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

• Processo: 12/03468-0
• Linha de fomento: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Vigência (Início): 17 de julho de 2012
• Vigência (Término): 18 de janeiro de 2013
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica
• Pesquisador responsável: Helio Aparecido Navarro
• Beneficiário: Helio Aparecido Navarro
• Anfitrião: Richard A. Scott
• Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Local de pesquisa: University of Michigan, Estados Unidos
• Assunto(s): Métodos numéricos Vibrações

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)

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

NAVARRO, HELIO A.; DE SOUZA BRAUN, MEIRE P.. Determination of the normal spring stiffness coefficient in the linear spring-dashpot contact model of discrete element method. Powder Technology, v. 246, p. 707-722, SEP 2013. (12/03468-0, 10/19769-4)

CASERTA, ALICE JORDAM; NAVARRO, HELIO A.; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN. Damping coefficient and contact duration relations for continuous nonlinear spring-dashpot contact model in DEM. Powder Technology, v. 302, p. 462-479, NOV 2016. (10/19769-4, 12/03468-0)

CORREA, L.; LIMA, G. A. B.; CANDEZANO, M. A. C.; BRAUN, M. P. S.; OISHI, C. M.; NAVARRO, H. A.; FERREIRA, V. G.. A C-2-continuous high-resolution upwind convection scheme. International Journal for Numerical Methods in Fluids, v. 72, n. 12, p. 1263-1285, AUG 30 2013. (10/19769-4, 12/03468-0, 09/16954-8, 10/16865-2, 09/15892-9)

MINETO, ANDREZA TANGERINO; DE SOUZA BRAUN, MEIRE PEREIRA; NAVARRO, HELIO APARECIDO; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN. Influence of the Granular Temperature in the Numerical Simulation of Gas-Solid Flow in a Bubbling Fluidized Bed. Chemical Engineering Communications, v. 201, n. 8, p. 1003-1020, AUG 3 2014. (12/03468-0, 10/19769-4)