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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24496| Título: | Lattice Boltzmann method for direct numerical simulation of viscoplastic turbulent flow |
| Título(s) alternativo(s): | Método dos retículos de Boltzmann para simulação numérica direta de escoamento viscoplástico turbulento |
| Autor(es): | Souza, Alan Lugarini de |
| Orientador(es): | Franco, Admilson Teixeira |
| Palavras-chave: | 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 |
| Data do documento: | 18-Dez-2020 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | SOUZA, Alan Lugarini de. Método dos retículos de Boltzmann para simulação numérica direta de escoamento viscoplástico turbulento. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020. |
| Resumo: | 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. |
| Abstract: | Turbulent flows of viscoplastic fluids are present in a number of industrial applications. However, the development of simulation methods and models for non-Newtonian turbulence are still in its early days. In this thesis, a numerical scheme based on lattice Boltzmann method (LBM) was developed for viscoplastic fluid flows. Then, this scheme was used in direct numerical simulations of viscoplastic turbulent channel flow. A complete numerical methodology for Bingham fluid flow was formulated, as well as the Chapman-Enskog expansion for the demonstration of its macroscopic equivalence. The use of regularization of ghost moments has resulted in remarkably stable simulations, at very low or high relaxation frequencies. A great characteristic of LBM is the possibility of representing infinite viscosity by setting the relaxation frequency to zero. This enables the representation of the Bingham constitutive equation without artifacts. Steady-state and transient benchmark cases were solved in order to validate the present LB scheme. For the turbulent channel flow with Bingham fluid, the friction Reynolds number was fixed at 180, while the Bingham number varied from 0 (Newtonian) to 0.15. It is shown that unyielded portions of material travel along with the flow around the centerline. Unlike some studies suggested, these unyielded spots do not disappear quickly, but rather have a significant life-time. Another interesting outcome is that the yield stress has the effect on increasing the turbulence anisotropy, by making the spanwise and normal velocity fluctuations lower, while the streamwise component increases. In general, the direct numerical results achieved by LBM were very similar to those obtained by other numerical methods. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24496 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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