Solid/liquid suspension flow in pipes: modelling and experimental investigation

Abstract

With this thesis the leading objective was to study the complex behaviour of solid-liquid suspensions pipeline conveying. To that regard, experimental and numerical studies were both conducted. Experimental data was acquired in the form of velocity profiles for both the liquid and solid phases employing Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Ultrasonic Pulse Velocimetry (UPV), respectively, for a range of experiments with several sizes and concentrations of settling particles. Moreover, in order to attain the particle distribution in the pipeline, which is one of more prominent variables in solid-liquid suspensions flow, a new Electrical Impedance Tomography (EIT) system was developed: this type of systems use the distribution of electrical conductivity in a domain has is principle of development. The Mixture Model was implemented in the numerical studies using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in an attempt to replicate the experimental data that resulted from the aforementioned experiments. Additionally, experimental data for highly concentrated buoyant and settling particles, existent in the literature, where complex phenomena like turbulence attenuation and particle migration occur, was also simulated by means of the Mixture Model. The EIT apparatus displayed the capability of recognizing the different flow regimes and particle concentration variations in the pipeline. Furthermore, the images and profiles gathered in these experiments, with the three experimental techniques mentioned above, accurately matched the numerical results from the CFD model, thus validating it for the study of solid-liquid suspensions flows.

Esta tese tinha como grande objectivo o estudo do escoamento de suspensõ es só lido-lı́quido recorrendo em simultâ neo a testes experimentais e numé ricos. Dados experimentais sob a forma de perfis de velocidade do meio lı́quidos e das partı́culas empregando Imagens por Ressonância Magnética (IRM) e Velocimetria de Pulso Ultra-sónico (VPU), respectivamente, foram obtidos para uma gama variada de tamanhos e concentrações de partıć ulas. Conjuntamente, um sistema de Tomografia de Impedância Eléctrica (TIE) foi desenvolvido com vista à obtenção da distribuição de partı́culas na conduta, sistema que utiliza a distribuiçã o da condutividade elé ctrica num determinado meio como base do seu funcionamento. A distribuiçã o de sólidos é uma das variáveis mais importantes no escoamento de suspensões só lido-lı́quido. Os estudos numéricos foram realizados utilizando o Modelo de Mistura atravé s de Dinâ mica de Fluidos Computacional (DFC) na tentativa de reproduzir os dados resultantes das experiê ncias mencionadas acima. Adicionalmente, dados da literatura para escoamentos de suspensões sólido- lı́quido concentradas, para partı́culas neutras e pesadas, com comportamentos complexos como atenuação da turbulência e migração de partı́culas, foram també m simulados utilizando o Modelo de Mistura. O sistema de TIE demonstrou a capacidade de reconhecer diferentes regimes de escoamento e variações na concentração de partı́culas na conduta com precisã o. Alé m disso, as imagens e perfis obtidos com as trê s té cnicas experimentais previamente citadas foram semelhantes aos resultados numé ricos obtidos com o Modelo de Mistura, validando assim a sua aplicaçã o em estudos de escoamento de suspensõ es só lido-lı́quido. Finalmente, a atenuação da turbulência induzida pelas partı́culas foi caracterizada com sucesso atravé s das modificaçõ es implementadas no Modelo de Mistura.