Experimental and numerical analysis of a dispersion gas-solid jet

Orientador: Milton MoriTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: Apresenta-se nesta pesquisa uma análise experimental e numérica do comportamento da fase dispersa em um jato circular bifásico confinado e uma comparação com jato circular bifásico livre. Nas análises experimentais, uma câmara pentagonal em acrílico foi utilizada como sistema de confinamento para a obtenção de perfis axiais e radiais de velocidade média, flutuação de velocidade (RMS) e intensidade de turbulência. Estes dados foram analisados a fim de desenvolver uma análise completa da região desenvolvida do jato. Três diferentes jatos foram utilizados para a alimentação da fase gás no topo da câmara, mas apenas o jato central foi carregado com partículas entre 60 e 90µm de diâmetro. Os outros dois foram utilizados para proporcionar uma maior interação entre as fases no interior da câmara. A técnica óptica Phase Doppler Anemometry (PDA), foi empregada na medição da velocidade instantânea da fase sólida e do diâmetro das partículas nas diferentes posições axiais a partir do bico do jato. Nove casos de estudo distintos são investigados individualmente e, em seguida, comparados entre si. Estes casos fornecem informações importantes sobre o comportamento e o efeito do confinamento dos jatos sobre o transporte macrocóspico e turbulento das partículas entre o centro e as regiões de contorno do jato. As análises numéricas tratam da modelagem matemática tridimensional, turbulenta e transiente do escoamento no jato bifásico confinado. O modelo trata as fases gás e sólida a partir de uma abordagem Euleriana. O fechamento das equações de transporte foi realizado utilizando o modelo de turbulência de duas equações k-e para a fase gás e modelos de turbulência de zero-equação para a fase sólida, e ainda em alguns casos esta última apenas sofreu efeitos turbulentos advindos da fase contínua. A acurácia das previsões do modelo em um jato de partículas confinadas com as características médias no tempo, assim como os coeficientes da correlação de turbulência foram avaliados. Perfis radiais de velocidade média e fração volumétrica das partículas foram capturados em quarenta e dois níveis, subdivididos em nove casos e comparados aos dados experimentais adquiridos. O diâmetro médio das partículas utilizado nas simulações foi de 75µm e as velocidades iniciais utilizadas variam entre 3 e 11m/s no jato central. O modelo matemático previu um escoamento desenvolvido semelhante ao que foi encontrado experimentalmente.Abstract: It is presented in this research an experimental and numerical analisys of the dispersed phase behavior in a circular confined two-phase jet and a comparison with circular free two-phase jet. In the experimental analysis, a pentagonal plexiglass chamber was used as confined system for the axial and radial profiles investigation of mean velocity, fluctuation velocity known as RMS velocity and turbulence intensity. These data were analyzed in order to develop a complete analysis in the developed region of the jet. Three different nozzles were used to feed the gas phase at the top of the chamber, but just the central nozzle was loaded with particles between 60 and 90µm of diameter. The other two were used to increase the interaction between the phases in the chamber. An optical technique known as Phase Doppler Anemometry was used to measure the instantaneous velocity of the solid phase and particle diameter in different axial positions of the jet nozzle. Nine different cases of study are investigated individually and then compared among each other. These cases provide important information about the jets behavior and the confinement effect on the macrocospic and turbulent transport of particles between the jet center and the jet contour regions. The numerical analysis deals with three-dimensional, turbulent and transient mathematical modeling of a confined two-phase jet flow. The model treats the gas and the solid phases from an Eulerian approach. The closure of the transport equations have been accomplished by using the k-e turbulence model for the gas phase and the zero-equation turbulence model for the solid phase, and in some cases the latter suffered turbulent effects occuring only from the continuos phase. The accuracy of the model predictions in a particle-laden confined jet with the characteristics as well as turbulence correlation coefficients have been evaluated. Radial mean velocity profiles for the solid phase were computed on forty two axial levels, subdivided in nine cases and compared to the obtained experimental data. The mean particle diameter used in the simulations was 75µm and the initial velocities used vary between 3 and 11m/s. The mathematical model predicted a flow development similar to that found experimentally.DoutoradoDesenvolvimento de Processos QuímicosMestre em Engenharia Químic