Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Augusto, Liliana de Luca Xavier
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741
Resumo: Many studies have been carried out to find the best operating point for filter media, and the mathematical modeling and simulation are becoming a important tool. In this work, a code was built to generate geometric models for filter media from data obtained by statistical analysis and microscopic images, to be used in simulations. Two different approaches (random and uniform distributions) were used to alocate the fiber inside the limits of the filter medium. The OpenLB library, which uses the mesoscopic approach lattice Boltzmann method based on kinetic of gases, was used to calculate the gas flow and estimate the pressure drop through the filter medium. A free slip boundary condition was implemented in OpenLB code, using the mesoscopic approach of specular reflection of the distribution functions. This boundary condition was then applied on the fibers surfaces, with the purpose of correctly represent the slip flow regime. The free slip boundary condition was verificated by simulating flows in confined duct and around obstacles, and the results were compared with data obtained by macroscopic simulations carried out on the commercial package ANSYS Fluent, which solves Navier-Stokes equations, and also with data found in literature. In filter media simulations, the free slip and no-slip boundary conditions were applied on the fibers surfaces and the numerical results of three types of filter media were then compared to experimental data. A better agreement between numerical and experimental data was observed if the free slip boundary condition was used. This confirms the need to consider the proper boundary condition in flows with high Knudsen number. Moreover, an analysis of the influence of the size of the computational domain on the pressure drop was also carried out, in order to determine the smaller size of the geometric model of the filter medium. According to the results, the pressure drop tends to become stable with the increasing of the domain, since the solid fraction is more accurate. This stabilization occurs with better agreement when the ramdon alocation of the fibers are used to distribute the fibers inside the filter medium.
id SCAR_6d8da4f6fd73c04e9b1493f858b2e8e4
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/9741
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str 4322
spelling Augusto, Liliana de Luca XavierLopes, Gabriela Cantarellihttp://lattes.cnpq.br/5680967191791061Gonçalves, José Antônio Silveirahttp://lattes.cnpq.br/0337997526924402http://lattes.cnpq.br/60497697412552615ad8879f-43b3-4425-bf18-75eb1bb26bc22018-04-12T23:31:47Z2018-04-12T23:31:47Z2018-03-19AUGUSTO, Liliana de Luca Xavier. Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741Many studies have been carried out to find the best operating point for filter media, and the mathematical modeling and simulation are becoming a important tool. In this work, a code was built to generate geometric models for filter media from data obtained by statistical analysis and microscopic images, to be used in simulations. Two different approaches (random and uniform distributions) were used to alocate the fiber inside the limits of the filter medium. The OpenLB library, which uses the mesoscopic approach lattice Boltzmann method based on kinetic of gases, was used to calculate the gas flow and estimate the pressure drop through the filter medium. A free slip boundary condition was implemented in OpenLB code, using the mesoscopic approach of specular reflection of the distribution functions. This boundary condition was then applied on the fibers surfaces, with the purpose of correctly represent the slip flow regime. The free slip boundary condition was verificated by simulating flows in confined duct and around obstacles, and the results were compared with data obtained by macroscopic simulations carried out on the commercial package ANSYS Fluent, which solves Navier-Stokes equations, and also with data found in literature. In filter media simulations, the free slip and no-slip boundary conditions were applied on the fibers surfaces and the numerical results of three types of filter media were then compared to experimental data. A better agreement between numerical and experimental data was observed if the free slip boundary condition was used. This confirms the need to consider the proper boundary condition in flows with high Knudsen number. Moreover, an analysis of the influence of the size of the computational domain on the pressure drop was also carried out, in order to determine the smaller size of the geometric model of the filter medium. According to the results, the pressure drop tends to become stable with the increasing of the domain, since the solid fraction is more accurate. This stabilization occurs with better agreement when the ramdon alocation of the fibers are used to distribute the fibers inside the filter medium.Diversos estudos vêm sendo realizados com o intuito de encontrar o melhor ponto de operação para os meios filtrantes, nos quais a modelagem e simulação vêm se tornando grandes aliadas. Neste trabalho, foi desenvolvido um código para a construção de modelos geométricos de meios filtrantes para serem, posteriormente, utilizados em simulações numéricas, a partir de dados obtidos por análises estatísticas e de imagens de microscopia. Duas abordagens (distribuições aleatória e uniforme) foram utilizadas para a alocação das fibras no interior das fronteiras do meio filtrante. A biblioteca OpenLB, que utiliza o método mesoscópico de lattice Boltzmann, baseado na teoria cinética dos gases, foi utilizada para o cálculo do escoamento do gás e estimativa da queda de pressão através do meio filtrante. A condição de contorno de escorregamento livre foi implementada no código OpenLB, por uma abordagem mesoscópica da reflexão especular das funções de distribuição, e então aplicada na superfície das fibras, com a finalidade de representar um escoamento em regime de escorregamento. A condição de contorno proposta foi verificada em escoamentos confinados no interior de um duto e ao redor de obstáculos, de forma que os dados foram comparados com resultados obtidos por simulações em escala macroscópica, realizadas no pacote comercial ANSYS Fluent, o qual resolve numericamente as equações de Navier-Stokes, e também com dados da literatura. Nas simulações em meios filtrantes, as condições de contorno de escorregamento livre e de não-escorregamento foram aplicadas nas superfícies das fibras, e os resultados numéricos das quedas de pressão de três meios filtrantes foram comparados com dados experimentais. Uma melhor concordância entre os dados numéricos e experimentais foi observada quando a condição de escorregamento livre foi empregada. Isso evidencia a necessidade de se utilizar a condição de contorno adequada em casos de escoamentos com número de Knudsen consideravelmente alto. Além disso, uma análise da influência do tamanho do domínio computacional sobre a queda de pressão também foi realizada, com o objetivo de determinar a menor dimensão capaz de representar de forma fiel o modelo geométrico do meio filtrante. De acordo com os resultados, há uma tendência na estabilização da queda de pressão com o aumento do domínio, uma vez que a fração de sólidos é calculada com maior precisão. Esta estabilização ocorre em melhor acordo quando a aleatoriedade é utilizada para a distribuição de fibras no meio filtrante.