Orientador: Waldir Antonio Bizzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T03:01:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lenco_PauloCesar_D.pdf: 11331189 bytes, checksum: 7d45abeea4a0ec8a4415d43249c57092 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Este trabalho objetivou a caracterização do bagaço de cana-de-açúcar para geração de energia. Para este fim procedeu-se a separação dimensional e granulométrica das partículas que compõe o bagaço de cana utilizando-se do processo de sedimentação e elutriação. Foi desenvolvido um equipamento adequado para a separação e utilizou-se métodos que possibilitam medir de forma simples os parâmetros necessários para comparação dos resultados com os equacionamentos os obtidos por outros autores e ainda identificar parâmetros relevantes ao estudo das características do bagaço de cana proporcionados pelos métodos de separação e medição utilizados. O equipamento desenvolvido para a separação do bagaço de cana mostrou-se adequado e flexível, podendo variar as velocidades e, consequentemente, a área projetada da partícula e sua granulometria, possibilitando uma boa separação granulométrica e fluidodinâmica do bagaço de cana. Foram estudados a morfologia da cana-de-açúcar e suas características tais como composição química, análises elementar, imediata, termogravimétrica e das cinzas, distribuição granulométrica, densidades e fluidodinâmica da partícula. A utilização dos métodos de medição através de fotografia, aplicando softwares de tratamento fotográfico, para o dimensionamento e contagem de partículas de pequenas dimensões, além de ser de fácil implementação mostrou-se de baixo custo e adequado, substituindo a caracterização dimensional por peneiramento. Com a mensuração dimensional proporcionada pelos softwares foi possível o cálculo de parâmetros indispensáveis para o dimensionamento de equipamentos que os utilizam. Os cálculos indicaram que não é necessário o uso do fator de correção Ø (esfericidade) para a determinação do coeficiente de arrasto da partícula, desde que se tenham métodos adequados de mensuração das partículas, como o conseguido neste trabalho. / Abstract: The aim of this study is to characterize sugarcane bagasse for energy generation. To archieve such objetive we proceeded a granulometric and dimensional separation of particles that composes bagasse using sedimentation and elutriation processes. It was developed an appropriated equipment to this separation and the simple methods were used to set the necessary parameters in order to compare the results with equations obtained by others authors and also to identify relevant parameters to study sugarcane bagasse characteristics. The developed equipament for bagasse separation is adequated and flexible, velocity air can be changed and therefore allowing a good particle size separation and fluid dynamics of sugar cane bagasse. It was studied and analyzed sugarcane bagasse characteristics and morphology, as chemical composition, ultimate, proximate, thermogravimetry, ash, particle size distribution, density and fluid dynamics of particles. Photographic method with image analysis is suitable for small particles measuring and counting, easy to use and it has a low cost, replacing the screening method. This characterization provided by photography and image analysis allows to calculate indispensable parameters to design equipment that use them. Calculations indicated that it is not necessary to use the correction factor ø(sphericity) to determine particles drag coefficient if adequate methods of particle size measurements are used as in this work. / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Sandra Cristina dos Santos Rocha, Nadia Rosa Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-13T12:37:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Godoi_FernandaCondide_M.pdf: 8309659 bytes, checksum: f684e63fdb8ecb9b104155ad92580055 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Polihidroxibutirato (PHB) é um poliéster completamente biodegradável e biocompatível. O interesse no desenvolvimento, produção e comercialização do PHB vem crescendo por ser um produto biodegradável e de produção integrada à cadeia de açúcar e álcool. A secagem é uma importante etapa do processo de produção do PHB, pois para o adequado pósprocessamento desse material deve-se garantir um teor de umidade limite de 0,5%. