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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2017.tde-08052024-172935
Documento
Autor
Nome completo
Norman Chavez Cussy
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Milioli, Fernando Eduardo (Presidente)
Béttega, Rodrigo
Moraes, Anderson Antonio Ubices de
Título em português
Efeitos do número de Reynolds na hidrodinâmica de meso-escala de escoamentos gás-sólido fluidizados
Palavras-chave em português
escoamento gás-sólido
fluidização
modelagem de dois fiuidos
modelagem sub-malha
risers
simulação altamente resolvida
Resumo em português
Modelos de dois fluidos filtrados tem sido largamente utilizados para simulação de escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados. Estes modelos requerem fechamentos para forças interativas de interface e tensões filtradas, os quais tem sido recentemente gerados a partir de resultados de simulações altamente resolvidas aplicando modelagem microscópica de dois fluidos. A simulação altamente resolvida usual é aplicada sobre domínios periódicos, onde o "driving force" do escoamento é provido por um gradiente axial de pressão imposto à fase gás através dos contornos, que é escolhido para exatamente compensar a gravidade atuando sobre a mistura gás-partícula média. Isso produz um escoamento particulado ascendente em regiões de baixas concentrações de sólido, e descendente em regiões de alta concentração de sólido, com números de Reynolds baixos e variando em faixa bastante restrita. Sob tais condições observa-se que o número de Reynolds não afeta significativamente parâmetros filtrados. No presente trabalho o efeito do número de Reynolds sobre parâmetros filtrados é avaliado sob condições de escoamento gás-sólido mais realistas. Os modelos de fechamento mais recentes para arrasto e tensões derivados de modelagem microscópica de dois fluidos tem sido formulados em função de tamanho de filtro, fração volumétrica de sólido filtrada, e velocidade de deslizamento filtrada (Milioli et al., 2013; Sarkar et al., 2016). Correlações tem sido propostas onde a fração volumétrica de sólido é usualmente referida como primeiro marcador, enquanto a velocidade de deslizamento é referida como segundo marcador. Através da imposição de números de Reynolds mais realistas ao escoamento, estes marcadores são revisados quanto a seus efeitos sobre parâmetros filtrados relevantes, e mostra-se que o próprio número de Reynolds apresenta-se como um marcador adicional a ser considerado. A fração de sólido média no domínio é também considerada como um possível marcador adicional. Neste trabalho investiga-se como o número de Reynolds médio do gás e a fração de sólido média no domínio afetam parâmetros relacionados a forças de interface entre fases filtradas, e relacionados a tensões filtradas e efetivas em ambas as fases. O presente interesse direciona-se para aplicações de leitos fluidizados circulantes, considerando-se particulado de elevado número de Stokes e frações de sólido médias no domínio dentro do regime de escoamento diluído típico de "risers". Experimentos computacionais foram desenvolvidos para faixas de frações de sólido e fluxos de gás cobrindo regimes de escoamento típicos de "risers". O código aberto MFIX é usado em todas as simulações. Como objetivo final busca-se prover novas evidencias que venham a contribuir para o desenvolvimento de modelos de fechamento mais realistas para modelos filtrados de dois fluidos para escoamento gás-sólido fluidizados
Título em inglês
Effects of Reynolds number on the meso-scale hydrodynamics of fluidized gas-solid flows
Palavras-chave em inglês
fluidization
gas-solid flow
highly resolved simulation
risers
sub-grid modeling
two-fluid modeling
Resumo em inglês
Filtered two-fluid models have been widely used to simulate gas-particle flows in fluidized beds, which require closures for filtered interface interaction forces and stresses. Such closures have been recently derived from results of highly resolved simulations applying microscopic two-fluid modeling. The usual highly resolved simulation is applied over periodic domains where the flow driving force is enforced through a boundary imposed axial gas-pressure gradient which is chosen to exactly match the gravity acting on the average gas-particle mixture. This renders a particulate flow field which is upwards in low solid concentration regions and downwards in high solid concentration regions, with Reynolds numbers varying in a very confined low range. In such a condition Reynolds number is found not to significantly affect filtered parameters. In the current work the effect of Reynolds number over filtered parameters is evaluated under more realistic gas flow conditions. The more recent closure models for drag and stresses derived from microscopic two-fluid modeling have been formulated as a function of filter size, filtered solid fraction and filtered slip velocity (Milioli et al., 2013, Sarkar et al., 2016). Correlations have been proposed where the solid volume fraction is usually referred to as a first marker, while the filtered slip velocity has been named a second marker. By imposing more realistic Reynolds numbers to the flow, those markers are revised as for their effects over relevant filtered parameters, and the Reynolds number itself is showed to be an additional marker to be accounted for. The domain average solid fraction is also considered as a possible additioual marker. This work investigates how the domain average gas flow Reynolds number, and the domain average solid volume fraction, affect relevant parameters related to filtered interface forces between the phases, and related to filtered and effective stresses in both phases. The present concern is turned to circulating fluidized bed applications considering a high Stokes number particulate and average solid fractions inside the dilute flow regime typical of risers. Computational experiments have been developed for ranges of solid fractions and gas flow rates covering flow regimes typical of risers. The MFIX open source code has been used in all the simulations. The ultimate goal which is pursued is to provide new evidence so that more realistic closure models can be derived for filtered two-fluid modeling of fiuidized gas-particle flows
 
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Data de Publicação
2024-05-09
 
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