Direct numerical simulation of spheroidal particle settling in viscoplastic fluid using Lattice-Boltzmann method

• Autor(a) principal: Romanus, Rodrigo Saldanha
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Dissertação
• 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/1/23561
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS; Método Lattice Boltzmann; Dinâmica da partícula; Dinâmica da partícula; Dinâmica da partícula; Materiais viscoelásticos; Fluidos não-newtonianos; Lattice Boltzmann methods; Dynamics of a particle; Viscoelastic materials; Non-Newtonian fluids; Engenharia Mecânica

Neste documento, é apresentado um estudo numérico da sedimentação de uma partícula elipsoidal em fluido quiescente Newtoniano e viscoplástico. A pesquisa é motivada por seus aspectos teóricos e aplicações industriais, tais como o transporte de sedimentos no setor de exploração de petróleo. Para números de Reynolds moderados a altos, um objeto sob a ação da gravidade requer uma distancia considerável para atingir um regime periódico ou estatisticamente permanente, o que implica em restrições do tamanho máximo do domínio em simulações numéricas diretas (DNS) para essa classe de escoamento, devido a limitações de memória. Algumas alternativas, tais como técnicas de reposicionamento do domínio, permitem simulações em domínios sem fronteiras e são encontradas em métodos espectrais e de diferenças finitas. Por questões de localidade, a utilização do método lattice Boltzmann (LBM) para DNS tem se popularizado cada vez mais. O presente trabalho apresenta uma metodologia de realocação de fronteiras desenvolvida para o LBM que permite simular uma partícula se deslocando em um meio virtualmente infinito. O principio do método consiste no truncamento do domínio do escoamento e realocação das fronteiras, transferindo-as para nós exteriores ao domínio de simulação. O método da fronteira imersa (IBM) é adotado para descrição da interação sólido-líquido. Ao longo do texto, a metodologia para confecção de malhas elipsoidais é detalhada e uma releitura da estratégia de Suzuki e Inamuro (2011) para compensação da massa interna de fluido é desenvolvida. O modelo do fluido de Bingham é então adaptado para o LBM com a adequação apropriada do método de relocação das fronteiras. O algoritmo é então avaliado sequencialmente para cada um de seus recursos, apresentando boa concordância com soluções analíticas e resultados disponíveis na literatura. Também são evidenciadas melhorias nos resultados de acordo com a resolução adotada para o domínio computacional. Foi então realizada investigação da sedimentação de esferoides oblatos em fluido Newtoniano, sendo identificados diversos padrões de movimento. Por fim, foi conduzida uma analise da sedimentação de elipsoides em fluido viscoplástico, na qual foram identificadas influencias de forma e que, para um elipsoide inclinado, o aumento do número de Bingham pode levar à constrição e até mesmo à inversão do sentido de rotação da partícula.