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo estudar uma tecnologia de secagem, em um produto inovador e de importância na preservação ambiental. Foi realizado um estudo da fluidodinâmica e dos mecanismos de secagem do PHB em um leito fluidizado pulsado rotativo (LFPR). A escolha do equipamento baseou-se no fato de que o PHB úmido é coesivo e não apresenta fluidização convencional de qualidade. O secador de LFPR utiliza a pulsação do ar para desfazer os aglomerados de PHB melhorando a circulação das partículas dentro do leito. O presente estudo também incluiu a caracterização física do material antes e após a secagem. Para os ensaios de caracterização em que os equipamentos não trabalham em presença de umidade, a liofilização do PHB foi a alternativa encontrada para se caracterizar o material antes da secagem. O PHB apresentou um excelente comportamento fluidodinâmico em LFPR. A frequência de pulsação de 10 Hz foi a que apresentou comportamento mais favorável, com queda de pressão moderada e patamares de estabilidade. Por meio dos ensaios fluidodinâmicos foi possível determinar a velocidade de mínima fluidização vigorosa pulsada (VMV), parâmetro que ajudou a estabelecer a velocidade empregada para os experimentos de secagem. Durante a secagem do PHB foi avaliada a influência que a temperatura, velocidade e frequência de pulsação do ar exercem na cinética de secagem. Verificou-se excelente contato entre as partículas de PHB e o ar aquecido, com elutriação somente nos primeiros 10 minutos de secagem. As curvas de secagem do PHB indicaram períodos de taxa de secagem constante e decrescente. A temperatura e a velocidade do ar influenciaram positivamente o processo. Além disso, foi detectada a existência de um outro solvente além da água nas amostras de PHB, por meio da comparação entre as curvas de secagem obtidas com medidas de umidade feitas em estufa e em Karl Fischer. A análise termogravimétrica (TGA) também ajudou a detectar a presença de outro solvente além da água nas amostras de PHB. Os ensaios de caracterização física mostraram que as condições operacionais de secagem testadas não provocaram a degradação das partículas de PHB. Sob as condições consideradas ótimas de secagem, temperatura de 90 ºC, frequência de 7 Hz e velocidade do ar 0,40 m/s, foi atingida umidade igual a 0,56%, demonstrando a viabilidade do secador LFPR. / Abstract: Poly-hydroxybutyrate (PHB) is polyester, completely biodegradable and biocompatible. The interest on its development, production and commercialization has arisen due to its biodegradability and production integrated to the sugar and alcohol chain. Drying is an important step of the PHB production because an adequate post-processing is achieved only at moisture contents less than 0.5%. The goal of this work was to study a drying technology for this innovative product of relevant importance for the environmental preservation. The fluid-dynamic and drying mechanisms analyses were made in a rotating-pulsed fluidized bed (RPFB). The equipment was chosen based on the fact that the wet PHB is cohesive and doesn't work properly in a conventional fluid bed. The RPFB dryer uses the air pulsation to undo the PHB agglomerate improving the circulation of the particles inside the bed. This study also included the physical characterization of the material before and after the drying. For the characterization tests that wouldn't work with moisture presence, the liophilization was the best alternative to characterize the material before the drying process. The PHBshowed an excellent dynamic behavior in RPFB. The pulsation frequency of 10 Hz presented the most favorable fluid dynamic conditions, resulting in moderate pressure drop and regime stability. Based on the fluid-dynamic study it was possible to determine the minimum vigorous fluidizing air flow (MVF), an important parameter to set the air velocity range for the drying experiments. An excellent contact between the PHB particles and the hot air was obtained during the drying runs, with particles elutriation only during the first 10 minutes. The influence of the temperature, velocity and frequency of air pulsation was evaluated on the drying kinetics. The PHB drying kinetics presented constant and decreasing-rate drying periods. The drying process was positively influenced by the air temperature and velocity. Furthermore, the presence of another solvent additionally to the water was detected in the PHB samples through the comparison between the drying curves obtained with moisture measurements made in an oven and in Karl Fischer equipment. The thermo gravimetric analysis also helped to detect the presence of another solvent in the PHB samples. The physical characterization tests showed that the drying operating conditions didn't cause degradation on PHB particles. The RPFB dryer showed to be a viable technique to dry PHB, as moisture content of 0.56% was reached at optimal operating conditions of air temperature of 90oC, air velocity of 0,40 m/s and frequency of pulsation of 7 Hz. / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Orientadore: Jose Roberto Nunhez, Efraim Cekinski / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T21:24:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaquimJunior_CelsoFernandes_M.pdf: 1822240 bytes, checksum: 1c74330095d87b01b823d7d17fbc50c9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Nos processos convencionais de agitação e mistura um acionamento, através de um eixo-árvore, rotaciona um ou mais impelidores no interior de um fluido, normalmente contido em um vaso de processo. Os processos de mistura que usam dispositivos estáticos no interior