Made available in DSpace on 2014-08-13T14:50:49Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-02-26Bitstream added on 2014-08-13T18:00:25Z : No. of bitstreams: 1 000760008.pdf: 1157390 bytes, checksum: b22937a5a922bfca4feec35d7202512f (MD5) / Uma difuldade na solução de escoamentos viscoelásticos complexos o corre quando instabilidades numéricas surgem na simulação, resultantes de um colapso (breakdown) dos esquemas numéricos aplicados na solução da equação constitutiva para fluidos não- newtonianos. Essa difuldade é conhecida na literatura como o Problema de Alto Número de Weissenberg ou High Weissenberg Number Problem(HWNP). Nesta dissertação, investigamos de composições matriciais aplicadas ao tensor conformação A empregues como métodos de estabilização na simulação do HWNP. Na primeira parte deste trabalho, com o propósito de compreender a teoria usada para construir as abordagens de estabilização, efetuamos um amplo estudo sobre de composições matri iais, objetivando investigar três métodos diferentes: log-conformação, de composição do tipo raiz quadrada e núcleo-conformação. Após isso, no contexto do método Marker- and-Cell, empregamos discretizações por diferenças finitas juntamente com o método de projeção na implementação das de composições matriciais, visando solucionar o HWNP... / One difulty in the solution of complex viscoelasti ows o urs when numeri al ins- tabilities arise in the simulation. The instabilities result in a breakdown of numeri al s hemes used for solving the onstitutive equation for non-Newtonian uids. This di - ulty is known as the High Weissenberg Number Problem (HWNP). In this dissertation, we analyze matrix de ompositions applied to the onformation tensor A that are used as stabilization te hniques in the simulation of HWNP. In the rst part of this work, in order to understand the theory used to onstru t the stabilization approa hes, omprehensive studies have based on matrix de ompositi- ons been arried out. The goal is to investigate three di erent methods: the logarithm transformation, the symmetry fa torization, and the generi kernel- onformation tensor transformation...

Devido à crescente preocupação com as questões ambientais envolvendo as emissões de gases que potencializam o efeito estufa e outros problemas associados aos combustíveis fósseis, o hidrogênio aparece como uma fonte de energia alternativa capaz de promover o desenvolvimento de forma sustentável. A produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia é uma das rotas mais atraentes atualmente, envolvendo processos físicos, químicos e biológicos com inúmeras interações entre gases, líquidos e sólidos. No entanto, as pesquisas atuais têm dedicado especial atenção às características químicas e biológicas. Muitos reatores em escala real e de laboratório ainda são dimensionados por correlações empíricas, mas a compreensão dos fenômenos hidrodinâmicos envolvidos na produção de hidrogênio é um precursor necessário para a aplicação em projetos de escala industrial. Para otimizar o desempenho do reator, é essencial compreender a dinâmica das fases em seu interior. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é empregar técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) para estudar e otimizar o comportamento fluidodinâmico de um reator anaeróbio sequencial em batelada (ASBR). Para tanto, foi adotada uma modelagem bifásica, tridimensional e turbulenta conduzida com o programa computacional OpenFOAM. Diferentes condições operacionais, configurações geométricas, bem como diferentes modelos, foram avaliados. Os resultados obtidos no estudo das forças interfaciais reforçam a importância e a necessidade de validar as simulações com dados experimentais, devido à grande variação nos resultados obtidos em cada caso simulado. Do ponto de vista das configurações geométricas e operacionais, observa-se que modificações na vazão e no sentido da recirculação, bem como alterações na geometria dos distribuidores afetam significativamente a velocidade de mistura e a energia cinética turbulenta no interior do reator. Estas modificações afetam a transferência de massa, a qual influencia diretamente na cinética das reações e possibilita uma maior produção e hidrogênio. Determinar o comportamento do reator de forma precisa é um precursor para propor alterações que melhorem a sua eficiência. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2015-02-23T13:55:23Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Guilherme Zanella Maurina.pdf: 2001909 bytes, checksum: f1de7c235fc3a85355a86042b3c96826 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-23T13:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Guilherme Zanella Maurina.pdf: 2001909 bytes, checksum: f1de7c235fc3a85355a86042b3c96826 (MD5) / PETROBRAS, Brasil / Due to the growing concern with environmental issues involving the emission of gases that enhance the greenhouse effect and other problems associated with fossil fuels, hydrogen arises as an alternative source of energy capable of promoting development on a sustainable manner. Hydrogen production via anaerobic fermentation is currently one of the most attractive routes, involving physical, chemical