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

• Processo: 23/02383-6
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2023
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2028
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Fenômenos de Transportes
• Pesquisador responsável: Luben Cabezas Gómez
• Beneficiário: Ivan Talão Martins
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 16/09509-1 - Processos de transferência de calor com mudança de fase de elevado desempenho aplicados ao aproveitamento de energia solar, AP.TEM
• Bolsa(s) vinculada(s): 24/21322-0 - Estudo experimental da nucleação de bolhas isoladas e da ebulição em superfícies quentes, BE.EP.DD
• Assunto(s): Simulação numérica Escoamento multifásico Mudança de fase Método de Lattice-Boltzmann
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: escoamentos multifásicos | Método de Lattice Boltzmann | modelo do campo de fases | Mudança de fase liquido-gás térmica | Simulação Numérica | Teoria da energia livre | Simulação de processos de mudança de fase líquido-gás térmicos com o método de lattice Boltzmann

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)

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

MARTINS, I. T.; GOMEZ, L. CABEZAS; ALVARINO, P. FARINAS. Parametric investigation of Rayleigh-Taylor instability under experimental conditions with the lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, v. 37, n. 2, p. 14-pg., 2025-02-01. (22/15765-1, 23/02383-6)

MATSUDA, VINICIUS AKYO; MARTINS, IVAN TALAO; MOREIRA, DEBORA CARNEIRO; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN; BANDARRA FILHO, ENIO PEDONE. A Modified Enthalpic Lattice Boltzmann Method for Simulating Conjugate Heat Transfer Problems in Non-Homogeneous Media. INVENTIONS, v. 9, n. 3, p. 24-pg., 2024-06-01. (22/15765-1, 23/02383-6, 22/12257-5)

MARTINS, IVAN TALAO; MATSUDA, VINICIUS AKYO; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN. A new Neumann boundary condition scheme for the thermal lattice Boltzmann method. INTERNATIONAL COMMUNICATIONS IN HEAT AND MASS TRANSFER, v. 156, p. 19-pg., 2024-06-12. (22/12257-5, 23/02383-6, 16/09509-1, 22/15765-1)

CZELUSNIAK, LUIZ EDUARDO; MARTINS, IVAN TALAO; GOMEZ, LUBEN CABEZAS; BULGARELLI, NATAN AUGUSTO VIEIRA; VERDE, WILLIAM MONTE; DE CASTRO, MARCELO SOUZA. Fundamental comparison between the pseudopotential and the free energy lattice Boltzmann methods. PHYSICA A-STATISTICAL MECHANICS AND ITS APPLICATIONS, v. 660, p. 17-pg., 2025-01-22. (23/02383-6, 17/15736-3, 22/08305-4)

MARTINS, IVAN T.; ALVARINO, PABLO F.; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN. Lattice Boltzmann method for simulating transport phenomena avoiding the use of lattice units. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. 46, n. 6, p. 28-pg., 2024-06-01. (23/02383-6, 19/21022-9, 16/09509-1)

MARTINS, IVAN TALAO; ALVARINO, PABLO FARINAS; CABEZAS-GOMEZ, LUBEN. A new methodology for experimental analysis of single-cavity bubble's nucleation, growth and detachment in saturated HFE-7100. EXPERIMENTAL THERMAL AND FLUID SCIENCE, v. 159, p. 18-pg., 2024-08-02. (23/02383-6, 19/21022-9, 16/09509-1, 21/14338-0)