de dutos de escoamento são uma opção aos processos convencionais, tendo crescente aplicação e interesse, visto utilizar-se de parte da energia cedida para o bombeamento dos fluidos, permitindo a mistura em um processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Contudo, sua aplicação ainda é restrita a alguns processos específicos por questões tecnológicas e, principalmente, pelo pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua aplicabilidade. A inexistência de tecnologia e conhecimento nacional nesta área impõe a dependência frente a empresas estrangeiras, encarecendo e dificultando sua aplicação. Na última década, técnicas computacionais tem sido utilizadas para o projeto e otimização desses dispositivos, conhecidos como misturadores estáticos, com destaque para a fluidodinâmica computacional ¿ CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabalho tem como objetivo, através da aplicação de técnicas de CFD, permitir um melhor entendimento dos fenômenos que regem o escoamento de fluidos no interior de misturadores estáticos, especificamente desenhados para esta análise, permitindo sugerir e estudar seus desenhos, propondo soluções e modificações a fim de melhorar a mistura e minimizar o gasto de energia no processo. A ferramenta de CFD utilizada foi o pacote computacional CFX. Os resultados obtidos permitiram uma boa compreensão dos fenômenos envolvidos e foram coerentes com os dados experimentais disponíveis na literatura. Foram criados dois novos conceitos geométricos de misturadores estáticos, denominados de EDA e ALETAS, cujas performances permitem seu emprego em condições reais de aplicação na indústria. / Abstract: On conventional mixing processes, a shaft rotates one or more impellers in a fluid generally inside a process vessel. The mixing processes that use static mixers on tube fluid flow are an option to conventional processes which application and interest is continuously growing, minimizing the use of equipment industrial devices. However its application is restricted to some specific processes because of technological reasons and mainly due to the lack or absence of acknowledgement of technicians and engineers about the physical phenomena involved on static mixing application. The absence of national technology on this field, demands foreign companies¿ technological dependence, making more difficult more and turning expensive the applications. On the last decade, computational techniques have been used for the design and optimization of these equipments, known as static mixers, specially the computational fluid dynamics ¿ CFD. This research has the goal, by using CFD techniques, to allow a better understanding of the phenomena that determine the fluid flow in static mixers specifically designed for this analysis, permitting to study and suggest modifications and solutions to increase mixing and minimize power consumption on the process. The CFD tool used was the CFX package. The results obtained permitted a good comprehension of the phenomena involved and were in accordance with experimental data available on literature review. Two new geometric concepts of static mixers were created, named EDA and ALETAS, whose performances allow their use on industrial applications. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Este trabalho aborda o escoamento ao redor de cilindros flexíveis com grande razão de aspecto, representando os riser utilizados na indústria petrolífera. O escoamento foi dividido em seções bidimensionais ao longo do comprimento do riser. O método dos vórtices discretos foi utilizado para estimativa dos coeficientes hidrodinâmicos nas seções correspondentes e o acoplamento se dá através da dinâmica estrutural. Esta dinâmica é resolvida pelo método dos elementos finitos implementado no código Anflex (Mourelle et al. (2001)). Processamento paralelo é utilizado para acelerar o desempenho do método numérico. Um esquema master-slave (\"mestre-escravo\") utilizando MPI (Message Passing Interface1) é utilizado para que seja explorado o paralelismo da modelagem. As seções hidrodinâmicas são igualmente divididas ao longo dos nós de um cluster de computadores utilizado nos cálculos. Cada nó do cluster (núcleo de processamento) resolve o escoamento nas seções hidrodinâmicas necessárias. As forças hidrodinâmicas atuando nas seções correspondentes são enviadas ao processo mestre que também é responsável pela resolução da dinâmica estrutural. Uma das contribuições do presente trabalho é a possibilidade de análise de risers em regime pós-crítico, através da imposição do ponto de separação da camada-limite baseado em resultados experimentais, e da modelagem de casos com risers em tandem. O Método dos Vórtices Discretos (MVD) está detalhado de forma a facilitar a implementação computacional, levando em consideração a possibilidade de estudo de interferência entre esteiras de múltiplos corpos. Como primeira aproximação, foram simulados, casos de cilindros rígidos fixos e em base elástica para os quais foram examinadas