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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39012| Título: | Modelagem matemática de escoamento de suspensões não coloidal em geometrias reométricas |
| Título(s) alternativo(s): | Mathematical modeling of non-colloidal suspension flows in rheometric geometries |
| Autor(es): | Rosso, Nezia de |
| Orientador(es): | Negrão, Cezar Otaviano Ribeiro |
| Palavras-chave: | Suspensões (Química) Escoamento bifásico Reologia Fluidodinâmica computacional Modelos matemáticos Viscosidade Reômetros Suspensions (Chemistry) Two-phase flow Rheology Computational fluid dynamics Mathematical models Viscosity Rheometers |
| Data do documento: | 21-Out-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | ROSSO, Nezia de. Modelagem matemática de escoamento de suspensões não coloidais em geometrias reométricas. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
| Resumo: | Suspensões são substâncias multifásicas encontradas em diversos processos industriais e na natureza. Elas são caracterizadas por uma matriz contínua e uma ou mais fases dispersas. Seu comportamento reológico ainda não é bem compreendido, dependendo de diversos fatores como sua composição e a interação entre as fases que as compõem, o que dificulta a sua caracterização reológica. No presente trabalho, apresenta-se um estudo numérico do escoamento bifásico sólidolíquido que caracteriza suspensões não coloidais em geometrias reométricas. A modelagem matemática é baseada na abordagem euleriana-euleriana, que emprega equações de continuidade e quantidade de movimento para escoamento bifásico, bem como equações constitutivas que modelam as interações entre as fases. O estudo foi conduzido em três geometrias, cone-placa, placa-placa e cilindros concêntricos, com a finalidade de se avaliar o efeito da geometria no comportamento de uma suspensão durante um teste reométrico. Os resultados obtidos permitiram identificar o comportamento das partículas da suspensão em função de diversas condições operacionais, ajudando a entender como a migração de partículas está associada ao torque medido durante a caracterização reológica. Os resultados numéricos concordam bem com dados da literatura e com resultados de testes experimentais reais, sugerindo que a modelagem adotada representa bem o padrão de escoamento multifásico e é capaz de fornecer dados reológicos quantitativamente consistentes. Observa-se, com o estudo realizado, que suspensões apresentam valores de viscosidade aparente dependentes da concentração e do tamanho das partículas, bem como das condições de teste, tais como taxa de cisalhamento, número de Reynolds, entre outras. O estudo também revelou que a migração de partículas com peso específico igual à do líquido ocorre, para geometria cone-placa, a partir da região do truncamento do cone para o centro do cone-placa. Comportamento distinto foi notado para geometria placa-placa, em que a migração de partículas ocorre a partir de regiões de baixas taxas de cisalhamento, no centro da placa, para regiões de altas taxas de cisalhamento, na periferia. Já em casos onde o massa específica das partículas é diferente da do meio contínuo, a migração também pode ocorrer de regiões de altas para baixas taxas de cisalhamento, dependendo das condições operacionais. Além disso, identificou-se um tempo crítico de teste abaixo do qual a viscosidade aparente apresenta efeito de sedimentação desprezível. Adicionalmente, identificou-se um número de Reynolds modificado acima do qual as partículas são mantidas em suspensão e os efeitos relativos à sedimentação são minimizados. Espera-se que os resultados deste trabalho possam contribuir não apenas na orientação de ensaios reométricos de suspensões, mas também no entendimento dos fenômenos envolvidos com o escoamento bifásico líquido-sólido em geometrias reométricas. |
| Abstract: | Suspensions are multiphase substances found in various industrial processes and nature. They are characterized by one continuous and one or more dispersed phases. Their rheological behavior is still not well understood, depending on several factors such as their composition and on how the phases interact. In the present work, a numerical study of the solid-liquid two-phase flow is presented, which characterizes a non-colloidal suspension flow between rheometric geometries. The mathematical model is based on the eulerian-eulerian approach, which employs mass and momentum equations for a two-phase flow, as well as constitutive equations to model the interphase interactions. The numerical study was carried out in three geometries, cone-plate, plate-plate and concentric cylinders, as a way to evaluate the effect of the geometric configuration on the suspension behavior during a rheometric test. The obtained results allowed to identify the behavior of the suspension particles as a function of several operational conditions, helping to understand how particle migration is associated with the calculated torque during the rheological characterization. The numerical results agree well with data from literature and with actual experimental tests, suggesting that the adopted model represents well the multiphase flow pattern between the plates and can provide quantitatively consistent rheological data. It is observed, with the study being carried out, that suspensions present apparent viscosities that depend on the concentration, the particle sizes, and the operating conditions to which the sample is subjected, such as shear rate, Reynolds number, among others. The study also revealed that particle migration in suspensions with particle density equal to that of the liquid, in cone-plate geometry, occurs from the cone truncation region to the center of the cone-plate. Different behavior was noticed for plate-plate geometry, in which particle migration occurs from regions of low shear rates, in the center of the plate, to regions of high shear rates, on the plates periphery. In turn, in cases where the particle density is different from that of the continuous phase, migration can also occur from regions of high to low shear rates, depending on the operating conditions. In addition, a critical test time was identified below which the apparent viscosity has negligible sedimentation effect. Additionally, a modified Reynolds number was identified above which the particles are kept in suspension and the effects related to sedimentation are minimized. It is expected that the results can contribute not only to guide rheometric tests of suspensions, but also to the understanding of the phenomena involved with the two-phase liquid-solid flows in rheometric geometries. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39012 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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