CFD-DEM: Como um modelo acoplado pode ajudar a resolver melhor os fluxos de fluidos sólidos?


Saiba como o acoplamento CFD-DEM fornece uma abordagem intermediária entre o uso da resolução de subpartículas para o fluido e a resolução de malha para fluidos e partículas.

Muitos processos em vários setores envolvem o fluxo simultâneo de fluidos e partículas. Apenas para citar alguns exemplos:

  • Moinhos (indústria de mineração)
  • Ciclones, desarenadores e remoção de broca (indústria de petróleo e gás)
  • Transportadores pneumáticos (múltiplas indústrias)
  • Gerenciadores 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)

Em todos esses casos, é importante levar em conta o fluxo de fluidos para obter o comportamento correto das partículas.

O projeto e o scale-up, bem como a otimização de tais processos, exigem uma compreensão profunda da termo-hidrodinâmica, que é determinada pelas interações no nível de partículas entre os fluidos, as partículas e os limites.

Por que é tão complicado modelar esses sistemas?

A complexidade do fluxo fluido-sólido presente nesses sistemas torna a modelagem uma tarefa desafiadora. A principal fonte de dificuldades deve-se a diferenças na ordem de grandeza entre as escalas características existentes no problema.

Primeiro de tudo, há a escala do dispositivo, que é naturalmente respeitada. Em segundo lugar, as típicas escalas de fluxo de fluido são capturadas em uma solução de CFD resolvendo o fluxo na escala da malha, que geralmente é muito maior que a partícula, mas ainda é bem pequena quando comparada à escala do dispositivo.

Finalmente, há a escala de interações fluido-partícula, que tem a magnitude das partículas menores, tornando-a computacionalmente proibitiva para resolver o fluxo em uma resolução de subpartículas para a maioria das aplicações industriais.

Essas dificuldades são o que torna a abordagem de CFD-DEM acoplada tão promissora: ela fornece um nível intermediário entre o uso da resolução de subpartículas para o fluido e a resolução da malha para fluidos e partículas.

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, portanto, equações contínuas são resolvidas para ambas as fases com um termo de interação apropriado para modelar as equações constitutivas, portanto, para interações inter e intra-fase são necessárias.

O problema se baseia no fato de que encontrar equações gerais para sistemas granulares é difícil devido à natureza cambiante de como os sólidos fluem.

Além disso, devido à abordagem interpenetrante contínua, nenhuma informação individual de partículas está disponível, e este pode ser o dado procurado.

Sem mencionar que a prescrição de uma distribuição de tamanho de partícula pode aumentar seu 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 como partículas individuais (ou parcelas modelando um grupo de partículas) e estas são rastreadas ao longo da fase fluida pelo resultado de forças atuando sobre elas.

No entanto, devido ao fato de que não há interação partícula-partícula, esta abordagem é limitada a fluxos muito diluídos, o que não é a realidade na maioria das aplicações industriais.

Por que acoplar CFD e DEM juntos?

A abordagem CFD-DEM acoplada é uma alternativa promissora para a modelagem de sistemas de fluidos granulares, uma vez que pode capturar a natureza discreta da fase de partículas enquanto mantém a capacidade de processamento computacional. Isto é conseguido não resolvendo o campo de fluido detalhado no nível de partícula, o que aumenta a gama de equipamentos e processos que podem ser estudados com simulações numéricas.

Alguns benefícios específicos para usar o método acoplado CFD-DEM vs. usando somente 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 usando essa “abordagem de força bruta” e não há necessidade de fornecer equações de estado de sistemas granulares, que, novamente, são bastante difícil de derivar.
  • Da mesma forma, não há limitação da baixa concentração de tamanho de partícula e a distribuição de PSD é facilmente prescrita sem aumentar o custo computacional do solucionador de CFD.
  • Você pode lidar com partículas não-esféricas e, mais do que isso, pode modelar materiais adesivos / coesos modelando a força atrativa entre um par de partículas e entre partículas e paredes.
  • Além disso, você pode 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 (normalmente usado em processos de resíduos industriais para separar a luz de partículas pesadas) é modelado usando o modo de acoplamento de estado estável de sentido único da Fluent encontrado no Rocky DEM. Diferentes propriedades de materiais e formas para as partículas são usadas, enquanto o ar flui a partir do fundo. O uso de uma lei de arrasto que leva em consideração a forma da partícula e o alinhamento da partícula com o fluxo permite a predição correta da eficiência de separação.

Fluidized bed

Este vídeo mostra uma simulação de acoplamento Fluent Two Way em Rocky DEM de um leito fluidizado com taxa de fluxo de gás crescente. O comportamento de mistura íntima mostrado é uma das principais vantagens do uso de leitos fluidizados em processos industriais.

Ring within fluidized bed

Neste caso, um anel é mantido suspenso em um leito fluidizado devido às colisões das pequenas partículas contra a superfície do anel. Como foi mencionado anteriormente, não apenas a forma é levada em conta, mas também vários grupos de partículas podem ser modelados sem criar várias fases adicionais no lado do CFD.

 Slurry mill

Neste exemplo, duas fases fluidas mais partículas fluem em um domínio rotativo. O acoplamento Rocky-Fluent é usado para prever o agrupamento de polpa e o consumo de energia em um moinho de polpa. Neste dispositivo, as partículas de minério são inseridas em um moinho que contém esferas de aço e também água (que mais tarde se transforma em lama devido às partículas mais finas) para quebrar o minério na faixa de tamanho desejada.

Batatas em forno

Este último exemplo mostra um caso de acoplamento unidirecional no qual as batatas são aquecidas devido a sua passagem por ar quente em um forno. Como esperado, as partículas menores atingem uma temperatura mais alta mais rapidamente do que as partículas de batata maiores.

Quer saber mais sobre a formulação de acoplamento CFD-DEM?

Curioso sobre como o acoplamento CFD-DEM funciona e a modelagem matemática por trás dele? Confira este webinar, onde a abordagem de acoplamento entre Rocky e ANSYS Fluent é abordada. A modelagem matemática para o acoplamento é descrita, e alguns exemplos de aplicação são apresentados. Finalmente, uma demonstração prática de uma configuração de acoplamento bidirecional é fornecida.

Saiba mais sobre acoplamento CFD-DEM


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