A numerical-experimental study of Taylor-Couette flows of fabric-water solutions

Orientador : Prof. Dr. Eng. Christian Johann Losso HermesCoorientador : Prof. Dr. Waldyr de Lima e Silva JuniorTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 09/06/2017Inclui referências : f. 225-234Resumo: Escoamentos periódicos de fluidos newtonianos e não-newtonianos estão presentes em um grande número de aplicações, particularmente em lavadoras domésticas de eixo vertical. O processo de lavação depende do transporte de massa e quantidade de movimento do agitador para o fluido. Nesses casos, o escoamento segue o padrão de Taylor-Couette, cuja característica é um escoamento confinado entre dois cilindros rotativos. O presente trabalho está focado na simulação numérica de escoamentos periódicos e em regime permanente de fluidos newtonianos e não-newtonianos (fluidos de Herschel-Bulkley) com base nas equações tridimensionais de conservação de massa e de quantidade de movimento. Uma geometria simplificada é utilizada como domínio físico para as análises numéricas. Além disso, o perfil de rotação (deslocamento angular e velocidade) foi imposto externamente ao modelo como condições de contorno, já que o padrão de escoamento é dependente deste parâmetro, bem como das propriedades reológicas do fluido. As simulações foram baseadas no Método dos Volume Finitos, utilizando o algoritmo PRIME para o acoplamento de pressão-velocidade e a técnica BiCGSTAB, que usa o algoritmo de Thomas como pré-condicionador, para a solução numérica das equações. Além disso, testes experimentais foram realizados para a obtenção das propriedades reológicas das misturas de água e tecidos. Esses experimentos recaem no problema inverso de Couette, onde as curvas de taxa de deformação e tensão de cisalhamento são obtidas a partir dos resultados de torque e velocidade angular. Os resultados numéricos foram verificados contra os resultados experimentais e também contra resultados obtidos na literatura aberta apresentando uma concordância satisfatória para as velocidades e torques tanto para os fluidos newtonianos como para os não-newtonianos. Palavras-Chave: Reometria. Misturas água-tecido. CFD. Lavanderia. Escoamentos periódicos.Abstract: Periodic flows of Newtonian and non-Newtonian fluids are present in a wide range of applications, particularly in household vertical axis washing machines. The washing process relies on the mass and momentum transport from the agitator to the fluid stream. In such cases, the flow follows a pattern that recalls the Taylor-Couette one, whose main feature is the confinement between two rotating cylinders. The present study concerns the numerical simulation of steady-state and periodic flows of Newtonian and non-Newtonian (Herschel- Bulkley) fluids based on the three-dimensional conservation equations of mass and momentum. A simplified Taylor-Couette geometry is used as the physical domain for the numerical analyses. In addition, the agitation profile (angular swept and speed) was imposed externally as boundary condition as the flow patterns rely on it, and also on the rheological properties of the fluid. Simulations were carried out by means of a homemade finite-volume-based code (which used the PRIME method for the sake of velocity-pressure coupling, and the BiCGSTAB solver together with the Thomas algorithm as a preconditioner, for solving the linear set of equations). Furthermore, experimental tests were carried out in a purpose-built facility in order to gather the rheological properties of the fabric-water suspensions. The experiments rely on the Couette inverse problem, in which the shear curves are obtained from the torque and velocity data. The simulation model was verified against experimental and numerical data obtained in-house or elsewhere indicating a satisfactory agreement between numerical and experimental torques and velocities. Keywords: Rheometry. Fabric-water suspensions. CFD. Laundry. Periodic Flows