and biological processes with numerous interactions between gas, liquid and solid. However, current research has devoted special attention to chemical and biological characteristics. Many full-scale and laboratory-scale reactors are still dimensioned using empirical correlations, but the understanding of hydrodynamic phenomena involved in the production of hydrogen is a necessary precursor for the application in industrial scale projects. To optimize the performance of the reactor, it is critical to understand the dynamics of the phases inside. In this context, the aim of this work is to employ computational fluid dynamics (CFD) techniques to study and optimize the fluid dynamic behavior of an anaerobic sequential batch reactor (ASBR). Thus, a two-phase, threedimensional and turbulent modeling was adopted, and simulations were conducted with the computer program OpenFOAM. Different operating conditions, geometric configurations and different models were evaluated. The results obtained in the study of interfacial forces reinforce the importance and the need to validate the simulations with experimental data, due to the large variation in the results obtained in each simulated case. Concerning geometric and operational settings, it was observed that changes in flow direction and recirculation, as well as changes in the geometry of distributors, affect significantly the velocity and the turbulent kinetic energy inside the reactor. These changes affect the mass transfer, which directly influences the reaction kinetics and enables greater production of hydrogen. The accurate establishment of the reactor behavior is a precur or to propose changes in order to improve its efficiency.

Orientador: Júlio Santana Antunes / Coorientador: José Luz Silveira / Banca: Celso Eduardo Tuna / Banca: Pedro Magalhães Sobrinho / Banca: José Rui Camargo / Banca: Ronney Arismel Mancebo Boloy / Resumo: Neste trabalho foi realizada a caracterização física, geométrica e fluidodinâmica do bagaço de cana-de-açúcar visando o projeto e dimensionamento de um gaseificador de leito fluidizado borbulhante para pequena e média capacidade térmica (até 25 MW térmicos). As principais propriedades físicas e químicas como massa específica real, aparente e a granel, assim como os teores de umidade, cinzas, material volátil e carbono fixo presentes neste material foram determinadas aplicando normas vigentes para este tipo de resíduo. Também foi realizada uma caracterização geométrica através de técnicas de análise de imagens, determinando-se a esfericidade e razão de aspecto para todas as faixas de diâmetro de partículas estudadas, obtendo-se um valor médio de 0,39 no caso da esfericidade para o bagaço em seu estado natural. Através do estudo fluidodinâmico verificou-se que partículas de bagaço de cana com diâmetros característicos entre 0,59 - 9,5 mm não são fluidizáveis, apresentando uma tendência a coesão e formação de canais preferenciais. Foi constatado que o emprego dos modelos existentes até agora para a previsão da velocidade mínima de fluidização (Vmf), tanto para partículas de bagaço, quanto para misturas delas com material inerte, não preveem de forma adequada este parâmetro. Indicando erros entre 85% e mais de 100% em cada um desses caso, pelo que foram deselvolvidos dois novos modelos específicos para partículas de bagaço de cana e para misturas delas com areia, os quais prev... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work is carried out a physical, geometric and fluid-dynamics characterization of sugarcane bagasse, aiming to design and sizing a bubbling fluidized bed gasifier for small and medium power (up to 25 MW thermal). The main physical and chemical properties as real density, bulk density and apparent density, as well as, the content of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon present in the bagasse, were determined by applying the standars norms suitable for this type of residue. It was also made a geometric characterization by image analysis techniques, being determined the sphericity and aspect ratio for all diameter ranger of studied particles, obtaining an average value of 0.39 in the case of sphericity for bagasse in it is natural form. Through the fluid dynamic study it was found that bagasse particles with typical diameters between 0,59 - 9,5 mm are not fluidizable, showing a tendency to cohesion and formation of preferential channels. It has been found that the use of the existing models to date for determination of the minimum fluidization velocity for bagasse particles and for mixtures of them with inert, do not predict the right way this parameter, introduced errors of up to 85% to over 100% in both cases, therefore were developed two new models specifically for sugarcane bagasse particles and mixtures of them with sand, with a maximum error of 6.3% in the first case, and 30% for the 88% of the 25 experimental conditions tested in the case of mixtures. Co... