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Título: Investigação numérica do escoamento líquido-sólido de fluido viscoplástico em seção anular rotativa
Título(s) alternativo(s): Numerical investigation of the solid-liquid flow of viscoplastic fluid in rotating annular section
Autor(es): Casarin, Joviano Janjar
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: 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
Data do documento: 12-Fev-2021
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: CASARIN, Joviano Janjar. Investigação numérica do escoamento líquido-sólido de fluido viscoplástico em seção anular rotativa. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021.
Resumo: 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.
Abstract: The solid particles transport inside piping systems by the Non-Newtonian fluid flow occurs in several applications. Specific rheological properties of the fluid can be modified to improve the particle carrying capacity. Critical velocities are employed in the flow map development, where the transition among the solid-liquid flow regime is given. Most of the proposed correlations and mechanistic models are developed empirically and based on circular piping section. The transition velocity of the solid-liquid flow regimes and the particle concentration behavior in a rotating eccentric annular section are still scarce. In this sense, the numerical analysis performed in this work evaluates the particle carrying capacity considering eccentric, inclined, and rotational annular section pipe. The analyses involve the inner wall rotation of the annular, the liquid phase flow rate, and the fluid yield stress influence on the particle carrying capacity. The fluid viscosity function is modeled considering the Herschel-Bulkley equation. The domain discretization and the solution of the balance equations were conducted using the finite volume method (CFD) and the solid phase behavior employing the discrete element method (DEM). The coupling between the solid and liquid phases was used to model the global characterization of the solid-liquid flow. Due to the mesh requirement with small volume elements, the two-grid numerical scheme was employed to increase the simulation stability and produce accurate numerical results. The particle-particle, particle-fluid, and particle-solid boundaries are considered and mathematically described in the analysis. From the calibration process of the discrete element method, the time step employed for the modeling of solid-phase interactions was 10-4 s. The under-relaxation parameter of the volume fraction of solid-phase was specified based on the particle sedimentation simulation, and the values must be in the range of 1,0×10-2 and 5,0×10-3 to ensure numerical stability. The simulation process considered the set of variations for the Reynolds number from 13 to 383, the Hedström number between 157 and 1966, and the Taylor number between 0 and 22. The numerical results indicate lower particle concentration for higher Reynolds numbers. The increasing of the particle carrying capacity was also observed for higher Hedström numbers. High values of the Taylor number reveal a more significant influence on the solid concentration when higher Hedström numbers are employed.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28881
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