Análise comparativa de modelos de fechamento na simulação fluidodinâmica de uma coluna de bolhas

dc.contributor.advisor-co1Laizo, Welberth Santos
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4647926156980030
dc.contributor.advisor1Lopes, Gabriela Cantarelli
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5680967191791061
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4475-6075
dc.contributor.authorSouza, Lucas Santos
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/5040650099547998
dc.date.accessioned2026-08-13T18:03:10Z
dc.date.issued2026-07-07
dc.description.abstractBubble columns are widely used in chemical, petrochemical, biochemical, and environmental processes due to their high mass and heat transfer efficiency. In this context, gas holdup is one of the main hydrodynamic parameters, directly influencing reactor performance. This work evaluated the influence of different closure models on the prediction of gas holdup in a bubble column using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations performed in the STARCCM+ software. Initially, a mesh independence study was conducted using the Grid Convergence Index (GCI) to ensure the numerical reliability of the simulations. Subsequently, different turbulence models, bubble diameter models, interfacial force models, and the inclusion of bubble breakup and coalescence mechanisms were investigated. The simulation results were mainly assessed by comparison with gas holdup correlations available in the literature and were additionally confronted with experimental data. The mesh independence study confirmed numerical convergence and the reliability of the adopted discretization. Among the evaluated models, the k-ω turbulence model showed the best performance in predicting gas holdup, presenting the lowest residuals throughout the simulations. Bubble diameter correlations and drag models were found to be the most influential factors in gas holdup prediction, leading to the largest variations in the simulated results, whereas lift and bubble breakup and coalescence models had a smaller impact on this variable. The inclusion of breakup and coalescence models did not lead to consistent improvements in gas holdup prediction, despite the associated increase in computational cost. Furthermore, empirical correlations showed accuracy dependence on the operating range when compared with experimental data, failing to adequately represent all studied conditions. Overall, the results demonstrate that the appropriate selection of closure models is essential for reliable predictions of gas holdup and system hydrodynamics, confirming the potential of CFD as a tool for analysis and support in the development and optimization of bubble columns.eng
dc.description.resumoAs colunas de bolhas são amplamente empregadas em processos químicos, petroquímicos, bioquímicos e ambientais devido à elevada eficiência de transferência de massa e calor. Nesse contexto, a retenção gasosa constitui um dos principais parâmetros fluidodinâmicos, influenciando diretamente o desempenho desses reatores. O presente trabalho avaliou a influência de diferentes modelos de fechamento na predição da retenção gasosa em uma coluna de bolhas por meio de simulações de Fluidodinâmica Computacional (CFD) realizadas no software STAR-CCM+. Inicialmente, foi conduzido um estudo de independência de malha utilizando o Índice de Convergência de Malha (GCI) para garantir a confiabilidade numérica das simulações. Em seguida, foram investigados diferentes modelos de turbulência, diâmetro de bolha, modelos de forças interfaciais e a inclusão de mecanismos de quebra e coalescência de bolhas. Os resultados das simulações foram avaliados principalmente por meio da comparação com correlações de retenção gasosa da literatura, sendo adicionalmente confrontados com dados experimentais. O estudo de independência de malha confirmou a convergência da solução numérica e a confiabilidade da discretização adotada. Entre os modelos avaliados, o modelo de turbulência k-ω apresentou o melhor desempenho na predição da retenção gasosa, apresentando os menores resíduos ao longo da simulação. As correlações para estimativa do diâmetro de bolha e os modelos de arrasto mostraram-se os fatores de maior influência na predição da retenção gasosa, sendo responsáveis pelas maiores variações nos resultados simulados, enquanto os modelos de sustentação e de quebra e coalescência apresentaram impacto menor sobre essa variável. A inclusão dos modelos de quebra e coalescência não promoveu melhorias consistentes na predição da retenção gasosa, apesar do aumento do custo computacional associado à sua aplicação. Além disso, observou-se que as correlações empíricas apresentaram precisão dependente da faixa operacional considerada, quando comparado aos dados experimentais, não sendo capaz de representar adequadamente todas as condições estudadas. De modo geral, os resultados demonstraram que a escolha adequada dos modelos de fechamento é fundamental para a obtenção de previsões confiáveis da retenção gasosa e da hidrodinâmica do sistema, confirmando o potencial da CFD como ferramenta de análise e apoio ao desenvolvimento e à otimização de colunas de bolhas.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamento
dc.identifier.citationSOUZA, Lucas Santos. Análise comparativa de modelos de fechamento na simulação fluidodinâmica de uma coluna de bolhas. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24525.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24525
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.courseEngenharia Química - EQ
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectColuna de bolhaspor
dc.subjectRetenção gasosapor
dc.subjectFluidodinâmica computacionalpor
dc.subjectModelos de fechamentopor
dc.subjectBubble columneng
dc.subjectGas holdupeng
dc.subjectComputational fluid dynamicseng
dc.subjectClosure modelseng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleAnálise comparativa de modelos de fechamento na simulação fluidodinâmica de uma coluna de bolhaspor
dc.title.alternativeComparative analysis of closure models in the computational fluid dynamics simulation of a bubble columneng
dc.typeTCC

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