Solução numérica de escoamentos termofluidodinâmicos bidimensionais laminares pelo método de Lattice-Boltzmann

• Autor(a) principal: Mapelli, Vinícius Pessôa
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18147/tde-27082019-231811/
• topic: Convecção forçada; Convecção natural; Forced convection; Lattice-Boltzmann Method; Método de Lattice-Boltzmann; Natural Convection; Numerical Simulation; Simulação numérica

O método de Lattice-Boltzmann (MLB) vem ganhando destaque nas últimas décadas pela sua capacidade de solução de escoamentos complexos como escoamentos multifásicos e multicomponentes, meios porosos e magnetohidrodinâmicos. Também existem extensões do método para a solução de problemas de advecção-difusão, que permitem acoplamento dessa metodologia para a solução numérica do conjunto de equação Navier-Stokes-Fourier. No trabalho presente, os objetivos iniciais podem ser resumidos no estudo dos conceitos básicos necessários para entender a derivação do método a partir da teoria cinética e estudo do método de Lattice Boltzmann, com operador de colisão mais simples conhecido como operador BGK, para problemas bidimensionais térmicos e fluidodinâmicos. A implementação numérica do método foi realizada em linguagem C, Matlab e CUDA C, com foco na solução de cinco problemas incompressíveis e laminares em regime permanente, conhecidos na literatura: equação viscosa de Burgers, escoamento de Poiseuille com transferência de calor, convecção natural em uma cavidade quadrada, regimes de convecção natural, forçada e mista em uma cavidade com uma das fronteiras móvel, e por fim, convecção forçada em uma cavidade ventilada, com uma entrada e uma saída. Além disso, um pequeno estudo no tempo computacional utilizando três implementações distintas foram testadas: implementação em série, uso de interpolações entre malhas grosseiras como condição inicial para malhas mais refinadas, e por fim, a adição da implementação do código em paralelo. Os ganhos de tempo entre a primeira e segunda estratégia ficaram entre 1.5 e 6, ao passo que o código paralelizado mostrou-se entre 20 e 25 vezes mais rápido que a segunda estratégia testada, comprovando o benefício de utilizar o processamento em paralelo em unidades gráficas. Os resultados obtidos para os problemas foram comparados com outros trabalhos da literatura, mostrando boa concordância para os primeiros quatro problemas estudados. Para a cavidade ventilada, diferenças relativas de até 15.7% no coeficiente de troca de calor e de até 28.38% para o coeficiente de queda de pressão adimensional foram observadas. Análises a respeito dos termos de erros do método apresentado, e a utilização de outras metodologias com método de Lattice Boltzmann, como por exemplo, o emprego de outros operadores de colisão, para trazerem mais estabilidade e precisão, podem elucidar melhor as divergências observados entre o trabalho presente e outros trabalhos da literatura.