Efeitos de escala e froude na hidráulica de lagoas de polimento

Abstract

A influência da escala e o número de Froude sobre o desempenho hidráulico de lagoas de polimento, um tipo de lagoa de estabilização para tratamento de esgotos, foram investigados usando uma estratégia de planejamento fatorial. O desempenho hidráulico das lagoas foi avaliado com um modelo de dinâmica de fluidos computacional (CFD), que calculou os campos de velocidade dos fluidos e a distribuição do tempo de detenção hidráulico (RTD). O modelo de CFD foi validado pela comparação das curvas RTDs computadorizadas, com os resultados experimentais. As curvas de distribuição do tempo de detenção foram utilizadas para quantificar o desempenho hidráulico das lagoas, obtendo os indicadores que representam curto-circuito, mistura e índice de momento. Os intervalos de dados testados não foram destinados a serem representativos de toda a extensão das condições de campo, mas destina-se a determinar se a dimensão e número de Froude tinham um efeito significante sobre as respostas. O efeito principal é definido como a mudança na resposta produzida por uma alteração no nível do fator. A interação entre os fatores examina os efeitos de escala em diferentes níveis de número de Froude. Com isso, pode-se verificar que o critério Froude não é singularmente válido para simular hidraulicamente e a fração de poluentes de efluentes em modelos de lagoa de polimento em escala, mesmo que os modelos escalados sejam geometricamente semelhantes ao protótipo. Assim, ainda que o número de Reynolds é menos relevante para assegurar que as condições hidráulicas que existe no protótipo é mantida no modelo, ele não pode ser ignorado. A fim de explicar o efeito de Reynolds, os nossos resultados sugerem que a razão de Reynolds pelo número de Froude, tem uma excelente correlação com a redução da fração de poluentes.

ABSTRACT - The influence of scale and the Froude number on the hydraulic performance of polishing ponds, a type of stabilization pond for sewage treatment, were investigated using a factorial design strategy. The hydraulic performance of the ponds was assessed with a computational fluid dynamics model (CFD), which calculated the fluid velocity fields and the distribution of the hydraulic retention time (RTD). The CFD model was validated by comparing the computed RTDs curves with the experimental results. The distribution curves of retention time were used to quantify the hydraulic performance of the ponds, obtaining indicators that represent short-circuit, mixing and moment index. The ranges of data tested were not intended to be representative of the entire range of field conditions, but rather intended to determine if the scale and Froude number had an effect on the responses. The main effect is defined as the change in response produced by a change in the level of the factor. The interaction between the factors examines the effects of scale at different levels of Froude number. Hence, even though Reynolds number is less relevant to ensure that the same hydraulics that exists in the prototype is maintained in the model, it cannot be ignored. In order to account for the Reynolds effect, our results suggest that the ratio of Reynolds to Froude numbers has an excellent correlation to effluent pollutant fraction.