Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/29788
Title: Modelling of Fiber Suspensions Flow in Pipes
Other Titles: Simulação do escoamento de suspensões de fibras em condutas
Authors: Cotas, Carla Isabel Pires 
Orientador: Rasteiro, Maria da Graça Bontempo Vaz
Asendrych, Dariusz
Keywords: dinâmica de fluidos computacional; suspensões de fibras; escoamento; modelização; reologia; computational fluid dynamics; fiber suspensions; flow; modelling; rheology
Issue Date: 25-Jan-2016
Citation: COTAS, Carla Isabel Pires - Modelling of Fiber Suspensions Flow in Pipes. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/29788
Abstract: O estudo desenvolvido no âmbito desta tese foi realizado com o intuito de investigar o escoamento de suspensões fibrosas. Os custos energéticos no processo de produção de pasta e papel são sempre muito elevados. Uma parte significativa destes custos tem a ver com os sitemas de transporte/admissão da pasta e o seu valor é mais elevado em parte devido ao incorrecto dimensionamento dos equipamentos industriais, como seja o caso de sistemas de transporte das suspensões fibrosas. A aplicação de correlacções empíricas para condições operatórias que se situam fora da gama de aplicabilidade para as quais estas foram desenvolvidas resulta, geralmente, no sobredimensionamento das unidades de transporte. As características do produto final dependem das condições processuais, e as condições operatórias são seleccionadas de acordo com a aplicação do produto final. O correcto e completo conhecimento das características do escoamento das suspensões fibrosas é importante quer ao nível das propriedades do produto final quer ao nível da selecção das melhores condições operatórias e dimensionamento das unidades. Este conhecimento pode ser conseguido tanto através de estratégias experimentais como de estratégias computacionais. Assim, com este trabalho pretende-se contribuir para um melhor conhecimento do escoamento de suspensões de fibras celulósicas recorrendo a ferramentas computacionais baseadas na utilização da dinâmica de fluidos computacional (CFD). Neste trabalho foram testadas diferentes estratégias tendo como ponto de partida o modelo Newtoniano e homogéneo. Esta estratégia foi aplicada uma vez que se pretendia estudar o escoamento de suspensões fibrosas para diferentes gamas de consistência, suspensões diluídas e concentradas, em condutas de secção circular. Apesar das suspensões fibrosas serem classificadas como sistemas multifásicos, o comportamento não-Newtoniano e a atenuação de turbulência verificada durante o escoamento, tornam estes sistemas complexos e diferentes dos outros sistemas multifásicos. Numa primeira etapa, duas modificações foram introduzidas ao modelo de turbulência k-ε para elevados números de Reynolds. O comportamento não-Newtoniano das suspensões fibrosas foi implementado através da expressão da dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte. Assumindo, que os dados reológicos podem ser ajustados por uma lei de potência, uma expressão para a viscosidade em função da velocidade de corte foi obtida para cada consistência estudada. Uma camada constituída apenas por água, com a espessura igual ao comprimento médio das fibras, foi considerada junto da parede, rodeando a zona central do escoamento. Adicionalmente, as funções de parede para a região turbulenta, lei logarítmica, foram modificadas tendo em conta uma expressão proposta na literatura. Esta expressão traduz matematicamente os perfis de velocidade adimensional, cujo comportamento peculiar em forma de S foi descrito na literatura. Foram realizadas diferentes simulações com vista a optimizar os diferentes parâmetros possíveis de serem relacionados para o escoamento em estudo. Dados experimentais de queda de pressão foram utilizados na validação do modelo desenvolvido. De seguida, um novo modelo foi testado. Uma nova expressão para a viscosidade da suspensão fibrosa foi proposta. Este novo modelo incluiu a dependência da viscosidade em ordem à velocidade de corte, bem como com a consistência da suspensão. Adicionalmente, a influência da inclusão de fibras numa camada de espessura igual ao comprimento médio das fibras junto da parede, lubrication layer, foi testada. Como reportado na literatura para casos em que o escoamento envolve a atenuação de turbulência, foram considerados modelos de turbulência k-ε para baixos números de Reynolds. Adicionalmente, a função de amortecimento da viscosidade turbulenta foi modificada de acordo com informação da literatura em que a atenuação da turbulência foi correctamente representada numericamente. Estes casos incluíram o escoamento de partículas e fluidos em que a reologia é traduzida por uma lei de potência. Contudo, verificou-se que alterar o modelo base de baixo Reynolds com as novas funções de amortecimento para fluidos não-Newtonianos não conduzia resultados suficientemente bons. Porém, melhorias significativas foram observadas quando novas simulações foram realizadas com novos valores para as constantes nas funções de amortecimento. Melhorias significativas, tanto para a suspensão mais diluída como concentrada, foram verificadas quando a função de amortecimento base seleccionada foi a desenvolvida por outro autor para lidar com o escoamento de partículas, a qual foi modificada neste trabalho com um termo adicional relacionado com as características das fibras, a relação comprimento/diâmetro da fibra (aspect-ratio). Numa última etapa, previsões numéricas com o modelo de CFD desenvolvido foram comparadas com dados experimentais obtidos numa instalação piloto, cuja secção de teste está equipada com um sistema de tomografia de impedância eléctrica (EIT) desenvolvido internamente. Os dados recolhidos experimentalmente serviram para validar o modelo numérico através dos valores de queda de pressão, assim como foram utilizados para validar o tipo de escoamento. Adicionalmente, as imagens reconstruídas da