Validação de modelo para predição do coeficiente de descarga de um tanque esférico por dinâmica de fluidos computacional

Abstract

Neste trabalho foi possível avaliar o desempenho do software COMSOL Multiphysics em representar o escoamento de água em um dos tanques esféricos da Planta de Seis Tanques Esféricos localizada no Departamento de Engenharia Química da UFRGS. O grande objetivo deste trabalho foi determinar, por meio de Simulação Fluido Computacional, o coeficiente de descarga (CD) do tanque superior desta planta para 5 níveis estacionários obtidos experimentalmente. Além disso, para complementar esse estudo foram feitos estudos adicionais sobre algumas ferramentas padrão que este software dispõe na sua interface. Antes de calcular o coeficiente de descarga, foram realizadas 54 simulações para analisar 9 tipos de malhas de formato tridimensional tetraédrico e 3 modelos de escoamento para uma geometria simplificada. Dentre as malhas padrão disponíveis no COMSOL, o melhor resultado apresentado foi para malha mais refinada dentre as analisadas. Em conjunto com o teste das malhas, foi verificado qual o modelo de escoamento simulado apresentou resultados mais próximos dos experimentais. Nesse teste foram analisados os modelos de escoamento laminar, turbulento Low Reynolds Number k-ε e turbulento k-ε. Sendo que para o teste dos modelos, o melhor resultado foi o escoamento turbulento k-ε, pois apresentou menor erro relativo entre a vazão mássica inserida implicitamente no COMSOL e a vazão mássica obtida através da simulação utilizando a malha mais refinada possível, dentre as opções padrão do COMSOL. O erro obtido nesta condição simulada foi de 0,9%. Para determinar o coeficiente de descarga do tanque superior da Planta de Seis Tanques Esféricos foi elaborada uma geometria fiel às dimensões reais do tanque H1. Neste caso, foram avaliados dois modelos de escoamento nas simulações totalizando 10 simulações realizadas para os 5 níveis estacionários obtidos experimentalmente. Os modelos empregados nas simulações foram o turbulento Low Reynolds Number k-ε e o turbulento k-ε. Os valores médios dos coeficientes de descarga calculados utilizando os resultados das simulações foram comparados com os coeficientes de descarga obtidos experimentalmente. O modelo que apresentou menor erro no cálculo do coeficiente de descarga foi o turbulento k-ε cujo erro relativo ao valor experimental foi de 0,29%.