as amplitudes máximas de oscilação e os coeficientes de arrasto e sustentação. Posteriormente, o MVD foi integrado ao Anflex dando origem ao AnflexCFD, com capacidade de processamento paralelo da parte correspondente ao CFD. Os resultados obtidos numericamente foram comparados a resultados experimentais realizados em laboratório. A metodologia de utilização do MVD para cálculo dos coeficientes hidrodinâmicos é baseada na comparação com resultados experimentais obtidos em laboratório para cilindros rígidos fixos e em base elástica para os quais se observa uma aderência satisfatória com relação aos resultados obtidos numericamente. O resultado do presente trabalho foi a criação de uma ferramenta alternativa no projeto de risers de grande razão de aspecto, como uma forma de avaliação do comportamento dinâmico da estrutura submetida a diferentes perfis de corrente e, consequentemente, a estimativa do tempo de sua vida útil. A característica puramente Lagrangiana do MVD possibilita a simulação de centenas de ciclos de oscilação da estrutura sendo que para os métodos Eulerianos tradicionais de CFD, como o método dos volumes finitos e o método dos elementos finitos, a simulação necessita de um tempo computacional inviável para projeto. A aderência do modelo adotado em relação aos resultados experimentais, aliada a eficiência do MVD, é um indicativo da vantagem da utilização de métodos Lagrangianos na modelagem do escoamento ao redor de cilindros flexíveis com grande razão de aspecto, em relação aos métodos Eulerianos tradicionais. A metodologia apresentada neste trabalho pode ser aplicada utilizando outros métodos de CFD, lembrando que isto pode implicar num aumento significativo do tempo computacional necessário para uma análise. / In this work the dynamic response of a high aspect ratio flexible cylinder due to vortex shedding is numerically investigated. The model is divided in two-dimensional sections along the riser length. The discrete vortex method (DVM) is employed for the assessment of the hydrodynamic forces acting on these two-dimensional sections. The hydrodynamic sections are solved independently, and the coupling among the sections is taken into account by the solution of the structure in the time domain by the finite element method implemented in Anflex code (Mourelle et al. (2001)). Parallel processing is employed to improve the performance of the method. A master-slave approach via MPI (Message Passing Interface) is used to exploit the parallelism of the present code. The riser sections are equally divided among the nodes of the cluster. Each node solves the hydrodynamic sections assigned to it. The forces acting on the sections are then passed to the master processor, which is responsible for the calculation of the displacement of the whole structure. One of the main contributions of the present work is the possibility of simulating the flow around flexible cylinders in the pos-critical regime and around bundle of risers.

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T17:58:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pelissari_DanielCicero_M.pdf: 3433960 bytes, checksum: 82461e75c8ef3d10fb44cd8d35de3eb9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A aplicação de fluidodinâmica computacional (CFD) em estudos de otimização e projeto de novos equipamentos de processos industriais vem aumentando significativamente, uma vez que apresenta custo reduzido e possibilidade de avaliar equipamentos complexos e de extremas condições de operação. Dentre os processos mais estudados via CFD está o processo de craqueamento catalítico fluidizado (FCC), onde as frações pesadas do petróleo de baixo valor são convertidas em produtos de maior valor agregado, sendo uma das aplicações de fluidização gás-sólido mais importante na indústria de petróleo. O presente trabalho avaliou especificamente a zona de injeção do FCC, na qual a matéria-prima, alimentada por bicos injetores, se mistura a sólidos quentes (catalisador) e a vapor de fluidização. A performance desses dispersores de carga para garantir uma boa distribuição das gotículas de gasóleo com o catalisador é a chave para melhorar a eficiência do riser de FCC. Desta forma, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes designs, ângulos (30°, 45° e 60°) e configurações dos injetores sobre o escoamento gás-sólido e o desempenho do riser. Para tal, simulou-se um escoamento gás-sólido reativo tridimensional baseado em uma abordagem Eulerian-Eulerian. Nas simulações foram utilizados o modelo cinético de 12-lumps de Wu et al. (2009), modelo de turbulência k-? e modelo de arraste de Gidaspow. Foi observado que o design, o ângulo e a configuração dos bicos injetores exercem uma forte influência sobre a fluidodinâmica e a performance do riser, sendo o ângulo a variável que apresentou maior influência. Pôde-se observar que o design de bico tipo multi-orifícios (Caso 3) foi o que apresentou os melhores resultados, sendo a partir deste avaliados os ângulos, onde notou-se que o aumento do ângulo