distribuição radial de conductividade eléctrica permitiram inferir acerca da distribuição radial das fibras e sobre a evolução do plug de fibras. As diferentes modificações ao modelo inicial, modelo Newtoniano e homogéneo, testadas e apresentadas neste trabalho foram validadas quantitativamente por comparação dos valores numéricos e experimentais da queda de pressão. Os perfis de velocidade e velocidade adimensional foram comparados qualitativamente com dados reportados na literatura. De um ponto de vista geral, boas previsões foram obtidas com o modelo proposto neste trabalho para dois tipos de suspensões de fibras, fibras longas e fibras curtas, pinho e eucalipto respectivamente, quando se aplicou o modelo para diferentes consistências e diferentes velocidades médias de escoamento. Adicionalmente, o modelo mostrou previsões coerentes quando aplicado na simulação de dados experimentais obtidos numa conduta de maior diâmetro e regimes de escoamento diferentes do regime para o qual foi desenvolvido. Em resumo, o modelo CFD desenvolvido pode ser aplicado na previsão do escoamento de suspensões fibrosas permitindo obter informação ainda não disponível experimentalmente.
In this thesis the flow behaviour of pulp fiber suspensions is investigated. A central issue in pulp and paper mills is related to high energy costs, some of them due to not proper equipment design. One of the main source is related to the pulp transport systems and the main reason for that is the use of empirical correlations out of their range of applicability. Additionally, different grades of pulp consistency as well as mean flow velocity are present during the industrial process. Even if the process stages are based on the same principles, the final product can have different properties depending on process conditions. Therefore, experimental and numerical methods in the area of flow monitoring of pulp fibre suspensions are increasingly important. Aiming to gain more knowledge concerning flow of pulp suspensions, the applicability of Computational Fluid Dynamics (CFD) strategies to predict pulp’s flow was the main motivation for this work. In this context, a Newtonian homogeneous single-phase model was chosen as start point. Additionally, a pseudo-homogeneous strategy was followed since high consistency range is of interest. In general, two main factors contribute for the complex behaviour of pulp suspensions in relation to other multiphase systems: fiber suspensions behave as non-Newtonian fluids and the presence of fibers in the flow induces a drag reduction effect. As a first approach, the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions was implemented by relating viscosity to shear rate as a power-law. A very thin pure water annulus surrounding the flow core region was considered. Also, the CFD model took into account new logarithmic wall functions for the standard high Reynolds k-ε turbulence model. Several computational runs were performed in order to optimize different parameters on the wall functions, related to the S-shaped profile of dimensionless velocity presented in the literature for the flow conditions of pulp suspension under analysis. CFD model predictions were validated with pressure drop measurements. By combining a new viscosity model with low-Reynolds-number k-ε turbulence models, turbulent flow of pulp suspensions was also investigated. It was found that a new viscosity expression could be applied to describe the non-Newtonian behaviour of pulp suspensions. The influence of pulp consistency as well as shear rate could be included in the viscosity expression. In this way, the presence of a pure water annulus or a lubrication layer was tested. The presence of a few number of fibers in the lubrication layer was taken into account by considering consistency in that region as a function of the distance to the pipe wall. The attenuation of turbulence, by modifying the turbulence model, considering new damping functions of turbulent viscosity was investigated. The influence of damping functions applied successfully by other authors to deal with the flow of power-law fluids as well as particles was tested. Whereas the implementation considering the standard version of those functions were not leading to good enough predictions, improvements on numerical results were observed when testing new constant values on those functions. The CFD predictions were found to fit well with experimental data, when an additional term related to fiber aspect-ratio was included on the damping function adapted from literature to deal with the flow of particles. It was also investigated the applicability of an experimental visualization technique, electrical Impedance Tomography - EIT system, to evaluate the flow regimes of pulp suspensions. Conductivity images were reconstructed which allowed one to conclude about plug evolution and fibers radial distribution. Moreover, pressure drop measurements together with EIT images gave information about pulp flow regime. The efficiency of the CFD pseudo-homogeneous model developed on the simulation of the experimental data obtained for the two higher mean pulp flow velocity attained experimentally was evaluated. The different stages on the CFD model development were validated for different pulp consistencies, dilute and high concentration range, flow velocities and two types of fibers, short and long fibers (Eucalyptus and Pine pulp fibers). Additionally, the applicability of the final model developed was tested for the prediction of pulp flow data corresponding to a different pulp flow regime. CFD can represent a powerful tool to obtain flow characteristics of pulp suspensions, in order to give useful information to optimize pulp and paper industrial processes.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tenologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/29788
Rights: openAccess
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