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Modelagem experimental e computacional DEM-CFD da fluidização de partículas Geldart-D com formato irregular

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Autor Silva, Álisson Renan Stochero da;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/8975601862936295;
Orientador Zinani, lávia Schwarz Franceschini;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/8732272690265023;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Modelagem experimental e computacional DEM-CFD da fluidização de partículas Geldart-D com formato irregular;
Resumo Reatores de leito fluidizado encontram diversas aplicações em processos de conversão termo-energética. A preferência por este tipo de sistema se deve às características de altas taxas de transferência de calor e massa, entre o sólido particulado que compõe o leito e o agente fluidizante. A simulação computacional tridimensional destes sistemas é capaz de fornecer dados locais como campos de velocidade, pressão, temperatura e concentração de espécies químicas, o que não é possível de se obter em modelos zero-dimensionais ou experimentalmente, com a tecnologia hoje disponível. Dentre os modelos computacionais existentes, um dos mais recentes e atrativos, devido à sua precisão, é o que utiliza o acoplamento do Método dos Elementos Discretos (DEM) com a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Nesta abordagem, o movimento da fase granular é computado diretamente pelo DEM, enquanto o fluido é tratado como um meio contínuo, por um modelo CFD. A interação entre as fases fluido e granular é realizada por um algoritmo de acoplamento. Com o objetivo de criar um modelo computacional DEM-CFD para a fluidização de partículas de polipropileno, realizou-se a caracterização física do material particulado, determinando a massa específica real e de carga, o diâmetro médio, a esfericidade, e os ângulos de repouso e de atrito interno (drawdown). As partículas foram classificadas como do tipo Geldart-D, e durante sua fluidização apresentaram comportamento de jorro. Os coeficientes de interação partícula-partícula e partícula-parede, como atrito estático, atrito dinâmico, coeficiente de restituição e resistência ao rolamento, parâmetros de entrada do DEM, foram obtidos via planejamento de experimentos e técnica de otimização. Observou-se que dentre estes parâmetros, o que possui maior efeito sobre os resultados é a resistência ao rolamento. As fluidizações em escala de laboratório forneceram os valores de referência para a velocidade de jorro mínimo, a máxima queda de pressão no leito e a queda de pressão na condição de jorro mínimo. Durante as simulações do reator, foi avaliado o refino de malha computacional, bem como, o refino de parede, utilizando quatro malhas com tamanho da célula, baseado no diâmetro das partículas, na razão de 2x, 3x e 5x, respectivamente. As simulações DEM-CFD da fluidização corroboram com os resultados experimentais, com um erro de 1,88% para U_jm, 0,66% para 〖∆P〗_MÁX e 0,77% para 〖∆P〗_jm, sendo uma poderosa ferramenta para estudos desta espécie.;
Abstract Fluidized bed reactors find many applications in thermo-energy conversion processes. The preference for this type of system is due to the characteristics of high heat transfer and mass transfer rates between the particulate solid that composes the bed and the fluidizing agent. The three-dimensional computational simulation of these systems is able to provide local data such as velocity, pressure, temperature and chemical species concentration fields, which can not be obtained in zero-dimensional models or experimentally with the technology available today. Among the existing computational models, one of the most recent and attractive, due to its accuracy, is the one that uses the Discrete Element Method (DEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) coupling. In this approach, the motion of the granular phase is computed directly by the DEM, while the fluid is treated as a continuous medium by a CFD model. The interaction between the fluid and granular phases is performed by a coupling algorithm. With the objective of creating a DEM-CFD computational model for the fluidization of polypropylene particles, the physical characterization of the particulate material was carried out, determining the real and bulk mass densities, mean diameter, sphericity and repose and internal friction (drawdown) angles. The polypropylene particles were classified as of the Geldart-D type, and during their fluidization showed spout behavior. The particle-particle and particle-wall interaction coefficients, such as static friction, dynamic friction, restitution coefficient and rolling resistance, DEM input parameters were obtained through experiment planning and optimization technique. It was observed that among these parameters, what has the greatest effect on the results was the rolling resistance. Laboratory scale fluidizations provided reference values for minimum jet velocity, maximum bed pressure drop, and pressure drop in the minimum jet condition. During the simulations of the reactor, the refining of computational mesh was evaluated, as well as the refining of the wall. It was used four kinds of mesh, with the cells size based of particles diameters, for ranges of 2x, 3x and 5x, respectively. The DEM-CFD simulations of fluidization corroborate with the experimental results with an error of 1,88% to U_jm, 0,66% to 〖∆P〗_MÁX and 0,77% to 〖∆P〗_MÁX, being a powerful tool for studies of this species.;
Palavras-chave Fluidização; DEM-CFD; Escoamento multifásico; Simulação computacional; Geldart-D; Fluidization; DEM-CFD; Multiphase flow; Computational Simulation; Geldart-D;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2019-04-12;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/8918;
Programa Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica;


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