Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Nesta pesquisa é apresentado um estudo do escoamento turbulento formado pela interação de “bluff-body” com o fluxo principal (ar). Os “bluff-bodies” estudados possuem a forma de um disco, cone e cilindro. A zona de recirculação formada por esta interação possibilita a aplicação de “bluff-body” como estabilizador mecânico de chama. Aplicando vários modelos de turbulência foram feitas simulações computacionais para analisar a formação da zona de recirculação do fluxo de ar em relação à forma do estabilizador de chama (disco, cone e cilindro), sua dimensão (grau de bloqueamento do canal) e velocidade de escoamento. Para escolher o modelo de turbulência que descreve melhor o comportamento do fluxo em escoamento turbulento com “bluff-body” foi feita uma comparação entre os dados experimentais e os obtidos computacionalmente. O modelo de turbulência K-Epsilon mostrou maior conformidade com os dados experimentais em comparação com os outros modelos aplicados. / 92 f.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

Neste trabalho, buscou-se investigar a aplicação de uma modelagem RANS, com a utilização do modelo de turbulência das Tensões de Reynolds (RSTM), na modelagem do escoamento de gás no interior de ciclones, especialmente na simulação do movimento periódico do vórtice, conhecido como Precessing Vortex Core (PVC), com apoio da Fluidodinâmica Computacional. Utilizou-se o pacote de CFD de código aberto OpenFOAM, e as simulações foram realizadas em regime transiente. Dois modelos RSTM foram testados, o modelo LRR com os valores padrões para as constantes e uma modificação das constantes do termo de redistribuição. Compararam-se os resultados obtidos com dados da literatura e verificou-se que ambos os modelos representaram o campo médio de velocidade. No entanto, somente o modelo LRR conseguiu reproduzir o campo de flutuações de velocidade. Detectou-se o movimento de precessão do vórtice, que pode ser visualizado através de imagens sequenciais do escoamento, e uma frequência característica do movimento pode ser calculada através do Espectro de potência. / The flow field of a gas cyclone was simulated with a RANS model using Computational Fluid Dynamics (CFD) and the Precession of the Vortex Core (PVC) was investigated. The CFD simulations were carried out using the open source code OpenFOAM and the simulations were performed in a transient regime. Two Reynolds Stress Turbulence Models (RSTM) were investigated - the LRR model with standard constants and another with modified constants in the pressure-strain term. The results obtained by the models were compared with values of mean velocity taken from the literature and predictions were satisfactory. However, only the LRR model with standard constants predicted with precision the fluctuation velocity field. The precessing vortex was detected and illustrated by the flow field visualization and a characteristic frequency was calculated by Power Spectrum Density.

Neste trabalho, buscou-se investigar a aplicação de uma modelagem RANS, com a utilização do modelo de turbulência das Tensões de Reynolds (RSTM), na modelagem do escoamento de gás no interior de ciclones, especialmente na simulação do movimento periódico do vórtice, conhecido como Precessing Vortex Core (PVC), com apoio da Fluidodinâmica Computacional. Utilizou-se o pacote de CFD de código aberto OpenFOAM, e as simulações foram realizadas em regime transiente. Dois modelos RSTM foram testados, o modelo LRR com os valores padrões para as constantes e uma modificação das constantes do termo de redistribuição. Compararam-se os resultados obtidos com dados da literatura e verificou-se que ambos os modelos representaram o campo médio de velocidade. No entanto, somente o modelo LRR conseguiu reproduzir o campo de flutuações de velocidade. Detectou-se o movimento de precessão do vórtice, que pode ser visualizado através de imagens sequenciais do escoamento, e uma frequência característica do movimento pode ser calculada através do Espectro de potência. / The flow field of a gas cyclone was simulated with a RANS model using Computational Fluid Dynamics (CFD) and the Precession of the Vortex Core (PVC) was investigated. The CFD simulations were carried out using the open source code OpenFOAM and the simulations were performed in a transient regime. Two Reynolds Stress Turbulence Models (RSTM) were investigated - the LRR model with standard constants and another with modified constants in the pressure-strain term. The results obtained by the models were compared with values of mean velocity taken from the literature and predictions were satisfactory. However, only the LRR model with standard constants predicted with precision the fluctuation velocity field. The precessing vortex was detected and illustrated by the flow field visualization and a characteristic frequency was calculated by Power Spectrum Density.