de 30° para 60° melhorou a mistura entre as fases e o rendimento. A análise dos arranjos foi realizada utilizando o design de bico do Caso 3 e o ângulo de 45°, e observou-se que o arranjo com bicos intercalados (Arranjo 2) apresentou uma mistura mais homogênea entre as fases e, consequentemente, uma melhor conversão e rendimento de produtos desejados. Em geral, os resultados obtidos no presente trabalho salientam a importância da utilização de geometrias mais detalhadas para os bicos, uma vez que influenciam a mistura entre as fases, a qual afeta o desempenho do riser / Abstract: The Computational Fluid Dynamic (CFD) application in industrial process optimization and new equipments design studies has increased significantly, once it presents low cost and the possibility of evaluating complex and extreme operating conditions equipments . Among the most widely studied processes via CFD is the fluidized catalytic cracking process (FCC), where the oil heavy fractions of low-value are converted into higher value-added products and which is one of the most important gas-solid fluidization applications in the oil industry . The present study specifically evaluated the FCC injection zone, in which the feedstock fed by nozzles, is mixed with hot solids (catalyst) and fluidization steam. The nozzles performance to guarantee a good gas oil droplets distribution with the catalyst is the key to improve the efficiency of FCC riser. Thus, the study main objective was to evaluate the different nozzles designs, angles (30 °, 45 ° and 60 °) and arrangements effect on the gas-solid flow and the riser performance. For this purpose, it was simulated a three-dimensional reactive gas-solid flow based on an Eulerian-Eulerian approach. In the simulations it was used the 12 lumps kinetic model by Wu et al. (2009), turbulence model k- ? and drag model Gidaspow. It was observed that the nozzle design, angle and configuration have a strong influence on fluid dynamics and on the riser performance, and the angle was the variable with the greatest influence. It can be observed that the nozzle design of multi-orifice type (Case 3) showed the best results, and that¿s why it was used to evaluate the angle, in which was noted that the angle increase of 30 ° to 60 ° improved phases mixing and the yield. The arrangement analysis was performed using Case 3 nozzle design and the design angle of 45 °, and it was observed that the arrangement with intercalated nozzles (Arrangement 2) showed a more homogeneous phases mixture and therefore a better conversion and desired product yield. In general, the results obtained in this work highlighted the importance of using more detailed geometries for the nozzles, since they influence the mixing of the phases, which affects the riser performance / Mestrado / Engenharia Química / Mestre em Engenharia Química

To get an improved understanding and knowledge of the processes and phenomena during the late phase of a core melt down accident the FOREVER-experiments (Failure of Reactor Vessel Retention) are currently underway. These experiments are simulating the lower head of a reactor pressure vessel under the load of a melt pool with internal heat sources. The geometrical scale of the experiments is 1:10 compared to a common Light Water Reactor. During the first series of experiments the Creep behaviour of the vessel is investigated. Due to the multi-axial creep deformation of the three-dimensional vessel with a non-uniform temperature field these experiments are on the one hand an excellent possibility to validate numerical creep models which are developed on the basis of uniaxial creep tests. On the other hand the results of pre-test calculations can be used for an optimized experimental procedure. Therefore a Finite Element model is developed on the basis of the multi-purpose commercial code ANSYS/Multiphysics®. Using the Computational Fluid Dynamic module the temperature field within the vessel wall is evaluated. The transient structural mechanical calculations are performed applying a creep model which is able to take into account great temperature, stress and strain variations within the model domain. The new numerical approach avoids the use of a single creep law with constants evaluated for a limited stress and temperature range. Instead of this a three-dimensional array is developed where the creep strain rate is evaluated according to the actual total strain, temperature and equivalent stress for each element. Performing post-test calculations for the FOREVER-C2 experiment it was found that the assessment of the experimental data and of the numerical results has to be done very carefully. A slight temperature increase during the creep deformation stage of the experiment for example could explain the creep behaviour which appears to be tertiary because of the accelerating creep strain rate. Taking into account both - experimental and numerical results - gives a good opportunity to improve the simulation and understanding of real accident scenarios.

