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Título: Análise detalhada da dinâmica de bolhas isoladas em canais confinados
Título(s) alternativo(s): Detailed analysis of single bubbles dynamics in confined channels
Autor(es): Sirino, Thiago
Orientador(es): Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar
Palavras-chave: Bolhas (Física) - Análise
Bolhas (Física) - Dinâmica
Arrasto (Aerodinâmica)
Fotografia - Aplicações científicas
Dinâmica dos fluidos
Velocimetria
Imagens - Análise
Bubbles - Analysis
Bubbles - Dynamics
Drag (Aerodynamics)
Photography - Scientific applications
Fluid dynamics
Velocimetry
Pictures - Analysis
Data do documento: 5-Set-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SIRINO, Thiago. Análise detalhada da dinâmica de bolhas isoladas em canais confinados. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: No presente trabalho foi desenvolvido um estudo com a finalidade de avaliar a influência da parede na dinâmica de bolhas isoladas ascendendo em canais retangulares preenchidos com água. Foram empregadas duas técnicas experimentais de visualização, shadowgraph e velocimetria por imagens de partículas (PIV). O trabalho foi dividido em duas partes. A primeira parte corresponde ao confinamento em uma direção, onde foi observado que para uma distância entre paredes menores a 8,5 mm a bolha sofre uma queda drástica de velocidade. Dessa forma, geometrias com distâncias entre paredes menores que 8,5 mm foram consideradas confinadas. Nesses casos observou-se uma diminuição na deformação das bolhas, além de trajetórias em ziguezague e um grande desprendimento de vórtices. Também foram propostas correlações para velocidade e coeficiente de arrasto em função do grau de confinamento. Na segunda parte foi estudada a influência do confinamento do canal em duas direções, onde foram analisadas as trajetórias, formatos, velocidades e flutuação de velocidade das bolhas. Observou-se que a queda de velocidade com o confinamento não depende somente do diâmetro hidráulico do canal, mas também da direção do confinamento e do tamanho da bolha. A proximidade das paredes é responsável pelo aumento no coeficiente de arrasto devido às perdas de energia causadas por colisões e pelo aumento das tensões cisalhantes na superfície das bolhas. Além disso, o aumento do grau de confinamento aumenta as frequências de oscilação das bolhas. Não foram encontradas na literatura correlações para avaliar a dinâmica das bolhas em canais retangulares confinados como os apresentados neste estudo e, assim sendo, foram propostas correlações para velocidade e coeficiente de arrasto dependentes do grau de confinamento.
Abstract: The main goal of the present study is to evaluate the influence of the walls on the dynamics of isolated bubbles rising in rectangular channels filled with water. To achieve the objective, two experimental techniques were applied, namely the shadowgraph and particle image velocimetry (PIV), and the bubbles were split into three size bins (small, medium and large). In addition, the work was divided in two parts. The first one corresponds to the confinement in one direction, in which it was observed that for an 8.5-mm distance between walls the bubble velocity drastically dropped. Thus, geometries with wall-to-wall distances smaller than 8.5 mm were considered as confined ones. In these cases, a decrease in the bubble deformation was noted, as well as zigzag trajectories and a large vortex shedding. Furthermore, correlations for drag coefficient and velocity were proposed as functions of the confinement degree. The second part of the study corresponds to the confinement of the channels in two directions and bubble paths, shapes, velocities and velocity fluctuations were analyzed. It was observed that the velocity decrease with the confinement depends not only on the hydraulic diameter of the channel but also on the confinement direction and bubble size. The proximity between the walls is responsible for the drag increase, which owes to the energy loss caused by collisions and higher shear stresses on the bubble surface. Furthermore, the confinement degree increase is responsible for high oscillatory frequencies as the amplitude and wavelength are reduced. Also, no correlations were found in the literature to evaluate bubble dynamics in confined rectangular channels such as those presented in this study and, therefore, correlations were proposed for velocity and drag coefficient dependent on the degree of confinement.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31100
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