Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Brandao, Rodolfo Junqueira
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27713
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562
Resumo: 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.
id UFU_208f1e0681dc6b63a9534b45ba2efb24
oai_identifier_str oai:repositorio.ufu.br:123456789/27713
network_acronym_str UFU
network_name_str Repositório Institucional da UFU
repository_id_str
spelling Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatórioNumerical and experimental investigation of granular flow and rotational drum axial and radial segregation phenomenaTambor rotatórioAbordagem LagrangenaSegregação de partículasDinâmica de partículasSimulação numéricaRotary drumLagrangian approachParticle segregationParticle dynamicsNumerical simulationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURAUnderstanding 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.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorTese (Doutorado)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.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia QuímicaBarrozo, Marcos Antonio de Souzahttp://lattes.cnpq.br/7024983341494297Duarte, Claudio Robertohttp://lattes.cnpq.br/8399881058983357Ataíde, Carlos Henriquehttp://lattes.cnpq.br/1181660568548980Coutinho Filho, Ubirajarahttp://lattes.cnpq.br/6765133716503854Santos, Dyrney Araújo doshttp://lattes.cnpq.br/8987869956010169Medronho, Ricardo de Andradehttp://lattes.cnpq.br/2883241764449950Brandao, Rodolfo Junqueira2019-12-16T19:28:45Z2019-12-16T19:28:45Z2019-12-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBRANDÃO, 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. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27713http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2019-12-17T06:11:14Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/27713Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2019-12-17T06:11:14Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
dc.title.none.fl_str_mv Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
Numerical and experimental investigation of granular flow and rotational drum axial and radial segregation phenomena
title Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
spellingShingle Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
Brandao, Rodolfo Junqueira
Tambor rotatório
Abordagem Lagrangena
Segregação de partículas
Dinâmica de partículas
Simulação numérica
Rotary drum
Lagrangian approach
Particle segregation
Particle dynamics
Numerical simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
title_short Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
title_full Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
title_fullStr Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
title_full_unstemmed Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
title_sort Investigação numérica e experimental do escoamento granular e dos fenômenos de segregação radial e axial em tambor rotatório
author Brandao, Rodolfo Junqueira
author_facet Brandao, Rodolfo Junqueira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Barrozo, Marcos Antonio de Souza
http://lattes.cnpq.br/7024983341494297
Duarte, Claudio Roberto
http://lattes.cnpq.br/8399881058983357
Ataíde, Carlos Henrique
http://lattes.cnpq.br/1181660568548980
Coutinho Filho, Ubirajara
http://lattes.cnpq.br/6765133716503854
Santos, Dyrney Araújo dos
http://lattes.cnpq.br/8987869956010169
Medronho, Ricardo de Andrade
http://lattes.cnpq.br/2883241764449950
dc.contributor.author.fl_str_mv Brandao, Rodolfo Junqueira
dc.subject.por.fl_str_mv Tambor rotatório
Abordagem Lagrangena
Segregação de partículas
Dinâmica de partículas
Simulação numérica
Rotary drum
Lagrangian approach
Particle segregation
Particle dynamics
Numerical simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
topic Tambor rotatório
Abordagem Lagrangena
Segregação de partículas
Dinâmica de partículas
Simulação numérica
Rotary drum
Lagrangian approach
Particle segregation
Particle dynamics
Numerical simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES DE SEPARACAO E MISTURA
description 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.
publishDate 2019
dc.date.none.fl_str_mv 2019-12-16T19:28:45Z
2019-12-16T19:28:45Z
2019-12-16
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv 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. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562.
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27713
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562
identifier_str_mv 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. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562.
url https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/27713
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2019.2562
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFU
instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
instname_str Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron_str UFU
institution UFU
reponame_str Repositório Institucional da UFU
collection Repositório Institucional da UFU
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
repository.mail.fl_str_mv diinf@dirbi.ufu.br
_version_ 1805569705760522240