Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-01-12Bitstream added on 2014-06-13T20:54:32Z : No. of bitstreams: 1 souza_mp_me_bauru.pdf: 1121017 bytes, checksum: 8ed8fe65e5cd46111ec16064bc42b009 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / No presente trabalho desenvolve-se um estudo de modelagem matemática e simulação numérica do escoamento bifásico gás-sólido em leito fluidizado borbulhante. Utiliza-se o modelo Euleriano de duas fases separadas formulando o tensor das tensões da fase sólida através da teoria cinética dos escoamentos granulares. As simulações numéricas são realizadas através do código fonte MFIX (Multiphase Flow with Interphase eXchanges) desenvolvido no NETL (National Energy Technology Laboratory). Os resultados de simulação numérica são avaliados por meio da análise da influência dos seguintes parâmetros: malha computacional e esquemas de discretização dos termos convectivos das equações de conservação. Com base nos estudos teóricos e resultados obtidos durante o trabalho conclui-se que esquemas de primeira, tais como FOUP são altamente difusivos, já os resultados obtidos utilizando o esquema de alta ordem, Superbee, produziu resultados de melhor qualidade para as malhas testadas neste trabalho. Além disso, os resultados mostraram-se bastante dependentes do tamanho da malha computacional. / In the present work is described a mathematical model and numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a bubbling fluidized bed. It is used the Eulerian gas-solid two-fluid model and the solid phase stress tensor is modeled considering the kinetic theory of granular flows. The numerical simulations were developed using the MFIX (Multiphase Flow with Interphase eXchanges) code developed in NETL (National Energy Technology Laboratory). The numerical diffusion is analyzed considering a single bubbling detachment and its movement process in a two-dimensional bubbling fluidized bed using the bubble shape as a metric for results description. The influence of computacional grid it is also analyzed. It is concluded that SuperBee scheme produces the better results and analysis about estimating uncertainty in grid refinement should be studied.

A presente pesquisa tem como objetivo realizar um estudo teórico e desenvolver simulações computacionais envolvendo a dinâmica de sistemas gás-sólido. O foco principal do trabalho é a modelagem do particulado através da análise das forças de contato entre partículas de materiais granulares utilizando modelos contínuos baseados na mecânica dos solos e na teoria cinética dos escoamentos granulares (sistemas grandes com muitas partículas, formulação Euleriana - Volumes Finitos) e modelos discretos baseados nas características físicas dos materiais (sistemas intermediários e número limitado de partículas, formulação Lagrangeana - Método dos Elementos Discretos). Investigam-se os modelos existentes na literatura com intuito de melhorar os modelos contínuos e discretos baseados na interação entre as partículas que caracterizam a dinâmica do particulado em sistemas gás-sólido. Propõe-se uma nova abordagem para a determinação do coeficiente de rigidez da mola baseada em uma equivalência entre os modelos lineares e não-lineares. Utiliza-se o código fonte MFIX para realizar simulações computacionais da dinâmica de sistemas gás-sólido, analisando o processo de fluidização, mistura e segregação de partículas, influência das correlações de arrasto, e análise das forças de contato entre as partículas através do novo método para a determinação do coeficiente de rigidez da mola . Os resultados obtidos são comparados com dados numéricos e experimentais da literatura. / The purpose of the present study is to perform a theoretical study and develop numerical simulations involving dynamic in gas-solid systems. The focus of the work is the modeling of particulate matter using continuous models based on soil mechanics and the kinetic theory of granular flows (large systems with many particles, Eulerian formulation - Finite Volume) and discrete models based on physical characteristics of the particles (intermediate systems and limited number of particles, Lagrangian formulation - Discrete Element Method). It is proposed a new approach to determine the normal spring stiffness coefficient of the linear model through the numerical solution for the overlap between particles in non-linear models. The linear spring stiffness is determined using an equivalence between the linear and the non-linear models. It is used the MFIX computational code to perform numerical simulations of the dynamics of gas-solid systems. It is analyzed the processes of fluidization, mixing and particle segregation and the influence of drag correlations. The proposed approach for normal spring stiffness coefficient is applied in the numerical simulations of two problems: single freely falling particle and bubbling fluidized bed. The results were compared with numerical and experimental data from literature.