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Cássio Machiaveli Oishi / Banca: Messias Meneguette Júnior / Banca: José Alberto Cuminato / Resumo: Uma difuldade na solução de escoamentos viscoelásticos complexos o corre quando instabilidades numéricas surgem na simulação, resultantes de um colapso ("breakdown") dos esquemas numéricos aplicados na solução da equação constitutiva para fluidos não- newtonianos. Essa difuldade é conhecida na literatura como o Problema de Alto Número de Weissenberg ou "High Weissenberg Number Problem"(HWNP). Nesta dissertação, investigamos de composições matriciais aplicadas ao tensor conformação A empregues como métodos de estabilização na simulação do HWNP. Na primeira parte deste trabalho, com o propósito de compreender a teoria usada para construir as abordagens de estabilização, efetuamos um amplo estudo sobre de composições matri iais, objetivando investigar três métodos diferentes: log-conformação, de composição do tipo raiz quadrada e núcleo-conformação. Após isso, no contexto do método "Marker- and-Cell", empregamos discretizações por diferenças finitas juntamente com o método de projeção na implementação das de composições matriciais, visando solucionar o HWNP... / Abstract: One difulty in the solution of complex viscoelasti ows o urs when numeri al ins- tabilities arise in the simulation. The instabilities result in a breakdown of numeri al s hemes used for solving the onstitutive equation for non-Newtonian uids. This di - ulty is known as the High Weissenberg Number Problem (HWNP). In this dissertation, we analyze matrix de ompositions applied to the onformation tensor A that are used as stabilization te hniques in the simulation of HWNP. In the rst part of this work, in order to understand the theory used to onstru t the stabilization approa hes, omprehensive studies have based on matrix de ompositi- ons been arried out. The goal is to investigate three di erent methods: the logarithm transformation, the symmetry fa torization, and the generi kernel- onformation tensor transformation... / Mestre

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Ricardo Fortes de Miranda / Banca: Santiago Del Rio Oliveira / Resumo: Neste trabalho apresenta-se um estudo numérico-experimental do comportamento da agitação de fluído em reservatórios de pulverizadores agrícolas. Uma adequação da calda de defensivos agrícolas em um reservatório é muito importante para garantir a homogenedidade da pulverização ao longo de toda a cultura. O objetivo do estudo foi desenvolver um modelo computacional capaz de prever as regiões do reservatório onde ocorre a deposição do concentrado da calda de defensivos, e assim, auxiliar no projeto de reservatórios de pulverizadores agrícolas, com economia de tempo e custo. Deste modo, resultados de simulações computacionais de fluidodinâmica (CFD) foram comparados a testes experimentais para validação do modelo numérico desenvolvido. procedimento experimental realizado é normalizado e consistiu na verificação da concentração de cobre de uma solução teste, em três níveis de um reservatório de 4000 litros, durante a agitação, reagitação e o esvaziamento do mesmo. Utilizando um modelo monofásico (água), avaliou-se o perfil de velocidades e a distribuição de tensão de cisalhamento na parede do reservatório a fim de relacionar essas variáveis com a concentração de resíduos. A comparação entre resultados experimentais e o modelo computacional desenvolvido, indicou que regiões com baixos valores numéricos de tensão de cisalhamento estavam em concordância com as regiões de alta deposição de cobre da solução teste / Abstract: This paper presents a numerical and experimental study of the behavior of fluid agitation in tanks of agricultural sprayers. Proper agitation of the spray mixture of pesticides in a tank is very important to ensure a uniform spraying throughout the field. The objective of the study was to develop a computermodel capable of predicting tank zones where deposition of pesticides mixture concentrate occurs, and thus aiding in the design of tanks for agricultural sprayers, with cost and time savings. Thus, results of fluid dynamics simulations (CFD) were compared to experimental tests to validate the numerical model. The experimental procedure performed is standardized and consisted on the verification of copper concentration of test solution in three levels of 4000 liters tank, during agitation, re-agitation and tank emptying. Using a single-phase model (water), we assessed the velocity profile and the distribution of shear stress on the tank wall in order to relate these variables to the residue concentration. The comparison between experimental results and the computational model developed indicated that regions with low numerical values of wall shear stress were in agreement with regions of high deposition of copper test solution / Mestre

