelas transformações energéticas e é consideravelmente maior nesse regime de escoamento do que em escoamentos laminares. Assim, reduzir a força de arrasto nos escoamentos turbulentos é uma questão que está em constante desenvolvimento e diversas técnicas foram desenvolvidas com este objetivo. A utilização de microbolhas como forma de diminuir o arrasto chama a atenção pela acentuada redução adquirida com a técnica, e as suas vantagens ambientais. Uma melhor compreensão da física que acarreta a redução de arrasto por microbolhas pode gerar benefícios financeiros significativos em diferentes tipos de transporte. Com este objetivo foram realizadas simulações numéricas utilizando a metodologia de DNS em escoamentos com microbolhas em um canal vertical com escoamento turbulento ascendente. Para as simulações foi utilizado o código UNSCYFL3D, desenvolvido no MFlab, no qual as equações de Navier-Stokes na formulação incompressível são resolvidas numericamente através do método de volumes finitos em malhas não-estruturadas. Foi feito o uso da abordagem euleriana-lagrangiana, onde a fase contínua é tratada sobre um referencial euleriano e as microbolhas por um referencial lagrangiano, com o movimento das bolhas regido pela segunda lei de Newton, sendo o acoplamento entre as fases do tipo duas vias. Através de um estudo sistemático foi analisada a influência de dois valores para a fração volumétrica do gás (0,1% e 0,5%) e três diâmetros diferentes para as microbolhas (100 µm, 200 µm e 500 µm). A adição das microbolhas no escoamento fez com que para o mesmo gradiente de pressão os perfis de velocidade dos casos com microbolhas apresentassem um aumento em relação ao perfil do escoamento monofásico, implicando na redução de atrito. A presença das microbolhas no escoamento impactou de maneira significativa o escoamento na subcamada viscosa. Por meio do coeficiente de atrito de Fanning foi possível quantificar globalmente a redução de atrito neste estudo para as seis combinações de casos possíveis, sendo que a máxima redução alcançada ficou em torno de 20%. Esse percentual foi computado para a fração volumétrica de 0,5% e o diâmetro menor, 100 µm. Os resultados confirmam a influência direta da fração volumétrica na redução de atrito, além de mostrar que o tamanho das bolhas também tem o seu papel na redução de atrito, mesmo que com menos influência.
Abstract: Our environment is surrounded by turbulence, and turbulent flows are often encountered in a variety of engineering applications, such as in compressors, pumps and pipelines. In most applications, friction is largely responsible for energy transformation and is considerably larger in turbulent flows than in laminar flows. Thus, reducing the drag force in turbulent flows is an issue that is constantly evolving and several techniques have been developed for this purpose. The use of microbubbles as a means of reducing friction draws attention to the reduction achieved with the technique and its environmental advantages. A better understanding of the physics that entails the reduction of microbubble drag can generate significant financial benefits in different types of transport. With this objective, numerical simulations were performed using the DNS methodology in flow with microbubbles in an ascending turbulent channel flow. For the simulations, the UNSCYFL3D code, developed in the MFlab, was used in which the Navier-Stokes equations in the incompressible formulation are solved numerically through the finite volume method in unstructured meshes. The Euler-Lagrange approach was used, where the continuous phase is treated on an Eulerian reference and the microbubbles by a Lagrangian reference, with the movement of the bubbles governed by Newton's second law, and a two-way coupling between the phases. The influence of two values for the volume fraction of the gas (0,1% e 0,5%) and three different diameters for the microbubbles (100 µm, 200 µm e 500 µm was analyzed. The addition of the microbubbles in the flow caused that for the same pressure gradient the velocity profiles of the cases with microbubbles presented an increase in relation to the profile of the single phase flow, implying in the reduction of friction. The presence of microbubbles in the flow significantly impacted the flow in the viscous sublayer. By means of Fanning's coefficient of friction it was possible to quantify the overall reduction of friction in this study for the six possible combinations of cases, and the maximum reduction achieved was around 20%. This percentage was computed for the volume fraction of 0,5% and the smaller diameter, 100 µm. The results confirm the direct influence of the volumetric fraction on the reduction of friction, besides showing that the size of the bubbles also plays a role in reducing friction, even if with less influence.
Keywords: Redução de atrito
Friction reduction
Microbolhas
Microbubbles
Escoamento vertical ascendente
Vertical ascending flow
DNS
Abordagem Euler-Lagrange
Euler-Lagrange approach
Engenharia mecânica
Escoamento bifásico
Atrito
Lagrange, Equações de
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Atrito
Escoamento
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: VELASCO, Lívio José. Estudo numérico dos efeitos de microbolhas para redução de atrito em canais com escoamento ascendente. 2019. 92 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.327
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.327
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/31154
Date of defense: 8-Mar-2019
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