Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley

• Autor(a) principal: Basso, Felipe Oliveira
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA; Fluidos não-newtonianos; Métodos de simulação; Viscosidade; Fluxo viscoso; Turbulência; Dinâmica dos fluidos; Fluidodinâmica computacional; Non-Newtonian fluids; Simulation methods; Viscosity; Viscous flow; Turbulence; Fluid dynamics; Computational fluid dynamics; Engenharia Mecânica

Escoamentos turbulentos de fluidos não newtonianos com o modelo Herschel-Bulkley são encontrados em várias aplicações de engenharia, por exemplo, fluidos de perfuração, lamas de mineração e soluções de polímeros. No entanto, estudos sobre simulações de grandes escalas (LES) envolvendo esse tipo de fluido são escassos. O presente trabalho visa contribuir para este debate. A primeira parte da tese se concentra na avaliação da abordagem LES na previsão das características de escoamento de fluidos Herschel-Bulkley. A metodologia numérica é comparada com dados de referência da literatura. Dois modelos de sub-malha (SGS) são considerados: Dynamic Smagorinsky e Wall Adapting Local Eddy-viscosity (WALE). Além disso, simulações numéricas direta sub-resolvidas (UDNS) também são realizadas. Em seguida, o método de solução é utilizado para analisar o escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley através de uma seção anular concêntrica com rotação interna do cilindro em ReG ≈ 9, 000. A influência do índice de comportamento do escoamento (n = 0.65, 0.70 e 0.75), número de Bingham (Bn = 0.10, 0.25 e 0.40), e a taxa de rotação (N = 0.15 e 0.30) nas características de escoamento são exploradas. As quantidades de escoamento instantâneo, incluindo contornos da velocidade axial e viscosidade, estruturas de vórtices, estatísticas de turbulência de primeira e segunda ordem e características do escoamento médio, como perfis viscosidade, energia cinética turbulenta, gradiente de pressão e fator de atrito são investigados. Os resultados mostram que estruturas turbulentas mais fracas são geradas à medida que o valor de n é reduzido e o número de Bingham elevado. Aumentar a taxa de rotação aumenta as magnitudes das estatísticas turbulentas e torna os níveis de flutuações de velocidade mais assimétricos. Demonstra-se também que as previsões obtidas com os modelos SGS e UDNS não apresentam diferenças significativas.