Ciclones são equipamentos largamente empregados na separação de partículas do ar ou na limpeza de gases de processos por ação da força centrífuga. Neste trabalho, um ciclone lavador modificado foi projetado, construído, e sua eficiência de coleta de partículas foi avaliada. O equipamento consiste de um ciclone separador tipo Americano com triplo cone, em cujo corpo cilíndrico foram introduzidos bicos nebulizadores de água. Graças a essa configuração ele pode ser usado em galpões industriais, apresenta facilidade de construção e operação e baixo custo. O autor projetou esse ciclone objetivando não somente a eficiência de coleta, mas também a compacidade, o baixo consumo de água e de eletricidade, a possibilidade de purificação de gases ou vapores tóxicos, e ainda, o resfriamento de gases quentes pela umidificação até a saturação, de acordo com os fundamentos da separação de poeiras empregada nos scrubbers úmidos. O estudo consistiu de uma avaliação experimental das condições de operação à temperaturas ambiente e superiores à ambiente, variando também a altura da chaminé e a vazão de água de umidificação da poeira. Os ensaios foram realizados em duas etapas. Na primeira, objetivou-se identificar as melhores condições de operação usando todo o potencial de variação do equipamento, e empregando um projeto fatorial de três fatores (three-way). A segunda etapa objetivou-se estimar a eficiência de coleta do ciclone lavador usando como poluente, partículas de quartzo micronizado com diâmetro médio de 7,48 µm. A concentração de partículas no gás foi de 20 a 100 mg/m3 de ar. Foi obtida uma eficiência média de 97.07±1.03 %, para 4 bicos nebulizadores, 4 aquecedores em funcionamento e altura da chaminé 645 mm, para uma vazão de gás 0,358 m3/s de gás. Concluindo a modificação do projeto aumento a eficiência de coleta de aproximadamente 70 % ,em ciclones secos, para 97,07 %. / Cyclones are devices widely employed to separate and collect particles from the air or for cleaning up gases for processes by the action of centrifugal force. In this work a modified cyclone washer was designed, fabricated, and its collection efficiency evaluated. This equipment consists of an Americantype cyclone separator with a triple cone into whose cylindrical body a spray nozzle was introduced. Thanks to its configuration, it can be used in industrial warehouses and is fairly simple to build and operate, as well as inexpensive. The author designed this cyclone with a view not only to efficiency but also compactness, low water and electricity consumption, the possibility of toxic gas or vapor absorption, the cooling of hot gases and aerosol humidification up to saturation, according to fundamentals of dust separation with wet scrubbers. The study consisted of an experimental evaluation of the operating conditions at ambient and higher than ambient temperatures, changing the chimney height and water flow rate, with the purpose of humidifying dust. The tests were carried out in two steps. The first step aimed to identify the best operating condition using the entire potential variation and employing a three-way factorial design. The second step aimed to estimate the efficiency of the cyclone washer was evaluated in the collection of micronized quartz particles with an average diameter of 7.48 µm. The amount of particles varied from 20 to 100 mg/m3 of air. An average efficiency of 97.07±1.03 % was obtained with four spray nozzles, with its four heaters turned on, chimney height of 0.645 m and 0.358 m3/s of gas. In conclusion, the design modification had increased the collection efficiency from about 70 %, in dry cyclones, to 97.07 %.

