Desenvolvimento de um modelo do método de lattice Boltzmann do campo de fases para a simulação da mudança de fase líquido-gás térmica para aplicações de engenharia

Resumo

A ebulição e os mecanismos de transferência de calor envolvidos no processo tem recebido grande atenção desde o século passado. Isto se deve a elevada capacidade de transferência de calor relacionado à mudança de fase térmica líquido-gás, tornando este processo extremamente útil para o desenvolvimento de sistemas de refrigeração e de geração de potência. Entretanto, devido a sua complexidade o fenômeno ainda não é completamente compreendido. Consequentemente, diversos estudos tem sido realizados na tentativa de entender os mecanismos físicos envolvidos e a influência de alguns parâmetros tais como características de superfícies ou propriedades dos fluidos. Assim, o presente projeto propõe o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação baseada no método de lattice Boltzmann (MLB) capaz de simular o processo de ebulição, focando na simulação da nucleação de bolhas isoladas e da ebulição em piscina em superfícies aquecidas, considerando fluidos orgânicos ou outros disponíveis na literatura. O MLB é um método mesoescala, que possui certas facilidades em relação ao métodos tradicionais para incorporar os fenômenos físicos que ocorrem em sistemas multifásicos. Isto inclui a dinâmica de movimento das interfaces, o colapso e separação de bolhas, as interações entre o fluido e a superfície sólida e a incorporação de forças atuantes no sistema. Primeiramente, será realizado um estudo crítico dos diversos modelos do MLB para sistemas bifásicos líquido-gás, focando nos modelos do campo de fases. Estes modelos tem apresentado bom desempenho na simulação de sistemas com elevadas razões de densidade e viscosidade, frequentemente encontrado em aplicações reais. Na sequência, será desenvolvido um novo modelo do MLB para simulação de fenômenos de mudança de fase líquido-gás térmicos. O modelo será testado inicialmente com a solução de problemas tradicionais, sendo posteriormente empregado na simulação dos problemas reais desejados, que envolvem a nucleação de bolhas isoladas e a ebulição em piscina numa superfície aquecida. Um estudo experimental também será realizado durante um estágio de pesquisa (BEPE) na Universidade da Coruña, visando a obtenção de dados experimentais para a comparação e validação das soluções numéricas propiciadas pelo novo modelo desenvolvido. Dados experimentais da literatura aberta também serão empregados para a mesma finalidade. A realização do projeto proposto permitirá a obtenção de uma ferramental de simulação de grande utilidade para as pesquisas científicas na área pretendida, assim como a consolidação do grupo de pesquisa. (AU)