Modelação de escoamentos turbulentos sob a ação de rotação alternada

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010Escoamentos sob efeito de rotação são processos amplamente utilizados em diversos ramos da indústria, como por exemplo, a química e a petroquímica, a metalúrgica, a farmacêutica, de alimentos e até mesmo em companhias de tratamento de água. Em algumas dessas indústrias, o desenvolvimento de novos produtos e materiais comumente inclui processos de mistura, que tiram partido do movimento de rotação do fluido para reduzir não-uniformidades na composição, temperatura e outras propriedades. No entanto, a complexidade destes escoamentos, devido às geometrias complexas e aos fluidos de trabalho, os quais muitas vezes não são newtonianos, faz com que a maioria das pesquisas nessa área se destine apenas ao estabelecimento de correlações empíricas para aplicações extremamente específicas. A falta de uma compreensão física detalhada destes escoamentos torna a concepção de sistemas e produtos otimizados uma tarefa muito difícil. O presente trabalho considera a simulação numérica do escoamento turbulento no interior de um reservatório cilíndrico em rotação com alternância de sentido de movimento, induzida por um perfil de seção triangular posicionado no fundo do reservatório. Resultados experimentais são também obtidos para complementar o estudo e para validar o modelo numérico. Os principais fenômenos físicos envolvidos são analisados, sendo dado destaque à influência de parâmetros de operação (geometria, velocidade de rotação e nível de líquido) sobre algumas variáveis importantes para a análise da qualidade do processo de mistura, tais como campo de velocidade, energia cinética turbulenta, taxa de deformação e torque resistivo. Observa-se que o reservatório com quatro ressaltos na superfície do fundo é o que sustenta as maiores magnitudes de velocidade no escoamento. Já a geometria com dois perfis triangulares no fundo é a que proporciona maiores níveis de turbulência e ao mesmo tempo a que demanda menos torque do motor. Além disso, comprova-se que um aumento na velocidade de rotação provoca aumentos na velocidade, turbulência, taxa de deformação e também no torque necessário para induzir o escoamento. Finalmente, demonstra-se a existência de um nível ótimo de líquido para o processo de mistura.Cylindrical reservoirs under rotary motion are widely used in several industries, such as chemical and petrochemical, metallurgical, pharmaceutical, food and even for wastewater treatment. In some of these technological areas, the development of new products and materials commonly comprises mixing processes, which take advantage of rotary motion to reduce non-uniformities in terms of composition, temperature and other properties. However, the complexity of the resulting flow field implies that most of the research related to this area is only intended to the establishment of empirical correlations for specific applications. In fact, the lack of a detailed physical understanding of these flows turns the design of optimal systems and products into a very difficult task. This paper presents the results of numerical simulations of turbulent flow in a cylindrical container under alternating rotary motion, with a triangular propeller attached to the bottom surface. Experimental results are also obtained to supplement the study and to validate the numerical model. The main physical phenomena involved are analyzed, with reference to the influence of operating variables (geometry, rotation speed and level of liquid) upon important parameters of the mixing processes, such as flow velocity field, turbulence kinetic energy, flow shear strain and resistive torque. It is observed that the reservoir with four bumps on the bottom surface generates the greatest flow velocities. Although the geometry with two bumps provides the highest turbulence levels, it is found to return the lowest resistive torque. Moreover, it is confirmed that higher angular speeds increase flow velocity, turbulence, shear rate and also the required torque to induce the flow. Finally, the present study shows that there exists an optimal fluid level for the mixing process