Visualization of viscoplastic fluid flow in an abrupt contraction using particle image velocimetry

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Garcia Blanco, Yamid Jose lattes
Orientador(a): Franco, Admilson Teixeira lattes
Banca de defesa: Franco, Admilson Teixeira lattes, Negrao, Cezar Otaviano Ribeiro lattes, Pitz, Diogo Berta lattes, Fiorot, Guilherme Henrique lattes
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4769
Resumo: No presente estudo experimental analisamos as especificidades do escoamento de fluidos viscoplásticos, especialmente neste caso as soluções de Carbopol em regime laminar e turbulento através de uma contração abrupta com razão de β = 1:85. O perfil e o coeficiente de queda de pressão na contração são obtidos a partir da entrada de diferentes números de Reynolds, Re0D. Os campos vetoriais de velocidade instantâneos são obtidos para Re0D entre 1 e 10 000, usando a velocimetria por imagem de partícula (PIV-2D), verificando campos vetoriais de velocidade média e quantidades turbulentas de primeira ordem, tais como flutuações de velocidade radial e axial, bem como comportamento da velocidade da linha central, estruturas de vórtices e visualização de regiões não cisalhadas. Observa-se que o coeficiente de queda de pressão para o escoamento de fluido viscoplástico depende diretamente do número de Reynolds no regime laminar e atinge um valor constante para condições turbulentas, apresentando boa concordância com os dados disponíveis na atual literatura. Os perfis de velocidade ao longo da seção de teste apresentam valores inferiores aos obtidos para fluidos Newtonianos em ambos regimes e variam seu comportamento de acordo com as propriedades reológicas de cada solução. Ademais verificam-se flutuações turbulentas similares ao comportamento Newtoniano, apenas com discreta diferença nos perfis radiais. Nota-se que as regiões não cisalhadas deformam-se com o aumento do número de Reynolds e são substituídas por estruturas de vórtice à medida que o escoamento atinge condições de transição, obtendo uma variação do diâmetro efetivo na entrada da contração. O desenvolvimento da estrutura do vórtice foi estudado usando técnicas quantitativas baseadas na taxa de deformação e nos tensores de vorticidade, obtendo assim informações mais precisas sobre seu comportamento no escoamento de fluidos viscoplásticos. Dessa forma, pode-se determinar uma relação entre o número de Reynolds de entrada e o número de Reynolds no plano da contração, independente dos parâmetros reológicos devido às altas taxas de cisalhamento nessa região.
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spelling 2020-03-12T21:01:58Z2020-03-12T21:01:58Z2019-11-22BLANCO, Yamid Jose Garcia. Visualization of viscoplastic fluid flow in an abrupt contraction using particle image velocimetry. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4769No presente estudo experimental analisamos as especificidades do escoamento de fluidos viscoplásticos, especialmente neste caso as soluções de Carbopol em regime laminar e turbulento através de uma contração abrupta com razão de β = 1:85. O perfil e o coeficiente de queda de pressão na contração são obtidos a partir da entrada de diferentes números de Reynolds, Re0D. Os campos vetoriais de velocidade instantâneos são obtidos para Re0D entre 1 e 10 000, usando a velocimetria por imagem de partícula (PIV-2D), verificando campos vetoriais de velocidade média e quantidades turbulentas de primeira ordem, tais como flutuações de velocidade radial e axial, bem como comportamento da velocidade da linha central, estruturas de vórtices e visualização de regiões não cisalhadas. Observa-se que o coeficiente de queda de pressão para o escoamento de fluido viscoplástico depende diretamente do número de Reynolds no regime laminar e atinge um valor constante para condições turbulentas, apresentando boa concordância com os dados disponíveis na atual literatura. Os perfis de velocidade ao longo da seção de teste apresentam valores inferiores aos obtidos para fluidos Newtonianos em ambos regimes e variam seu comportamento de acordo com as propriedades reológicas de cada solução. Ademais verificam-se flutuações turbulentas similares ao comportamento Newtoniano, apenas com discreta diferença nos perfis radiais. Nota-se que as regiões não cisalhadas deformam-se com o aumento do número de Reynolds e são substituídas por estruturas de vórtice à medida que o escoamento atinge condições de transição, obtendo uma variação do diâmetro efetivo na entrada da contração. O desenvolvimento da estrutura do vórtice foi estudado usando técnicas quantitativas baseadas na taxa de deformação e nos tensores de vorticidade, obtendo