This thesis presents results of computations of supersonic flow over finite cylinders with varying geometries at the cylinder-wall juncture. The flow domain and geometries were modeled after experiments conducted at University of Tennessee Space Institute (UTSI). CREATE Kestrel (KCFD) was used to perform improved-delayed detached simulations (IDDES) of the unsteady flow. Time-accurate data were collected via taps along the centerline partially on the surface of the cylinder geometries and on the wall upstream of the cylinder. Spectra of the pressure signals and two-point correlations were computed to compare the flow between the different cases consisting of a baseline cylinder, the cylinder with a smaller gap, and the cylinder with a wider fairing. Properties on the cylinder surface for the gap case had the greatest difference compared to the others. In addition, the spectral content showed higher frequency activity for the gap case on the surface in front of the cylinder. <br>

The velocity fields around a circular cylinder in a crossflow of drag-reducing polymeric solutions and water were experimentally investigated using a laser-Doppler velocimeter. Measured boundary-layer velocity profiles indicated that the flow parameter controlling the drag on a bluff body in drag-reducing flows is the turbulence intensity rather than the Reynolds number. For turbulence intensity less than 0.7% polymer addition induced delayed separation. For turbulence intensity over 1% the opposite effect was true. Time-averaged velocity profiles of water did not show any significant difference between self-induced and forced oscillatory flows. Heat, mass and momentum transfer of Newtonian and power-law non-Newtonian fluids were theoretically investigated using an implicit finite-difference scheme. The results clearly· indicated that shear-dependent non-Newtonian viscosity controls the entire transport processes of the power-law fluids. For the major portion of the boundary layer, it was found that the more shear thinning the material exhibits, the lower the skin friction and the higher the heat transfer result. Accounting for the motion of the stagnation point provided an improved prediction of heat transfer for Newtonian fluid. / Doctor of Philosophy

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The use of computational fluid dynamics (CFD) as a design tool is becoming increasingly popular in the water resources field. This thesis aims to extend the knowledge of CFD and determine the usefulness of current CFD programs as a modelling tool. This thesis also seeks to determine the accuracy of CFD modelling when compared to physical modelling, the more established form of model testing. It is important that research is conducted on the validation of CFD because with an increase in computer power, processing speed and continual development in the programs used to generate the models, CFD could become an essential tool for the hydraulic engineer. A current key difficulty faced by CFD programs is the mapping of the free surface level of a body of fluid in a two-phase (water and air) flow condition. This is further complicated by the existence of three-dimensional flow over a labyrinth weir and a fluctuating nappe, which at times requires a free surface level to be mapped both above and below the nappe. This thesis begins by detailing the design methods and actual design of a typical labyrinth weir. It then describes the construction of a 1:20 scale physical model, testing procedures, goals, and the results of the physical model tests. Following the physical model study, the thesis discusses the development of a three-dimensional CFD model, designed in a way that matched the physical model. Simulation results obtained from the CFD model are then compared to those from the physical model study and the accuracy and suitability of CFD modelling as a design tool are evaluated. This evaluation considers the surcharge upstream of the weir and transient pressures on the weir. The thesis concludes with recommendations for further research in this field. The results achieved show that the CFD model was able to accurately map the movement of particles within the domain, to fully develop a flow profile, and to accurately predict the water surface level. The pressure readings obtained during CFD modelling were in the same order as those obtained during physical modelling. However, the CFD modelling pressure readings did not often accurately correspond with the physical modelling data, with the average error being 92%. These results indicate that there is still further development required in CFD before it can be relied upon as a design tool independent of other experimental methods. The difficulty and the length of time taken to generate the results also indicate that, at this stage and in this particular scenario, the engineer would be better served through the use of a physical model. