Estudo de escoamentos multifásicos líquido e gás utilizando um simulador de dinâmica de fluidos baseado em um método de partículas

Resumo

Este estudo tem como objetivo o estudo numérico dos escoamentos multifásicos gás-líquido presentes em diversas áreas da engenharia. Para isso, pretende-se em primeiro lugar capacitar um simulador numérico de dinâmica de fluidos para estudar a interação entre fluido de fases distintas. Este simulador tem sido desenvolvido ao longo de dez anos no laboratório Tanque de Provas Numérico (TPN) da Universidade de São Paulo com intensa participação do autor deste plano de pesquisa.O método em que este simulador se baseia é o Moving Particle Semi-implicit ou Moving Particle Simulator (MPS). MPS é um método de simulação numérica de escoamentos incompressíveis baseado em partículas lagrangeanas que não necessitam de malhas para descrever o domínio fluido. Este método possui vantagens sobre os métodos tradicionais baseado em malhas por não apresentar difusão numérica e pela facilidade de tratar interfaces entre os diferentes fluidos envolvidos. O caráter lagrangeano do método faz com que ele seja capaz de simular de maneira bastante simples escoamentos com superfície livre, grandes deslocamento e grandes deformações, fragmentação e junção de líquidos, escoamentos multifásicos e fenômenos multifísicos.O desenvolvimento do simulador computacional MPS/TPN foi iniciado no mestrado do proponente aplicado em problemas de hidrodinâmica não linear com efeito de superfície livre. Durante o seu doutorado, o simulador recebeu melhorias para analisar fenômeno de interação fluído-sólido, especificamente, a modelagem computacional para estudar a dinâmica dos líquidos dentro de tanques móveis parcialmente preenchidos e interagindo com objetos móveis. Neste mesmo período, foi formada uma equipe de desenvolvimento do programa que contribuíram capacitando o programa a simular efeitos de viscosidade, tensão superficial, dinâmica de sólidos rígidos e elásticos, transferência de calor, entre outros fenômenos. Entre as aplicações que o programa de simulação foi utilizado e/ou validado estão simulações com ondas de grandes amplitudes, estudo de sloshing, desenvolvimento de atenuadores de sloshing, estudo do movimento de embarcações acoplado aos efeitos de sloshing, escoamento monofásico em meios porosos, análise de misturadores, derramamento de óleo em embarcações avariadas, dam breaking, etc.Devido à flexibilidade do método computacional utilizado, as funcionalidades do simulador estão sendo estendidos para a modelagem e solução dos problemas da área de construção civil, tais como escoamento de concreto fresco e escoamentos multifásicos de esgotos prediais para estudar os efeitos da redução de consumo de água no desempenho do sistema, principalmente sobre o transporte de dejetos e capacidade autolimpante do sistema.Nesta pesquisa serão realizadas avaliações críticas das soluções de escoamento multifásicos gás-líquido existentes na literatura. Baseado nestas análises, será implementado no programa de simulação a solução mais adequada e, caso necessário, serão propostas melhorias de acordo com as necessidades desta pesquisa. Este programa será testado e validado para que possa ser aplicado na modelagem e investigação dos casos reais de sistemas de esgotos prediais. Além disso, outras aplicações, como por exemplo, o efeito de golfada em risers para transporte de óleo, água e gás em sistemas de produção offshore também serão considerados.Para resolver o problema de limitação na quantidade de partículas, serão aplicadas técnicas de processamento paralelo e de multirresolução. O programa desenvolvido já possui alguns recursos de processamento paralelo usando arquitetura de memória compartilhada e memória distribuída que podem ser melhorados. O método MPS é baseado na utilização de partículas de tamanhos iguais em todo o domínio, ou seja, ainda não existe na literatura nenhuma solução eficaz para utilizar diferentes resoluções espaciais em regiões específicas do domínio que pode ser outro campo fértil de estudo.