Estudo da dinâmica em sistemas granulares através de simulação numérica usando partículas e volumes finitos

Resumo

A presente proposta de trabalho tem como meta realizar um estudo teórico e desenvolver simulações computacionais envolvendo a dinâmica de sistemas granulares. O foco principal do trabalho será a análise das forças de contato entre partículas de materiais granulares utilizando modelos contínuos baseados na mecânica dos solos e na teoria cinética dos escoamentos granulares (sistemas grandes com muitas partículas, formulação Euleriana - Volumes Finitos) e modelos discretos baseados nas características físicas dos materiais (sistemas intermediários e número limitado de partículas, formulação Lagrangeana - Método dos Elementos Discretos). Durante o período de pós-doutorado pretendo discutir com o professor R. A. Scott (The University of Michigan), com o qual já mantenho contato, o desenvolvimento desses modelos contínuos e discretos baseados na interação entre as partículas que caracterizam a dinâmica dos sistemas granulares, que podem estar sujeitos à vibração. Pretendo, também, investigar possíveis alterações em modelos existentes na literatura (para o caso contínuo, modelo de Srivastava e Sundaresan, 2003, e para o caso discreto, modelo Johnson, 1985, ver detalhes no plano de trabalho). Futuramente, essas novas formulações, também, poderão ser testadas em escoamentos fluidizados gás-sólido, sendo que atualmente eu tenho um projeto em leito fluidizado aprovado pela FAPESP. Entre as variadas aplicações de sistemas granulares existem os processos naturais de erosão, sedimentação, formação de duna, e processos industriais nas indústrias farmacêuticas e químicas. Nessas indústrias, os mecanismos de escoamento podem promover, por exemplo, a mistura de pós na fabricação de medicamentos. Dentre outras possíveis aplicações, temos os efeitos da vibração, que aumenta a taxa de vazão e o escoamento de sólido na descarga de silos. Embora as reações químicas e os mecanismos de transferência de calor influenciem essas aplicações, os sistemas granulares são dominados pelos processos hidrodinâmicos, os quais determinam a distribuição espacial e temporal das fases e espécies envolvidas. Como a hidrodinâmica é dominante nos processos de transporte de massa e energia em certas escalas temporais e espaciais, é imprescindível o seu estudo e compreensão para o desenvolvimento dos processos químicos e térmicos. Pela complexidade dos fenômenos físicos, ainda na atualidade, a compreensão da dinâmica e dos processos hidrodinâmicos básicos que acontecem em escoamentos granulares nas instalações industriais é incompleta e insuficiente. A proposta neste trabalho é a de usar o código fonte MFIX ("Multiphase Flow with Interphase eXchanges") de Syamlal et al. (Syamlal, M. Rogers, W. O'Brien, T. MFIX documentation: theory guide, Technical Note, DOE/METC-95/1013, 1993, www.mfix.org) escrito na linguagem de programação Fortran (execução na forma sequencial e paralela). Para o estudo das forças de contato, os principais problemas a serem analisados serão os sistemas de descarga composto por partículas de diferentes diâmetros, diferentes geometrias dos silos e outras variáveis. Esses sistemas do tipo hopper podem estar sujeitos à vibração das paredes para facilitar a mistura ou o escoamento do sólido. Assim, com uso desse código, pretende-se realizar simulações computacionais da dinâmica de sistemas granulares, analisando as forças de contatos entre as partículas. Os resultados obtidos com o código MFIX, no estudo aqui proposto, serão comparados com dados numéricos e experimentais da literatura. Destaco que diversos trabalhos estão em andamento sob a minha orientação, como uma iniciação científica e dois doutorados, um em escoamento gás-sólido e outro em escoamentos granulares. Ao retornar ao Brasil, continuarei executando o projeto da FAPESP, e futuros trabalhos serão propostos com as formulações físicas derivadas durante o estágio de pós-doutorado de seis meses. (AU)