Orientador: Roberto Testezlaf

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

Resumo: A falta de desenvolvimento técnico de projetos para filtros de areia utilizando ferramentas tecnológicas de engenharia limita a otimização das suas configurações e restringe o seu funcionamento eficiente, trazendo prejuízos energéticos, econômicos, e tornando mais longo o caminho para o...

Resumo: A falta de desenvolvimento técnico de projetos para filtros de areia utilizando ferramentas tecnológicas de engenharia limita a otimização das suas configurações e restringe o seu funcionamento eficiente, trazendo prejuízos energéticos, econômicos, e tornando mais longo o caminho para o aparecimento de inovações no processo de filtragem da água para a irrigação. Buscando contribuir para o desenvolvimento tecnológico e científico de um modelo de filtro de areia o objetivo geral dessa pesquisa foi contribuir para o aprimoramento do projeto estrutural desses equipamentos, colaborando com a padronização dos seus parâmetros de operação e gerando informações que auxiliem fabricantes no aperfeiçoamento de seus modelos de filtros. A metodologia dessa pesquisa foi divida em quatro etapas: (1) validação do uso da fluidodinâmica computacional em análises hidráulicas para filtros de areia; (2) análise do comportamento hidrodinâmico de modelos comerciais de placas difusoras e drenos no escoamento interno de filtros de areia; (3) projeto e dimensionamento de modelos originais de placa difusora e de dreno; e (4) construção e avaliação hidráulica de um protótipo de filtro de areia. Os resultados indicaram que, para as condições experimentais ensaiadas, a modelagem numérica parametrizada simulou com precisão o comportamento do escoamento de filtros de areia. O modelo de placa difusora projetada reduziu significativamente a velocidade do fluxo de entrada no filtro e aumentou a homogeneidade da distribuição das linhas de escoamento sobre a superfície do leito poroso. O protótipo de dreno proposto possibilitou a formação de linhas de fluxo radial e perpendicular na região de atuação do acessório, reduzindo o aparecimento de pontos de estagnação e vórtices e diminuindo a turbulência na entrada das suas aberturas. Adicionalmente, a proposição de um arranjo espacial para o sistema de drenagem aumentou a área efetiva de atuação de cada dreno, possibilitando uma expansão mais uniforme e homogênea do leito filtrante durante o fluxo ascendente e requerendo menores velocidades de fluidização para efetivação da retrolavagem. O protótipo de filtro de areia, desenvolvido a partir da aplicação das ferramentas de CFD, apresentou menor perda de pressão em relação aos equipamentos comerciais e para as condições de ensaios a que foram submetidos. Sobretudo, esse estudo permitiu validar a hipótese do emprego de ferramentas de CFD no projeto das dimensões, formato e o arranjo estrutural da placa difusora e de drenos em filtros de areia visando à melhor distribuição das linhas de fluxo, redução da perda de pressão durante os processos de filtragem e retrolavagem, diminuição das deformações superficiais da camada filtrante e maior homogeneidade de fluidização do leito durante a retrolavagem. Dessa forma, a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD) mostrou-se adequada para projetos de novos componentes estruturais de filtros de areia, assim como para estudos sobre a sua dinâmica de funcionamento e operação

Abstract: The deficiency of technological development on sand filters design using engineering technological tools restricts its structure optimization and operation effectiveness, causing energy and economic losses. This condition contributes to make the upgrades in the irrigation filtration...

Abstract: The deficiency of technological development on sand filters design using engineering technological tools restricts its structure optimization and operation effectiveness, causing energy and economic losses. This condition contributes to make the upgrades in the irrigation filtration science a longer path. Searching to help the technological and scientific development of a sand filter model the objective of this research was to contribute to the structural design improvement of these equipment, collaborating with the standardization of its operating parameters and generating information to help manufacturers to improve their filter models. The research methodology was divided into four steps: (1) validation of the use of computational fluid dynamics in sand filters hydraulic analyzes; (2) analyses of the hydrodynamic behavior of commercial model of diffuser plates and drains in the sand filters inner flow; (3) design of innovative models of diffuser plate and drain; and (4) construction and hydraulic evaluation of a prototype of a sand filter. The results indicated that for the defined assessment conditions, the parameterized numerical model simulated the flow process with significant accuracy the sand filter hydrodynamic. The designed diffuser plate reduced significantly the filter inflow, increasing the uniformity the flow lines distribution on the porous media surface. The proposed underdrain model allowed the establishment of radial and perpendicular flow lines in the operating area near the drain, reducing the occurrence of stagnation points and vortexes and the turbulence close to the slots. The projected spatial arrangement of the drainage system increased the effective operation area of each drain, resulting in uniform and homogeneous expansion of the filter bed during the upward flow and requiring lower fluidization velocities values to accomplish the backwash process. The sand filter prototype, developed from the application of CFD tools, reduced the pressure loss in the trials conditions comparing to evaluated commercials equipment. Mainly, this research validated the hypothesis of CFD¿s tools application in the design of the dimensions, shape and the structural arrangement of the diffuser plate and drains for sand filters. This methodology allowed accomplishing the homogenization of flow lines, reducing the pressure loss during the filtering and backwash processes, decreasing the media superficial deformations and increase the homogeneity of the bed fluidization during the backwash. Consequently, the computational fluid dynamics technique (CFD) showed suitable for design applications on new structural components¿ of sand filters, as well to study its functioning and operation¿s dynamics