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van gerekenariseerde vloeidinamika (CFD) as ’n ontwerpinstrument het toenemend gewild begin raak op die gebied van waterhulpbronne. Die doel van hierdie verslag is om kennis van CFD uit te brei en die nut van huidige CFD-programme as ’n modelleringsinstrument te bepaal. Daar word voorts ook gepoog om die akkuraatheid van CFD-modellering te bepaal in vergelyking met fisiese modellering – die meer gevestigde vorm van modeltoetsing. Dit is noodsaaklik dat navorsing gedoen word oor die bekragtiging van CFD, want met ’n toename in rekenaarkrag, verwerkingsnelheid en deurlopende ontwikkeling in die programme wat gebruik word om die modelle te genereer, sal CFD ’n noodsaaklike instrument vir die hidroulika-ingenieur word. ’n Belangrike probleem wat CFD-programme tans inhou, is die kartering van die vry oppervlak van ’n liggaam vloeistof in ’n tweefasse vloeitoestand (water en lug). Dit word verder bemoeilik deur die bestaan van driedimensionele vloei oor ’n labirint-stuwal en ’n skommelende “nappe”, wat by tye vereis dat ’n vry oppervlak sowel bo as onder die “nappe” gekarteer met word. Die verslag begin met ’n uiteensetting van die ontwerpmetodes en fisiese ontwerp van ’n tipiese labirintstuwal. Die bou van ’n 1:20-skaal- fisiese model, toetsprosedures, doelwitte en die resultate van die toetse op die fisiese model word dan beskryf. Ná die studie van die fisiese model, word die ontwikkeling van ’n driedimensionele CFD-model bespreek, wat ontwerp is om by die fisiese model te pas. Die simulasie-resultate van die CFD-model word dan vergelyk met dié van die studie van die fisiese model en die akkuraatheid en geskiktheid van CFD-modellering as ’n ontwerpinstrument word geëvalueer. In hierdie evaluering word die opdamming stroomop van die stuwal en druk op die stuwal ondersoek. Die verslag word afgesluit met aanbevelings vir verdere navorsing op hierdie gebied. Die resultate toon dat die CFD-model die beweging van partikels in die domein akkuraat kon karteer ten einde ’n volledige vloeiprofiel te ontwikkel en die watervlak akkuraat te voorspel. Die drukke wat tydens CFD-modellering verkry is, stem egter nie ooreen met die lesings wat tydens fisiese modellering verkry is nie. Die gemiddelde fout is 92%. Hierdie resultate toon dat verdere ontwikkeling in CFD nodig is voordat daarop staat gemaak kan word as ’n ontwerpinstrument wat onafhanklik van ander eksperimentele metodes gebruik kan word. Die moeilikheidsgraad en die lang tydsduur betrokke by die generering van resultate is ook ’n aanduiding dat die gebruik van ’n fisiese model die ingenieur op hierdie stadium en in hierdie spesifieke scenario beter tot diens sal wees.

In this thesis, a thorough study of the batch top-spray fluidized bed granulation was carried out including experimental study, population balance model (PBM), computational fluid dynamic (CFD) study and control strategy development. For the experimental study, the influence variables of pulsed frequency, binder spray rate and atomization pressure of a batch top-spray fluidized bed granulation process were studied using the Box-Behnken experimental design method. Different mathematical models were developed to predict the mean size of granules, yield, relative width of granule distribution, Hausner ratio and final granule moisture content. Validation experiments have shown the reliability and effectiveness of using the Box-Behnken experimental design method to study a fluidized bed granulation process. The one-dimensional population balance models (ODPBMs) have been developed to model a pulsed top-spray fluidized bed granulation, linking the operating factors of the pulsed frequency, the binder spray rate, and atomization air pressure with the granule properties to predict granule growth behavior at different operating conditions. A multi-stage open optimal control strategy based on the developed ODPBMs was proposed to reduce the model and process mismatch through adjusting the trajectory of the evolution of the granule size distribution at predefined sample intervals. The effectiveness of the proposed modeling and multi-stage open optimal control strategy has been validated by experimental and simulation tests. In addition, an Eulerian-Eulerian two-fluid model (EETFM) was developed to describe the gas-particle two-phase flow in the fluidized bed granulator. By computational fluid dynamic analysis, it has been proven that the fluidized bed granulation system is not homogeneous, based on which a two-compartmental population balance model (TCPBM) was developed to describe the particle growth in the fluidized bed granulation. Validation experiments have shown the effectiveness and superior accuracy of the TCPBM comparing with the ODPBM in predicting the final particle size distribution.