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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4766| Título: | Estudo numérico e experimental do escoamento bifásico líquido-gás em um rotor centrífugo |
| Autor(es): | Azevedo, Henrique Stel de |
| Orientador(es): | Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo |
| Palavras-chave: | Escoamento bifásico - Modelos matemáticos Bombas centrífugas Rotores Fluidodinâmica computacional Eletrodos Bolhas - Dinâmica Análise Numérica Métodos de simulação Two-phase flow - Mathematical models Centrifugal pumps Rotors Computational fluid dynamics Electrodes Bubbles - Dynamics Numerical analysis Simulation methods |
| Data do documento: | 11-Dez-2019 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | AZEVEDO, Henrique Stel de. Estudo numérico e experimental do escoamento bifásico líquido-gás em um rotor centrífugo. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. |
| Resumo: | Bombas centrífugas estão sujeitas a bruscas variações de padrões de escoamento e degradação de desempenho quando operam com escoamentos bifásicos líquido-gás. Estudos a respeito do tema são majoritariamente experimentais e focados em avaliação de desempenho, com pouca informação sobre a física do problema e raros trabalhos numéricos encontrados na literatura. Essas carências motivaram o desenvolvimento de um estudo numérico e experimental do escoamento líquido-gás em um rotor centrífugo. A modelagem matemática adotada é baseada no Modelo de Dois Fluidos e em um modelo polidisperso de múltiplos grupos dimensionais, incluindo o efeito de diversas interações interfaciais de escoamentos líquido-gás, como quebra e coalescência de bolhas. Simultaneamente, foi desenvolvido um estudo experimental através do uso de uma bancada projetada para a medição do ganho de pressão do rotor estudado, bem como técnicas para visualização e processamento de imagens dos padrões de escoamento e medição da fração volumétrica de gás de entrada. O estudo é realizado para velocidades de rotação entre 200 e 500 rpm e considera uma larga faixa de vazões de líquido e gás. Os resultados experimentais obtidos permitiram a identificação de diferentes padrões de escoamento líquido-gás no rotor, ajudando a entender como eles estão associados à degradação de desempenho e servindo como base de dados para validação do modelo numérico. Os resultados numéricos concordam bem com os obtidos experimentalmente. Eles foram explorados para entender o comportamento de diversos parâmetros do escoamento, bem como o papel de diferentes forças interfaciais no fenômeno. Essa análise revelou que diversos modelos interfaciais, normalmente desprezados em trabalhos similares da literatura, são importantes para uma boa representação dos padrões de escoamento e do desempenho do rotor sob escoamento bifásico. Por fim, um desenvolvimento mecanicista para previsão do ponto de início de surging em rotores operando com escoamentos bifásicos foi proposto. Em geral, espera-se que os resultados e discussões do trabalho possam ajudar em um melhor entendimento do fenômeno e como uma base de informação para trabalhos futuros. |
| Abstract: | Centrifugal pumps are subject to sudden flow pattern variations and performance degradation when operating with two-phase gas-liquid flows. Studies about this subject are majorly experimental and focused on performance evaluation, with little information about the physical mechanisms behind the problem and rare numerical works found in literature. These needs motivated the development of a numerical and experimental study of the gas-liquid flow in a centrifugal rotor. The mathematical modeling is based on the Two-Fluid Model and a multiple-size group, polydispersed approach, including the effect of several interface interactions of gas-liquid flows, such as bubble breakup and coalescence. Simultaneously, an experimental approach to the problem is proposed by means of an experimental loop designed to measure the pressure rise through the studied rotor, as well as techniques for visualization and image processing of the flow patterns and intake gas volume fraction measurement. The study was performed for rotating speeds from 200 to 500 rpm and considers a wide range of liquid and gas flow rates. The experimental results obtained allowed the identification of different gas-liquid flow patterns in the rotor, helping to understand how they are associated with performance degradation and serving as a database to validate the numerical model. The numerical results agree well with the experimental ones. They were explored to understand the behavior of various flow parameters, as well as the role of different interface forces on the phenomenon. This analysis revealed that several interface models, which are often neglected in similar works from literature, are important for a good representation of the flow patterns and of the rotor performance under two-phase flow. Finally, a mechanistic development to predict the surging initiation point in rotors operating with two-phase flows was proposed. In general, it is expected that the results and discussions from this work could help for a better understanding of the phenomenon and as a database for future works. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4766 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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