Análise da dinâmica de partículas em um leito de jorro pseudo bidimensional por meio de experimentos e simulações Euler-Lagrange usando código open-source

dc.contributor.advisor1Santos, Dyrney Araújo dos
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8987869956010169
dc.contributor.referee1Santos, Dyrney Araújo dos
dc.contributor.referee2Duarte, Cláudio Roberto
dc.contributor.referee3Mariano, Felipe Pamplona
dc.creatorAntunes, Gabriella Gonçalves Borges
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8513391063144783
dc.date.accessioned2025-05-08T12:15:31Z
dc.date.available2025-05-08T12:15:31Z
dc.date.issued2024-07-29
dc.description.abstractThe spouted bed equipment is characterized by effective solid-fluid mixing, promoting intense contact between the involved phases. For this reason, it is a fundamentally important piece of equipment for the industry, as some industrial processes require an adequate rate of mass, energy, and momentum transfer. Among the operational difficulties in using a spouted bed are systems involving particles with different physical characteristics, such as diameter, shape, and density, resulting in non-uniform products and the emergence of operational instabilities during the scale-up process. Therefore, a systematic study of particle dynamics within the bed is of fundamental importance for optimizing industrial processes and improving the quality of final products. Considering the above, the general objective of this work was to study the crucial aspects of particle behavior in a pseudo-2D spouted bed through experiments and CFD-DEM (Euler-Lagrange approach) numerical simulations, using both a monoparticle system and a binary particle mixture system. To obtain a robust CFD-DEM model, the proposed methodology included the measurement of DEM parameters through experimental data, a rigorous assessment of the independence of computational mesh size concerning particle size, and a detailed analysis of turbulence models and wall boundary conditions for the fluid phase. The CFD-DEM simulations, incorporating the k-ω SST turbulence model and full-slip wall boundary conditions for the fluid phase, satisfactorily represented the experimental behavior of particle dynamics over time. It was possible to observe phenomena such as internal spout formation, main spout channel characteristics, the development of cavities and bubbles, and particle recirculation. The application of the Fast Fourier Transform (FFT) to the simulated temporal distribution of average volumetric particle velocities allowed the identification of both the pulsating regime of particles and the occurrence of multiple fountain regions within a pseudo-2D spouted bed. The number of collisions and collision force between particles were highly dependent on the initial particle load and the air velocity at the bed entrance. The study of binary particle mixtures, both experimentally and through simulations, allowed for a better understanding of particle behavior in a pseudo-2D spouted bed. The assessment of the segregation index, conducted experimentally and through simulations, showed typical mixing equipment behavior: as mixing progresses, the segregation index gradually decreases until reaching a pseudo-steady state. The higher the fluid velocity at the bed entrance, the shorter the time required to reach a final mixing condition. By analyzing particle trajectories, it was possible to identify percolation and fluidization mechanisms and analyze the effect of air velocity at the bed entrance on the mixing process. It was observed that the behavior of particles near the equipment wall is highly influenced by the probability of colliding with the nearest wall and being thrown in the opposite direction, as well as their trajectory being influenced by the material of the equipment wall. The analysis of contacts between particles of different diameters showed that, at higher velocities, particles tend to move faster and remain in contact for shorter periods. Thus, although there are more collisions, each collision is brief, and the number of simultaneous contacts may decrease.eng
