De forma geral, a análise fluidodinâmica computacional (Computer Fluid Dynamics – CFD) é conhecida por aplicar o método dos volumes finitos (FVM) em problemas de escoamento de fluidos, transferência de calor, entre outros, a partir de conceitos dos métodos numéricos e da Termofluidodinâmica. Já o método dos elementos discretos (DEM) é aplicado quando o objetivo é analisar os deslocamentos e rotações de corpos discretos. Antes de prosseguir, para compreender as diferenças entre os métodos, veja este conteúdo em um artigo apresentado previamente no blog. Neste artigo, entenda como a Kot Engenharia aplicou ambos os conceitos na análise em um sistema de transferência de minério.

Análise CFD-DEM em sistema de transferência de minério

Primeiramente, um chute de transferência é um componente comumente encontrado entre correias transportadoras utilizado para direcionar o fluxo de material no processo de descarga. Nesse contexto, uma empresa cliente instalou um novo chute em sua planta com o objetivo de reduzir a geração e emissão de poeira ao meio exterior. Entretanto, o novo chute não apresentou tal desempenho, sendo escopo do trabalho da Kot identificar os fenômenos responsáveis pela geração e saída de poeira devido à transferência de minério ao ambiente.

Inicialmente foi avaliado o comportamento do fluxo de granéis por meio do DEM em software específico. Como resultado, concluiu-se que não havia risco de entupimento, conforme ilustrado na Figura 1.

 

Figura 1: Fluxo de material no chute – FONTE: Acervo Kot.

 

Em seguida, o mesmo software foi utilizado para um acoplamento entre CFD e DEM, com o objetivo de avaliar o fluxo de ar dentro do chute. Assim, foi possível perceber a formação de vórtices na região interna e uma zona de alta turbulência, o que aumenta a geração de poeira. Esses resultados são apresentados na Figura 2.

 

Figura 2: Fluxo de ar durante a descarga do chute – FONTE: Acervo Kot.

 

Além disso, para compreender de maneira mais detalhada o fenômeno observado, foi realizado o estudo do fluxo de ar no transportador de recebimento do material. Nesse caso, tal transportador possui um sistema próprio para o controle de poeira, com transição para a cobertura da correia, que possui a mesma função. Para isso, a análise foi realizada por meio de uma ferramenta de fluidodinâmica computacional, a qual utiliza o FVM como base. 

Os resultados demonstraram que o sistema de controle de poeira atende bem ao seu objetivo. Entretanto, na região de transição entre o sistema e a cobertura convencional da correia, foram percebidos fatores favoráveis à geração de poeira, visto que não há um enclausuramento. A formação de vórtices pode ser vista na Figura 3. Por outro lado, na saída da cobertura, é visível que o fenômeno é amenizado.

 

Figura 3: Seções transversais na entrada e saída da cobertura – pressões (P) e velocidades (U) do fluxo de ar – FONTE: Acervo Kot.

 

Além disso, foram analisadas as regiões de turbulência ao longo da região coberta do transportador, conforme Figura 4, onde as linhas representam o fluxo de ar. Dessa forma, percebe-se, mais uma vez, que a região de transição é o ponto mais crítico em relação às correntes de ar.

 

Figura 4: Fluxo de ar na região da cobertura – FONTE: Acervo Kot.

 

Sendo assim, o chute e a região de transição do sistema de controle de poeira para a cobertura são os responsáveis pela elevada geração e fuga de poeira. Com base nos resultados, a Kot Engenharia apresentou as causas destes problemas e desenvolveu soluções, as quais envolvem alterações geométricas para adequar o fluxo e métodos de se obter uma melhor recirculação do fluxo de ar.

A Kot Engenharia possui a experiência e os recursos necessários para realizar simulações envolvendo análises DEM e CFD, como o caso descrito neste artigo. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. O que é o acoplamento CFD-DEM e como ele funciona na indústria de granéis?

O acoplamento combina duas metodologias computacionais complementares para resolver problemas multifásicos (fases sólida e fluida simultâneas):

• DEM (Discrete Element Method): Modela cada grão ou partícula sólida individualmente, calculando trajetórias, forças de contato, rotações e colisões.

• CFD (Computational Fluid Dynamics): Resolve as equações de transporte de fluidos (ar) por meio do Método dos Volumes Finitos (FVM), calculando velocidade, pressão e turbulência.

Ao acoplar ambos, o software calcula como a queda do material sólido induz o arrasto do ar (pressurização) e como o fluxo turbulento do ar suspende e carrega as partículas finas de poeira.

2. O que é um chute de transferência e qual a sua importância no processo produtivo?

O chute de transferência é a estrutura responsável por guiar o fluxo de material a granel descartado por uma correia transportadora até a próxima etapa (outra correia, peneira ou moega). Seu projeto correto evita o impacto excessivo, o desgaste prematuro de revestimentos, o entupimento por acúmulo de material e a liberação de poeira no ambiente de trabalho.

3. Por que a análise isolada via DEM não foi suficiente para diagnosticar a fuga de poeira?

O método DEM isolado confirmou apenas que o fluxo de minério não causava entupimento na calha. No entanto, a poeira é constituída por partículas finíssimas que não seguem apenas a gravidade, mas sim as correntes de ar induzidas e a turbulência. Foi necessário introduzir o CFD para mapear a formação de vórtices de ar dentro do chute, que geravam pontos de alta pressão capazes de expelir o pó para fora da estrutura.

4. Qual a principal diferença entre os métodos CFD e DEM?

Característica	CFD (Fluidodinâmica Computacional)	DEM (Método dos Elementos Discretos)
Foco de Análise	Fluidos contínuos (ar, água, óleos, gases)	Corpos e partículas sólidas discretas
Base Matemática	Método dos Volumes Finitos (FVM)	Dinâmica Newtoniana e Leis de Contato
Propriedades Avaliadas	Campos de pressão, velocidade, turbulência e temperatura	Posição, velocidade angular, forças de impacto e desgaste
Aplicação na Transferência	Fluxo e arrasto de ar dentro do chute e coberturas	Fluxo, entupimento e trajetória do minério

5. Qual foi a causa raiz identificada para a emissão de poeira na região de transição?

Além dos vórtices internos no próprio chute, o estudo detalhado do transportador receptor mostrou que a região de transição entre o sistema específico de controle de poeira e a cobertura convencional da correia não possuía enclausuramento adequado. Essa abertura permitia que as correntes de ar altamente turbulentas escapassem para o meio externo antes que o fluxo se estabilizasse no trecho coberto.

6. Quais soluções engenheiradas foram propostas a partir dos resultados numéricos?

Com base nas regiões críticas identificadas pelas simulações, foram desenvolvidas:

• Alterações geométricas no chute: Ajuste no perfil interno para suavizar a trajetória do material e reduzir a indução de correntes de ar;

• Sistemas de recirculação: Redirecionamento do fluxo de ar interno para dissipar a energia cinética do ar e favorecer o assentamento das partículas em suspensão dentro do próprio compartimento.