Desenvolvimento e estudo da influência de um modelo de força de lubrificação em um leito fluidizado líquido utilizando CFD-DEM não resolvido
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17873 |
Resumo: | Solid-fluid multiphase flows are common occurrences in chemical engineering applications. Due to the scale and unpredictability of the fundamental phenomena in these systems, microscopic interactions between individual particles and the surrounding fluid are not easy to study empirically. In this context, computational engineering tools like CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics and Discrete Element Modelling) can offer a better understanding of such interactions due to its microscale approach. Most studies that employ CFD-DEM however focus on low viscosity fluids, such as gases, due to the increase in complexity that arises from interphase viscous forces with fluids like liquids. Because of this, little is known in terms of the influence of the lubrication force on the dynamics of concentrated solid-liquid flows, a dissipative force that increases the energy lost on particle-particle collisions. The present work aimed to develop, implement and validate an unresolved lubrication force model in CFD-DEM simulations, while also verifying its influence on chaotic solid-liquid flows such as a fluidized bed. Initially, a lubrication force model was implemented following an approach commonly found in literature and compared to experimental data from other authors. The model was then modified based on the results and validated successfully. Experimental fluidization data was collected for 1 mm alumina particles in water, in a fluidized bed with dimensions of 5 cm in diameter and 30 cm in length. The experimental setup was then simulated using an open-source unresolved CFD-DEM framework without the lubrication force. Once the simulation was successfully validated, they were repeated with the inclusion of the lubrication force model and results were compared between both sets of simulations but no significant change was observed. Fluidization conditions were then extrapolated by using a glycerin solution instead of water, thus increasing the fluid’s viscosity. In this case, the lubrication force caused a reduction in bed expansion and porosity, and results were closer to those predicted by empirical correlations than those produced by simulations without the lubrication force model. Overall, the results show that unresolved CFD-DEM is capable of correctly predicting the behavior of complex concentrated flows, and can be used to aid in designing liquid-solid fluidized beds. |
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Ferreira de Campos, João PedroLopes, Gabriela Cantarellihttp://lattes.cnpq.br/5680967191791061http://lattes.cnpq.br/6660433474820634https://orcid.org/0000-0002-4475-60755c4457d1-296c-4d5c-86ef-14f8ea94d4f62023-04-26T13:07:26Z2023-04-26T13:07:26Z2023-02-28FERREIRA DE CAMPOS, João Pedro. Desenvolvimento e estudo da influência de um modelo de força de lubrificação em um leito fluidizado líquido utilizando CFD-DEM não resolvido. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17873.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17873Solid-fluid multiphase flows are common occurrences in chemical engineering applications. Due to the scale and unpredictability of the fundamental phenomena in these systems, microscopic interactions between individual particles and the surrounding fluid are not easy to study empirically. In this context, computational engineering tools like CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics and Discrete Element Modelling) can offer a better understanding of such interactions due to its microscale approach. Most studies that employ CFD-DEM however focus on low viscosity fluids, such as gases, due to the increase in complexity that arises from interphase viscous forces with fluids like liquids. Because of this, little is known in terms of the influence of the lubrication force on the dynamics of concentrated solid-liquid flows, a dissipative force that increases the energy lost on particle-particle collisions. The present work aimed to develop, implement and validate an unresolved lubrication force model in CFD-DEM simulations, while also verifying its influence on chaotic solid-liquid flows such as a fluidized bed. Initially, a lubrication force model was implemented following an approach commonly found in literature and compared to experimental data from other authors. The model was then modified based on the results and validated successfully. Experimental fluidization data was collected for 1 mm alumina particles in water, in a fluidized bed with dimensions of 5 cm in diameter and 30 cm in length. The experimental setup was then simulated using an open-source unresolved CFD-DEM framework without the lubrication force. Once the simulation was successfully validated, they were repeated with the inclusion of the lubrication force model and results