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Title in Portuguese: Modelagem matemática de sistemas de aeração e oxigenação artificial em lagos e reservatórios
Title: Mathematical modeling of artificial aeration and oxygenation systems in lakes and reservoirs
Author: Parente, Priscila Araújo Barbosa
Advisor(s): Lima Neto, Iran Eduardo
Keywords: Saneamento
Aeração
Dissolução
Massa - Transferência
Issue Date: 28-Feb-2014
Citation: PARENTE, P. A. B. Modelagem matemática de sistemas de aeração e oxigenação artificial em lagos e reservatórios. 2014. 84 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental)entro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Abstract in Portuguese: Devido à degradação progressiva dos corpos hídricos em geral, tem-se dado bastante atenção a alternativas para a recuperação da qualidade de suas águas. Técnicas de aeração e oxigenação artificial via injeção de ar ou oxigênio puro na água (plumas de bolhas) podem ser utilizadas para tal finalidade. Nesse contexto, o presente trabalho desenvolveu um modelo integral para avaliação da transferência de massa de plumas de bolhas circulares em ambientes não estratificados, o qual é baseado em uma distribuição radial do tipo Gaussiana das propriedades do escoamento e em relações matemáticas para o coeficiente de entrada turbulenta e o fator de amplificação da quantidade de movimento devido à turbulência. O impacto da transferência de massa na hidrodinâmica de plumas de bolhas foi investigado considerando diferentes diâmetros de bolha, vazões de gás e profundidades em sistemas de aeração e oxigenação. Os resultados revelaram impacto significativo quando bolhas finas são consideradas mesmo em profundidades moderadas. Bolhas médias apresentaram, em geral, comportamento semelhante ao de bolhas grossas. As simulações também indicaram que, em condições de vazões relativamente baixas e elevadas profundidades, dissolução e turbulência podem afetar a hidrodinâmica da pluma de bolhas, o que demonstra a importância de se levar o fator de amplificação da quantidade de movimento em consideração. Simulações utilizando o modelo proposto e modelos clássicos disponíveis na literatura resultaram em boa concordância tanto para processos de aeração quanto de oxigenação. Finalmente, foram apresentados estudos de caso para os dois processos.
Abstract: Due to the progressive degradation of water bodies in general, alternatives have been studied so as to restore their water quality. Artificial aeration/oxygenation by injecting air/pure oxygen in the water (bubble plumes) can be used for this purpose. Hence, this study presents an integral model to evaluate gas transfer from circular bubble plumes in unstratified environments which is based on a radial Gaussian type distribution of plume properties and functional relationships for the entrainment coefficient and factor of momentum amplification due to turbulence. The impact of gas-liquid mass transfer on bubble plume hydrodynamics is investigated considering different bubble sizes, gas flow rates and water depths. Also simulations were run for aeration and oxygenation systems in order to provide the analysis of these effects. The results revealed a significant impact when fine bubbles are considered, even for moderate water depths. Medium bubbles present overall similar behavior as coarse bubbles. Additionally, model simulations also indicate that for bubble plumes with relatively low gas flow rates and high water depths, both dissolution and turbulence can affect bubble plume hydrodynamics, which demonstrates the importance of taking the momentum amplification factor relationship into account. For deeper water conditions, simulations of bubble dissolution using the present model and classical models available in the literature resulted in a very good agreement for both aeration and oxygenation processes. Finally, case studies involving those processes are presented.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/11333
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