Análise das deformações viscosas e da segregação de fases em floculadores tubulares helicoidais e suas relações com a razão de curvatura

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dc.contributor.advisor1Teixeira, Edmilson Costa
dc.contributor.authorSartori, Maurício
dc.contributor.referee1Pires, Eduardo Cleto
dc.contributor.referee2Rauen, William Bonino
dc.contributor.referee3Aquije Chacaltana, Julio Tomás
dc.contributor.referee4Rigo, Daniel
dc.date.accessioned2018-08-24T22:56:05Z
dc.date.available2018-08-24
dc.date.available2018-08-24T22:56:05Z
dc.date.issued2015-12-02
dc.description.abstractHelical tubular flocculators (FTHs) when compared with the currently employed hydraulic flocculato s in water and wastewater treatment plants have demonstrated high efficiency in the floc formation with low hydraulic retention time (Tdh) and high power dissipation levels, challenging the current flocculation paradigm (high Tdh and low energy dissipation levels). However, the mechanisms that enable these flocculators operating satisfactorily in these operational conditions have not yet been elucidated. It is known that the fluid viscous deformations present a great influence on the collision opportunity and, consequently, on the flocculation. Another factor that also has relevance in the flocculation is the particles’ concentration which, in the current models, it is assumed uniform throughout the reactor. In this context, aiming at enhance the understanding of the flocculation in those flocculators, this work presents an evaluation of the influence of the FTHs’ curvature ratio (d/D, where d is the tube diameter and D is the coil diameter) on the fluid elements strain rate, which has been assumed to be the main collision mechanism between particles. It is also shown that d/D influences the phase segregation, a characteristic of two-phase flows in curved pipes. For this purpose, we evaluated 5 FTHs configurations with curvature ratio of 0.0091, 0.0182, 0.0364, 0.0729 and 0.1458, with the support of computational fluid dynamic simulations (monophasic and biphasic), with and without considering the gravitational field, by adopting horizontal and vertical coil axes, respectively. The results demonstrate the importance of taking into account the linear strains, neglected in some collision models, besides the direct relationship of the curvature ratio with both angular and linear strains, and, consequently, with the shear strain rate. Regarding the phases segregation, there was an inverse relationship with the curvature ratio. However, this segregation is influenced by the reactor's position relative to the gravitational field. In horizontal coil axis reactors, at each turn, there is a cycle of segregation and mixing. In vertical axis FTHs, there is a significant increase of particles’ concentration in the reactor region close to the inner wall, due to the combined effect of the secondary flow drag and gravitational attraction.eng
dc.description.resumoOs floculadores tubulares helicoidais (FTHs), quando comparados com os floculadores hidráulicos atualmente empregados em estações de tratamento de água e efluentes, têm demonstrado elevada eficiência na formação de flocos, com baixo tempo de detenção hidráulica (Tdh) e elevados níveis de dissipação de energia, desafiando o atual paradigma da floculação (elevados Tdhs e baixos níveis de dissipação energia). No entanto, os mecanismos que possibilitam esses floculadores operarem de maneira satisfatória nessas condições operacionais ainda não foram elucidados. Sabe-se que as deformações viscosas do fluido apresentam grande influência na oportunidade de choques e, consequentemente, na floculação. Outro fator que também tem relevância na floculação é a concentração de partículas que, nos modelos atuais, é assumida uniforme em todo o reator. Neste contexto, buscando avançar no entendimento da floculação nesses floculadores, a presente tese apresenta uma avaliação da influência da razão de curvatura dos FTHs (d/D, onde d é o diâmetro do tubo e D é o diâmetro de enrolamento), nas taxas de deformações dos elementos de fluido, até então assumidas como principal mecanismo na colisão entre as partículas. Apresenta também a influência dessa razão na segregação de fases característica do escoamento bifásico em tubulações curvadas. Para tanto, avaliou-se 5 configurações de FTHs, com razão de curvatura de 0,0091, 0,0182, 0,0364, 0,0729 e 0,1458, por meio de simulações fluidodinâmicas computacionais monofásicas e bifásicas, com e sem a consideração do campo gravitacional, adotando-se eixos de enrolamento horizontal e vertical. Os resultados demonstram a importância de levar em conta as deformações lineares, desprezadas em alguns modelos de colisão, além da relação direta da razão de curvatura com as deformações, tanto lineares quanto angulares, e, consequentemente, com a taxa de deformação por cisalhamento. Em relação à segregação de fases, verificou-se uma relação inversa com a razão de curvatura. Contudo, esta segregação é influenciada pela posição do reator em relação ao campo gravitacional. Nos reatores com eixo de enrolamento horizontal, verifica-se um ciclo de segregação e mistura a cada volta. Já nos FTHs com eixo de enrolamento vertical, há um aumento significativo da concentração de partículas sólidas na região do reator próximo a parede interna ao enrolamento, devido ao efeito combinado do arraste do escoamento secundário e a atração gravitacional.
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/10328
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Ambiental
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
dc.rightsopen access
dc.subjectHelical tubular flocculatorseng
dc.subjectstrain rateeng
dc.subjectphase segregationeng
dc.subjectomputational fluid dynamicseng
dc.subjectcurvature ratioeng
dc.subjectFloculadores tubulares helicoidaispor
dc.subjectTaxa de deformaçãopor
dc.subjectSegregação de fasespor
dc.subjectFluidodinâmica computacionalpor
dc.subjectRazão de curvaturapor
dc.subjectRazãopor
dc.subjectCurvaturapor
dc.subject.br-rjbnFloculação
dc.subject.br-rjbnDeformações (Mecânica)
dc.subject.br-rjbnFluidodinâmica computacional
dc.subject.br-rjbnEscoamento bifásico
dc.subject.cnpqEngenharia Sanitária
dc.subject.udc628
dc.titleAnálise das deformações viscosas e da segregação de fases em floculadores tubulares helicoidais e suas relações com a razão de curvatura
dc.typedoctoralThesis
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