Numerical Simulation of the Restart Flow of Thixotropic Elastoviscoplastic Materials in Contractions and Expansions Geometries Using OpenFoam
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41511 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.619 |
Resumo: | A modelagem de materiais tixo-elastoviscoplásticos (TEVP) apresentou avanços importantes nos últimos anos, e mais estudos numéricos são necessários para validar esses modelos. A maioria das simulações numéricas encontradas na literatura consideram apenas um ou dois comportamentos reológicos, dificultando assim uma análise mais profunda sobre como as três principais classes de comportamentos reológicos interagem entre si. Um exemplo de aplicação de um material TEVP é a operação de reinício de escoamento de um duto preenchido por um óleo parafínico gelificado, onde cristais de parafina são depositados, alterando o comportamento reológico do escoamento. Além da complexidade do material, a operação de reinício é por definição uma operação em regime transiente, o que aumenta as dificuldades para a simulação numérica. O presente trabalho apresenta uma ferramenta open-source capaz de simular escoamentos de reinício de materiais TEVP, analisando como o comportamento reológico influencia os parâmetros do escoamento, tais como o campo de velocidade, o campo de fluidez e o tempo para atingir o regime permanente. As geometrias adotadas são a contração planar 4:1 e a expansão planar 1:4, e o escoamento é considerado incompressível e isotérmico. No início da simulação, o material é considerado como completamente estruturado, em repouso e sem qualquer esforço interno. Então, é imposto um gradiente de pressão entre a entrada e a saída, acelerando o escoamento e quebrando a estrutura interna do material. As simulações foram executadas até que o escoamento seja considerado em regime permanente. Os resultados são apresentados em termos do campo de tensão adimensional, o campo de fluidez normalizado, o campo de velocidades adimensional, e a evolução temporal da velocidade e da fluidez de alguns pontos específicos do domínio. Os efeitos da viscoelasticidade, do tempo de avalanche, do tempo de construção e do gradiente de pressão adimensional imposto são discutidos individualmente enquanto os outros parâmetros são mantidos constantes. Os resultados destacam a importância de considerar todos os três comportamentos reológicos simultaneamente: o transporte advectivo do material desestruturado possibilitou que o escoamento apresente regiões com fluxo ativo mesmo com a tensão local inferior à sua tensão de escoamento, por exemplo. O aumento da viscoelasticidade aumentou a aceleração no início do escoamento, mas o escoamento em regime permanente mostrou-se independente do número de Deborah. |
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Numerical Simulation of the Restart Flow of Thixotropic Elastoviscoplastic Materials in Contractions and Expansions Geometries Using OpenFoamSimulação Numérica da Operação de Reinicialização do escoamento de Materiais Tixo-Elastoviscoplásticos em Geometrias de Contração e Expansão Utilizando software OpenFOAMPlanar expansionExpansão planarPlanar contractionContração planarThixotropyTixotropiaTEVP materialMaterial TEVPCNPQ::ENGENHARIASODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.A modelagem de materiais tixo-elastoviscoplásticos (TEVP) apresentou avanços importantes nos últimos anos, e mais estudos numéricos são necessários para validar esses modelos. A maioria das simulações numéricas encontradas na literatura consideram apenas um ou dois comportamentos reológicos, dificultando assim uma análise mais profunda sobre como as três principais classes de comportamentos reológicos interagem entre si. Um exemplo de aplicação de um material TEVP é a operação de reinício de escoamento de um duto preenchido por um óleo parafínico gelificado, onde cristais de parafina são depositados, alterando o comportamento reológico do escoamento. Além da complexidade do material, a operação de reinício é por definição uma operação em regime transiente, o que aumenta as dificuldades para a simulação numérica. O presente trabalho apresenta uma ferramenta open-source capaz de simular escoamentos de reinício de materiais TEVP, analisando como o comportamento reológico influencia os parâmetros do escoamento, tais como o campo de velocidade, o campo de fluidez e o tempo para atingir o regime permanente. As geometrias adotadas são a contração planar 4:1 e a expansão planar 1:4, e o escoamento é considerado incompressível e isotérmico. No início da simulação, o material é considerado como completamente estruturado, em repouso e sem qualquer esforço interno. Então, é imposto um gradiente de pressão entre a entrada e a saída, acelerando o escoamento e quebrando a estrutura interna do material. As simulações foram executadas até que o escoamento seja considerado em regime permanente. Os resultados são apresentados em termos do campo de tensão adimensional, o campo de fluidez normalizado, o campo de velocidades adimensional, e a evolução temporal da velocidade e da fluidez de alguns pontos específicos do domínio. Os efeitos da viscoelasticidade, do tempo de avalanche, do tempo de construção e do gradiente de pressão adimensional imposto são discutidos individualmente enquanto os outros parâmetros são mantidos constantes. Os resultados destacam a importância de considerar todos os três comportamentos reológicos simultaneamente: o transporte advectivo do material desestruturado possibilitou que o escoamento apresente regiões com fluxo ativo mesmo com a tensão local inferior à sua tensão de escoamento, por exemplo. O aumento da viscoelasticidade aumentou a aceleração no início do escoamento, mas o escoamento em regime permanente mostrou-se independente do número de Deborah.