Orientador: Jose Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T08:15:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_GabrielaCantarelli_M.pdf: 1710566 bytes, checksum: efab0c6308734536b15c2ef91d4d8337 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Processos que envolvem escoamentos de fluidos no interior de dutos estão presentes em muitas aplicações industriais. Na indústria petroquímica um desses processos que vem se tornando cada vez mais importante é o craqueamento catalítico de frações pesadas do petróleo, já que as converte em frações leves e mais nobres. Por causa da crescente demanda mundial por gasolina e GLP e à sua alta rentabilidade para uma refinaria de petróleo, unidades de craqueamento catalítico em leito fluidizado (FCC) estão presentes em todo o mundo. Testes experimentais costumam ser usados no estudo dos fenômenos envolvidos nesse processo. Porém esse tipo de análise possui alto custo, que pode ser reduzido com o uso de simulações computacionais em seu estudo inicial. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo tridimensional e elíptico, em linguagem Fortran, capaz de fornecer dados para a análise preliminar de escoamentos no interior de reatores de FCC. Na modelagem desses problemas são usadas equações diferenciais parciais, e essas não possuem solução analítica conhecida, sendo necessário o emprego de métodos numéricos para esse fim. Neste trabalho foi usado o Método dos Volumes Finitos, que tem a função de substituir as equações diferenciais parciais por equações algébricas aplicadas a pequenos volumes de controle finitos pertencentes ao domínio. Uma das maiores dificuldades encontradas no tratamento numérico de escoamentos incompressíveis é a determinação de um campo de pressão que satisfaça a Equação da Continuidade. Esse problema foi resolvido fazendo-se uso da abordagem acoplp.da de solução. Para análise do modelo foram obtidos perfis numéricos de velocidade e pressão para fluidos escoando em regimes laminar e turbulento, que foram validados usando-se os dados obtidos com a solução analítica das equações, por correlações (semi-) empíricas ou por dados experimentais, conforme cada um dos casos. Notou-se que o modelo representa muito bem casos laminares, e gue 11.oS casos turbulentos foi necessário um maior refino da malha próximo a parede do tubo. Também foram feitas simulações para que se pudessem observar as características tridimensionais, elípticas e transientes da modelagem do escoamento. De maneira geral o modelo se mostrou bastante rápido, convergindo em poucas iterações. Palavras-Chave: Fluidodinâmica computacional; dutos cilíndricos; modelo tridimensional e elíptico; método dos Volumes Finitos; solução acoplada; turbulência / Abstract: Processes involving fluid flow in tubes are present in many industrial applications. In petrochemical industry one of these processes that are becoming more and more important is the fluid catalytic cracking of heavy petroleum fractions. This fact is due to the process capacity to convert heavy fractions in light and valuable ones. Because of the increasingly worldwide demand for gasoline and LPG and its high yield for a petroleum refinery, fluid catalytic cracking (FCC) units are present in the whole world. Experimental tests are used in the study of the phenomena involved in this processo However this kind of analysis has high cost which can be reduced by using computational simulations in its initial study. Thus, the aim of this work was the development of a three-dimensional and elliptical mo dei in Fortran language in order to provide data for fluid flow preliminary analysis in FCC reactors. Partial differential equations were used in the modeling of these problems. These equations do not have known analytical solution, being necessary therefore the use of numerical methods. In this work the Finite Volume Method were applied with this purpose. This method has as a role to substitute the partial differential equations of the mo dei for algebric equations applied to small finite control volumes of the domain. One of the biggest difficulties found in the numerical treatment of incompressible fluid flows is the determination of apressure field that satisfies the Continuity Equation. This problem was solved using the coupled solution approach. For model analysis, numerical velocity and pressure proJ:iles for laminar and turbulent flows were obtained, that had been validated using the data obtained through the analytical solution of the equations, by empirical correlations or by experimental data, according to each one of the cases. The model represented well laminar cases, and in the turbulent ones the mesh had to be more refined near the tube wall. Other simulations were performed, in aQalyzing the three-dimensional, elliptical and transient model characteristics. In general, the mo dei was very fast, converging