Os processos oxidativos avançados são promissores para a degradação de compostos orgânicos resistentes aos tratamentos convencionais, como o fenol. A fluidodinâmica computacional (CFD) tornou-se uma poderosa ferramenta para analisar processos fotoquímicos por resolver os balanços acoplados de quantidade de movimento, de massa e de radiação. O objetivo deste trabalho é investigar o processo UV/H2O2 num reator fotoquímico anular usando CFD e um modelo cinético mais realista. O modelo em CFD foi criado de forma progressiva. Inicialmente, foram determinados os campos de velocidade para três vazões (30, 60 e 100 L/h). Considerou-se dois diâmetros de lâmpada para reproduzir a configuração experimental do sistema. A discretização foi feita com malhas tetraédricas variando entre 390 000 e 1 200 000 elementos. Quatro modelos de turbulência RANS foram analisados: k-e, k-w, o shear stress transport (SST) e o modelo de tensões de Reynolds (RSM). O campo de velocidades foi validado comparando a DTR com seu levantamento experimental. A próxima etapa foi incluir o mecanismo de degradação de fenol proposto por Edalatmanesh, Dhib e Mehrvar (2008) no modelo em CFD. Trata-se de um modelo cinético baseado em equações dinâmicas para todas as espécies. O campo de radiação foi calculado pelo modelo radial e pela solução da equação de transporte de radiação através do método discrete transfer. As simulações reproduziram dados experimentais abrangendo uma larga gama de concentrações iniciais de fenol, razões molares H2O2/fenol e três potências de emissão das lâmpadas. O campo de velocidades obtido era dependente da vazão: o fluido pode manter movimento helicoidal sobre toda a extensão do reator ou se desenvolver como um escoamento pistonado. O modelo k-e não reproduziu bem o escoamento por não ser adequado para escoamentos rotativos. Os outros modelos geraram curvas de DTR com bom ajuste aos dados experimentais, especialmente o modelo k-w. O desvio médio entre as simulações de degradação de fenol e os dados experimentais é inferior a 8%. Verificou-se que, devido ao escoamento rotativo, os reagentes ficavam concentrados próximos à parede externa e migravam para a região da lâmpada ao longo do reator. A elevada intensidade de radiação na superfície da lâmpada criou uma camada ao seu redor na qual a fotólise do H2O2 ocorreu com grande taxa. Os radicais OH gerados nessa camada eram transportados para a região das paredes por convecção. Isso fez com que a maior parte do fenol fosse atacada na segunda metade do reator e gerou acúmulo do radical próximo à lâmpada na seção de saída do reator, já que o poluente já fora oxidado nessa área. O método discrete transfer previu intensidades de radiação maiores que o modelo radial, e, consequentemente, maior concentração de radicais OH. Os resultados satisfatórios indicam que CFD foi uma ferramenta adequada para analisar este escoamento reativo. / Advanced oxidation processes are a promising technology for degradation of organic compounds resistant to conventional treatments such as phenol. Computational fluid dynamics (CFD) has recently emerged as a powerful tool that allows a deeper understanding of photochemical processes in reactor engineering by solving the coupled momentum, mass and radiation balances. This work aimed to investigate the UV/H2O2 process in an annular photoreactor using CFD and a more realistic kinetic model. A progressive approach was used to develop the CFD reactor model. First, the velocity fields were determined for three volumetric flow rates (30, 60 and 100 L/h). Two lamp diameters were considered to reflect the experimental configuration of the system. Tetrahedral meshes varying form 390,000 to 1,200,000 elements were analyzed to achieve grid independence. For accounting turbulence effects, four RANS models were tested: k-e, k-w, the Shear Stress Transport (SST) and the Reynolds Stress models (RSM). The velocity field was validated through comparison to RTD experimental data. Next step was introducing the mechanism of phenol degradation proposed by Edalatmanesh, Dhib and Mehrvar (2008) into the CFD model. This kinetic model is based on dynamic equations for all species. The fluence rate field was calculated by the radial model and by solving the radiation transport equation with the discrete transfer method. Simulations reproduced experimental data spanning a wide range of initial phenol concentrations, H2O2/phenol molar ratios and three values for lamp power. It was found that the velocity field depends on the volumetric flow rate: either it maintains a swirling motion through the whole reactor or might develop like a plug flow. The k-e model did not represent the RTD data accurately, and the velocity field therefore, since it is not appropriate for swirling flows. The other turbulence models showed good match of RTD, especially the k-w model. Simulations of phenol degradation deviated less than 8% from experimental data. It was possible verified that, due to the swirling inlet effects, reactants got concentrated close to the outer wall and migrated on the lamp direction along the reactor path. High radiation intensities close to the lamp surface created a layer around it where photolysis of H2O2 took place with higher rates. OH radicals were generated in that layer and transported towards the outer wall by convection. This caused most of phenol to be consumed in the second half of the reactor and accumulation of the radical near the lamp and the reactor outlet, since the pollutant in this area was already oxidized. The discrete transfer method predicted higher incident radiation intensity than the radial model, and higher concentrations of OH radicals as a consequence. Satisfactory results indicated that CFD was an appropriate tool for analyzing this reactive flow.