Ciclones são equipamentos largamente empregados na separação de partículas do ar ou na limpeza de gases de processos por ação da força centrífuga. Neste trabalho, um ciclone lavador modificado foi projetado, construído, e sua eficiência de coleta de partículas foi avaliada. O equipamento consiste de um ciclone separador tipo Americano com triplo cone, em cujo corpo cilíndrico foram introduzidos bicos nebulizadores de água. Graças a essa configuração ele pode ser usado em galpões industriais, apresenta facilidade de construção e operação e baixo custo. O autor projetou esse ciclone objetivando não somente a eficiência de coleta, mas também a compacidade, o baixo consumo de água e de eletricidade, a possibilidade de purificação de gases ou vapores tóxicos, e ainda, o resfriamento de gases quentes pela umidificação até a saturação, de acordo com os fundamentos da separação de poeiras empregada nos scrubbers úmidos. O estudo consistiu de uma avaliação experimental das condições de operação à temperaturas ambiente e superiores à ambiente, variando também a altura da chaminé e a vazão de água de umidificação da poeira. Os ensaios foram realizados em duas etapas. Na primeira, objetivou-se identificar as melhores condições de operação usando todo o potencial de variação do equipamento, e empregando um projeto fatorial de três fatores (three-way). A segunda etapa objetivou-se estimar a eficiência de coleta do ciclone lavador usando como poluente, partículas de quartzo micronizado com diâmetro médio de 7,48 µm. A concentração de partículas no gás foi de 20 a 100 mg/m3 de ar. Foi obtida uma eficiência média de 97.07±1.03 %, para 4 bicos nebulizadores, 4 aquecedores em funcionamento e altura da chaminé 645 mm, para uma vazão de gás 0,358 m3/s de gás. Concluindo a modificação do projeto aumento a eficiência de coleta de aproximadamente 70 % ,em ciclones secos, para 97,07 %. / Cyclones are devices widely employed to separate and collect particles from the air or for cleaning up gases for processes by the action of centrifugal force. In this work a modified cyclone washer was designed, fabricated, and its collection efficiency evaluated. This equipment consists of an Americantype cyclone separator with a triple cone into whose cylindrical body a spray nozzle was introduced. Thanks to its configuration, it can be used in industrial warehouses and is fairly simple to build and operate, as well as inexpensive. The author designed this cyclone with a view not only to efficiency but also compactness, low water and electricity consumption, the possibility of toxic gas or vapor absorption, the cooling of hot gases and aerosol humidification up to saturation, according to fundamentals of dust separation with wet scrubbers. The study consisted of an experimental evaluation of the operating conditions at ambient and higher than ambient temperatures, changing the chimney height and water flow rate, with the purpose of humidifying dust. The tests were carried out in two steps. The first step aimed to identify the best operating condition using the entire potential variation and employing a three-way factorial design. The second step aimed to estimate the efficiency of the cyclone washer was evaluated in the collection of micronized quartz particles with an average diameter of 7.48 µm. The amount of particles varied from 20 to 100 mg/m3 of air. An average efficiency of 97.07±1.03 % was obtained with four spray nozzles, with its four heaters turned on, chimney height of 0.645 m and 0.358 m3/s of gas. In conclusion, the design modification had increased the collection efficiency from about 70 %, in dry cyclones, to 97.07 %.

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura. / Two-phase flows are present in many natural and industrial processes, such as in the oil industry. They may be found arranged in several flow patterns, including the wavy stratified flow and the stratified with mixing at the interface. The stratified oil-water flow has been used as a convenient way to avoid the formation of emulsions of water in oil and have a common occurrence in directional oil wells. When the interfacial wave exceeds a certain geometric and kinematic limit the phenomenon of drop entrainment arises at the interface, causing an increase of pressure drop. Models have been presented in the literature in an attempt to describe the phenomenon of drop entrainment. In this work, we present a new method for the one-dimensional mathematical modeling of entrainment in order to improve the prediction of oil volume fraction and pressure drop. It was also used a commercial computational fluid dynamics tool (CFD) to obtain the values of flow parameters of wavy stratified oil-water flow, such as oil volume fraction, pressure drop, amplitude and length of the interfacial waves. The results of the phenomenological modeling for entrainment and CFD were compared with experimental databases. The CFD results are in agreement with the experimental results in both the qualitative analysis of the geometric properties of the interfacial waves and in direct comparison with oil-volumetric-fraction and pressure-drop data. The numerical results of the phenomenological model for entrainment factors are in agreement with data from the literature.

