CFD-DEM: Como um modelo acoplado pode otimizar processos com sistemas sólido-fluidos?
Muitos processos em vários setores industriais envolvem o escoamento simultâneo de fluidos e partículas. Nesses casos, é importante levar em conta o escoamento dos fluidos para obter o comportamento correto das partículas. Como exemplo, alguns processos industriais que se encaixam nesse modelo são:
- Moinhos de lama (indústria de mineração)
- Ciclones, hidrociclones, desarenadores e remoção de cascalhos durante a perfuração (indústria de petróleo e gás)
- Transportadores pneumáticos (múltiplas indústrias)
- Gerenciamento de águas residuais (indústria de eliminação de resíduos)
- Secagem e triagem de grãos (agricultura e indústria alimentícia)
- Reatores de biomassa (indústria de energia)
- Leitos fluidizados e reatores catalíticos (indústrias químicas e nucleares)
O projeto e o scale-up, bem como a otimização de tais processos, exigem uma compreensão profunda da termo-hidrodinâmica do sistema, que por sua vez é determinada pelas interações ao nível das partículas entre os fluidos, as partículas e os contornos.
Por que é tão complicado modelar esses sistemas?
A complexidade do escoamento fluido-sólido presente nesses sistemas torna sua modelagem uma tarefa desafiadora. A principal fonte de dificuldades deve-se às diferenças na ordem de grandeza das escalas características existentes no problema.
Em primeiro lugar, há a escala do dispositivo, que é naturalmente respeitada. Em segundo lugar, estão as escalas que são capturadas em uma solução de CFD resolvendo o escoamento na escala da malha, que geralmente é maior que a partícula, mas ainda é bem pequena quando comparada à escala do dispositivo.
Finalmente, há a escala das interações fluido-partícula, que tem a magnitude das menores menores partículas. Dessa forma, torna-se computacionalmente proibitivo resolver o escoamento com tal resolução para a maioria das aplicações industriais.
Essas dificuldades são o que torna a abordagem do acoplamento CFD-DEM tão promissora: ela fornece um nível intermediário entre a resolução de subpartículas para o fluido e a resolução da malha para tanto o fluido quanto as partículas.
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Por que não usar apenas o CFD?
Existem duas abordagens principais para lidar com sólidos em CFD: a abordagem Euleriana e a abordagem Lagrangiana.
Na abordagem euleriana, tanto os fluidos como as partículas são tratadas como meios contínuos e interpenetrantes e equações contínuas são resolvidas para ambas as fases, e equações constitutivas para interações inter e intra-fases são necessárias.
O problema se encontra no fato de que encontrar equações gerais para sistemas granulares é difícil devido à natureza variável de como os sólidos escoam. Além disso, devido à abordagem interpenetrante e contínua, nenhuma informação individual de partículas está disponível, e este pode ser justamente o dado procurado.
Sem mencionar que a prescrição de uma distribuição de tamanho de partículas pode aumentar consideravelmente o custo computacional, já que em geral várias fases são criadas para modelar vários tamanhos de partículas.
Na abordagem Lagrangeana, o fluido ainda é tratado como contínuo, mas a fase particulada é tratada pela abordagem discreta, acompanhando cada partícula (ou um parcel modelando um grupo de partículas) ao longo da fase fluida como resultado das forças atuando sobre elas.
No entanto, devido ao fato de que não se considera a interação partícula-partícula, esta abordagem é limitada a escoamentos muito diluídos, o que não é a realidade na maioria das aplicações industriais.
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Por que utilizar o acoplamento CFD-DEM?
O acoplamento CFD-DEM é uma alternativa promissora para a modelagem de sistemas fluidos-granulares, uma vez que pode capturar a natureza discreta da fase particulada enquanto mantém viabilidade computacional. Isto é conseguido ao não se resolver escoamento do fluido ao nível de partícula, o que aumenta a gama de equipamentos e processos que podem ser estudados com simulações numéricas.
Alguns benefícios específicos de se usar o método acoplado CFD-DEM versus o uso de CFD estão listados abaixo.
Ao contrário dos métodos contínuos, o movimento de cada partícula é simulado – então as interações partícula-partícula são levadas em conta e não há necessidade de fornecer equações de estado para sistemas granulares, que, novamente, são bastante difícil de se conseguir.
Da mesma forma, não há a limitação de concentração de partícula e a distribuição do tamanho de partículas é facilmente prescrita sem aumentar o custo computacional do solver de CFD.
É possível lidar com partículas não-esféricas e, mais do que isso, pode-se modelar materiais adesivos/coesivos modelando a força atrativa entre um par de partículas e entre partículas e paredes. Além disso, pode-se calcular a transferência de calor de partícula para partícula e partícula para parede, bem como a transferência de calor por convecção com o fluido.
Quais são alguns exemplos de aplicativos CFD-DEM acoplados?
Windshifter
Neste exemplo, um windshifter (comumente usado no processamento de resíduos industriais para separar partículas densas de partículas leves) é modelado usando o acoplamento 1-via. Diferentes densidades, tamanhos e formatos são utilizados para as partículas, enquanto que o ar flui do fundo para o topo. O uso de uma lei de arrasto que leva em consideração a forma e o alinhamento da partícula com o fluxo permite a predição correta da eficiência de separação.
Leito Fluidizado
Este vídeo mostra uma simulação de acoplamento 2-vias de um leito fluidizado cuja vazão do gás é crescente. A misturação mostrada no vídeo é uma das principais vantagens do uso de leitos fluidizados em processos industriais.
Anéis em um leito fluidizado
Neste caso, um anel é mantido suspenso em um leito fluidizado devido às colisões das pequenas partículas contra a superfície do anel. Não apenas a forma do anel é levada em conta para o cálculo das interações, como também vários grupos de partículas podem ser modelados sem serem necessárias várias fases adicionais no lado do CFD.
Moinho de lama
Neste exemplo, duas fases fluidas mais partículas escoam em um domínio rotativo. O acoplamento Rocky-Fluent é usado para prever a formação da piscina na base (pooling) e o consumo de energia em um moinho de lama. Neste dispositivo, as partículas de minério são inseridas em um moinho que contém esferas de aço e água (que mais tarde se transforma em lama devido às partículas mais finas) para quebrar o minério na faixa de tamanho desejada.
Acesse nosso blog post para saber mais sobre o uso da simulação de partículas na indústria de mineração.
Batatas em forno
Este último exemplo mostra um caso de acoplamento de uma via no qual batatas são aquecidas devido a sua passagem por um forno no qual ar quente escoa. Como esperado, as batatas menores atingem uma temperatura mais alta mais rapidamente do que as batata maiores.
Acesse o webinar Aprimorando processos na indústria de alimentos com simulação para conhecer mais exemplos de uso de simulação de partículas no setor alimentício.
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