Nos últimos anos, as legislações ambientais têm se tornado mais rigorosas em relação aos limites de emissão de dióxido de enxofre, provenientes das refinarias de petróleo e das industrias químicas. A recuperação de enxofre, através do processo Claus, é o padrão da industria na redução das emissões de SO2 de efluentes gasosos ricos em H2S. Basicamente o processo consiste de duas etapas em série: uma térmica e outra catalítica. A cinética do processo é limitada, devido à natureza de suas reações principais que tendem ao equilíbrio, por isto, uma unidade de recuperação de enxofre com três reatores catalíticos, por exemplo, tem uma capacidade teórica de recuperar 98% de enxofre do gás ácido. A fase térmica do Processo Claus, é responsável por 60 a 70% da conversão total de enxofre, mas apesar disto, tem sido pouco estudada e ainda hoje a maior parte dos modelos disponíveis para projeto de novas plantas ou otimização das existentes, são baseados em relações de equilíbrio ou em equações empíricas. Esses modelos têm se mostrados insuficientes para atender às novas exigências de eficiência das unidades de recuperação de enxofre, uma vez que não consideram fatores fluidodinâmicos e as limitações cinéticas das reações envolvidas nos processo de combustão. O objetivo deste trabalho é o estudo da fase térmica do Processo Claus, utilizando como técnica de modelagem a fluidodinâmica computacional (CFD), através do programa CFX-5.6. Também são incorporados os mais recentes avanços na modelagem cinética das reações: Claus, oxidação e pirólise do H2S, formação de COS e CS2. Para isto, são modelados 4 tipos diferentes de queimadores, operando em câmaras de combustão de mesmo tamanho e nas mesmas condições de processo. / Over the last years the environmental legislations have become more severe with respect to the limits of SO2 emission that are produced by the petroleum refining and chemical industries. The sulphur recovery, through the Claus process, is the industrial standard reducing the SO2 emission in the effluents gases that are rich in H2S . Basically, the process is composed by two sequential phases: one is thermal, and the other one is catalytic. The process kinetics are limited, due to the intrinsic nature of the main reactions to tend to the equilibrium, therefore, a sulphur recovery unit with three catalytic reactors, for instance, has the theoretical capacity to recover 98% of the sulphur from the acid gas. The thermal phase of the Claus process is responsible for 60 to 70% of the total sulphur conversion, however, it has not been fully investigated, and up to now, most of the existent models for designing new plants or optimisation of the current ones, are based in equilibrium reactions or empirical equations. These models have been insufficient to meet the new efficiency requirements of the sulphur recovery plants, as far as fluid dynamic factors and kinetic limitations of the reactions involved are not considered in the combustion process. The objective of this work is to study the thermal phase of the Claus process, using computational fluid dynamics (CFD) as a modelling technique through CFX-5.6 software. In addition, the most recent advances in kinetics modelling of the reactions are also incorporated: Claus reaction, oxidation and pyrolysis of the H2S, formation of COS and CS2. Four different types of burners are simulated, with a combustion chambers of the same size and even processing conditions.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-07-27T22:51:25Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Pedro Paulo Dantas de Souza Paiva.pdf: 5292653 bytes, checksum: 177d836a13787596c993b64d01ede96a (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-08T17:09:39Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Pedro Paulo Dantas de Souza Paiva.pdf: 5292653 bytes, checksum: 177d836a13787596c993b64d01ede96a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-08T17:09:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Pedro Paulo Dantas de Souza Paiva.pdf: 5292653 bytes, checksum: 177d836a13787596c993b64d01ede96a (MD5) Previous issue date: 2017-05-26 / O VHTR é um reator nuclear térmico, moderado a grafite e refrigerado por hélio. Para seu desenvolvimento, há a necessidade de utilização de ferramentas computacionais eficientes para a análise de aspectos de modelagem, operação e segurança. A proposta deste trabalho é estudar o comportamento do VHTR por meio de análise paramétrica, alterando-se modelo de turbulência, perfil de geração de energia nos blocos combustíveis e a influência de modificações na própria geometria. Busca-se também avaliar a implementação de uma metodologia simplificada que reduza o esforço computacional e a duração de uma simulação. Procedeu-se à análise do escoamento do fluido refrigerante através dos canais refrigerantes e canais by-pass em uma seção de 1/12 de uma coluna de blocos combustíveis, utilizando-se diferentes modelos de turbulência. Os resultados obtidos com essas simulações foram comparados àqueles obtidos por meio de correlações do número de Nusselt descritos na literatura. Observou-se que a simulação na qual se utiliza o modelo -ε possibilita a obtenção de resultados que convergem bem com aqueles fornecidos pelas correlações, para ambos os tipos de canais. O modelo -ω proporciona bons resultados para os canais refrigerantes e, o SSG, para o canal by-pass. Utilizou-se geometria contendo canais by-pass de diferentes dimensões, além de uma que possuía apenas os canais refrigerantes, sem canal by-pass. Verificou-se que a existência de um escoamento by-pass induz a um aumento no gradiente de temperatura no bloco combustível. Realizaram-se estudos comparativos entre os resultados obtidos em simulações realizadas