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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-08042022-074049
Documento
Autor
Nome completo
Rodrigo de Oliveira Marques
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2022
Orientador
Banca examinadora
Ferreira Filho, Sidney Seckler (Presidente)
Guimarães, José Roberto
Mierzwa, José Carlos
Moruzzi, Rodrigo Braga
Sens, Maurício Luiz
Título em português
Análise do gradiente médio de velocidade em reator de floculação mecanizado com misturador de eixo vertical por meio de simulação de fluido dinâmica computacional.
Palavras-chave em português
Dinâmica dos fluidos computacional
Floculação
Tratamento de água
Turbulência
Resumo em português
O objetivo desta pesquisa foi aplicar simulações de fluidodinâmica computacional (CFD) durante a concepção de reatores de floculação com misturador mecanizado de eixo vertical para o tratamento de águas de abastecimento. Buscou-se validar a hipótese de que não há um desvio significativo entre o valor do gradiente médio de velocidade adotado para projeto (GMP) e o valor do gradiente médio de velocidade calculado (GMC) via simulação de CFD. Foram analisados os resultados obtidos com 2 (dois) tipos de impelidor distintos: impelidor com 4 (quatro) pás inclinadas a 45º (Pitched-Blade Turbine 45°) e impelidor com 3 (três) pás inclinadas a 22,5° (Hydrofoil). Foram realizas simulações com 7 (sete) relações diferentes entre o diâmetro do impelidor (DI) e o diâmetro do reator (DR), denominada relação DI/DR (0,20; 0,30; 0,40; 0,45; 0,50; 0,60 e 0,70) e 7 (sete) valores distintos de GMP (20, 30, 40, 50, 60, 70 e 80 s-1). Os resultados obtidos indicaram que a hipótese central da tese foi parcialmente validada. No caso do impelidor do tipo Hydrofoil, os desvios absolutos entre os valores de GMC obtidos via simulações de CFD, e os valores de GMP, foram considerados aceitáveis do ponto de vista de controle operacional de uma ETA convencional (± 20% do valor de GMP). Entretanto, os desvios absolutos obtidos com o impelidor PBT 45° foram considerados significativos. A análise estatística simplificada indicou que a relação DI/DR não foi um fator influente nos desvios. Porém, a mesma análise indicou que tanto o tipo de impelidor, quanto o valor de GMP, foram. Durante a análise dos resultados, foram determinadas as microescalas de Kolmogorov (comprimento, tempo e velocidade) e os resultados indicam que estas seguiram uma tendência do tipo potência para ambos os impelidores, para todas as relações DI/DR e para todos os valores de GMP testados. Por fim, foram estimados valores de dimensão fractal teórica, em duas dimensões (D2), para flocos que poderiam ser formados no reator virtual. Esta análise foi realizada com ambos os impelidores, todas as relações DI/DR e todos os valores de GMP. Os valores teóricos obtidos de D2 foram considerados similares aos reportados na literatura.
Título em inglês
Average velocity gradient analysis in mechanical flocculation reactor with vertical axis mixer using computational fluid dynamics simulation.
Palavras-chave em inglês
Average velocity gradient
Computational fluid dynamics
Flocculation
Turbulence
Water treatment
Resumo em inglês
The objective of this research was applying computational fluid dynamics (CFD) during the conception of drinking water treatment flocculation reactors equipped with vertical axis mechanical mixer. The main hypothesis to be validated was that there is no significant deviation between the design average velocity gradient (GMP) and the calculated average velocity gradient (GMC) obtained via CFD simulations. Results from 2 (two) different impellers were analyzed: impeller with 4 (four) blades inclined at 45° (Pitched-Blade Turbine 45°) and impeller with 3 (three) blades inclined at 22,5° (Hydrofoil). Simulations were performed with 7 (seven) different ratios between impeller diameter (DI) and reactor diameter (DR), named DI/DR ratio (0,20; 0,30; 0,40; 0,45; 0,50; 0,60 and 0,70) and 7 (seven) different GMP values (20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80 s-1). Results indicated that the central hypothesis was partially validated. Deviations between GMC and GMP for the Hydrofoil impeller were considered not significant from a drinking water treatment plant operations perspective (± 20% GMP value). However, deviations with PBT 45° impeller were considered significant. Simplified statistical analysis indicated that the DI/DR ratio was not an influential factor. However, same analysis indicated that both impeller and GMP were. Kolmogorov microscales (length, time, and velocity) were also calculated, and results indicated that all of them followed a power law tendency for both impellers, all DI/DR ratio and GMP values. Lastly, theoretical two-dimension fractal dimension (D2) values were estimated for flocs that could be formed in the simulated virtual reactor. This analysis was performed for both impellers and all DI/DR ratio and GMP values. Theoretical D2 values obtained were considered reasonably close to reported values in literature.
 
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Data de Publicação
2022-04-08
 
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