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 200932/2015-2CNPq: 141773/2014-6porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarMétodo de lattice BoltzmannCondição de contorno de escorregamentoModelos geométricos de meios filtrantesLattice Boltzmann methodFree slip boundary conditionGeometric model for filter mediaENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAAplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamentoApplication of lattice Boltzmann method in the simulation of filter media : implementation of codes to generate calculation domain and slip boundary conditioinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisOnline600600ad966bd7-9d47-4f1b-9732-0ad2f0578e62info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81957https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/3/license.txtae0398b6f8b235e40ad82cba6c50031dMD53ORIGINALAUGUSTO_Liliana_2018.pdfAUGUSTO_Liliana_2018.pdfapplication/pdf8899870https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/4/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf62d7b1ff882e3ad58a45e005001b75baMD54TEXTAUGUSTO_Liliana_2018.pdf.txtAUGUSTO_Liliana_2018.pdf.txtExtracted texttext/plain265567https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/5/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf.txt7c22aec313aa80b5cde58df0e06c6a61MD55THUMBNAILAUGUSTO_Liliana_2018.pdf.jpgAUGUSTO_Liliana_2018.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8062https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/6/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf.jpgcfd54eb3616e246c48994acb6464e367MD56ufscar/97412023-09-18 18:31:42.457oai:repositorio.ufscar.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:31:42Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Application of lattice Boltzmann method in the simulation of filter media : implementation of codes to generate calculation domain and slip boundary conditio
title Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
spellingShingle Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
Augusto, Liliana de Luca Xavier
Método de lattice Boltzmann
Condição de contorno de escorregamento
Modelos geométricos de meios filtrantes
Lattice Boltzmann method
Free slip boundary condition
Geometric model for filter media
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
title_short Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
title_full Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
title_fullStr Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
title_full_unstemmed Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
title_sort Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento
author Augusto, Liliana de Luca Xavier
author_facet Augusto, Liliana de Luca Xavier
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/6049769741255261
dc.contributor.author.fl_str_mv Augusto, Liliana de Luca Xavier
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Lopes, Gabriela Cantarelli
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5680967191791061
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Gonçalves, José Antônio Silveira
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0337997526924402
dc.contributor.authorID.fl_str_mv 5ad8879f-43b3-4425-bf18-75eb1bb26bc2
contributor_str_mv Lopes, Gabriela Cantarelli
Gonçalves, José Antônio Silveira
dc.subject.por.fl_str_mv Método de lattice Boltzmann
Condição de contorno de escorregamento
Modelos geométricos de meios filtrantes
topic Método de lattice Boltzmann
Condição de contorno de escorregamento
Modelos geométricos de meios filtrantes
Lattice Boltzmann method
Free slip boundary condition
Geometric model for filter media
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.eng.fl_str_mv Lattice Boltzmann method
Free slip boundary condition
Geometric model for filter media
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
description Many studies have been carried out to find the best operating point for filter media, and the mathematical modeling and simulation are becoming a important tool. In this work, a code was built to generate geometric models for filter media from data obtained by statistical analysis and microscopic images, to be used in simulations. Two different approaches (random and uniform distributions) were used to alocate the fiber inside the limits of the filter medium. The OpenLB library, which uses the mesoscopic approach lattice Boltzmann method based on kinetic of gases, was used to calculate the gas flow and estimate the pressure drop through the filter medium. A free slip boundary condition was implemented in OpenLB code, using the mesoscopic approach of specular reflection of the distribution functions. This boundary condition was then applied on the fibers surfaces, with the purpose of correctly represent the slip flow regime. The free slip boundary condition was verificated by simulating flows in confined duct and around obstacles, and the results were compared with data obtained by macroscopic simulations carried out on the commercial package ANSYS Fluent, which solves Navier-Stokes equations, and also with data found in literature. In filter media simulations, the free slip and no-slip boundary conditions were applied on the fibers surfaces and the numerical results of three types of filter media were then compared to experimental data. A better agreement between numerical and experimental data was observed if the free slip boundary condition was used. This confirms the need to consider the proper boundary condition in flows with high Knudsen number. Moreover, an analysis of the influence of the size of the computational domain on the pressure drop was also carried out, in order to determine the smaller size of the geometric model of the filter medium. According to the results, the pressure drop tends to become stable with the increasing of the domain, since the solid fraction is more accurate. This stabilization occurs with better agreement when the ramdon alocation of the fibers are used to distribute the fibers inside the filter medium.
publishDate 2018
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2018-04-12T23:31:47Z
dc.date.available.fl_str_mv 2018-04-12T23:31:47Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2018-03-19
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv AUGUSTO, Liliana de Luca Xavier. Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741
identifier_str_mv AUGUSTO, Liliana de Luca Xavier. Aplicação do método de lattice Boltzmann na simulação de meios filtrantes : implementação de códigos para geração do domínio de cálculo e condição de contorno de escorregamento. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9741
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv ad966bd7-9d47-4f1b-9732-0ad2f0578e62
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/3/license.txt
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/4/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/5/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf.txt
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/9741/6/AUGUSTO_Liliana_2018.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv ae0398b6f8b235e40ad82cba6c50031d
62d7b1ff882e3ad58a45e005001b75ba
7c22aec313aa80b5cde58df0e06c6a61
cfd54eb3616e246c48994acb6464e367
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1802136338544197632