Bien que répandus dans l'environnement et dans l'industrie, les écoulements granulaires possèdent des caractéristiques particulières qui sont différentes de celles des écoulements de liquides ordinaires comme l'eau (fluides newtoniens). L'une de ces caractéristiques est de présenter un seuil d'écoulement, il est donc fréquent qu'une des frontières de l'écoulement soit constituée de grains au repos (frontière érodable). L'échange entre les deux états solide et liquide d'un écoulement granulaire est à l'origine du phénomène d'érosion et de déposition et constitue le cœur de cette thèse. Nous y effectuons à la fois des études expérimentales et des études théoriques en nous basant sur les modèles phénoménologiques concernant le taux d'échange proposés par Bouchaud, Cates, Ravi Prakash et Edwards et modifiés par Boutreux et de Gennes. A l'aide d'un dispositif expérimental permettant de lâcher sans vitesse initiale une colonne de grains sur une pente granulaire, nous avons quantifié l'importance relative des phénomènes d'érosion et de déposition notamment en déterminant l'angle neutre qui définit la pente critique pour laquelle ces deux processus s'équilibrent. Dans un deuxième temps nous avons appliqué le modèle proposé par Boutreux et de Gennes au cas de l'étalement d'une « marche » granulaire (marche du Sinaï). / Granular flows, which are common in nature and industry, have particular characteristics that are different from the ordinary flow of liquid (eg. water, oil, etc.) and are not yet well understood in the literature. This case underlines the lack of knowledge on the exchange rate between solid and liquid states of granular flows which is the origin of the erosion - deposition phenomenon and constitutes the core of this thesis. To address the issue of the exchange rate solid - liquid, this work is based mainly in two subjects. The first subject is to study the processes of erosion and deposition of a flow generated by the grains stocked in a reservoir. By releasing naturally with zero-velocity the grains to generate the granular flow, we quantified the relation between the erosion and deposition for determining the neutral angle which defines the slope where these two processes balance. The second subject is to analyze the fall of grains in Sinai step problem by studying the spread of the march. For both works, we conduct not only the experimental but also theoretical studies based on the phenomenological models of the exchange rate proposed by BCRE (Bouchaud, Cates, Ravi Prakash and Edwards) and BDG (Boutreux and de Gennes) with some modifications.

No presente trabalho desenvolve-se um estudo de modelagem matemática e simulação numérica do escoamento bifásico gás-sólido na coluna ascendente de um leito fluidizado circulante. Utiliza-se o modelo euleriano de duas fases separadas considerando dois procedimentos diferentes para a modelagem do tensor das tensões da fase sólida: modelo tradicional e a teoria cinética dos escoamentos granulares (TCEG). As simulações numéricas são conduzidas com a utilização do código MFIX que é um software livre e disponível na rede (Internet). Os resultados da simulação numérica são avaliados por meio da análise da influência dos seguintes parâmetros: malha computacional, correlações para o computo do tensor das tensões da fase sólida e esquemas de discretização dos termos advectivos. Também se desenvolve estudo de caracterização de estruturas coerentes - \"clusters\". De forma complementar foram realizadas duas análises teóricas compreendendo: uma análise da influência das diversas correlações utilizadas na TCEG para o computo da viscosidade dinâmica do sólido; e uma análise enfocando o emprego de diversos esquemas de discretização para os termos advectivos presentes nas equações de conservação (Foup, Muscl, Van Leer, Minmod e Superbee). De todos os estudos e resultados apresentados no trabalho conclui-se que os escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados circulantes são muito complexos, sendo necessário a realização de futuras pesquisas para uma melhor compreensão dos fenômenos físicos inerentes a esses escoamentos. / In the present work is described a mathematical model and numerical study simulation of the gas-solid flow in the riser of a circulating fluidized bed. It is used the two fluids eulerian model considering two different procedures for the solid phase stress tensor modeling: the traditional model and the kinetic theory of granular flows (KTGF). The numerical simulation results are evaluated through the influence analysis of the following parameters: computational mesh, correlations for computing the solid phase stress tensor and the discretization of the advective terms. It is also presented a study concerning the characterization coherent structures - \"clusters\". Complementing the above studies were accomplished two theoretical analyses comprehending: an influence analysis of several correlations used in the KTGF for computing the dynamic viscosity of the solid phase; and an analysis concerning several discretization schemes for the advective terms present in the conservative equations. Considering the developed studies and the obtained results it is concluded that the gas-solid flows in circulating fluidized beds are very complex, being necessary future research works for a better comprehension of the inherent physical phenomena to these flows.

