Modelagem sub-malha de escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados

• Processo: 15/22224-3
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2017
• Data de Término da vigência: 31 de maio de 2019
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Química - Processos Industriais de Engenharia Química
• 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
• Município da Instituição Sede: São Carlos
• Assunto(s): Reatores de leito fluidificado Fluidos complexos Escoamento bifásico Simulação por computador Métodos numéricos em dinâmica de fluidos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Escoamentos gás-sólido | Leitos fluidizados | modelos de dois fluidos | modelos sub-malha | escoamentos gás-sólido

Resumo

Reatores de leito fluidizado são equipamentos amplamente utilizados nas indústrias química e de energia, representando extraordinário impacto sobre a economia mundial. O desenvolvimento destes reatores é ainda uma ciência eminentemente empírica, baseada em plantas de demonstração gradualmente escalonadas que envolvem custos e tempos de execução elevadíssimos. Este projeto de pesquisa pretende contribuir no contexto da substituição destas onerosas plantas de demonstração por simulação computacional. Mais especificamente, pretende contribuir para o desenvolvimento de modelos matemáticos realistas para descrição acurada de escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados. Devido aos comumente enormes volumes envolvidos, a simulação de leitos fluidizados em escala real impõe formulações filtradas, que demandam modelos de fechamento para recuperar os efeitos filtrados. O presente esforço volta-se para a formulação de modelos de fechamento crescentemente realistas para a hidrodinâmica e interações inter-fase, por meio de experimentação computacional com modelagem microscópica de dois fluidos. Modelos de dois fluidos filtrados tem sido largamente utilizados para simular escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados, que requerem modelos de fechamento para forças interativas de interface e tensões em cada fase. Recentemente, tais fechamentos tem sido obtidos de simulações altamente resolvidas aplicando modelagem microscópica de dois fluidos. A simulação altamente resolvida usual é aplicada sobre domínios periódicos, onde o driving force do escoamento é introduzido através de gradiente de pressão no gás imposto via condições de contorno, o qual é escolhido para exatamente compensar a gravidade agindo sobre a mistura gás-sólido média. Isto resulta num campo de escoamento de particulado que é ascendente em regiões de baixa concentração de sólido, e descendente em regiões de baixa concentração, com números de Reynolds baixos variando em faixa muito confinada. Nestas condições observa-se que o número de Reynolds não afeta significativamente qualquer parâmetro filtrado. A corrente proposta de pesquisa visa investigar o efeito do número de Reynolds sobre parâmetros filtrados sob condições de escoamento mais realistas. Na prática, isso significa impor gradientes de pressão no gás em excesso àquele requerido para exatamente compensar a gravidade sobre a mistura gás-partículas. Além de investigar os efeitos do número de Reynolds, pesquisas são também propostas para investigar efeitos de interações partícula-partícula colisionais/friccionais e da turbulência do gás sobre a hidrodinâmica de meso-escala. A atenção atual estará sempre voltada para aplicações de particulados de elevado número de Stokes, típicos de aplicações de leitos fluidizados. Experimentos computacionais serão realizados para faixas de frações de sólidos e descargas de gás cobrindo regimes de escoamento desde muito diluídos até muito densos. O código computacional aberto MFIX será usado em todas as simulações. O objetivo final perseguido é o provimento de novos modelos de fechamento sub-malha crescentemente realistas para modelagem de dois fluidos filtrada de escoamentos fluidizados gás-sólido. (AU)