com diferentes perfis de geração de energia térmica (uniforme e senoidal) nos canais combustíveis. Verificou-se que, quando há a mesma geração de energia térmica total no bloco combustível, a máxima temperatura constatada em cada um dos materiais é menor para o caso da geração de energia com perfil senoidal. Quando utilizado, no perfil senoidal, um fator radial de pico (1,25), há um aumento considerável na temperatura de todos os materiais, possibilitando a ocorrência de regiões em que a temperatura pode ultrapassar o limite usualmente aceito para o combustível do reator (1250°C) em operação normal. O canal refrigerante localizado no centro do bloco combustível tem diâmetro inferior aos demais canais existentes nesse bloco. Para verificar a hipótese de que a existência de um gradiente de temperatura no bloco combustível, com a temperatura mais elevada ao centro e a temperatura mais baixa estando na periferia desse bloco, deve-se fortemente à menor dimensão desse canal central, realizaram-se simulações computacionais utilizando-se uma geometria com canal central de diâmetro igual ao dos demais. A condição de entrada escolhida para essa nova estrutura foi, primeiramente, o mesmo fluxo mássico total e, depois, a mesma diferença de pressão entre entrada e saída verificados na simulação da geometria padrão. Os resultados obtidos confirmam a hipótese aventada. Realizou-se simulação utilizando uma metodologia simplificada, que consiste em uma análise unidimensional do fluido em um canal refrigerante acoplada à análise tridimensional da condução do calor no grafite e nos canais combustíveis. Os resultados obtidos com a metodologia simplificada apresentaram excelente convergência com aqueles obtidos com a simulação completamente tridimensional, e em um tempo de simulação cerca de 45 vezes menor. / The VHTR is a thermal, graphite moderated and helium cooled reactor. For its development, there is a need to use efficient computational tools to analyze aspects of modeling, operation and safety. The purpose of this work is to study the behavior of the VHTR by means of parametric analysis, altering the turbulence model, the energy generation profile in the fuel blocks and the influence of modifications in the geometry itself. It also seeks to evaluate the implementation of a simplified methodology that reduces the computational effort and duration of a simulation. The coolant flow through the coolant channels and by-pass channels were analyzed in a 1/12 section of a fuel block column using different turbulence models. The results obtained with these simulations were compared to those obtained by means of Nusselt number correlations described in the literature. It was observed that the simulation using the -ε model makes it possible to obtain results that converge well with those provided by the correlations, for both types of channels. The -ω model provides good results for the coolant channels and the SSG for the by-pass channel. Geometry was used with by-pass channels of different dimensions, besides one that had only the cooling channels, without by-pass channel. It has been found that the existence of a by-pass flow induces an increase in the temperature gradient in the fuel block. Comparative studies were performed between the results obtained in simulations carried out with different profiles of thermal energy generation (uniform and sinusoidal) in the fuel channels. It was verified that when there is the same total thermal energy generation in the fuel block, the maximum temperature observed in each of the materials is smaller for the generation of energy with sinusoidal profile. When a peak radial factor (1,25) is used in the sinusoidal profile, there is a considerable increase in the temperature of all materials, allowing the occurrence of regions where the temperature may exceed the limit usually accepted for reactor fuel (1250° C) in normal operation. The coolant channel located in the center of the fuel block has a smaller diameter than the other channels in this block. To verify the hypothesis that the existence of a temperature gradient in the fuel block, with the highest temperature at the center and the lowest temperature being at the periphery of this block, is due to the smaller dimension of this central channel, computer simulations were performed using a geometry with a central channel with the same diameter as the others. The input condition chosen for this new structure was, firstly, the same total mass flow and then the same pressure difference between input and output found in the simulation of the standard geometry. The results confirm the hypothesis. Simulation was performed using a simplified methodology, which consists of a one-dimensional analysis of the coolant flow in a coolant channel coupled to the three-dimensional analysis of heat conduction within the graphite and fuel channels. The results obtained with the simplified methodology were in excellent agreement with those obtained with the fully three-dimensional simulation and the time required to complete the simulation with the simplified methodology was about 45 times less than the time that the fully three-dimensional simulation lasted.