No presente trabalho desenvolve-se um estudo de modelagem matemática e simulação numérica do escoamento bifásico gás-sólido na coluna ascendente de um leito fluidizado circulante. Utiliza-se o modelo euleriano de duas fases separadas considerando dois procedimentos diferentes para a modelagem do tensor das tensões da fase sólida: modelo tradicional e a teoria cinética dos escoamentos granulares (TCEG). As simulações numéricas são conduzidas com a utilização do código MFIX que é um software livre e disponível na rede (Internet). Os resultados da simulação numérica são avaliados por meio da análise da influência dos seguintes parâmetros: malha computacional, correlações para o computo do tensor das tensões da fase sólida e esquemas de discretização dos termos advectivos. Também se desenvolve estudo de caracterização de estruturas coerentes - \"clusters\". De forma complementar foram realizadas duas análises teóricas compreendendo: uma análise da influência das diversas correlações utilizadas na TCEG para o computo da viscosidade dinâmica do sólido; e uma análise enfocando o emprego de diversos esquemas de discretização para os termos advectivos presentes nas equações de conservação (Foup, Muscl, Van Leer, Minmod e Superbee). De todos os estudos e resultados apresentados no trabalho conclui-se que os escoamentos gás-sólido em leitos fluidizados circulantes são muito complexos, sendo necessário a realização de futuras pesquisas para uma melhor compreensão dos fenômenos físicos inerentes a esses escoamentos. / In the present work is described a mathematical model and numerical study simulation of the gas-solid flow in the riser of a circulating fluidized bed. It is used the two fluids eulerian model considering two different procedures for the solid phase stress tensor modeling: the traditional model and the kinetic theory of granular flows (KTGF). The numerical simulation results are evaluated through the influence analysis of the following parameters: computational mesh, correlations for computing the solid phase stress tensor and the discretization of the advective terms. It is also presented a study concerning the characterization coherent structures - \"clusters\". Complementing the above studies were accomplished two theoretical analyses comprehending: an influence analysis of several correlations used in the KTGF for computing the dynamic viscosity of the solid phase; and an analysis concerning several discretization schemes for the advective terms present in the conservative equations. Considering the developed studies and the obtained results it is concluded that the gas-solid flows in circulating fluidized beds are very complex, being necessary future research works for a better comprehension of the inherent physical phenomena to these flows.

Les risques naturels tels que les laves torrentielles constituent des menaces réelles pourles zones urbanisées de montagne. Les bâtiments et infrastructures peuvent être exposésà de grandes forces d’impact en cas d’évènement extrême. La réduction de cette menace,par des ouvrages de protection, impose de quantifier l’impact de ces écoulements sur lesstructures, qu’elles soient flexibles ou rigides.Tout d’abord, un écoulement granulaire sec, composé de particules non-sphériquesglissant sur un plan incliné, est modélisé en utilisant une loi de contact visco-élastiqueavec critère de rupture de Mohr-Coulomb. Des données expérimentales de la littératureont été utilisé pour calibrer et valider le modèle. À cette fin, la forme de la particule,l’épaisseur de l’écoulement et la forme finale du dépôt sur le mur sont considerés. Lavalidation est basée sur l’impact sur un mur rigide divisé en six segments. La principalecontribution de la force totale normale appliquée sur le mur est due à la composantedynamiques. La distribution hétérogène de la force normale sur chaque partie du murest due au développement des chaînes de force différent pour chaque arrangement desparticules.Ensuite, un filet est modélisé en utilisant des éléments cylindriques. L’impact sur lefilet est modélisé en utilisant le même modèle d’écoulement que précédemment. Le rôledes dissipateurs d’énergie apparaît essentiel pour réduire la force d’impact sur le filet etlimiter la force appliquée sur les points d’ancrage latéraux.Pour la première fois, des simulations montrent que pour un même écoulementgranulaire la force d’impact est plus élevée pour un obstacle rigide, avec une différencede 50% par rapport à un obstacle flexible. les simulations permettent de définir quelquesrecommandation pour le dimensionnement des filets. Il est constaté que l’utilisationviiid’un maillage de filet plus petit que D90 de l’écoulement est acceptable en termes decapacité à retenir les matériaux en écoulement. En plus, si le câble en bas du filet n’estpas fixé, le filet pourrait perdre totalement sa capacité de retenue. / Natural hazards such as debris flows are real threat to the urbanization of mountainousareas. Local communities and infrastructures can be exposed to large impact forces inextreme debris events. Mitigation of such threats requires, along other measures, theestimation of the impact of such flows on protection structures (rigid walls and flexiblebarriers). In this thesis, Discrete Element Method (DEM) is used to model the granularflow, the rigid walls and flexible barriers.First, a dry granular flow made of non-spherical particles flowing in inclined plane ismodeled using a visco-elastic contact law with Mohr-Coulomb failure criterion. Experimentaldata from the literature is used to calibrate and validate the model. The modelis calibrated based on the shape of the particle, the flow thickness and the final shapeof the deposit on the wall. Validation procedure is based on the impact on a rigid walldivided into six segments. The main contribution of total normal force applied on thewall is found to be due to the dynamic component. On the micro-scale, development offorce chains is believed to cause heterogeneous distribution of normal force on each partof the wall, for multiple same-test conditions.Next, a flexible barrier is modeled using cylindrical elements. The impact on thebarrier is modeled using the same flow model used for wall-impact problem. The use ofenergy dissipators is found to be essential for minimizing the impact force on the barrier,and thus controlling the force applied on the lateral anchors.By comparing a rigid wall and a flexible barrier for the same flow, we found thatthe rigid wall is exposed to higher impact force, due its high global stiffness comparedwith the flexible barrier. Next, different simulations are carried out to recommend designguidelines for the flexible barrier. It is found that using a mesh size as large as D90 of theviflow is acceptable in terms of mass retaining capacity. In addition, not fixing the bottomcable of flexible barriers might lead to the total loss of its retaining capacity in extremeevents.