were compared between both sets of simulations but no significant change was observed. Fluidization conditions were then extrapolated by using a glycerin solution instead of water, thus increasing the fluid’s viscosity. In this case, the lubrication force caused a reduction in bed expansion and porosity, and results were closer to those predicted by empirical correlations than those produced by simulations without the lubrication force model. Overall, the results show that unresolved CFD-DEM is capable of correctly predicting the behavior of complex concentrated flows, and can be used to aid in designing liquid-solid fluidized beds.Escoamentos multifásicos do tipo sólido-fluido são recorrentes em aplicações de engenharia química. Devido à escala e dinamicidade dos fenômenos inerentes a esse tipo de sistema, efeitos microscópicos envolvendo partículas individuais são difíceis de serem estudados experimentalmente. Nesse sentido, ferramentas numéricas que usam a abordagem CFD-DEM (do inglês Fluidodinâmica Computacional – Método dos Elementos Discretos) têm se mostrado promissoras na compreensão dessas interações, já que simulam a fase sólida em uma microescala. No entanto, a grande maioria dos trabalhos nessa área utilizam fluidos de baixa viscosidade, como gases, devido à complexidade da modelagem de interações sólido-fluido em meios mais viscosos. Pouco se sabe sobre a influência da força de lubrificação, um efeito dissipativo que atua na colisão entre partículas na dinâmica de escoamentos concentrados. Dessa forma, o presente trabalho buscou desenvolver, implementar e validar um modelo de força de lubrificação não-resolvido em CFD-DEM, além de verificar sua validade para a simulação de escoamentos sólido-líquido em sistemas caóticos como um leito fluidizado. Incialmente, um modelo da força de lubrificação foi implementado e testado. A partir dos resultados obtidos, uma modificação foi proposta e validada com sucesso a partir de dados experimentais da literatura, reproduzindo o comportamento de restituição após colisões observadas experimentalmente. Foram coletados dados experimentais da fluidização de partículas de alumina de 1 mm de diâmetro em água, em um leito fluidizado de 5 cm de diâmetro e 30 cm de altura. O equipamento experimental foi então simulado utilizando um programa CFD-DEM de código aberto, inicialmente sem a força de lubrificação, produzindo resultados de queda de pressão e porosidade próximos dos dados experimentais e previstos pela literatura. Em seguida, as simulações foram repetidas com a inclusão da lubrificação, porém para a fluidização em água não foram observadas mudanças significativas. As simulações foram então extrapoladas para condições além das experimentais utilizando uma solução de glicerol como fluido. Nesse caso, o aumento a viscosidade fez com que a inclusão da força de lubrificação reduzisse a expansão do leito, produzindo resultados mais próximos dos previstos por correlações empíricas. Os resultados obtidos demonstraram que a modelagem CFD-DEM é uma ferramenta que pode auxiliar no projeto e estudo de escoamentos sólido-líquidos complexos, como um leito fluidizado, prevendo suas características fundamentais com boa exatidão.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessFluidização sólido-líquidoForça de lubrificaçãoCFD-DEMLiquid-solid fluidizationLubrication forceENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICADesenvolvimento e estudo da influência de um modelo de força de lubrificação em um leito fluidizado líquido utilizando CFD-DEM não resolvidoDevelopment and study of the influence of a lubrication force model on a liquid fluidized bed using unresolved CFD-DEMinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600500ad966bd7-9d47-4f1b-9732-0ad2f0578e62reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALJoão Pedro_dissertação_final.pdfJoão Pedro_dissertação_final.pdfDissertação de Mestradoapplication/pdf1280092https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17873/1/Jo%c3%a3o%20Pedro_disserta%c3%a7%c3%a3o_final.pdfbeeafa6a0a0f4b104cf9ab7e2f4daf31MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17873/3/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD53TEXTJoão Pedro_dissertação_final.pdf.txtJoão Pedro_dissertação_final.pdf.txtExtracted texttext/plain103521https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17873/4/Jo%c3%a3o%20Pedro_disserta%c3%a7%c3%a3o_final.pdf.txt1e7ce08af3d21d249161f11128e69093MD54THUMBNAILJoão Pedro_dissertação_final.pdf.jpgJoão Pedro_dissertação_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7081https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17873/5/Jo%c3%a3o%20Pedro_disserta%c3%a7%c3%a3o_final.pdf.jpg30dde2b4538d74d380bc93bd2382b0bbMD55ufscar/178732024-02-28 13:38:43.034oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17873Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-02-28T13:38:43Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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