Lattice Boltzmann method for direct numerical simulation of viscoplastic turbulent flow

• Autor(a) principal: Souza, Alan Lugarini de
• Data de Publicação: 2020
• 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/1/24496
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA; Método Lattice Boltzmann; Turbulência; Métodos de simulação; Fluidos não-newtonianos; Viscosidade; Equação de transporte de Boltzmann; Simulação (Computadores); Anisotropia; Lattice Boltzmann methods; Turbulence; Simulation methods; Non-Newtonian fluids; Viscosity; Boltzmann transport equation; Computer simulation; Anisotropy; Engenharia Mecânica

Escoamentos turbulentos de fluidos viscoplásticos estão presentes em várias aplicações industriais. No entanto, o desenvolvimento de métodos e modelos de simulação para turbulência em fluidos não Newtonianos ainda está em fase inicial. Nesta tese, um esquema numérico baseado no método dos retículos de Boltzmann (LBM) foi desenvolvido para escoamentos de fluidos viscoplásticos. Em seguida, esse esquema foi usado em simulações numéricas diretas de escoamento em canal turbulento com fluido viscoplástico. Foi formulada uma metodologia numérica completa para o escoamento do fluido de Bingham, bem como a expansão de Chapman-Enskog para a demonstração de sua equivalência macroscópica. O uso de regularização de momentos fantasmas resultou em simulações notavelmente estáveis, com frequências de relaxamento muito baixas ou altas. Uma excelente característica do LBM é a possibilidade de representar viscosidade infinita ajustando a frequência de relaxação para zero. Isso permite a representação da equação constitutiva de Bingham sem artefatos. Casos de benchmark de regimes permanente e transiente foram resolvidos a fim de validar o presente esquema LB. Para o escoamento turbulento em canal com fluido Bingham, o número de Reynolds de atrito foi fixado em 180, enquanto o número de Bingham variou de 0 (Newtoniano) a 0,15. É mostrado que porções plásticas de material são transportadas pelo escoamento ao redor da linha central. Ao contrário do que alguns estudos sugerem, essas porções plásticas não desaparecem rapidamente, mas têm uma vida útil significativa. Outro resultado interessante é que a tensão limite de escoamento tem o efeito de aumentar a anisotropia da turbulência, fazendo com que as flutuações da velocidade normal e transversal diminuam, enquanto que a componente na direção do escoamento aumenta. Em geral, os resultados numéricos diretos obtidos por LBM foram muito semelhantes aos obtidos por outros métodos numéricos.