Tese
Estudo da dinâmica de partículas em tambor rotatório com suspensores: análise experimental e numérica utilizando abordagens euleriana e lagrangeana
Particles dynamics study in flighted rotating drum: experimental and numerical analysis using lagrangian and eulerian approaches
Registro en:
Autor
Nascimento, Suellen Mendonça
Institución
Resumen
Rotary dryers are the most commonly used equipment in the granular or particulate
material drying, because of their high processing capacity and versatility of operation
when compared to other types of dryers. However, the design of these equipment is quite
complex, since it involves, in addition to heat and mass transfer, complex fluid-dynamic
processes. Therefore, rotary drums with flights, but without the presence of drying air,
are generally used for the study of the dynamics of particulate material in these dryers.
When the drum is in the ideal loading configuration, there is the greater interaction
between the particulate material and the flowing air, which is interesting in a case of
drying. Based on this, in this work a rotating drum with variable number of flights was
built, aiming at the study of the rotary drum in the ideal loading condition. In this way,
applications of geometric models for the prediction of this condition were studied and the
ideal rotation speed of the drum was determined for different operating conditions of the
equipment. This study determined a model for predicting the ideal Froude number as a
function of the drum filling fraction, number of flights and material properties, such as
density, static angle of repose and dynamic friction coefficient of the material. Besides
these, studies were also carried out regarding the angle of last discharge, evaluating the
effects of the operational conditions on the discharge of solids in the drum. As a
complementary tool to the experimental studies, numerical simulations help the
understanding of the flow of granular materials. Regarding the numerical approach, two
different approaches for predicting the granular flow inside the drum with flights were
used: Eulerian and Lagrangean. In the development of an Eulerian model, using
Computational Fluid Dynamics (CFD), it was possible to determine the boundary
conditions and to find the best model to reproduce the experimental results, in which the
application of the model of turbulence k-ɛ was essential in the description of particle
dynamics. In the simulations using the Lagrangian approach (through the Discrete
Element Method (DEM)), parameters related to the properties of the particles, such as
Poisson Ratio and Shear Modulus, were investigated, as well as particle-particle and
particle-wall interactions through coefficients of restitution and static and rolling friction.
In this work, a set of parameters was found through which the simulation represented the
experimental data well. In addition, it was observed that the use of a smaller shear
modulus than the actual one to decrease the computational cost was a valid assumption,
mainly for lower rotation speeds. Comparing the two methodologies, it was possible to
find the advantages and disadvantages of each one of them. The lagrangean approach
allowed to observe each particle individually, being possible the determination of the
length of fall of the particles. However, with the change in operating conditions, such as
the number of flights, the results presented by the Eulerian approach were better. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Tese (Doutorado) Na secagem de material granular ou particulado, os secadores rotatórios são os
equipamentos mais utilizados, devido a sua alta capacidade de processamento e
versatilidade de operação quando comparados com outros tipos de secadores. No entanto,
o projeto desses equipamentos é bastante complexo, uma vez que a secagem envolve,
além de transferências de calor e massa, complexos processos fluidodinâmicos. Por isso,
geralmente utilizam-se tambores rotatórios com suspensores, mas sem a alimentação do
ar de secagem, para o estudo da dinâmica de material particulado nesses secadores.
Quando o tambor está com a configuração de carregamento ideal, há a maior interação
entre o material particulado e o ar em escoamento, o que é interessante em um caso de
secagem. Com base nisso, neste trabalho foi construído um tambor rotatório com número
de suspensores variáveis, apresentando como objetivo o estudo do tambor rotatório na
condição de carregamento ideal. Desta maneira, foram estudadas aplicações de modelos
geométricos para a predição desta condição e determinou-se, experimentalmente, a
velocidade de rotação ideal do tambor para diferentes condições operacionais do
equipamento. Através deste estudo foi determinado um modelo para a predição do
Número de Froude ideal em função da fração de enchimento do tambor, número de
suspensores e propriedades do material, como densidade, ângulo de repouso estático e
coeficiente dinâmico de fricção do material. Além destes, foram realizados estudos
referentes ao ângulo de última descarga, avaliando os efeitos das condições operacionais
na descarga de sólidos no tambor. Como uma ferramenta complementar aos estudos
experimentais, as simulações numéricas surgem no auxílio à compreensão do escoamento
dos materiais granulares. No que diz respeito à abordagem numérica, duas diferentes
aproximações para a previsão do escoamento granular no interior do tambor com
suspensores foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. No desenvolvimento de uma
modelagem Euleriana que representa o escoamento de interesse, utilizando a
Fluidodinâmica Computacional (CFD), foi possível então, determinar as condições de
contorno e encontrar o melhor modelo para que a abordagem Euleriana reproduzisse os
resultados experimentais, em que a aplicação do modelo de turbulência k-ɛ se mostrou
essencial na descrição da dinâmica das partículas. Já nas simulações que utilizam a
abordagem Lagrangeana, através do Método dos Elementos Discretos (DEM), foram
investigados parâmetros relativos às propriedades das partículas, como Razão de Poisson
e Módulo de Cisalhamento, além das interações partícula-partícula e partícula-parede
através dos coeficientes de restituição e de atritos estáticos e de rolamento. Neste trabalho,
encontrou-se um conjunto de parâmetros para que a simulação conseguisse representar
bem os dados experimentais. Além disso, observou-se que o uso de um módulo de
cisalhamento menor do que o real para diminuição do custo computacional foi uma
suposição válida, principalmente para velocidades de rotação mais baixas. Comparando
as duas metodologias, foi possível encontrar as vantagens e desvantagens de cada uma
delas. A abordagem lagrangeana permitiu observar individualmente cada partícula, sendo
possível a determinação do comprimento de queda das partículas do suspensor. No
entanto, com a mudança de condições operacionais, como o número de suspensores do
tambor, os resultados apresentados pela abordagem Euleriana foram melhores.
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