Devido à crescente preocupação com as questões ambientais envolvendo as emissões de gases que potencializam o efeito estufa e outros problemas associados aos combustíveis fósseis, o hidrogênio aparece como uma fonte de energia alternativa capaz de promover o desenvolvimento de forma sustentável. A produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia é uma das rotas mais atraentes atualmente, envolvendo processos físicos, químicos e biológicos com inúmeras interações entre gases, líquidos e sólidos. No entanto, as pesquisas atuais têm dedicado especial atenção às características químicas e biológicas. Muitos reatores em escala real e de laboratório ainda são dimensionados por correlações empíricas, mas a compreensão dos fenômenos hidrodinâmicos envolvidos na produção de hidrogênio é um precursor necessário para a aplicação em projetos de escala industrial. Para otimizar o desempenho do reator, é essencial compreender a dinâmica das fases em seu interior. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é empregar técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) para estudar e otimizar o comportamento fluidodinâmico de um reator anaeróbio sequencial em batelada (ASBR). Para tanto, foi adotada uma modelagem bifásica, tridimensional e turbulenta conduzida com o programa computacional OpenFOAM. Diferentes condições operacionais, configurações geométricas, bem como diferentes modelos, foram avaliados. Os resultados obtidos no estudo das forças interfaciais reforçam a importância e a necessidade de validar as simulações com dados experimentais, devido à grande variação nos resultados obtidos em cada caso simulado. Do ponto de vista das configurações geométricas e operacionais, observa-se que modificações na vazão e no sentido da recirculação, bem como alterações na geometria dos distribuidores afetam significativamente a velocidade de mistura e a energia cinética turbulenta no interior do reator. Estas modificações afetam a transferência de massa, a qual influencia diretamente na cinética das reações e possibilita uma maior produção e hidrogênio. Determinar o comportamento do reator de forma precisa é um precursor para propor alterações que melhorem a sua eficiência. / PETROBRAS, Brasil / Due to the growing concern with environmental issues involving the emission of gases that enhance the greenhouse effect and other problems associated with fossil fuels, hydrogen arises as an alternative source of energy capable of promoting development on a sustainable manner. Hydrogen production via anaerobic fermentation is currently one of the most attractive routes, involving physical, chemical and biological processes with numerous interactions between gas, liquid and solid. However, current research has devoted special attention to chemical and biological characteristics. Many full-scale and laboratory-scale reactors are still dimensioned using empirical correlations, but the understanding of hydrodynamic phenomena involved in the production of hydrogen is a necessary precursor for the application in industrial scale projects. To optimize the performance of the reactor, it is critical to understand the dynamics of the phases inside. In this context, the aim of this work is to employ computational fluid dynamics (CFD) techniques to study and optimize the fluid dynamic behavior of an anaerobic sequential batch reactor (ASBR). Thus, a two-phase, threedimensional and turbulent modeling was adopted, and simulations were conducted with the computer program OpenFOAM. Different operating conditions, geometric configurations and different models were evaluated. The results obtained in the study of interfacial forces reinforce the importance and the need to validate the simulations with experimental data, due to the large variation in the results obtained in each simulated case. Concerning geometric and operational settings, it was observed that changes in flow direction and recirculation, as well as changes in the geometry of distributors, affect significantly the velocity and the turbulent kinetic energy inside the reactor. These changes affect the mass transfer, which directly influences the reaction kinetics and enables greater production of hydrogen. The accurate establishment of the reactor behavior is a precur or to propose changes in order to improve its efficiency.

