Resumo: Ciclones são equipamentos amplamente utilizados em indústrias como separadores gássólido. Apesar deste equipamento possuir princípios de funcionamento simples, estudos já demonstraram que o escoamento vorticial confinado inerente aos separadores ciclônicos é, na realidade, muito complexo. O recente avanço em métodos numéricos e poder computacional tornou possível o uso de ferramentas avançadas como a fluidodinâmica computacional (CFD), técnica que propõe a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através de métodos numéricos. Sua aplicação a ciclones não deixou sombra de dúvida da complexidade da fluidodinâmica envolvida, mas mesmo com dificuldades abriu caminho para muitos avanços na área. O presente estudo busca somar à vasta literatura ao discutir a variação de alguns parâmetros específicos para a simulação de ciclones. O primeiro parâmetro foi a condição de contorno de saída de sólidos. Foram estudadas algumas configurações que incluem a saída direta, com dip, leg com caixa coletora e parede. Estas variações provaram ser de enorme influência em toda a fluidodinâmica do sistema. Em seguida é feito um estudo da influência do modelo de turbulência nos campos de escoamento. São aplicados os modelos k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) e Large Eddy Simulation (LES). Os dois primeiros se mostraram inadequados, o SSG-RSM mostrou-se adequado e o LES promissor, porém limitado pela malha esparsa utilizada. Por fim, variou-se a abordagem de modelagem da fase sólida, primeiramente utilizando um modelo Euleriano-Euleriano (E-E) que levava em consideração apenas um diâmetro para a fase sólida e depois um modelo E-E3, com três fases sólidas de diâmetros diferentes sendo simuladas simultaneamente. Através destes modelos foram obtidas curvas de eficiência de coleta fracional e global. Ambos os modelos representaram bem os dados experimentais, mas o E-E3 mostrou superioridade, principalmente no que diz respeito ao tempo total de processamento e escalabilidade da simulação. As geometrias e malhas numéricas foram construídas no pacote ICEM CFD, e os casos resolvidos utilizando o software comercial ANSYS CFX, rodando em paralelo em um cluster de alta performance. Dados experimentais da literatura foram utilizados para validação. Ver menos

Abstract: Cyclones are widely used in industries as gas-solid separators. Although this equipment features simple operational principles, studies have shown that the confined vorticial flow found in cyclonic separators is, in fact, very complex. Recent advances in numerical methods and computational power have made possible the use of advanced tools such as computational fluid dynamics (CFD), a technique that proposes the solution of the equations of conservation of mass, momentum and energy through numerical methods. Applied to cyclones, CFD has left no doubt on the complexity of the fluid dynamics involved, but much progress has been done in this area. The present study seeks to add to this vast literature with the discussion of the variation of a few specific parameters to cyclone simulation. The first chosen parameter was the boundary condition for the outlet of solids. A few configurations were studied, including a direct outlet, dipleg, dust hopper and wall. These variations proved to be of enormous influence to the fluid dynamics of the system. As a second study, four turbulence models were compared: k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The first two proved to be inadequate, SSG-RSM performed the best and LES showed promise, but it suffered the limitations of a coarse mesh. The last studied parameter was the modeling approach to the solids phase, first by utilizing an Eulerian-Eulerian (E-E) model that considered a single diameter for the solid phase and second an E-E3 model, with three solid phases of different diameters being simulated simultaneously. Through these methods the fractional and overall collection efficiency curves were obtained. Both approaches reproduced the experimental data well, but E-E3 was more accurate, also presenting a reduced overall computational time and better scalability. The geometries and numerical meshes were built using the code ICEM CFD, and the cases solved using commercial software ANSYS CFX, running in parallel mode in a high performance computing cluster. Experimental data available in the literature was used as validation. Ver menos