Orientadores: José Roberto Nunhez, Guilherme José de Castilho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O estudo do escoamento em tanques agitados por meio de técnicas experimentais e computacionais tem sido fundamental para avaliar os fenômenos relacionados ao escoamento complexo em tanques agitados mecanicamente. Um desses fenômenos é o efeito da variação do plano azimutal de medida relativo...

Resumo: O estudo do escoamento em tanques agitados por meio de técnicas experimentais e computacionais tem sido fundamental para avaliar os fenômenos relacionados ao escoamento complexo em tanques agitados mecanicamente. Um desses fenômenos é o efeito da variação do plano azimutal de medida relativo à posição da chicana. Trabalhos anteriores usando a técnica velocimetria por imagem de partículas (PIV) aplicados em tanques com impelidores pitched blade turbines (PBT) mostraram que são significativas as mudanças no escoamento devido ao efeito da posição da chicana relativo ao plano de medida PIV. Isso indicou a necessidade de obter medidas em múltiplos planos, considerando a interação impelidor-chicana pela variação dos planos azimutais (AZ). Esse efeito do plano azimutal ainda não foi avaliado profundamente comparando as medidas PIV com CFD. Dessa forma, esse trabalho avalia o efeito da variação do plano azimutal de medida determinado por PIV na validação dos dados em CFD. Medidas do campo de velocidade média e energia cinética turbulenta (TKE) foram obtidas em seis planos AZ de 0°-75° para o PIV e extraídos na mesma posição para as simulações em CFD. As simulações foram realizadas em OpenFOAM® com abordagem em multiple reference frames (MRF) e quatro modelos de turbulência. Os resultados mostraram que o efeito da variação do plano azimutal foi significativo, especialmente na região de descarga do impelidor. Para os planos AZ 0° e AZ 30°, os desvios RMS do CFD em relação ao PIV foram de 30%, entretanto para a maioria dos planos os desvios foram menores, abaixo de 10%. A média dos planos AZ foi analisada e essa estratégia minimizou os erros locais dos planos. Dois aspectos principais afetaram a variação do plano: posição axial e modelos de turbulência. Em relação à posição axial, próximo ao fundo do tanque, o erro RMS foi maior para todos os planos AZ. Além disso, com o modelo Standard k-? obteve-se melhor performance para a maior parte dos planos e da extensão axial do tanque. Finalmente, em relação à TKE, os dados em CFD foram subestimados em relação ao PIV, principalmente no plano AZ 45°. Entretanto, esse desvio pode estar superestimado devido ao efeito da periodicidade da pá do impelidor. Conclui-se, a partir deste estudo, que há a necessidade de obter múltiplos planos em diferentes posições AZ e que o uso da estratégia do plano médio AZ, como método alternativo, pode minimizar os erros locais oriundos da interação impelidor-chicana

Abstract: The study of flow in agitated tanks employing experimental and computational techniques has been fundamental to evaluating complex flow phenomena in mechanically agitated tanks. One of these phenomena is the effect of the variation in the azimuthal measurement plane relative to the...

Abstract: The study of flow in agitated tanks employing experimental and computational techniques has been fundamental to evaluating complex flow phenomena in mechanically agitated tanks. One of these phenomena is the effect of the variation in the azimuthal measurement plane relative to the position of the chicane. Previous work using the PIV technique applied to tanks with PBT impellers has shown that changes in the flow are significant due to the effect of the baffle position relative to the PIV measurement plane. This effect of the azimuthal plane indicated the need to obtain measurements in multiple planes, considering the impeller-chicane interaction due to the variation of the azimuthal planes (AZ). This effect of the azimuthal plane has not yet been thoroughly discussed in literature when comparing PIV measurements with CFD. Thus, this work evaluates the effect of the variation of the azimuthal measurement plane determined by PIV in the validation of the CFD data. Measurements of the mean velocity and turbulent kinetic energy (TKE) field were obtained in six 0°-75° using AZ planes for the PIV and extracted in the same position with the CFD simulations. The simulations were performed in OpenFOAM® with an MRF approach and four different turbulence models. The results showed that the effect of the variation of the azimuthal plane was significant, especially in the discharge area of the impeller. For the AZ 0° and AZ 30° planes, the RMS deviations from the CFD with the PIV were 30%. However, for most planes, the deviations were smaller, below 10%. The average of the AZ planes was analyzed, and this strategy minimized the local errors of the planes. Two main aspects affected plane variation: axial position and turbulence models. Regarding the axial position near the bottom of the tank, the RMS error was more significant for all AZ planes. In addition, the Standard k-? model achieved better performance for most planes and an axial extension of the tank. Finally, the TKE CFD data were underestimated in relation to PIV, mainly in the AZ 45° plane. However, this deviation may be overestimated due to the periodicity effect of the impeller blade. This work concludes the need of using multiple planes in different AZ positions and further estimation of the AZ average plane strategy can minimize local errors arising from the impeller-baffle interaction

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