Sedimentation of polydisperse particles at low Reynolds numbers in inclined geometries. Numerical and laboratory experiments

Abstract

El transporte hidráulico de partículas a altas concentraciones es una tecnología ampliamente utilizada en la industria para transportar diferentes tipos de materiales granulares mediante la mezcla con fluidos, agua en la mayoría de los casos. En el primer capítulo de esta tesis, vamos a discutir los aspectos más importantes de la dinámica de las suspensiones. En particular, vamos a explicar la física de las suspensiones diluidas, suspensiones semi-diluidas y suspensiones concentradas. Adicionalmente, una revisión de la sedimentación de partículas será mostrada. La sedimentación es un proceso por el cual las partículas sólidas se separan de un líquido, generalmente bajo la acción de fuerzas gravitacionales. La sedimentación es una de las técnicas más antiguas conocidas utilizadas en la industria para limpiar fluidos o, alternativamente, para recuperar partículas. En el segundo capítulo, vamos a mostrar los resultados de un trabajo numérico experimental de sedimentación de partículas ligeramente polidispersas. Una serie de simulaciones numéricas y experimentos de sedimentación se han realizado para comprender los factores que controlan el ángulo final de una capa de sedimento estática formada por partículas cuasi-monodispersas que sedimentan en un contenedor inclinado. El conjunto de experimentos incluye varias combinaciones de la viscosidad del fluido, ángulo del contenedor y concentración de sólidos. Una comparación entre los experimentos y un conjunto de simulaciones numéricas en dos dimensiones muestra que el mecanismo físico responsable de la disipación de energía en el sistema son las colisiones entre las partículas. Los resultados proporcionan nuevos conocimientos sobre el mecanismo que establece la morfología de la capa de sedimento formada por la sedimentación de las partículas en el fondo de un contenedor inclinado. El seguimiento de la interfaz entre los sólidos de la suspensión y la zona clara de fluido revela que el ángulo final adoptada por la capa de sedimento muestra fuertes dependencias de la concentración inicial de partículas y la inclinación del recipiente, pero no la viscosidad del fluido dentro de un rago de números de Reynolds de partículas pequeños. Se concluye que (1) la función de escondimiento juega un papel importante en el ángulo de la capa de sedimentos, (2) la relación entre el efecto de fricción y la pendiente puede ser explicado como una función casi lineal de la velocidad proyectada a lo largo del fondo del contenedor, y ( 3) antes de la finalización de la sedimentación hay una interacción entre partículas significativa a través del fluido que afecta a la organización de la capa final. Podemos expresar la pendiente del lecho de sedimentos como una funci|ón de dos números adimensionales, una versión del número inercial y la concentración de partículas. Los presentes experimentos confirman algunos resultados anteriores sobre el papel del fluido intersticial en los flujos a bajos número de Stokes de partículas. Por último, vamos a mostrar los resultados de un trabajo numérico. Aquí, hemos utilizado un modelo de mezcla continuo para resolver numéricamente las ecuaciones de momento y continuidad asociadas con la dinámica de sedimentación de mezclas de líquido y sólido altamente concentradas en un conducto inclinado abajos números de Reynolds. El conjunto de simulaciones numéricas incluye varias combinaciones de la viscosidad del fluido, ángulo de conducto y concentración de partículas. Esta investigación tiene como objetivo mostrar la fenomenología y dinámica asociada a la sedimentación de partículas monodispersas bajo diferentes condiciones físicas y la caracterización de la etapa final de la capa de sedimento en dos tipos de geometrías inclinadas, con y sin una sección horizontal. Usando argumentos de escala, una expresión matemática formada por tres grupos a dimensionales, incluyendo el número inercial, la concentración de partículas y la relación entre el número de sedimentación Grashof para el número de Reynolds se propone para explicar la altura de la capa de sedimento en la zona de cambio de pendiente de un conducto. Además, encontramos que la concentración inicial es una variable muy importante para saber bajo qué condición es el conducto podría obstruirse. Los principales resultados de esta tesis se presentaron como dos artículos científicos, el primero publicado en el Journal Physics of Fluids, y el segundo trabajo bajo revisión en el International Journal of Multiphase Flow.