Uma investigação do efeito da falta de separação de escalas em modelagem submalha de escoamentos gás-sólido rápidos

• Processo: 11/06604-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2011
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2012
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Química - Processos Industriais de Engenharia Química
• Pesquisador responsável: Fernando Eduardo Milioli
• Beneficiário: Fernando Eduardo Milioli
• Pesquisador Anfitrião: Sankaran Sundaresan
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Princeton University, Estados Unidos
• Assunto(s): Leito fluidificado Reatores de leito fluidificado Escoamento
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Escoamentos gás-sólido | Leitos fluidizados | Modelagem de dois fluidos | simulação sub-malha | Escoamentos multifásicos

Resumo

Reatores de leito fluidizado circulante são utilizados em inúmeros processos industriais de grande relevância, destacando-se aplicações de larga escala como combustão/gaseificação de carvão, e craqueamento catalítico de petróleo. Uma área de pesquisa altamente relevante neste contexto é a da modelagem matemática dos escoamentos gás-sólido rápidos que se desenvolvem nestes reatores, e que afetam profundamente os processos reativos em questão. Uma importante e atual linha de pesquisa nesta área consiste em aplicar formulações Eulerianas de meios contínuos (ou de dois fluidos) em simulações altamente resolvidas para gerar correlações submalha, na expectativa de usá-las como relações de fechamento em simulações de grandes escalas de reatores reais. Em vista da falta de conhecimento dos complexos fenômenos físicos envolvidos, as simulações altamente resolvidas assumem também um caráter de experimentação computacional, voltada para a formulação de novas teorias e modelos de fechamento. Esta linha de pesquisa vem sendo praticada na Universidade de Princeton (Princeton-NJ, USA) desde os anos 90, sob o comando do Professor Sankaran Sundaresan. Há cerca de uma década nos juntamos a este esforço; os estudos que realizamos estão relatados em diversos artigos científicos publicados a partir de 1999 (Anexo 1 do projeto). A evolução das nossas pesquisas tem nos permitido interações produtivas com a comunidade científica internacional. Além de contatos com o Professor Sankaran Sundaresan, destacamos também interações com pesquisadores do Departamento de Energia dos USA: Thomas O'Brien e Sofiane Benyahia, do National Energy Technology Laboratory (NETL); e Sreekanth Pannala, do Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Todos estes pesquisadores são assíduos frequentadores das nossas listas de referências bibliográficas. A partir das interações realizadas, e a partir da nossa própria experiência acumulada, formulamos a presente proposta de pesquisa para ser realizada junto ao grupo do Professor Sankaran Sundaresan, na Universidade de Princeton, a partir de Agosto de 2011. O projeto de pesquisa trata da investigação do efeito da falta de separação de escalas em modelagem submalha de escoamentos gás-sólido rápidos em leitos fluidizados circulantes. Além de multifásicos, estes escoamentos são altamente heterogêneos, turbulentos, reativos e multiescalas. Todas as escalas do escoamento interagem intensamente entre si, afetando imensamente todos os processos de transporte de massa e energia, e taxas de reação química. Estas características impõem modelos matemáticos refinados, fortemente baseados em mecânica dos fluidos computacional. As capacidades de processamento computacional, atuais e em futuro previsível, estão aquém de permitir a solução de todas as escalas dos escoamentos. Então, realiza-se simulações de grandes escalas (SGE) em malhas numéricas grosseiras, as quais requerem modelos submalha para recuperar informações filtradas. Modelos submalha podem ser obtidos de simulações submalha (SSM) aplicando modelagem de dois fluidos em domínios reduzidos sob condições de contorno apropriadas. Há aqui vários desafios a superar, como a formulação de descrições termodinâmicas granulares, reológicas e de arrasto apropriadas para a microescala dos escoamentos, e as dificuldades impostas pela falta de separação de escalas que caracteriza os escoamentos gás-sólido. Neste projeto de pesquisa propõe-se investigar, através de experimentação computacional com modelagem de dois fluídos, o efeito da falta de separação de escalas sobre os resultados de simulação computacional submalha. A partir das conclusões destes estudos pretende-se, em etapas posteriores, considerar a proposição de novas formulações e/ou procedimentos de modelagem que levem em conta as interações entre as escalas modeladas em SSM e resolvidas em SGE. (AU)