MODERN BİREYİN BİRİCİKLİĞİ

Inicialmente tinha-se como objetivo aplicar o software ANSYS-CFX para construção do modelo matemático. Foi obtido como resultado uma espécie de tubo de ar e não de uma pluma gasosa com bolhas discretas, o uso do ANSYS-Fluent sanou de imediato o problema.

Pautado nos resultados advindos do modelamento físico, três variáveis foram escolhidas para serem analisadas no processo de agitação de panela de aciaria por injeção de gás: Vazão do gás (10 e 15lpm), espessura da camada de óleo (1 e 5cm) e número de plugues para injeção de ar (1 e 2), como mostrado na Tabela 5.1. Estas mostraram ser as variáveis de maior impacto ao processo.

Tabela 5.1 – Casos Simulados via CFD, óleo e solução de ZnCl2

Casos

Simulados Vazão de Gás por Plugue (lpm) Espessura Camada de Óleo Número de Plugues

1 10 1 1 2 10 5 1 3 15 1 1 4 15 5 1 5 10 1 2 6 10 5 2 7 15 1 2 8 15 5 2 .

Tinha-se como objetivo validar os resultados obtidos via modelagem matemática por meio das medições de velocidade via PIV. Por motivos citados anteriormente (separação das sementes, opacidade da solução) as medições via PIV não puderam ser implementadas para a solução de ZnCl2.

Optou-se por estabelecer uma comparação entre abertura de olho da pluma, nas simulações física e computacional. Através destas comparações foi possível estabelecer boa correspondência de abertura de olho de pluma para todos os casos

estudados. A Figura 5.14 apresenta os casos 1 a 4, onde foi evidenciada a abertura na camada de escória no modelo físico, seguida da mesma abertura no modelo matemático para cada caso; tais imagens foram feitas em 15s de simulação matemática.

Figura 5.14 - Comparação entre Simulações Físicas e Matemática para os Casos 1 a 4.

A Tabela 5.2, compara as aberturas do olho de pluma obtido via modelagem física e matemática. Ambos foram comparados sob a mesma metodologia, ou seja, com a pesagem das imagens via balança de precisão. Pode-se perceber que como sugerido pelas imagens, que há similaridade.

Tabela 5.2 – Comparação entre Simulações Físicas e Matemáticas para os casos 1 a 4 - Utilizando Pesagem das Imagens.

15s

Modelo

Físico(%) Modelo Matemático (%)

Caso 1 8,6 7,1

Caso 2 34,4 22,6

Caso 3 7 6,8

Caso 4 29,6 25,1

Observou-se que a diferença de espessura de óleo teve maior influência sobre a abertura do olho da pluma que a diferença de vazão. A Figura 5.15 apresenta o fato nos casos 1 a 4, onde se empregou um modelo com um plugue.

Figura 5.15 - Vista Superior da Abertura do Olho da Pluma dos Casos 1 a 4 via Modelagem Matemática (1 plugue).

A abertura do olho da pluma foi simulada em regime transiente. Observou-se que ocorreu uma pequena variação em torno de um padrão estável, indicando que o regime (pseudo) permanente para essa área de interesse foi alcançado.

As imagens da Figura 5.15 foram feitas aos 20s de simulação matemática. Pode-se perceber que os casos com vazões mais elevadas (casos 3 e 4) apresentam aberturas levemente menores, esse fato se deve à transiência do processo.

A Figura 5.Figur16 mostra resultados dos casos 5 a 8 (dois plugues). Assim como nos casos de um plugue, a espessura da camada de escória foi a variável de maior influência na abertura do olho de pluma. O número de plugues também ofereceu certa influência sobre o olho da pluma. A presença do plugue extra faz com que vórtices de agitação tenham sua intensidade diminuída por anulação mútua. Por isso foi observado que as áreas das aberturas referentes a cada plugue foram ligeiramente menores nos casos com dois plugues se comparados com o modelo de um plugue. Logo a relação área de abertura pela vazão total soprada diminui com o aumento do número de plugues.

