Uma contribuição para acuracidade em modelagem sub-malha de escoamentos gás-sólido fluidizados

• Processo: 19/17707-6
• Linha de fomento: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Vigência: 01 de julho de 2021 - 30 de junho de 2023
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Fenômenos de Transportes
• Pesquisador responsável: Fernando Eduardo Milioli
• Beneficiário: Fernando Eduardo Milioli
• Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Leito fluidificado

Resumo

Este projeto pretende contribuir para o desenvolvimento de reatores de leito fluidizado de escoamento gás-sólido, intensamente utilizados nas indústrias petroquímica e de energia. São de maior interesse as aplicações em larga escala para craqueamento catalítico de petróleo, e para combustão/gaseificação de combustíveis fósseis/renováveis, ambas responsáveis por extremo impacto sobre a economia mundial. O desenvolvimento de reatores de leito fluidizado é uma ciência empírica, baseada em sucessivas plantas de demonstração gradualmente escalonadas, envolvendo custos extremamente altos e tempos de implementação estendidos. Este cenário tem estimulado, tanto na indústria quanto na academia, a crescente expectativa de utilização de simulação computacional como ferramenta auxiliar ou mesmo alternativa aos onerosos desenvolvimentos empíricos. Alinhado a este contexto, o presente projeto tem como meta final contribuir para a habilitação de CFDs como ferramentas realistas de experimentação computacional para otimização, projeto e escalonamento de reatores de leito fluidizado de escala industrial. Em particular, busca-se contribuir para a formulação de modelagem matemática aperfeiçoada através da proposição de modelos de fechamento sub-malha crescentemente acurados. A desafiadora natureza multi-escala dos escoamentos gás-sólido fluidizados tem impulsionado pesquisas sob diversificadas linhas de modelagem, todas praticadas na busca final por acuracidade. Uma aproximação largamente praticada é baseada em modelagem de dois fluidos, onde gás e particulados sólidos são ambos tratados como fases contínuas inter-penetrantes em equilíbrio termodinâmico. Esta é a linha de modelagem praticada neste projeto, seguindo uma abordagem onde formulações filtradas (fTFM) proveem descrições de grande-escala de grandes domínios reais (via LSS, large scale simulations), enquanto formulações microscópicas (mTFM) proveem descrições de meso-escala de domínios parciais (via HRS, highly resolved simulations). Resultados de simulações mTFM são frequentemente usados para proposição de modelos sub-malha, que são então supridos como fechamento em formulações fTFM. É neste exato contexto que o presente projeto pretende contribuir, especialmente através da busca de modelos sub-malha crescentemente acurados. Dois aspectos são postos em perspectiva: o primeiro, relacionado à acuracidade das próprias simulações mTFM; o segundo, relacionado à correção e adequação das variáveis independentes que são assumidas em correlações de modelos sub-malha. Em pesquisas anteriores considerou-se ambos os aspectos: o primeiro, enfocando efeitos de condições de escoamento de macro-escala, efeitos da turbulência sub-malha da fase gás, e efeitos de fricção inter-partículas; o segundo, assumindo variáveis independentes de correlação usuais na literatura. Propõe-se agora a extensão destes estudos para condições mais rigorosas e abrangentes, considerando-se faixas significativas de números de Froude e de Stokes, e diferentes composições de variáveis independentes de correlação. Para tal propósito, simulações computacionais serão realizadas com o mTFM do código aberto MFIX (disponibilizado pelo NETL-DOE-USA), devidamente modificado pela inclusão de efeitos friccionais inter-partículas e efeitos de turbulência sub-malha da fase gás. O impacto maior pretendido será sobre o estado-da-arte, na prática contribuindo para a viabilidade de: i. ferramentas de pesquisa de maior acuracidade para a comunidade científica; ii. ferramentas de trabalho mais realistas para projeto, otimização e escalonamento de plantas industriais, para engenheiros e pesquisadores da indústria. (AU)