Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Since the industrial processes efficiency depends on the granular flow regime established
under given operating conditions on the rotary drum, the ability to predict the particle motion
inside this equipment, including the particle properties effect, is of primary importance. So, in
this work an experimental and numerical study was carried out in order to investigate: the
transition phenomenon between different flow regimes, the mixture and segregation
phenomenon and the particle dynamic behavior inside an unbaffled rotary drum, under
different operating conditions, using particles of different physical properties. A modification
of the Blumberg and Schlünder model equation for rolling-cascading transition was proposed
by the introduction of the particle shape effect, represented here by the sphericity. It was
observed, for the first time, the hysteresis phenomenon in the transition between cataractingcentrifuging
regimes which was shown to be dependent on the physical properties of the
particles such as sphericity, density and particle-wall friction coefficient. A new expression
relating the critical rotation speed for centrifuging as a function of the filling degree, which
takes into consideration the particle properties and the hysteresis effects, was proposed.
Regarding the segregation phenomenon, radial segregation due to particle diameter and
density differences was observed in all systems studied after a few drum rotations. Size
induced axial segregation (banding) was observed, as expected. However density differences
alone did not induce axial segregation. As regards the numerical investigation, two different
approaches were used for the granular flow prediction inside a rotary drum: Eulerian and
Lagrangian. For the Eulerian approach, the results indicated that the kinetic model, which has
been successfully applied in many dilute granular flow simulations, may also be applied in the
dense granular flow treatment present in rotary drums. It was also observed that, the drag
force can be neglected in the case of a rotating drum operated in the rolling regime where
there is no fluid entering or leaving the system. Taking the computational efforts into account,
this force can be set to zero in the entire calculation domain. For the Lagrangian model
calibration, a sensitivity analysis of the numerical dynamic angle of repose due to variations
in the friccional coefficient (μf) and the damping ratio (β), both varying from 0.149 to 0.701,
was assessed using a Central Composite Design. The smallest deviation from the
experimental data when using rice grains was obtained in the simulation whose parameters
values were μf = 0.425 and β = 0.149 with an error of about 2.9%. As regards the glass beads,
the smallest deviation between experiment and simulation was found using a friction
coefficient μf = 0.701 and damping ratio β = 0.425 with an error of about 3.4%. For the case
of the rotary drum using rice grains, which are characterized by irregular shapes, the
calibrated model was affected by neither the filling degree nor the drum rotation speed. On
the other hand, in the case of rounded particles (glass beads), the Lagrangian model
parameters should be calibrated to specific conditions of rotation speed and filling degree and
cannot be generalized. / A eficiência dos processos industriais desenvolvidos em um tambor rotatório depende da
forma como as partículas ou grãos movimentam-se em seu interior. O entendimento dos
principais mecanismos que regem estes movimentos e a capacidade de prevê-los através de
técnicas de modelagem computacional tornam-se de importância primordial para questões de
operação, projeto e otimização. Neste sentido, este trabalho teve como foco a aplicação de
metodologias experimentais e numéricas com o intuito de estudar: 1) o fenômeno de transição
entre os diferentes regimes de escoamento; 2) mistura e segregação; 3) dinâmica de partículas
em um tambor rotatório sob diferentes condições operacionais utilizando partículas com
diferentes propriedades físicas. Foi proposta uma nova expressão para a velocidade crítica de
rotação para centrifugação função, além do grau de preenchimento do tambor, das
propriedades físicas das partículas. Uma modificação no modelo desenvolvido por Blumberg
e Schlünder (1996) para a transição rolamento-cascateamento através da inclusão do efeito da
forma das partículas foi também introduzida. Observou-se, pela primeira vez na literatura, o
fenômeno de histerese quando da transição entre os regimes catarateamento-centrifugação o
qual se mostrou dependente das propriedades físicas dos materiais particulados tais como:
esfericidade, massa específica e coeficiente de atrito partícula-parede. Foi possível a
realização de uma investigação, tanto quantitativa quanto qualitativa, acerca dos efeitos das
diferenças de diâmetro, massa específica e da condição inicial do material no interior do
tambor rotatório sobre o fenômeno de segregação radial e axial (mistura binária). O fenômeno
da segregação axial foi observado apenas quando da diferença de diâmetros entre as
partículas. A diferença tão somente da massa específica, independente das condições de
velocidade de rotação e grau de preenchimento, não causou segregação axial. No que diz
respeito à abordagem numérica, duas diferentes aproximações para a previsão do escoamento
granular no interior do tambor foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. Comparações entre
os perfis radiais de velocidade de sólidos experimentais e simulados através do modelo
Euleriano mostraram que o modelo cinético-colisional, o qual tem sido aplicado com sucesso
em muitas simulações de escoamento granulares diluídos pode, também, ser aplicado no
tratamento de um escoamento granular denso presente em tambores rotatórios. Neste caso,
observou-se também que a força de arrasto ou resistiva fluido-sólido pode ser negligenciada
no caso de um tambor rotatório operando no regime de rolamento, onde não há entrada ou
saída de fluido do sistema. No processo de calibração do modelo Lagrangeano através de um
Planejamento Composto Central, os valores determinados dos parâmetros coeficiente de atrito
(μp) e razão de amortecimento (ζ) para o arroz foram de, respectivamente, 0,425 e 0,149 (erro
relativo de 2,9%), enquanto que para as esferas de vidro foram de 0,701 e 0,425 (erro relativo
de 3,4%), respectivamente. Os parâmetros da modelagem Lagrangeana determinados para as
partículas arredondadas (esferas de vidro) mostraram-se dependentes das condições
operacionais. Já para as partículas irregulares (arroz), a calibração dos parâmetros através de
um tambor em escala reduzida, mostrou-se adequada para o emprego na previsão do
escoamento em tambores rotatórios em uma escala superior, podendo futuramente ser
empregada em uma escala industrial. / Doutor em Engenharia Química
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:RI_UFU:oai:repositorio.ufu.br:123456789/15091 |
| Date | 23 July 2015 |
| Creators | Santos, Dyrney Araújo dos |
| Contributors | Duarte, Claudio Roberto, Barrozo, Marcos Antonio de Souza, Ataide, Carlos Henrique, Vieira, Luiz Gustavo Martins, Santana, César Costapinto, Giudici, Reinaldo |
| Publisher | Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFU, BR, Engenharias |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFU, instname:Universidade Federal de Uberlândia, instacron:UFU |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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