Simulações numéricas foram realizadas utilizando-se um código computacional desenvolvido para resolver o sistema de equações de Navier-Stokes com média de Reynolds que modela o escoamento compressível turbulento em torno de um aerofólio NACA 0012. Foram utilizadas malhas estruturadas tipo O geradas algebricamente e diversos refinamentos puderam ser feitos. O método de volumes finitos foi empregado para discretizar o sistema de equações diferenciais parciais e os esquemas explícitos de MacCormack e Jameson foram implementados. Termos de viscosidade artificial foram adicionados explicitamente através de um modelo não-linear. O modelo de turbulência de uma equação de Spalart e Allmaras foi implementado para resolver o problema de fechamento da turbulência. Inicialmente, a formulação de Euler foi usada e resultados para a distribuição de pressão e coeficientes aerodinâmicos foram obtidos para quatro casos de escoamentos transônicos não-viscosos sobre o aerofólio. As soluções foram comparadas com os resultados de outros métodos numéricos disponíveis na literatura. Em seguida, um dos casos foi utilizado para avaliar a influência dos parâmetros numéricos como a viscosidade artificial e o refinamento da malha. Outro caso foi utilizado para comparar os esquemas explícitos de MacCormack e Jameson. Por último, o modelo de turbulência de uma equação de Spalart e Allmaras foi utilizado para a formulação de Navier-Stokes e as soluções foram comparadas com os dados experimentais de Harris e outros resultados numéricos obtidos com o modelo de turbulência algébrico de Baldwin e Lomax.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-12-20Bitstream added on 2014-06-13T19:47:44Z : No. of bitstreams: 1 souza_eg_me_ilha.pdf: 959550 bytes, checksum: b4784dbcc883b1be2d0c6b7cce83f54b (MD5) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / O objetivo deste trabalho é a análise numérica e experimental de escoamento viscoso, incompressível, permanente, com transferência de calor, em um canal estreito contendo um arranjo de obstáculos retangulares. A análise experimental envolveu determinação de coeficiente de transferência de calor médio bem como o número de Nusselt médio e medidas de temperatura em esteira térmica para comparação com os resultados obtidos por simulação numérica. Para a análise numérica usamos o programa comercial de mecânica dos fluidos e transferência de calor computacional ICEPAK®. Verificamos que quanto mais adentro o obstáculo estiver no arranjo maior é a transferência de calor por convecção forçada. Determinamos coeficientes de transferência de calor médio e número de Nusselt médio (com incerteza entre 6 e 15%) e verificamos que o efeito da posição diminui à medida que a velocidade aumenta. Concluímos também que ambos os modelos de turbulência utilizados, k-ε padrão e k-ε RNG, foram incapazes de predizer o efeito da posição apropriadamente. Entretanto, o modelo k-ε RNG apresentou melhor comportamento, pois o seu uso resultou em soluções com valores de temperatura intermediários aos experimentais / The purpose of this work is the study of the numerical and experimental viscous incompressible steady flow with heat transfer into a narrow channel containing a rectangular array of obstacles. The experimental approach involves determining the coefficient of heat transfer and temperature measurements in thermal wake for comparison with the results obtained in numerical simulations. For the numerical analysis we use the commercial program of fluid mechanics and heat transfer computational ICEPAK™. We confirmed that in the last lines of the array the biggest is the heat transfer by forced convection. We determined the average heat transfer coefficients (with uncertainty between 6 and 15%) and found that the effect of the position decreases as flow speed increases. We use in the simulations the k-ε turbulence model and the k-ε RNG turbulence model. We conclude that both turbulence models used were unable to predict the effect of the position properly. However, the k-ε RNG model showed better behavior. The numerical temperatures with this model were consistent to the experimental temperature

Os processos oxidativos avançados são promissores para a degradação de compostos orgânicos resistentes aos tratamentos convencionais, como o fenol. A fluidodinâmica computacional (CFD) tornou-se uma poderosa ferramenta para analisar processos fotoquímicos por resolver os balanços acoplados de quantidade de movimento, de massa e de radiação. O objetivo deste trabalho é investigar o processo UV/H2O2 num reator fotoquímico anular usando CFD e um modelo cinético mais realista. O modelo em CFD foi criado de forma progressiva. Inicialmente, foram determinados os campos de velocidade para três vazões (30, 60 e 100 L/h). Considerou-se dois diâmetros de lâmpada para reproduzir a configuração experimental do sistema. A discretização foi feita com malhas tetraédricas variando entre 390 000 e 1 200 000 elementos. Quatro modelos