assim informações mais precisas sobre seu comportamento no escoamento de fluidos viscoplásticos. Dessa forma, pode-se determinar uma relação entre o número de Reynolds de entrada e o número de Reynolds no plano da contração, independente dos parâmetros reológicos devido às altas taxas de cisalhamento nessa região.The viscoplastic fluid flow of Carbopol solutions is investigated in the following experimental study, for laminar and turbulent regime through an abrupt contraction with an aspect ratio of β = 1:85. The pressure drop profile and the pressure drop coefficient at the contraction are obtained for different entrance Reynolds numbers, Re0D. The velocity vector fields are obtained for Re0 D between 1 and 10 000, using the Particle Image Velocimetry (PIV-2D). Mean velocity vector field and first-order turbulent quantities such as radial and axial velocity fluctuations are obtained, as well as centerline velocity behavior, vortex structures, and visualization of unyielded regions. It is observed that the pressure drop coefficient for viscoplastic fluid flow is dependent on the Re0D for the laminar regime, and reaches a constant value for turbulent conditions, exhibiting good agreement with data available on the literature. The velocity profiles along the test section present lower values than those obtained for Newtonian fluids in both regimes and vary their behavior according to the rheological properties for each viscoplastic solution. Besides, the turbulent fluctuations approach the Newtonian behavior, with a slight difference for the radial profiles. The unyielded regions are deformed as the Reynolds number is increased and are replaced by vortex structures as the flow reaches transitional conditions, obtaining a variation of the effective diameter at the entrance of the contraction. The growth and changes of the vortex structure are studied using quantitative techniques based on the strain rate and the vorticity tensors, to gain accurate and better information about the behavior for these structures into the viscoplastic fluid flow. Finally, a relation was found for the entrance Reynolds number and the Reynolds number at the contraction plane, which is not dependent on the rheological parameters due to the high shear rates in this region.engUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRBrasilCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia MecânicaEscoamentoViscoelasticidadeDinâmica dos fluidosPlasticidadeFluidos newtonianosFluidos não-newtonianosRunoffViscoelasticityFluid dynamicsPlasticityNewtonian fluidsNon-Newtonian fluidsVisualization of viscoplastic fluid flow in an abrupt contraction using particle image velocimetryinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCuritibaFranco, Admilson Teixeirahttp://lattes.cnpq.br/3561428456009236Germer, Eduardo Matoshttp://lattes.cnpq.br/2932295996006714Franco, Admilson Teixeirahttp://lattes.cnpq.br/3561428456009236Negrao, Cezar Otaviano Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/4344790398205987Pitz, Diogo Bertahttp://lattes.cnpq.br/2236606130578302Fiorot, Guilherme Henriquehttp://lattes.cnpq.br/3265399567357587https://orcid.org/0000-0002-9753-349Xhttp://lattes.cnpq.br/3586400259282503Garcia Blanco, Yamid Joseinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPRORIGINALCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdfCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdfapplication/pdf5813886http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4769/2/CT_PPGEM_M_Garcia%20Blanco%2c%20Yamid%20Jose_2019.pdfb299c2b5ab27d2ec0c6e6361860b9073MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81290http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4769/3/license.txtb9d82215ab23456fa2d8b49c5df1b95bMD53TEXTCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdf.txtCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdf.txtExtracted texttext/plain331543http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4769/4/CT_PPGEM_M_Garcia%20Blanco%2c%20Yamid%20Jose_2019.pdf.txt8676aca5980a3fe04e3cc3b6ddd57a30MD54THUMBNAILCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdf.jpgCT_PPGEM_M_Garcia Blanco, Yamid Jose_2019.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1365http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/4769/5/CT_PPGEM_M_Garcia%20Blanco%2c%20Yamid%20Jose_2019.pdf.jpg3631ba5625ea5407fffa9fd4c52c11a3MD551/47692020-03-13 03:01:20.306oai:repositorio.utfpr.edu.br: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ório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestopendoar:2020-03-13T06:01:20Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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