in a few interations. Keywords: Computational fluid dyn~mic; cylindrical ducts; three-dimensional and elliptical model; Finite Volume Method; coupled solution; turbulence / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-23T01:44:32Z No. of bitstreams: 1 GUSTAVO GOMES SAMPAIO CURSINO - TESE PPGEQ 2016.pdf: 5939681 bytes, checksum: 518baf4150ea2fb7085706252276b9fa (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-23T01:44:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GUSTAVO GOMES SAMPAIO CURSINO - TESE PPGEQ 2016.pdf: 5939681 bytes, checksum: 518baf4150ea2fb7085706252276b9fa (MD5) Previous issue date: 2016-04-18 / Este trabalho teve o propósito de determinar o comportamento dos gases na seção de radiação de um combustor de ar que pertence a uma planta industrial. O corpo metálico do equipamento rompeu em seu primeiro ano de operação, devido a um problema conceitual em sua geometria. A fluidodinâmica computacional (CFD), por meio do método dos volumes finitos, foi utilizada para desenvolver um modelo tridimensional que pudesse reproduzir o perfil de temperatura e o comportamento do fluxo do ar de combustão no equipamento. Na simulação, através do uso do software ANSYS CFX, foram utilizados: (i) o modelo de turbulência Reynolds Stress Model (RSM); (ii) as malhas hexaédrica, tetraédrica e prismática; (iii) o modelo de radiação P-1; e (iv) o modelo de combustão Eddy Dissipation Concept (EDC). Como resultado, foram apresentadas quatro possíveis mudanças na geometria do combustor de ar que, caso adotadas, eliminariam os riscos de novas falhas e garantiriam a continuidade operacional da unidade de processo. / This paper has the objective to describe the behavior of the flow and temperature of the flue gas in the radiation section of the vessel used to preheat air in a combustor. The equipment failed in its first operational year, due to a conceptual problem in its geometry. The CFD code based on finite volume method was applied to simulate the physical model of combustor using the ANSYS CFX software, reproducing the main features of the preheater. The simulation had considered: (i) Reynolds Stress Model (RSM) as turbulence model, (ii) The meshes applied were the hexahedral, tetrahedral and prismatic, (iii) P-1 was used as the radiation model and (iv) Eddy Dissipation Concept (EDC) as combustion model. Through the simulation was possible to propose four different kind of combustor geometry modification, that the application of anyone of them would eliminate the risk of new failures, ensuring the unit production availability.

CERNN / Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluidos de lei de potência e Bingham junto à interface entre uma região livre e outra porosa (interface fluido-porosa) utilizando o método lattice Boltzmann. Para tanto, considera-se o escoamento entre placas planas e paralelas entre as quais se faz presente um meio poroso abordado de forma heterogênea (resolução espacial da ordem de grandeza dos poros), representado através de obstáculos sólidos quadrados uniformemente distribuídos na parte inferior do canal. As análises realizadas mostram o efeito dos diversos parâmetros adimensionais que descrevem o problema sobre o fator de atrito na região livre do canal. De um modo geral, constata-se que a discrepância entre os fatores de atrito na região livre do canal e para o escoamento entre placas planas e paralelas cresce com o aumento da porosidade e do número de Bingham e com as reduções do número de obstáculos que compõem o meio poroso, número de Reynolds e índice de lei de potência. Ademais, propõe-se a adaptação do modelo analítico para a representação da interface fluido- porosa para escoamento de fluido newtoniano proposto por Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) ao escoamento de fluido de lei de potência, verificando-se a possibilidade de incorporar o comportamento não newtoniano do fluido ao parâmetro empírico do modelo. / The goal of this work is to numerically investigate the flow of power law and Bingham fluids next to the interface between a free and a porous region (fluid-porous interface) using the lattice Boltzmann method. For this, the flow between parallel plates partially filled by a porous material is studied, with the porous medium being represented by a set of solid square obstacles uniformly distributed in lower half of the channel. Results show the influence of non-dimensional parameters in the free region friction factor. In geral, it is observed that the friction factor decreases when porosity or Bingham number are increased and number of obstacles, Reynolds number or power law index are lowered. Moreover, it is porposed the application of the fluid-porous interface model proposed by Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) to the flow of power law fluids by varying the stress jump coefficient with the power law index.

