estudo numÉrico e experimental da remoÇÃo de jose...maria josé oliveira salgueiro dissertação

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ESTUDO NUMRICO E EXPERIMENTAL DA REMOO

DE PARTCULAS SLIDAS, A PARTIR DE PILHAS DE

ARMAZENAMENTO, DEVIDO ACO DO VENTO

Maria Jos Oliveira Salgueiro

Dissertao para a obteno do Grau de Mestre em:

ENGENHARIA MECNICA

Jri:

Presidente: Prof. Lus Adriano Alves de Sousa Oliveira

Orientador: Prof. Almerindo Domingues Ferreira

Vogal: Prof. Antnio Manuel Gameiro Lopes

Setembro de 2008

ndice

1 Introduo..7

2 Modelo matemtico..9

2.1 Equaes bsicas de transporte..9

2.2 Modelos de turbulncia..12

2.2.1 Modelo de turbulncia k-.....12

2.2.2 Modelo de turbulncia k-w Shear Stress Transport.......12

2.3 Potencial de eroso13

3 Apresentao e discusso de resultados..21

3.1 Pilha cnica...21

3.1.1 Malha....21

3.1.2 Condies de fronteira...24

3.1.2.1 Entrada e sada..24

3.1.2.2 Paredes laterais e topo.24

3.1.2.3 Pilha e base....24

3.1.3 Resultados para a pilha cnica.25

3.2 Dunas triangulares.....27

4 Parque de carvo da Central Termoelctrica do Pego32

4.1 Apresentao de resultados...32

4.1.1 Malha33

4.1.2 Condies de fronteira...35

4.1.2.1 Entrada e sada..35

4.1.2.2 Paredes laterais e topo.35

4.1.2.3 Pilha e base....35

5 Concluses.39

Bibliografia..41

Abstracto

Na indstria a prtica mais comum para o armazenamento de grandes quantidades de

material o desenvolvimento de parques em reas abertas. So assim geradas poeiras e um

expressivo problema ambiental, econmico e operacional.

A presente dissertao teve dois objectivos distintos. O primeiro foi obter resultados

numricos com base no software CFD (computational fluid dynamics) Ansys CFX 11 com o

propsito de avaliar a tenso superficial em pilhas e dunas, perceber os mecanismos de

transporte de sedimentos, estudar as principais variveis que tm que ser consideradas e

comparar com outros resultados numricos e experimentais j publicados (Walker e Nickling,

2003; Badr e Harion, 2005). Para atingir o segundo objectivo e utilizando o mesmo software de

simulao numrica, estudou-se, de uma forma um pouco superficial, o caso do parque de

carvo da Central Termoelctrica do Pego, de modo a obter resultados relativos ao potencial

de eroso das pilhas de carvo.

Verificou-se que a variao da velocidade do vento sobre as pilhas de armazenamento

bastante significativa quando se pretende avaliar o transporte de sedimentos.

As simulaes apresentadas neste trabalho, para avaliao do potencial de eroso nas

pilhas do parque de carvo da Central Termoelctrica do Pego, podem ser bases teis para um

futuro e mais detalhado trabalho numrico e experimental.

Palavras-chave: Emisses de poeiras; Eroso pelo vento; Pilhas de carvo; Simulao

numrica de escoamentos (CFD); Tenso superficial; Transporte de sedimentos.

Abstract

In industry its common practice to store stockpiles of materials in growing open areas.

Therefore dust particles become an expressing ambient, economic and operational problem.

The present dissertation had two distinct objectives. The first was to obtain numerical

results based on the commercial software, CFD (computational fluid dynamics) Ansys CFX 11,

which had the purpose to evaluate shear stress in stockpiles and dunes, understand the

mechanisms of sediment transport, study the main variables that have to be considered and

compared with other numerical and experimental results already published (Walker e Nickling,

2003; Badr e Harion, 2005). To reach the second goal and to obtain results of erosion potential

of coal stockpiles using the same numerical simulation software, I studied, superficially, the

Pego thermoelectric central case.