Figura 5.16: Vista Superior da Abertura do Olho da Pluma dos Casos 5 a 8 (2 plugues).

Assim como nos casos anteriores, a Tabela 5.3 compara a abertura obtida via modelagem física e matemática.

Tabela 5.3 – Comparação entre Simulações Físicas e Matemáticas para os Casos 5 a 8 - Utilizando Pesagem das Imagens

Modelo Físico(%) Modelo Matemático (%)

Caso 5 38 32

Caso 6 11,4 10,5

Caso 7 35,1 32,3

Caso 8 14,1 12,8

Embora a simulação matemática não tenha mostrado com tamanha exatidão o efeito esperado da vazão sobre a abertura da pluma, o modelamento físico exibe essa diferenciação, como mostrado anteriormente.

A presença de bolhas discretas foi averiguada tanto na simulação física quanto na computacional. A Figura 5.17 mostra perfil do modelos físicos e matemático sob agitação com indicação das bolhas, onde são evidenciadas as bolhas da pluma.

Figura 5.17: Simulação Física com Destaque à Presença de Bolhas Discretas (caso 3).

Pode-se perceber também na figura o Efeito Coanda nos instantes iniciais da simulação numérica e no modelamento matemático. O efeito Coanda é a tendência de um filete de um fluido permanecer unido a uma superfície curva adjacente. No caso simulado ocorreu uma inclinação da coluna de bolhas em direção à parede do modelo.

A Figura 5.18 mostra o campo de velocidades no interior da panela e também a superfície de fração volumétrica de ar igual a 90% advindo da simulação numérica. Conforme esperado, observa-se a formação de bolhas discretas em meio ao líquido e o aparecimento de um vórtice ocasionado pelo movimento do gás.

Figura 5.18: Campo de Velocidades em Perfil Longitudinal da Panela.

De modo a aferir o perfil de velocidade na região próxima à interface cloreto de zinco/óleo, traçou-se uma linha imaginária em meio ao aço, a 2 cm da interface, com cota 44cm, passando pelos centros do plugue e da circunferência da seção reta. Para o modelo de dois plugues, foi traçada linha de modo quase simétrico, como mostrado na

Figura 5.19: Configuração de Linha Referente ao Estudo de Velocidade Próxima à Escória.

Foram plotados gráficos, Figura 5.20, do módulo de velocidade nos pontos que compõem essa linha para os casos 1 a 4 no momento final de simulação, 20s.

Figura 5.20: Gráficos do Perfil de Velocidade em Linha Próxima à Escória para os Casos 1 a 4.

A velocidade na região da pluma de bolhas atinge valores de 10 a 20 vezes maiores do que em regiões distantes desse ponto; desta forma a escala do eixo das ordenadas foi restringida ao intervalo de 0m/s a 0,01m/s, pois o objetivo é averiguar condições de agitação na região distante do plugue. A posição desta nos gráficos é dada como próxima de -0,15m.

Os resultados sugerem que nos casos 1 e 3, onde a espessura de óleo é de 1cm, a velocidade na região próxima à pluma foi maior do que nos casos 2 e 4. Outra constatação é que o aumento da vazão de sopro causou efeito pouco claro sobre as velocidades na região próxima à escória. Na comparação entre os casos 1 e 2, por exemplo, na região próxima à pluma (posição -0,05m) observa-se aumento de velocidade com o incremento da vazão, enquanto que em região mais distante do olho (posição +0,1m) houve redução de velocidade.

Utilizando a mesma linha para plotagem de gráficos, foram extraídas informações sobre a Energia Cinética Turbulenta (k), Taxa de Dissipação de Energia Cinética Turbulenta (Ɛ) e Componente Horizontal da Velocidade. A Figura 5.21 apresenta para os casos 1 a 4, os gráficos de k em J/kg. Observa-se que k é consideravelmente maior na região onde há coluna de bolhas em relação à área oposta. Nota-se também que os casos 1 e 2, como consequência de possuírem menor vazão de gás, apresentaram energia cinética turbulenta menor, se comparados aos casos 3 e 4, respectivamente. O que ressalta que o aumento de vazão de gás gera aumento de k na região da pluma.