CAPES / Vários estudos numéricos investigaram cavidades fechadas sob o efeito da convecção natural preenchidas com fluidos newtonianos generalizados (FNG) nos últimos anos pelas aplicações diretas em trocadores de calor compactos, no resfriamento de sistemas eletrônicos e na engenharia de polímeros. Neste trabalho é realizada a investigação numérica do processo de convecção natural de fluidos de lei de Potência e de Bingham em cavidades fechadas, aquecidas lateralmente e preenchidas com meios heterogêneos e bloco centrado. O meio heterogêneo é constituído de blocos sólidos, quadrados, desconectados e condutores de calor. Como parâmetros são utilizados a faixa de Rayleigh de 104 à 107, índice de potência n de 0, 6 à 1, 6, número de Bingham de 0, 5 até Bimax , sendo investigado da influência do número de Prandtl para cada modelo de fluido. Nas cavidades com meio heterogêneo são utilizadas as quantidades de blocos de 9, 16, 36 e 64, mantendo-se a razão entre a condutividade térmica do sólido e do fluido κ = 1. Para as cavidades com bloco centrado, são utilizados os tamanhos adimensionais de 0, 1 à 0, 9 com κ = 0, 1; 1 e 10. A modelagem matemática é realizada pelas equações de balanço de massa, de quantidade de movimento e de energia. As simulações são conduzidas no programa comercial ANSYS FLUENT R . Inicialmente são resolvidos problemas com fluidos newtonianos em cavidade limpa, seguida de cavidade preenchida com meio heterogêneo e posteriormente bloco centrado para validação da metodologia de solução. Na segunda etapa é realizada o estudo com os modelos de fluidos de lei de Potência e de Bingham seguindo a mesma sequência. Os resultados são apresentados na forma de linhas de corrente, isotermas e pelo número de Nusselt médio na parede quente. De maneira geral, a transferência de calor na cavidade é regida pelo número de Rayleigh, tamanho e condutividade térmica dos blocos, pelo índice de potência para o modelo de lei de Potência e do número de Bingham para o modelo de Bingham. O número de Prandtl tem grande influência nos dois modelos de fluidos. O meio heterogêneo reduz a transferência de calor na cavidade quando interfere na camada limite térmica para ambos os fluidos, sendo feita uma previsão analítica para o fluido de lei de Potência. Para bloco centrado, a interferência na camada limite com fluido de lei de Potência também foi prevista analiticamente. A transferência de calor aumentou com bloco de baixa condutividade térmica e pouca interferência e com bloco de alta condutividade térmica e grande interferência, para ambos os fluidos. / Many studies have been carried out in square enclosures with generalized Newtonian fluids with natural convection in past few years for directly applications in compact heat exchangers, cooling of electronics systems and polymeric engineering. The natural convection in square enclosures with differently heated sidewalls, filled with power-law and Bingham fluids in addition with heterogeneous medium and centered block are analyzed in this study. The heterogeneous medium are solid, square, disconnected and conducting blocks. The parameters used are the Rayleigh number in the range 104 - 107 , power index n range of 0, 6 - 1, 6, Bingham number range of 0, 5 - Bimax , being the influence of Prandtl number investigated for each fluid model. The number of blocks for heterogeneous medium are 9, 16, 36 and 64, keeping constant solid to fluid conductive ratio, κ = 1. For enclosures with centered block are used the nondimensional block size from 0, 1 to 0, 9, with solid to fluid conductive ratio in range κ = 0, 1; 1 and 10. Mathematical modeling is done by mass, momentum and energy balance equations. The solution of equations have been numerically solved in ANSYS FLUENT R software. Firstly, numerical solutions for validation with Newtonian fluids in clean enclosures are conducted, followed by enclosures with heterogeneous medium and centered block. Subsequently, numerical solutions of power-law and Bingham fluids with same enclosures configurations are conducted. The results are reported in the form of streamlines, isotherms and average Nusselt number at hot wall. In general, the heat transfer process in enclosure is governed by Rayleigh number, size and thermal conductivity of the blocks, power index n for power-law fluid and Bingham number for Bingham fluid. Both fluid models are very sensitive with Prandtl number changes. Heterogeneous medium decrease heat transfer in enclosure when affects thermal boundary layer for both fluid models. One analytical prediction was made for power-law fluid. An increase in heat transfer occurs with low thermal conductivity block and few interference and with high thermal conductivity block and great interference, for both fluids.