The results showed that the wind velocity variations over the stockpiles its one of the

most important mechanisms when trying to evaluate sediment transport.

The simulations presented in this work to assess the erosion potential in coal stockpiles

on the Central Termoelctrica do Pego, may be a useful basis for a future and more detailed

numerical and experimental work.

Keywords: Particle emission; Wind erosion; Coal stockpiles; Numerical simulation of wind flow;

Shear stress; Sediment transport.

Nomenclatura

Bi Taxa de gerao/eliminao de quantidade de movimento na direco cartesiana i

[N/m3]

D Difusibilidade mssica [Kg/m2s]

gi Acelerao da gravidade segundo a direco cartesiana i [m/s2]

k Energia cintica da turbulncia [m2/s2]

m Fraco mssica

N Nmero de perturbaes por ano

p Presso termodinmica [N/m2]

Pi Potencial de eroso [g/m2]

S Taxa volumtrica de gerao/eliminao provocada por reaces qumicas

[Kg/m3s]

Sh Taxa volumtrica de gerao/eliminao de calor [W/m3]

Sij Componente cartesiana do tensor da taxa de deformao [s^-1]

Vector velocidade [m/s]

u Velocidade do vento [m/s]

ui Componente cartesiana i do vector velocidade [m/s]

uj Componente cartesiana j do vector velocidade [m/s]

us Velocidade superficial do vento [m/s]

us+ - Distribuio da velocidade superficial do vento [m/s]

ut+ - Velocidade crtica para que ocorra frico [m/s]

u* - Velocidade de atrito ou frico [m/s]

u+ - Velocidade da milha de vento mais rpida [m/s]

u10+ - Velocidade da milha de vento mais rpida por um anemmetro de

referncia [m/s]

U0 Velocidade mxima no perfil de velocidade [m/s]

Vi Taxa de gerao/eliminao de quantidade de movimento devido a foras viscosas

[N/m3]

z Altura sobre a superfcie [m]

z0 Altura da rugosidade [m]

Taxa de dissipao da energia cintica turbulenta [m2/s3]

Expoente da lei de potncia

Espessura da camada limite

ij Delta de Kronecker

Massa especfica [Kg/m3]

- Viscosidade dinmica [Ns/m2]

w Tenso superficial [N/m2]

1 Introduo

O estudo da quantidade de poeiras geradas por pilhas criadas para armazenamento de

grandes quantidades de material macio agregado, tais como o carvo, tem sido alvo de

investigao por parte de vrios autores. A prtica mais comum desenvolver estes parques

em reas abertas e assim, a gerao de poeiras, considerada um significativo problema

ambiental e operacional. Este fenmeno gera um estudo altamente complexo devido ao grande

nmero de variveis que tm que ser consideradas. Deste modo, vrios factores devem ser

tidos em conta, tais como as caractersticas do vento, as elevaes das superfcies expostas

ao vento, os parmetros das partculas, as alteraes das superfcies, a geometria das pilhas,

etc. Mas as mais salientes so a energia do vento e as partculas erodveis disponveis. A

previso do comportamento do vento sobre as pilhas de armazenamento tem um papel

preponderante na avaliao do potencial de eroso e do impacto ambiental.

O transporte pelo vento de partculas envolve a sua elevao da superfcie da pilha,

disperso atmosfrica e nova deposio na mesma ou noutras superfcies. Os efeitos deste

processo so significativos devido a uma extensa gama de razes para as emisses de poeiras

a nvel geral, principalmente devido ao seu impacto ambiental incluindo a perda de matrias-

primas e energia, a qualidade do ar e os riscos para a sade. A nvel econmico tambm so

gerados alguns problemas, principalmente para as indstrias. Todos estes motivos incentivam

o estudo do arrastamento de poeiras particularmente em parques industriais.

As fonte