Quanto à influência da quantidade de escória em k, pela comparação dos casos 1 e 2 com 3 e 4, respectivamente, notou-se aumento de k quando em maior espessura da camada de escória. A região oposta à coluna de bolhas, porém, teve sua energia cinética turbulenta pouca afetada para todos os casos.

Figura 4.5.221: Energia Cinética (k) em J/kg nos Casos 1 a 4.

A Figura 5.22 mostra os gráficos de taxa de dissipação da energia cinética turbulenta para os casos 1 a 4. Naturalmente, a dissipação de energia foi maior onde houve maior energia, ou seja, próximo à pluma. Na região oposta esse valor foi baixo, porém não nulo.

Figura 5.22: Taxa de Dissipação da Energia Cinética Turbulenta (Ɛ) em m2_/s3 _{nos Casos 1 a 4.} A Figura 5.23, por sua vez, mostra os gráficos da componente horizontal da velocidade na linha estudada para os casos 1 a 4. Observa-se que a tendência dos casos 1, 3 e 4 é de que, na região central da panela o fluido seja direcionado para a coluna de bolhas, apresentando componente horizontal negativa.

Figura 5.23: Componente Horizontal da Velocidade em m/s nos Casos 1 a 4.

De modo semelhante, caracterizou-se a velocidade em região próxima à escória para o modelo contendo dois plugues, conforme esquema da Figura 5.19. Os resultados são apresentados na Figura 5.24.

Figura 5.24: Gráficos do Perfil de Velocidade em Linha Próxima à Escória para os Casos 1 a 4.

Observa-se nesses gráficos, que existe um incremento claro na magnitude da velocidade na região entre as plumas gasosas (neste caso, próximo a +0,1m no eixo das abscissas) em relação à área oposta (longe das colunas de bolhas), mas apenas no caso de espessura de óleo igual a 1cm. Um aumento mais expressivo seria notado se o plano de corte contivesse o centro das duas plumas.

Para se ter melhor compreensão dos efeitos práticos deste trabalho em um caso industrial, foi simulada numericamente uma panela de aciaria contendo 75ton de aço. Variou-se a quantidade de escória presente (900kg ou 2250kg, que equivalem, respectivamente a 5cm e 15cm de espessura). Os resultados da simulação transiente de um período de 20s podem ser vistos na Figura 5.25.

Figura 5.25: Vistas do Olho da Pluma e Coluna de Bolhas para os Casos Industriais 1 e 2.

No caso 1, onde a quantidade de escória foi menor, houve maior abertura do olho da pluma, o que é prejudicial para o banho, devido à oxidação pela atmosfera. Nota-se também o caráter de bolhas discretas, comportamento antes mencionado nas simulações em escala de laboratório. Essa constatação configura boa similaridade com o esperado. Já a Figura 5.26 apresenta o perfil de velocidades em uma linha contida na seção reta vertical de simetria (ver Figura 5.19), em uma cota de 2,25m, ou seja,5cm abaixo da interface aço/escória.

Figura 5.26 - Gráfico de Velocidades em Linha Passante pelo Plugue.

Observa-se uma grande similaridade entre os perfis de velocidade. Diferenças pontuais podem ser creditadas ao caráter turbulento do fluxo. Estes resultados são coerentes com as simulações do modelo físico em laboratório, onde foi visualizada alteração significativa na abertura do olho da pluma quando a quantidade de escória foi alterada.

A distribuição espacial de velocidades próxima à interface metal escória é um dado de importância industrial. Pode ser relacionada, por exemplo por meio da equação de Higbie, o coeficiente de transferência de massa entre as fases citadas. Seguindo esta equação

(5.4)

onde D representa o coeficiente de difusividade da espécie, a velocidade superficial e o raio da panela. Estes estudos ressaltam que, dada à heterogeneidade no fluxo no topo da panela as condições de troca química são também pouco uniformes.