Efeito de forças hidrodinâmicas em colisões partícula-superfície em diferentes meios fluidos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Melo, Karla Raphaela Braga de
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19128
Resumo: Energy dissipation in systems, such as solid-gas and solid-liquid, can occur in several ways, including resistance to motion, interfacial interactions, deformation, and particle collision. In gas-solid flows, the main energy dissipation occurs due to plastic deformation, internal friction or elastic losses during interactions between particles or between particles and surfaces. On the other hand, in liquid flows, factors such as surface tension, adhesion and dissipative forces are relevant. One of the ways to measure this dissipation is by measuring the restitution coefficient, a dimensionless coefficient given by the ratio between the restitution and impact velocities. In liquids, this parameter is also related to the liquid's ability to dissipate energy during a collision and is called the effective coefficient of restitution. The study of this dissipation is crucial to understanding system behavior, optimizing processes, and designing efficient devices. In this context, this work aims to investigate the various factors involved in collisions that affect the restitution coefficients and the effective restitution coefficient. To this end, commercial particles of ABS, porcelain, carbon steel (coated or not with a polymeric film), polypropylene and high alumina were characterized in terms of density, diameter and Young's modulus and used in experimental particle-surface collision tests. In tests in air, the results showed a decreasing trend in the coefficient of restitution with the increase in the number of successive impacts in collisions and the ratio of particle diameter/thickness of the collision plate. Furthermore, the influence of material properties on the restitution coefficient values was observed, including the effect of a polymeric film covering carbon steel spheres. In liquid experiments, effective restitution coefficient results were obtained at different concentrations of glycerin solution, and a directly proportional relationship was observed between the increase in this parameter and the Stokes number. Finally, experimental data from the literature were used to validate a proposed correlation for predicting the dry restitution coefficient as a function of particle properties, wall thickness and impact velocity. The results demonstrated that the correlation satisfactorily described the experimental data and proved to be an effective tool in predicting this parameter.
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In gas-solid flows, the main energy dissipation occurs due to plastic deformation, internal friction or elastic losses during interactions between particles or between particles and surfaces. On the other hand, in liquid flows, factors such as surface tension, adhesion and dissipative forces are relevant. One of the ways to measure this dissipation is by measuring the restitution coefficient, a dimensionless coefficient given by the ratio between the restitution and impact velocities. In liquids, this parameter is also related to the liquid's ability to dissipate energy during a collision and is called the effective coefficient of restitution. The study of this dissipation is crucial to understanding system behavior, optimizing processes, and designing efficient devices. In this context, this work aims to investigate the various factors involved in collisions that affect the restitution coefficients and the effective restitution coefficient. To this end, commercial particles of ABS, porcelain, carbon steel (coated or not with a polymeric film), polypropylene and high alumina were characterized in terms of density, diameter and Young's modulus and used in experimental particle-surface collision tests. In tests in air, the results showed a decreasing trend in the coefficient of restitution with the increase in the number of successive impacts in collisions and the ratio of particle diameter/thickness of the collision plate. Furthermore, the influence of material properties on the restitution coefficient values was observed, including the effect of a polymeric film covering carbon steel spheres. In liquid experiments, effective restitution coefficient results were obtained at different concentrations of glycerin solution, and a directly proportional relationship was observed between the increase in this parameter and the Stokes number. Finally, experimental data from the literature were used to validate a proposed correlation for predicting the dry restitution coefficient as a function of particle properties, wall thickness and impact velocity. The results demonstrated that the correlation satisfactorily described the experimental data and proved to be an effective tool in predicting this parameter.A dissipação de energia mecânica em sistemas, como sólido-gás e sólido-líquido, pode ocorrer de várias maneiras, incluindo resistência ao movimento, interações interfaciais, deformação e colisão das partículas. Em escoamentos gás-sólido, a dissipação resulta de deformação plástica, fricção interna ou perdas elásticas nas interações entre partículas ou com superfícies. Em fluxos líquidos, tensão superficial, adesão e forças dissipativas são relevantes. O coeficiente de restituição, obtido pela razão entre velocidades de restituição e impacto, mensura essa dissipação. Em líquidos, esse parâmetro está relacionado à capacidade do líquido em dissipar energia durante uma colisão, denominado coeficiente de restituição efetivo. Estudar essa dissipação é crucial para compreender o comportamento do sistema, otimizar processos e projetar dispositivos eficientes. Neste contexto, este trabalho objetiva investigar os diversos fatores envolvidos nas colisões que afetam os coeficientes de restituição e o coeficiente de restituição efetivo. Para isso, partículas comerciais de ABS, porcelana, aço carbono (recobertas ou não com um filme polimérico), polipropileno e alta alumina foram caracterizadas quanto à densidade, diâmetro e módulo de Young e utilizadas em ensaios experimentais de colisões partícula-superfície. Nos ensaios em ar, os resultados evidenciaram uma tendência decrescente do coeficiente de restituição com o aumento do número de impactos sucessivos nas colisões e a razão diâmetro da partícula/espessura da placa de colisão. Ainda, foi observada a influência das propriedades do material sobre os valores de coeficiente de restituição, incluindo o efeito de um filme polimérico que recobria esferas de aço carbono. Nos experimentos em líquido, foram obtidos resultados de coeficiente de restituição efetivo em diferentes concentrações de solução de glicerina, e foi observada uma relação diretamente proporcional entre o aumento deste parâmetro e o número de Stokes. Por fim, foram desenvolvidas correlações para ar e líquido. No caso do ar, utilizaram-se dados experimentais da literatura para validar uma correlação para o coeficiente de restituição a seco com base em propriedades da partícula, espessura da parede e velocidade de impacto. Quanto aos líquidos, os dados experimentais desta tese foram empregados na validação de uma correlação, considerando parâmetros como Stokes, módulo de Young e densidade das partículas. Os resultados evidenciaram que, em ambos os casos, as correlações descreveram de maneira satisfatória os dados experimentais, consolidando-se como ferramentas eficazes na predição desses parâmetros.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo nº 2019/25146-4, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)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/openAccessColisõesCoeficiente de restituiçãoCoeficiente de restituição efetivoNúmero de StokesCorrelaçãoCollisionsCoefficient of restitutionEffective coefficient of restitutionStokes numberCorrelationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAEfeito de forças hidrodinâmicas em colisões partícula-superfície em diferentes meios fluidosEffect of hydrodynamic forces on particle-surface collisions in different fluidsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis500ad966bd7-9d47-4f1b-9732-0ad2f0578e62reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese - Karla Raphaela Braga de Melo - final.pdfTese - Karla Raphaela Braga de Melo - final.pdfTese - Karla Raphaela Braga de Melo - finalapplication/pdf2322350https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19128/2/Tese%20-%20Karla%20Raphaela%20Braga%20de%20Melo%20-%20final.pdf6ed80764258e7612b7659595514c636cMD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19128/3/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD53TEXTTese - Karla Raphaela Braga de Melo - final.pdf.txtTese - Karla Raphaela Braga de Melo - final.pdf.txtExtracted texttext/plain186282https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19128/4/Tese%20-%20Karla%20Raphaela%20Braga%20de%20Melo%20-%20final.pdf.txtf1003b77e01d02d626f1ee82b249bf44MD54ufscar/191282024-05-14 17:16:21.909oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19128Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:16:21Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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