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Modelagem e análise experimental do escoamento de esferas macias em fluidos viscosos: estudo de colisões partícula-partícula e partícula-superfície e da interação partícula-fluído
dc.contributor.author | Melo, Karla Raphaela Braga de | |
dc.date.accessioned | 2020-04-28T14:16:38Z | |
dc.date.available | 2020-04-28T14:16:38Z | |
dc.date.issued | 2020-02-20 | |
dc.identifier.citation | MELO, Karla Raphaela Braga de. Modelagem e análise experimental do escoamento de esferas macias em fluidos viscosos: estudo de colisões partícula-partícula e partícula-superfície e da interação partícula-fluído. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12660. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12660 | |
dc.description.abstract | Solid-fluid flows are widely used in chemical, biochemical, food and petroleum processes. These include crystallization and sedimentation steps, hydrometallurgical operations, backwashing of granular filters, adsorption and ion exchange, effluent treatment, among others. In these processes, particle or particle-surface collision influences the fluid dynamics and energy dissipation resulting from collisions, and therefore understanding the behavior of particles in this type of flow is critical to improving process and equipment efficiency. In this context, this work investigated particle-particle and particle-surface collisions in solid-fluid flows, with emphasis on low mechanical strength particles, considered soft particles. For this, particles with different elastic, superficial and physical properties were characterized for density, diameter, roughness and Young’s modulus. As hard particles, ABS (coated and uncoated), Fluorelastomer and Nitrile spheres were used, while soft particles were synthesized from sodium alginate solutions in cationic chloride solutions (Ca2+, Ba2+ and Co2+). The interactions resulting from particle-surface and particle-particle collisions were experimentally analyzed from restitution coefficient measurements on pendulum-type equipment. The results showed influence of surface and elastic properties on the coefficient, showing a decreasing tendency of this parameter with the increase of the collision velocity, more significant on the soft particles, and with the decrease of Young’s modulus. From the experimental observations, a regression model was proposed for each particle group in order to predict the coefficient of restitution. In addition to the pendulum, the influence of the impact velocity on the coefficient of ABS spheres was also evaluated from free fall experiments. There was little influence of the impact velocity on the coated balls and greater proximity between the results obtained for the two measurement methods for uncoated ABS balls. Water experiments were also performed, in which significantly lower effective restitution coefficient values were obtained, showing the effect of dissipative viscous forces at the moment of collision. Finally, coefficient values from the literature were tested in simulations using Computational Fluid Dynamics and the Discrete Element Method. The results showed that simulations satisfactorily described the particle collisions behavior with distinct elastic properties. | eng |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
dc.subject | Escoamento sólido-líquido | por |
dc.subject | Colisões | por |
dc.subject | Coeficiente de restituição | por |
dc.subject | Coeficiente de restituição efetivo | por |
dc.subject | Fluidodinâmica computacional | por |
dc.subject | Solid-liquid flow | eng |
dc.subject | Collisions | eng |
dc.subject | Coefficient of restitution | eng |
dc.subject | Effective coefficient of restitution | eng |
dc.subject | Computational fluid dynamics | eng |
dc.title | Modelagem e análise experimental do escoamento de esferas macias em fluidos viscosos: estudo de colisões partícula-partícula e partícula-superfície e da interação partícula-fluído | por |
dc.title.alternative | Modeling and experimental analysis of the flow of soft spheres in viscous fluids: study of particle-particle and surface-particle collisions and particle-fluid interaction | eng |
dc.type | Dissertação | por |
dc.contributor.advisor1 | Lopes, Gabriela Cantarelli | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5680967191791061 | por |
dc.description.resumo | Escoamentos sólido-fluido são amplamente empregados em processos das indústrias química, bioquímica, alimentícia e de petróleo. Dentre estes, pode-se citar: etapas de cristalização e sedimentação, operações hidrometalúrgicas, contra-lavagem de filtros granulares, adsorção e troca iônica, tratamento de efluentes, entre outros. Nesses processos, a colisão entre partículas ou entre partículas e superfície desempenha importante papel no comportamento fluidodinâmico e na dissipação de energia resultante de colisões e, portanto, compreender o comportamento das partículas neste tipo de escoamento é fundamental para melhorar a eficiência dos processos e equipamentos. Nesse contexto, este trabalho investigou as colisões partícula-partícula e partícula-superfície em escoamentos sólido-fluido, com ênfase em partículas de baixa resistência mecânica, consideradas partículas macias. Para isso, partículas de diferentes propriedades elásticas, superficiais e físicas foram caracterizadas quanto à densidade, diâmetro, rugosidade e módulo de Young. Como partículas rígidas, foram empregadas esferas de ABS (com e sem revestimento), de Fluorelastômero e de Nitrila, enquanto as partículas macias foram sintetizadas a partir de soluções de alginato de sódio em soluções de cloreto catiônicas (Ca2+, Ba2+ e Co2+). As interações resultantes das colisões do tipo partícula-superfície e partícula-partícula foram analisadas experimentalmente a partir de medidas de coeficiente de restituição em um equipamento tipo pêndulo. Os resultados demonstraram influência das propriedades superficiais e elásticas sobre o coeficiente, evidenciando uma tendência decrescente desse parâmetro com o aumento da velocidade de colisão, mais significativo sobre as partículas macias, e com a diminuição do módulo de Young. A partir das observações experimentais, foi proposto um modelo de regressão para cada grupo de partículas, a fim de predizer o coeficiente de restituição. Além do pêndulo, a influência da velocidade de impacto sobre o coeficiente de restituição das esferas de ABS foi também avaliada a partir de experimentos em queda livre. Observou-se pouca influência da velocidade de impacto sobre as esferas revestidas e maior proximidade entre os resultados obtidos para os dois métodos de medição para as esferas de ABS sem recobrimento. Ainda, foram realizados experimentos em água, nos quais obtiveram-se valores de coeficiente de restituição efetivo significativamente menores, evidenciando o efeito de forças viscosas dissipativas no momento da colisão. Por fim, valores de coeficiente da literatura foram testados em simulações usando Fluidodinâmica Computacional e o Método dos Elementos Discretos. Os resultados demonstraram que as simulações descreveram de modo satisfatório o comportamento das colisões de partículas com propriedades elásticas distintas. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.description.sponsorshipId | FAPESP 2018/20711-2 | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/3660124738217053 | por |