CERNN / Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento de fluidos de lei de potência e Bingham junto à interface entre uma região livre e outra porosa (interface fluido-porosa) utilizando o método lattice Boltzmann. Para tanto, considera-se o escoamento entre placas planas e paralelas entre as quais se faz presente um meio poroso abordado de forma heterogênea (resolução espacial da ordem de grandeza dos poros), representado através de obstáculos sólidos quadrados uniformemente distribuídos na parte inferior do canal. As análises realizadas mostram o efeito dos diversos parâmetros adimensionais que descrevem o problema sobre o fator de atrito na região livre do canal. De um modo geral, constata-se que a discrepância entre os fatores de atrito na região livre do canal e para o escoamento entre placas planas e paralelas cresce com o aumento da porosidade e do número de Bingham e com as reduções do número de obstáculos que compõem o meio poroso, número de Reynolds e índice de lei de potência. Ademais, propõe-se a adaptação do modelo analítico para a representação da interface fluido- porosa para escoamento de fluido newtoniano proposto por Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) ao escoamento de fluido de lei de potência, verificando-se a possibilidade de incorporar o comportamento não newtoniano do fluido ao parâmetro empírico do modelo. / The goal of this work is to numerically investigate the flow of power law and Bingham fluids next to the interface between a free and a porous region (fluid-porous interface) using the lattice Boltzmann method. For this, the flow between parallel plates partially filled by a porous material is studied, with the porous medium being represented by a set of solid square obstacles uniformly distributed in lower half of the channel. Results show the influence of non-dimensional parameters in the free region friction factor. In geral, it is observed that the friction factor decreases when porosity or Bingham number are increased and number of obstacles, Reynolds number or power law index are lowered. Moreover, it is porposed the application of the fluid-porous interface model proposed by Ochoa-Tapia e Whitaker (1995b) to the flow of power law fluids by varying the stress jump coefficient with the power law index.

CAPES / Vários estudos numéricos investigaram cavidades fechadas sob o efeito da convecção natural preenchidas com fluidos newtonianos generalizados (FNG) nos últimos anos pelas aplicações diretas em trocadores de calor compactos, no resfriamento de sistemas eletrônicos e na engenharia de polímeros. Neste trabalho é realizada a investigação numérica do processo de convecção natural de fluidos de lei de Potência e de Bingham em cavidades fechadas, aquecidas lateralmente e preenchidas com meios heterogêneos e bloco centrado. O meio heterogêneo é constituído de blocos sólidos, quadrados, desconectados e condutores de calor. Como parâmetros são utilizados a faixa de Rayleigh de 104 à 107, índice de potência n de 0, 6 à 1, 6, número de Bingham de 0, 5 até Bimax , sendo investigado da influência do número de Prandtl para cada modelo de fluido. Nas cavidades com meio heterogêneo são utilizadas as quantidades de blocos de 9, 16, 36 e 64, mantendo-se a razão entre a condutividade térmica do sólido e do fluido κ = 1. Para as cavidades com bloco centrado, são utilizados os tamanhos adimensionais de 0, 1 à 0, 9 com κ = 0, 1; 1 e 10. A modelagem matemática é realizada pelas equações de balanço de massa, de quantidade de movimento e de energia. As simulações são conduzidas no programa comercial ANSYS FLUENT R . Inicialmente são resolvidos problemas com fluidos newtonianos em cavidade limpa, seguida de cavidade preenchida com meio heterogêneo e posteriormente bloco centrado para validação da metodologia de solução. Na segunda etapa é realizada o estudo com os modelos de fluidos de lei de Potência e de Bingham seguindo a mesma sequência. Os resultados são apresentados na forma de linhas de corrente, isotermas e pelo número de Nusselt médio na parede quente. De maneira geral, a transferência de calor na cavidade é regida pelo número de Rayleigh, tamanho e condutividade térmica dos blocos, pelo índice de potência para o modelo de lei de Potência e do número de Bingham para o modelo de Bingham. O número de Prandtl tem grande influência nos dois modelos de fluidos. O meio heterogêneo reduz a transferência de calor na cavidade quando interfere na camada limite térmica para ambos os fluidos, sendo feita uma previsão analítica para o fluido de lei de Potência. Para bloco centrado, a interferência na camada limite com fluido de lei de Potência também foi prevista analiticamente. A transferência de calor aumentou com bloco de baixa condutividade térmica e pouca interferência e com bloco de alta condutividade térmica e grande interferência, para ambos os fluidos. / Many studies have been carried out in square enclosures with generalized Newtonian fluids with natural convection in past few years for directly applications in compact heat exchangers, cooling of electronics systems and polymeric engineering. The natural convection in square enclosures with differently heated sidewalls, filled with power-law and Bingham fluids in addition with heterogeneous medium and centered block are analyzed in this study. The heterogeneous medium are solid, square, disconnected and conducting blocks. The parameters used are the