de turbulência RANS foram analisados: k-e, k-w, o shear stress transport (SST) e o modelo de tensões de Reynolds (RSM). O campo de velocidades foi validado comparando a DTR com seu levantamento experimental. A próxima etapa foi incluir o mecanismo de degradação de fenol proposto por Edalatmanesh, Dhib e Mehrvar (2008) no modelo em CFD. Trata-se de um modelo cinético baseado em equações dinâmicas para todas as espécies. O campo de radiação foi calculado pelo modelo radial e pela solução da equação de transporte de radiação através do método discrete transfer. As simulações reproduziram dados experimentais abrangendo uma larga gama de concentrações iniciais de fenol, razões molares H2O2/fenol e três potências de emissão das lâmpadas. O campo de velocidades obtido era dependente da vazão: o fluido pode manter movimento helicoidal sobre toda a extensão do reator ou se desenvolver como um escoamento pistonado. O modelo k-e não reproduziu bem o escoamento por não ser adequado para escoamentos rotativos. Os outros modelos geraram curvas de DTR com bom ajuste aos dados experimentais, especialmente o modelo k-w. O desvio médio entre as simulações de degradação de fenol e os dados experimentais é inferior a 8%. Verificou-se que, devido ao escoamento rotativo, os reagentes ficavam concentrados próximos à parede externa e migravam para a região da lâmpada ao longo do reator. A elevada intensidade de radiação na superfície da lâmpada criou uma camada ao seu redor na qual a fotólise do H2O2 ocorreu com grande taxa. Os radicais OH gerados nessa camada eram transportados para a região das paredes por convecção. Isso fez com que a maior parte do fenol fosse atacada na segunda metade do reator e gerou acúmulo do radical próximo à lâmpada na seção de saída do reator, já que o poluente já fora oxidado nessa área. O método discrete transfer previu intensidades de radiação maiores que o modelo radial, e, consequentemente, maior concentração de radicais OH. Os resultados satisfatórios indicam que CFD foi uma ferramenta adequada para analisar este escoamento reativo. / Advanced oxidation processes are a promising technology for degradation of organic compounds resistant to conventional treatments such as phenol. Computational fluid dynamics (CFD) has recently emerged as a powerful tool that allows a deeper understanding of photochemical processes in reactor engineering by solving the coupled momentum, mass and radiation balances. This work aimed to investigate the UV/H2O2 process in an annular photoreactor using CFD and a more realistic kinetic model. A progressive approach was used to develop the CFD reactor model. First, the velocity fields were determined for three volumetric flow rates (30, 60 and 100 L/h). Two lamp diameters were considered to reflect the experimental configuration of the system. Tetrahedral meshes varying form 390,000 to 1,200,000 elements were analyzed to achieve grid independence. For accounting turbulence effects, four RANS models were tested: k-e, k-w, the Shear Stress Transport (SST) and the Reynolds Stress models (RSM). The velocity field was validated through comparison to RTD experimental data. Next step was introducing the mechanism of phenol degradation proposed by Edalatmanesh, Dhib and Mehrvar (2008) into the CFD model. This kinetic model is based on dynamic equations for all species. The fluence rate field was calculated by the radial model and by solving the radiation transport equation with the discrete transfer method. Simulations reproduced experimental data spanning a wide range of initial phenol concentrations, H2O2/phenol molar ratios and three values for lamp power. It was found that the velocity field depends on the volumetric flow rate: either it maintains a swirling motion through the whole reactor or might develop like a plug flow. The k-e model did not represent the RTD data accurately, and the velocity field therefore, since it is not appropriate for swirling flows. The other turbulence models showed good match of RTD, especially the k-w model. Simulations of phenol degradation deviated less than 8% from experimental data. It was possible verified that, due to the swirling inlet effects, reactants got concentrated close to the outer wall and migrated on the lamp direction along the reactor path. High radiation intensities close to the lamp surface created a layer around it where photolysis of H2O2 took place with higher rates. OH radicals were generated in that layer and transported towards the outer wall by convection. This caused most of phenol to be consumed in the second half of the reactor and accumulation of the radical near the lamp and the reactor outlet, since the pollutant in this area was already oxidized. The discrete transfer method predicted higher incident radiation intensity than the radial model, and higher concentrations of OH radicals as a consequence. Satisfactory results indicated that CFD was an appropriate tool for analyzing this reactive flow.