Orientadores: Guilherme José de Castilho, Milton Mori

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Coluna de bolhas são amplamente utilizadas em processos químicos, bioquímicos e petroquímicos por fornecer diversas vantagens durante o processo de transferência de massa e calor. A determinação da distribuição da velocidade em sistemas gás-liquido presentes nesses processos a partir da...

Resumo: Coluna de bolhas são amplamente utilizadas em processos químicos, bioquímicos e petroquímicos por fornecer diversas vantagens durante o processo de transferência de massa e calor. A determinação da distribuição da velocidade em sistemas gás-liquido presentes nesses processos a partir da técnica de velocimetria por imagem de partícula (PIV) é relevante para a identificação de estruturas de escoamentos e para validação de modelos numéricos (fluidodinâmica computacional - CFD). A PIV é uma técnica de medida não intrusiva que determina a distribuição de velocidade em uma área ou volume de investigação. A PIV pode determinar, por exemplo, a distribuição de velocidade 2D-2C (2 dimensões - 2 componentes) ou 2D-3C (2 dimensões - 3 componentes). Além disso, a velocidade da fase líquida em sistemas gás-líquido pode ser obtida empregando partículas traçadoras fluorescentes no fluido e um filtro passa-alta na câmera (fluorescent-PIV ou F-PIV). Contudo, em condições operacionais com grandes velocidades superficiais de gás, o desempenho da técnica F-PIV fica comprometida. Esse fato decorre, principalmente, devido à hidrodinâmica não-linear e às altas concentrações de bolhas. Além disso, a qualidade dos campos vetoriais PIV pode se agravar com a presença de fontes de erros na gravação, pré-processamento, processamento e no pós-processamento PIV. De uma forma geral, em experimentos PIV o erro de medição não é conhecido. Determinar o intervalo que contém o erro de medida, isto é, a quantificação da incerteza, é abordado em diversos métodos recentes: superfície de incerteza (US) ¿ 2012, disparidade de partícula (PD) ¿ 2013, razão de pico (PPR) ¿ 2013, estatística de correlação (CS) ¿ 2015 e informação mútua (MI) ¿ 2015. Além desses métodos, o valor/coeficiente de correlação e a razão sinal-ruído (Signal-Noise Ratio - SNR) são utilizados como indicadores de qualidade PIV. Porém, esses métodos e indicadores possuem sua aplicação limitada na etapa de correlação PIV e, consequentemente, erros devido ao processo de interpolação, suavização e a presença de falsos vetores no pós-processamento PIV são desconsiderados. Este trabalho propõe uma alternativa ao unir conceitos da análise de caos e qualidade de medidas PIV para obter um indicador mais robusto. Para tal, uma nova interpretação da integral de correlação foi utilizada a partir de flutuações de velocidade. Além disso, a dimensão de correlação foi empregada para análise da complexidade do sistema gás-líquido e a entropia de Kolmogorov foi utilizada para classificar e identificar as diversas estruturas de escoamentos em uma coluna de bolhas. Os resultados demonstraram que é possível obter um limite operacional do sistema PIV e campos de velocidade confiáveis na investigação das características dos diversos escoamentos (padrões de escoamento de borbulhantes e turbulento) presentes em uma coluna de bolhas com a análise de caos

Abstract: Bubble columns are widely used in chemical, biochemical, and petrochemical processes by providing various advantages during the mass transfer and heat process. The determination of the velocity distribution in gas-liquid systems present in these processes using the particle image...

Abstract: Bubble columns are widely used in chemical, biochemical, and petrochemical processes by providing various advantages during the mass transfer and heat process. The determination of the velocity distribution in gas-liquid systems present in these processes using the particle image velocimetry (PIV) technique is relevant for the identification of flow structures and numerical model validation (computational fluid dynamics - CFD). The PIV is a non-intrusive measurement technique that determines the velocity distribution in an area or volume of investigation. The PIV can establish, for example, the 2D-2C (2 dimensions - 2 components) or 2D-3C (2 dimensions - 3 components) velocity distribution. In addition, the liquid phase velocity in gas-liquid systems can be obtained by employing fluorescent tracer particles in the flow and a high-pass filter on the camera (fluorescent-PIV or F-PIV). However, under operational conditions with high gas velocities in the column, the performance of the F-PIV technique is compromised. This fact is mainly due to the nonlinear hydrodynamics and high concentrations of the bubbles. Moreover, the PIV quality of the vector fields can worsen by the error sources in the recording, pre-processing, processing, and post-processing. In general, the measurement error is not known in PIV experiments. The determination of the interval containing the measurement error, i. e., the uncertainty quantification, has been approached by several recent methods: uncertainty surface (US) - 2012, particle disparity (PD) - 2013, primary peak ratio (PPR) - 2013, correlation statistics (CS) ¿ 2015, and mutual information (MI) - 2015. In addition to these methods, the correlation value/coefficient and signal-to-noise ratio (SNR) are used as indicators of PIV quality. However, these methods and indicators have limited application in the PIV correlation step and, consequently, errors due to the interpolation process, smoothing, and the presence of false vectors in the PIV post-processing are disregarded. This thesis proposes an alternative to unite concepts of the chaos analysis and PIV quality to obtain a more robust indicator. Therefore, a new interpretation of the correlation integral was used from velocity fluctuations. In addition, the correlation dimension was used to analyze the complexity of the gas-liquid system and the Kolmogorov entropy was used to classify and identify the various flow structures in a bubble column. The results demonstrated that it is possible to obtain an operational limit of the PIV system and reliable velocity fields in investigating the characteristics of the various flows (flow patterns bubbly and churn-turbulent) present in a bubble column using the chaos analysis

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