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoTese (Doutorado)The modelling of thixotropic elastoviscoplastic (TEVP) materials has made important advances in recent years, and more numerical studies are needed to validate these models. The majority of the numerical simulations found in the literature consider only one or two rheological behaviours, making it impossible to have a deeper discussion about the interaction between all three main classes of rheological behaviours. An example of the application of a TEVP material flow is the restart operation of a gelled waxy oil, where paraffin crystals are deposited, altering the rheological behaviour of the flow. In addition to the TEVP behaviour of the gelled oil, the transient nature of the restart operation increases the complexity of the flow. The present work presents an open-source tool capable of simulating TEVP materials at restart flows, analyzing how this behaviour influences the flow parameters, such as the flow velocity, the fluidity field and the time to achieve the developed flow. The adopted geometries are the 4:1 planar contraction and the 1:4 planar expansion, and the flow is considered incompressible and isothermal. At the beginning of the simulation, the flow is assumed to be fully structured, at rest, and without any internal effort. Then, a pressure gradient between the inlet and the outlet is imposed, accelerating the flow and breaking the internal structure of the material. The simulations were performed until the flow was considered at a steady-state. The results are presented in terms of the dimensionless stress field, the normalized fluidity field, the dimensionless velocities, and the time evolution of the velocity and the fluidity of some specific points of the domain. The effects of the viscoelasticity, the avalanche time, the construction time and the dimensionless imposed pressure gradient are discussed individually while the other parameters are kept constant. The results highlight the importance of considering all three rheological behaviours simultaneously: the advective transport of the unstructured material made it possible to have regions with active flow and stress lower than its yield stress, for example. Increasing the viscoelasticity increased the acceleration at the beginning of the flow, but the steady-state flow showed itself independent of the Deborah number.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaSantos, Daniel Dall'Onder doshttp://lattes.cnpq.br/7847006276264872Andrade, Diogo Elias da Vinhahttp://lattes.cnpq.br/5726562903368886Vedovotto, João Marcelohttp://lattes.cnpq.br/5630598971511798Souza, Francisco José dehttp://lattes.cnpq.br/1257320066520278Zinani, Flávia Schwarz Franceschinihttp://lattes.cnpq.br/8732272690265023Miranda, Luiz Paulo Borges2024-06-18T14:52:54Z2024-06-18T14:52:54Z2023-12-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMIRANDA, Luiz Paulo Borges. Numerical Simulation of the Restart Flow of Thixotropic Elastoviscoplastic Materials in Contractions and Expansions Geometries Using OpenFoam. 2024. 122 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.619.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41511http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.619enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-07-22T19:23:46Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/41511Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-07-22T19:23:46Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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A modelagem de materiais tixo-elastoviscoplásticos (TEVP) apresentou avanços importantes nos últimos anos, e mais estudos numéricos são necessários para validar esses modelos. A maioria das simulações numéricas encontradas na literatura consideram apenas um ou dois comportamentos reológicos, dificultando assim uma análise mais profunda sobre como as três principais classes de comportamentos reológicos interagem entre si. Um exemplo de aplicação de um material TEVP é a operação de reinício de escoamento de um duto preenchido por um óleo parafínico gelificado, onde cristais de parafina são depositados, alterando o comportamento reológico do escoamento. Além da complexidade do material, a operação de reinício é por definição uma operação em regime transiente, o que aumenta as dificuldades para a simulação numérica. O presente trabalho apresenta uma ferramenta open-source capaz de simular escoamentos de reinício de materiais TEVP, analisando como o comportamento reológico influencia os parâmetros do escoamento, tais como o campo de velocidade, o campo de fluidez e o tempo para atingir o regime permanente. As geometrias adotadas são a contração planar 4:1 e a expansão planar 1:4, e o escoamento é considerado incompressível e isotérmico. No início da simulação, o material é considerado como completamente estruturado, em repouso e sem qualquer esforço interno. Então, é imposto um gradiente de pressão entre a entrada e a saída, acelerando o escoamento e quebrando a estrutura interna do material. As simulações foram executadas até que o escoamento seja considerado em regime permanente. Os resultados são apresentados em termos do campo de tensão adimensional, o campo de fluidez normalizado, o campo de velocidades adimensional, e a evolução temporal da velocidade e da fluidez de alguns pontos específicos do domínio. Os efeitos da viscoelasticidade, do tempo de avalanche, do tempo de construção e do gradiente de pressão adimensional imposto são discutidos individualmente enquanto os outros parâmetros são mantidos constantes. Os resultados destacam a importância de considerar todos os três comportamentos reológicos simultaneamente: o transporte advectivo do material desestruturado possibilitou que o escoamento apresente regiões com fluxo ativo mesmo com a tensão local inferior à sua tensão de escoamento, por exemplo. O aumento da viscoelasticidade aumentou a aceleração no início do escoamento, mas o escoamento em regime permanente mostrou-se independente do número de Deborah. |
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