Orientador: José Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T07:13:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Olino_AnaLeticiaMonteiro_M.pdf: 2635476 bytes, checksum: 1044b4e4ad54faed575660cb81c06763 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Um impelidor ideal para suspensões deve prover a suspensão completa ou homogeneização utilizando o mínimo de energia. O fluxo em um tanque agitado depende da geometria do impelidor, do diâmetro e da localização deste, do diâmetro e do fundo do tanque e da geometria de internos. A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é uma ferramenta poderosa para predizer fluxos tridimensionais e distribuição de concentração de sólidos produzidos por impelidores de qualquer configuração geométrica. Este estudo pretende aumentar a capacidade de bombeamento de um impelidor de bombeamento axial, chamado KPC, enquanto mantém o baixo consumo de potência. Para avaliar a capacidade de bombeamento do KPC, diferentes ângulos entre a raiz e a ponta das pás foram estudados. O ângulo da raiz foi mantido em 45º, enquanto o ângulo da ponta da pá foi modificado, resultando em diferentes pás. As simulações em CFD foram feitas com água e com água e areia. O modelo de turbulência utilizado foi o Shear Stress Transport (SST) e foi utilizada a técnica de simulação Sliding Grid. O modelo escolhido para as simulações foi validado experimentalmente. O descolamento da camada limite na ponta das pás dos impelidores foi visualizado, e o objetivo principal do trabalho, encontrar o impelidor KPC otimizado, foi atingido. Este impelidor possui 45º na raiz da pá e 10º na ponta da pá. O impelidor otimizado confirmou seu melhor desempenho quando comparado ao impelidor inicial na simulação de uma suspensão de areia e água / Abstract: An ideal impeller for solid suspension should provide complete suspension or homogenization consuming a minimum of energy. The flow in a stirred tank depends on impeller design, diameter and the location of impellers, vessel diameter, bottom design and internals. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful tool to predict the three dimensional flow and solids concentration distribution produced by different impellers of any geometric configuration. This study aims to improve the pumping of an axial pumping impeller, named KPC, while maintaining low power consumption. In order to evaluate the pumping capacity of the KPC impeller, differents angles between the root and the tip of the blades have been studied. The angle at the root was maintained at 45º, and the angle at the blade tip has been modified, resulting in different blades. CFD simulations were performed for water and for water and sand. The model used the Shear Stress Transport (SST) turbulence model and the Sliding Grid simulation strategy. The model was validated against experimental data. The impelller blade flow separation was visualized, and the main objective of the work, which was to find the optimized KPC impeller, was reached. This impeller possess 45º in the blade root and 10º in the tip of the blade. The optimized impeller confirmed its better performance when compared to the initial impeller in a simulation of a suspension of sand and water / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Submitted by Almir Azevedo (barbio1313@gmail.com) on 2013-11-29T12:18:56Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2011_02.pdf: 1309406 bytes, checksum: eb6e6f8e4381abffd62737939fa49e80 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-11-29T12:18:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2011_02.pdf: 1309406 bytes, checksum: eb6e6f8e4381abffd62737939fa49e80 (MD5) Previous issue date: 2011 / Com os problemas de aquecimento global e a busca por fontes energéticas limpas, o aumento do emprego de energia nuclear é esperado. Assim, o desenvolvimento de tecnologias e estudos científicos para o uso de usinas nucleares é imprescindível, em particular na área de engenharia de reatores. No desenvolvimento de reatores nucleares, a mecânica de fluidos e a transferência de calor assumem papel de destaque. A fluidodinâmica computacional computacional, conhecida como CFD a partir da sigla em Inglês para Computational Fluid Dynamics, é cada vez mais utilizada para otimizar os custos e a segurança dos projetos. Esta dissertação apresenta um método estabilizado de elementos finitos de segunda ordem para a solução de problemas de mecânica de fluidos e transferência de calor. A discretização com segunda ordem no tempo precede a discretização espacial com elementos finitos. Os termos de estabilização surgem naturalmente do processo de discretização, ao invés de serem introduzidos a priori na formulação variacional. O método foi implementado no programa ´ns_new_solver_2d_a_v2_MPI´, escrito em FORTRAN90, desenvolvido no Laboratório de Computação Paralela do Instituto de Engenharia Nuclear (LCP/IEN). Soluções numéricas de alguns exemplos representativos, envolvendo convecção natural, mista e forçada, demonstram que a formulação estabilizada proposta neste trabalho apresenta excelente concordância com resultados experimentais e computacionais disponíveis na literatura.