Evaluation of 2D-PIV measurements in the agitation of Newtonian and non-Newtonian fluids

Autor: Ayala Rivera, Jenniffer Solange, 1987
Přispěvatelé: Castilho, Guilherme José de, 1983, Moura, Helder Lima de, 1987, Cremasco, Marco Aurelio, Taranto, Osvaldir Pereira, Salazar, Juan Pablo de Lima Costa, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Guilherme José de Castilho, Helder Lima de Moura Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O estudo da fluidodinâmica para a otimização de processos de agitação e mistura são continuamente abordados pela literatura. A abordagem de velocimetria por imagem de partículas (PIV) tem sido amplamente utilizada para estudar os padrões de escoamento em tanques, sendo que a maioria desses estudos tem se restringido a determinar o campo de escoamento de fluidos newtonianos. Entretanto, na indústria, a maioria de fluidos a serem misturados e/ou agitados apresentam alta viscosidade e são não newtonianos, evidenciando a necessidade de expandir as investigações nessa área. Para compreender o escoamento de fluidos não newtonianos, é necessário avaliar a taxa de cisalhamento, pois a viscosidade aparente depende do seu comportamento. Uma determinação precisa da taxa de cisalhamento e das estruturas de escoamento é essencial para otimizar os parâmetros do processo e o projeto do tanque agitado, melhorando a eficiência do processo pelo menor consumo de energia. Além disso, as condições de escoamento que favorecem o mecanismo de mistura são facilmente atingidas em condições de escoamento em regime de transição ou turbulento, ressaltando a necessidade de se abordar tais regimes. Diante desses desafios, esta Tese propõe avaliar as propriedades não newtonianas de uma solução aquosa de carboximetilcelulose em um tanque agitado com impelidor de pás inclinadas 45° para diferentes velocidades de rotação da pá, utilizando medidas PIV adquiridas pelas técnicas de ensemble-averaged e ângulo-resolvido. Além disso, a fim de estudar o regime turbulento, é realizada uma análise do padrão do escoamento utilizando água como fluido de estudo. Os resultados são mostrados em termos de campos médios de velocidade, da taxa de cisalhamento, da viscosidade aparente e do número de Reynolds. As diferenças entre as duas abordagens de medidas PIV foram significativas em termos de magnitude de velocidade e características dos vórtices. Os resultados demonstram que a taxa de cisalhamento é fortemente influenciada pela resolução espacial. As maiores taxas de cisalhamento, e consequentemente menores valores de viscosidade aparente, foram obtidas nas regiões superior e de descarga da pá do impelidor. A presença de um vórtice acima da pá resultou em altos valores do número de Reynolds local, refletindo a presença de turbulência naquela região. Além disso, foi possível verificar que o escoamento em regime de transição e turbulento é anisotrópico no domínio agitado. Verificou-se que as propriedades reológicas e a posição da pá afetam o tamanho e a localização da distribuição do jato no volume do tanque Abstract: The study of fluid dynamics for the optimization of stirring and mixing processes is continuously addressed in the literature. The particle image velocimetry (PIV) approach has been widely used to study flow patterns in tanks, and most of these studies have been restricted to determining the flow field of Newtonian fluids. However, most of the fluids to be stirred and/or mixed have high viscosity and non-Newtonian behavior, evidencing the need to expand investigations in this area. To understand the flow of non-Newtonian fluids, it is necessary to evaluate the shear rate, since the apparent viscosity depends on its behavior. An accurate determination of the shear rate is essential to optimize process parameters and tank design, which can lead to the improvement of the process efficiency through lower power consumption. Besides, the flow conditions that favor the mixing mechanism are easily achieved in transitional or turbulent regimes, highlighting the need to address such regimes. Faced with these challenges, this thesis proposes to evaluate the non-Newtonian characteristics of an aqueous solution of carboxymethylcellulose in a stirred tank equipped with a pitched-turbine (PBT) impeller for different rotational rotation speeds, using PIV data acquired by ensemble-averaged and angle-resolved measurements. Furthermore, in order to study the turbulent regime, an analysis of the flow patterns using water as working fluid was performed. Results are shown in terms of time-averaged velocity, shear rate, apparent viscosity and Reynolds number fields. Differences between both PIV measurements approaches were significant in terms of velocity magnitude and characteristics of trailing vortices. The results demonstrated that the shear rate is strongly influenced by the spatial resolution. The highest shear rates, and consequently lower apparent viscosity values, were presented in the upper and discharge regions, and near the tank wall. The presence of a vortex above the blade resulted in high values of local Reynolds number, reflecting the presence of turbulence in that region. The measurements made it possible to verify that the flow in transitional and turbulent regimes of both the water and CMC solution are anisotropic. Moreover, it was found that rheological properties and blade position affect the shape and location of the jet formed in the tank Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química CNPQ 140997-9/2019
Databáze: OpenAIRE
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