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura. / Two-phase flows are present in many natural and industrial processes, such as in the oil industry. They may be found arranged in several flow patterns, including the wavy stratified flow and the stratified with mixing at the interface. The stratified oil-water flow has been used as a convenient way to avoid the formation of emulsions of water in oil and have a common occurrence in directional oil wells. When the interfacial wave exceeds a certain geometric and kinematic limit the phenomenon of drop entrainment arises at the interface, causing an increase of pressure drop. Models have been presented in the literature in an attempt to describe the phenomenon of drop entrainment. In this work, we present a new method for the one-dimensional mathematical modeling of entrainment in order to improve the prediction of oil volume fraction and pressure drop. It was also used a commercial computational fluid dynamics tool (CFD) to obtain the values of flow parameters of wavy stratified oil-water flow, such as oil volume fraction, pressure drop, amplitude and length of the interfacial waves. The results of the phenomenological modeling for entrainment and CFD were compared with experimental databases. The CFD results are in agreement with the experimental results in both the qualitative analysis of the geometric properties of the interfacial waves and in direct comparison with oil-volumetric-fraction and pressure-drop data. The numerical results of the phenomenological model for entrainment factors are in agreement with data from the literature.

Cette thèse présente une extension de l'approche stochastique de l'atomisation primaire de type air assisté près d'un injecteur. Cette approche avait déjà été introduite dans les publications de Gorokhovski et al. Dans le cadre de la simulation des grandes échelles, la zone d'atomisation primaire est simulée comme un corps immergé avec une structure stochastique. Ce dernier est défini par la simulation stochastique de la position et de la courbure de l'interface entre le liquide et le gaz. La simulation de la position de l'interface est basée sur l'hypothèse de symétrie d'échelle pour la fragmentation. La normale extérieure à l'interface est modélisée en supposant une relaxation statistique vers l'isotropie. Les statistiques de la force du corps immergé servent de conditions aux limites pour le champ de vitesse issu de la LES ainsi que pour la production des gouttes de l'atomisation primaire. Celles-ci sont ensuite transportées par une approche lagrangienne. Les collisions entre les gouttes dans la zone d'atomisation primaire sont prises en compte par analogie avec l'approche standard de la théorie cinétique des gaz. Une fermeture est proposée pour la température statistique des gouttelettes. Cette approche est validée par des comparaisons avec les mesures expérimentales de la thèse de Hong. Les résultats numériques pour la vitesse et de la taille des gouttes dans le spray à différentes distances du centre du jet et de l'orifice de la buse sont relativement proches des résultats expérimentaux. Différentes conditions d'entrée pour la vitesse sont testées et comparées aux résultats expérimentaux. Par ailleurs, le rôle spécifique de la zone de recirculation devant le dard liquide est soulignée par le battement du dard liquide et la production de gouttelettes. / This thesis introduced an extension to stochastic approach for simulation of air-blast atomization closely to injector. This approach was previously proposed in publications of Gorokhovski with his PHD students. Our extension of this approach is as follows. In the framework of LES approach, the contribution of primary atomization zone is simulated as an immersed solid body with stochastic structure. The last one is defined by stochastic simulation of position-and-curvature of interface between the liquid and the gas. As it was done previously in this approach, the simulation of the interface position was based on statistical universalities of fragmentation under scaling symmetry. Additionally to this, we simulate the outwards normal to the interface, assuming its stochastic relaxation to isotropy along with propagation of spray in the down-stream direction. In this approach, the statistics of immersed body force plays role of boundary condition for LES velocity field, as well as for production of primary blobs, which are then tracked in the Lagrangian way. In this thesis, the inter-particle collisions in the primary atomisation zone are accounted also by analogy with standard kinetic approach for the ideal gas. The closure is proposed for the statistical temperature of droplets. The approach was assessed by comparison with measurements of Hong in his PHD. The results of computation showed that predicted statistics of the velocity and of the size in the spray at different distances from the center plane, at different distances from the nozzle orifice, at different inlet conditions (different gas velocity at constant gas-to-liquid momentum ratio, different gas-to-liquid momentum ratio) are relatively close to measurements. Besides, the specific role of recirculation zone in front of the liquid core was emphasized in the flapping of the liquid core and in the droplets production.