Método de Boltzmann em rede do pseudopotencial: estudo sobre suas extensões, aplicação e viabilidade para simulações vapor-líquido

• Autor(a) principal: Mapelli, Vinícius Pessôa
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18164/tde-09022024-093422/
• topic: lattice Boltzmann method; método de Boltzmann em rede; método dos pseudopotenciais; pseudopotential method; simulações vapor-líquido; vapor-liquid simulation

Neste trabalho, o foco principal é o uso do método de Boltzmann em rede (LBM) com o método do pseudopotencial para simulações bidimensionais vapor-líquido com e sem mudança de fase. Através de uma extensa revisão bibliográfica, nota-se grandes avanços no método, em quesitos como estabilidade, a consistência termodinâmica e controle de tensão superficial. No entanto, ainda existem pontos importantes que carecem discussões. Sendo assim, o objetivo do trabalho presente é, além de analisar e empregar técnicas da literatura do método do pseudopotencial, também contribuir, através de desenvolvimentos teóricos e numéricos, para melhor compreender pontos importantes ainda pouco discutidos como a convergência de resultados entre malhas. Por incluir um novo comportamento no tensor de pressão macroscópico através de uma força pseudopotencial, a estabilidade e convergência numérica do LBM precisam ter um equilíbrio de vários fatores e não somente aumentar o número de pontos. No trabalho presente, em um primeiro momento, investigou-se as diferentes técnicas de aprimoramento do método do pseudopotencial, realizando estudos teóricos e numéricos com simulações benchmark, a fim de formalizar um conjunto de ferramentas para prosseguir com as simulações de ebulição. Em seguida, com esse conjunto estabelecido, juntamente com o uso diferenças finitas para a evolução do campo de temperatura, uma metodologia de refinamento de malha é proposta e aplicada em problemas de referência e na ebulição em piscina bidimensional. Em seguida, o procedimento de refinamento foi confrontado com recentes proposições da literatura de conversão consistente entre as unidades de rede e unidades físicas. Com os resultados, foi possível observar um comportamento convergente entre as malhas para os problemas de referência. No entanto, o problema de Stefan e a ebulição bidimensional mostraram que essa convergência é afetada pela compressibilidade do fluido estudado, além de sofrer influências também do modelo de molhabilidade empregado. A metodologia de refinamento do trabalho presente é coerente com as proposições recentes da literatura de conversão de unidades físicas e de rede. Com os parâmetros comumente empregados na literatura, mostrou-se que a simulação de um sistema físico de tamanho razoável seria inviável, em tempo computacional necessário. Um estudo paramétrico mostra que seria possível reduzir consideravelmente uma simulação de um sistema físico real a ponto de torná-lo viável. No entanto, os limites foram testados teoreticamente, sendo ainda necessário um estudo numérico mais profundos para comprovar a viabilidade do método em simulações de sistemas físicos reais.