dc.description.resumoO equipamento de leito de jorro caracteriza-se pela mistura efetiva sólido-fluido, promovendo um intenso contato entre as fases envolvidas. Por essa razão, é um equipamento de importância fundamental para a indústria, uma vez que alguns processos industriais requerem uma adequada taxa de transferência de massa, energia e quantidade de movimento. Dentre as dificuldades operacionais no emprego de um leito de jorro, destacam-se os sistemas que envolvem partículas com características físicas diferentes, como diâmetro, forma e densidade, resultando em produtos não uniformes e o surgimento de instabilidades operacionais durante o processo de aumento de escala (“scale-up”). Dessa forma, um estudo sistematizado da dinâmica de partículas em seu interior se mostra de fundamental importância para a otimização de processos industriais e melhoramento da qualidade dos produtos finais. Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo geral o estudo dos aspectos cruciais do comportamento das partículas em um leito de jorro pseudo-2D por meio de experimentos e simulações numéricas CFD-DEM (abordagem Euler-Lagrange), tanto utilizando-se de um sistema composto por monopartículas, como por mistura binária de partículas. Para a obtenção um modelo CFD-DEM robusto, a metodologia aqui proposta abrangeu a medição de parâmetros DEM por meio de experimentos, uma avaliação rigorosa da independência do tamanho da malha computacional com relação ao tamanho das partículas e uma análise detalhada dos modelos de turbulência e das condições de contorno nas paredes do equipamento para a fase fluida. As simulações CFD-DEM, incorporando o modelo de turbulência k-ω SST e condições de contorno de parede com deslizamento total para a fase fluida, representaram satisfatoriamente o comportamento experimental da dinâmica das partículas ao longo do tempo, sendo possível fenômenos tais como a formação de jorro interno, as principais características do canal de jorro, o desenvolvimento de cavidades e de bolhas e a recirculação de partículas. A aplicação da Transformada Rápida de Fourier (FFT) à distribuição temporal simulada da média volumétrica das velocidades das partículas permitiu identificar, tanto o regime pulsante das partículas, como a ocorrência de múltiplas regiões de fonte dentro de um leito de jorro pseudo-2D. O número de colisões e a força de colisão entre as partículas mostraram-se altamente dependentes da carga inicial de partículas e da velocidade do ar na entrada do leito. O estudo da mistura binária de partículas, tanto experimental, quanto simulado, permitiu uma melhor compreensão do comportamento das partículas em um leito de jorro pseudo-2D. A avaliação do índice de segregação, realizada de forma experimental e simulada, mostrou um comportamento típico de um equipamento de mistura: à medida que a mistura avança, o índice de segregação diminui gradualmente até alcançar um estado pseudo-estacionário. Quanto maior a velocidade do fluido na entrada do leito, menor o tempo necessário para se atingir uma condição de mistura final. Por meio da análise da trajetória das partículas, foi possível identificar os mecanismos de percolação e de fluidização, além de analisar o efeito da velocidade do ar na entrada do leito sobre o processo de mistura. Observou-se que o comportamento das partículas próximas à parede do equipamento é altamente influenciado pela probabilidade de colidirem com a parede mais próxima e serem lançadas na direção oposta, além de sua trajetória ser influenciada pelo material da parede do equipamento. A análise de contatos entre as partículas de diferentes diâmetros mostrou que, em velocidades mais altas, as partículas tendem a se mover mais rapidamente e permanecem em contato por períodos mais curtos. Assim, apesar de haver mais colisões, cada colisão é breve e o número de contatos simultâneos pode diminuir.
dc.identifier.citationANTUNES, G. G. B. Análise da dinâmica de partículas em um leito de jorro pseudo bidimensional por meio de experimentos e simulações Euler-Lagrange usando código open-source. Goiânia, 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química ) - Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2024.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14249
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentInstituto de Química - IQ (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia Química (IQ)
dc.rightsAcesso Embargado
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectÍndice de misturapor
dc.subjectNúmero de colisõespor
dc.subjectTurbulênciapor
dc.subjectNúmero de contatospor
dc.subjectForça de colisãopor
dc.subjectCFD-DEMpor
dc.subjectMixing indexeng
dc.subjectNumber of collisionseng
dc.subjectTurbulenceeng
dc.subjectContact numbereng
dc.subjectCollision forceeng
dc.subjectCFD-DEMeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.titleAnálise da dinâmica de partículas em um leito de jorro pseudo bidimensional por meio de experimentos e simulações Euler-Lagrange usando código open-source
dc.title.alternativeAnalysis of the particle dynamics in a pseudo-bidimensional spouted bed through experiments and Euler-Lagrange simulations using open-source codeeng
dc.typeDissertação

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