Simulação numéricos de escoamentos de fluidos complexos com interfaces móveis

Autor(es)

Hugo Leonardo França

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC/SB)
• Data de defesa: 2023-06-16

Membros da banca

José Alberto Cuminato; Antonio Castelo Filho; Maicon Ribeiro Correa; Anselmo Soeiro Pereira

• Orientador: José Alberto Cuminato; Cássio Machiaveli Oishi

Resumo

Escoamentos de diferentes tipos de fluidos não-newtonianos são numericamente investigados com foco em problemas complexos, como por exemplo escoamentos confinados em geometrias com singularidades e escoamentos com interfaces móveis e tensão superficial. Em geometrias confinadas, a formulação tensão natural é usada para representar o tensor tensão polimérico em escoamentos viscoelásticos. Uma maior precisão é obtida próximo a singularidades geométricas em comparação com a tradicional formulação cartesiana. Em escoamentos com interfaces móveis, um novo algoritmo baseado em aprendizado de máquina é proposto e validado para o cálculo da curvatura de interfaces Front-Tracking. Verifica-se que é possível obter resultados similares aos obtidos por abordagens mais tradicionais. A implementação viscoelástica é testada com o modelo Phan-Thien-Tanner para o problema da colisão binária de gotas. Mapas paramétricos são obtidos, classificando os resultados nas categorias bouncing, coalescência, e separação em função de números adimensionais que governam o problema. Além do espaço tradicional Newtoniano definido pelo número de Weber e o fator de impacto, também explora-se o número de Weissenberg e o parâmetro de extensibilidade PTT. Para casos sem bouncing, os resultados mostram que a tensão superficial e elasticidade mantém a integridade da gota, inibindo a separação da mesma. Por outro lado, efeitos shear-thinning induzem a separação. Deste modo, no modelo PTT existem tendências opostas associadas a elasticidade e ao shear-thinning, o que pode levar a respostas não-monotônicas. Também é estudado o espalhamento de uma gota elastoviscoplástica (EVP) sobre uma camada fina do mesmo fluido. Modelando o material EVP com o modelo de Saramito, realiza-se uma análise adimensional para entender a competição entre tensão superficial e tensão de escoamento, e como a elasticidade afeta este balanço. Observa-se que, para fluidos menos viscosos, elasticidade pode aumentar significativamente o espalhamento de uma gota, pois a tensão interna que resiste o escoamento se desenvolve mais lentamente devido ao tempo de relaxação polimérico. Este efeito é mais evidente em materiais com uma alta tensão de escoamento, o que indica que a elasticidade tem um maior impacto em sólidos elásticos do que em fluidos. Acredita-se que os resultados nesta tese podem esclarecer quanto a importância dos parâmetros elásticos em problemas industriais comuns como impressões 3D com espalhamento de gotas, ou sprays com coalescência de quebra de gotas. (AU)

• Processo FAPESP: 19/01811-9 - Simulação numérica de escoamentos de fluidos complexos com superfícies livres
• Beneficiário: Hugo Leonardo França
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado