Investigação numérica do escoamento líquido-sólido de fluido viscoplástico em seção anular rotativa

• Autor(a) principal: Casarin, Joviano Janjar
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28881
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA; Fluidos não-newtonianos; Escoamento bifásico; Fluxo viscoso; Viscosidade; Fluidos newtonianos; Modelos matemáticos; Reologia; Non-Newtonian fluids; Two-phase flow; Viscous flow; Viscosity; Newtonian fluids; Mathematical models; Rheology; Engenharia Mecânica

O transporte de partículas sólidas em sistemas tubulares por meio do escoamento de fluidos de natureza líquida de comportamento não newtoniano ocorre em diversas aplicações. Certas características reológicas do fluido podem ser modificadas a fim de alcançar propriedades específicas, como o aumento da capacidade de carreamento da fase sólida. Velocidades críticas são utilizadas na elaboração de diagramas que fornecem os limites de transição dos diferentes regimes de escoamento líquido-sólido. A maioria das correlações propostas e modelos mecanicistas são desenvolvidos de forma empírica, e aplicados a dutos de seção transversal circular. Velocidades que ditam os limites de transição para escoamentos líquidosólidos e o comportamento da concentração de partículas em seção anular rotativa com fluidos viscoplásticos ainda são escassas e de difícil caracterização matemática. A análise numérica realizada no presente trabalho avalia a capacidade de transporte de partículas sólidas transportadas através de tubo inclinado de seção anular excêntrica rotativa. Análises dos efeitos da rotação do tubo, vazão da fase líquida, bem como da tensão limite de escoamento do fluido são desenvolvidas no intuito de identificar a influência sobre a concentração das partículas no interior da tubulação. O fluido de transporte é descrito pelo comportamento viscoplástico, cuja função viscosidade é avaliada de acordo com a equação de ajuste de Herschel-Bulkley. A discretização do domínio e a resolução das equações de balanço de massa e quantidade de movimento foram realizadas por meio do método dos volumes finitos, com acoplamento ao método de elementos discretos – CFD-DEM. Devido à necessidade de utilização de malha com elementos de volume menores que o volume da partícula, o esquema de malha virtual foi utilizado para aumentar a estabilidade das simulações e produzir resultados numéricos com maior exatidão. Interações partícula-partícula, partícula-fluido e partícula-fronteiras sólidas são consideradas e matematicamente descritas. Com base no processo de calibração do método de elementos discretos, o passo de tempo utilizado na modelagem das interações da fase sólida foi de 10-4 s. A partir da análise da sedimentação de partícula em fluido viscoplástico, identificou-se que o fator de relaxação da fase sólida deve ficar entre 1,0×10-2 e 5,0×10-3, a fim de garantir estabilidade na simulação. A configuração do conjunto de simulações considerou a variação no número de Reynolds generalizado entre 13 e 383, no número de Hedström entre 157 e 1966, e número de Taylor entre 0 e 22. Os resultados numéricos indicam que a concentração de partículas diminui à medida que o número de Reynolds aumenta. O aumento da capacidade de carreamento das partículas também foi observado para maiores valores do número de Hedström. Em relação à rotação da parede interna do anular, os resultados mostram que a influência de maiores números de Taylor é mais significativa sobre a redução na concentração da fase sólida ao se empregar fluidos com maior tensão limite de escoamento, ou seja, com maior número de Hedström.