Rayleigh number in the range 104 - 107 , power index n range of 0, 6 - 1, 6, Bingham number range of 0, 5 - Bimax , being the influence of Prandtl number investigated for each fluid model. The number of blocks for heterogeneous medium are 9, 16, 36 and 64, keeping constant solid to fluid conductive ratio, κ = 1. For enclosures with centered block are used the nondimensional block size from 0, 1 to 0, 9, with solid to fluid conductive ratio in range κ = 0, 1; 1 and 10. Mathematical modeling is done by mass, momentum and energy balance equations. The solution of equations have been numerically solved in ANSYS FLUENT R software. Firstly, numerical solutions for validation with Newtonian fluids in clean enclosures are conducted, followed by enclosures with heterogeneous medium and centered block. Subsequently, numerical solutions of power-law and Bingham fluids with same enclosures configurations are conducted. The results are reported in the form of streamlines, isotherms and average Nusselt number at hot wall. In general, the heat transfer process in enclosure is governed by Rayleigh number, size and thermal conductivity of the blocks, power index n for power-law fluid and Bingham number for Bingham fluid. Both fluid models are very sensitive with Prandtl number changes. Heterogeneous medium decrease heat transfer in enclosure when affects thermal boundary layer for both fluid models. One analytical prediction was made for power-law fluid. An increase in heat transfer occurs with low thermal conductivity block and few interference and with high thermal conductivity block and great interference, for both fluids.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Esta dissertação é parte de um amplo projeto de pesquisa, que visa ao desenvolvimento de uma plataforma computacional de dinâmica dos fluidos (CFD) capaz de simular a física de escoamentos que envolvem mistura de várias espécies químicas, com reação e combustão, utilizando um método hibrido Simulação de Grandes Escalas (LES) / Função Densidade Filtrada (FDF) Lagrangiana em malha adaptativa, bloco-estruturada. Uma vez que escoamentos com mistura proporcionam fenômenos que podem ser correlacionados com a combustão em escoamentos turbulentos, uma visão global da fenomenologia de mistura foi apresentada e escoamentos fechados, laminar e turbulento, que envolvem mistura de duas espécies químicas inicialmente segregadas foram simulados utilizando o código de desenvolvimento interno AMR3D e o código recentemente desenvolvido FDF Lagrangiana de composição. A primeira etapa deste trabalho consistiu na criação de um modelo computacional de partículas estocásticas em ambiente de processamento distribuído. Isto foi alcançado com a construção de um mapa Lagrangiano paralelo, que pode gerenciar diferentes tipos de elementos lagrangianos, incluindo partículas estocásticas, particulados, sensores e nós computacionais intrínsecos dos métodos Fronteira Imersa e Acompanhamento de Interface. O mapa conecta informações Lagrangianas com a plataforma Euleriana do código AMR3D, no qual equações de trans- porte são resolvidas. O método FDF Lagrangiana de composição realiza cálculos algébricos sobre partículas estocásticas e provê campos de composição estatisticamente equivalentes aos obtidos quando se utiliza o método de Diferenças Finitas para solução de equações diferenciais parciais; a técnica de Monte Carlo foi utilizada para resolver um sistema derivado de equações diferenciais estocásticas (SDE). Os resultados concordaram com os benchmarks, que são simulações baseadas em plataforma de Diferenças Finitas para solução de uma equação de transporte de composição filtrada. / This master thesis is part of a wide research project, which aims at developing a com- putational fluid dynamics (CFD) framework able to simulate the physics of multiple-species mixing flows, with chemical reaction and combustion, using a hybrid Large Eddy Simulation (LES) / Lagrangian Filtered Density Function (FDF) method on adaptive, block-structured mesh. Since mixing flows provide phenomena that may be correlated with combustion in turbulent flows, we expose an overview of mixing phenomenology and simulated enclosed, ini- tially segregated two-species mixing flows, at laminar and turbulent states, using the in-house built AMR3D and the developed Lagrangian composition FDF codes. The first step towards this objective consisted of building a computational model of notional particles transport on distributed processing environment. We achieved it constructing a parallel Lagrangian map, which can hold different types of Lagrangian elements, including notional particles, particu- lates, sensors and computational nodes intrinsic to Immersed Boundary and Front Tracking methods. The map connects Lagrangian information with the Eulerian framework of the AMR3D code, in which transport equations are solved. The Lagrangian composition FDF method performs algebraic calculations over an ensemble of notional particles and provides composition fields statistically equivalent to those obtained by Finite Differences numerical solution of partially differential equations (PDE); we applied the Monte Carlo technique to solve a derived system of stochastic differential equations (SDE). The results agreed with the benchmarks, which are simulations based on Finite Differences framework to solve a filtered composition transport equation. / Mestre em Engenharia Mecânica