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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322
Título: | Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley |
Título(s) alternativo(s): | Large-eddy simulation and under-resolved direct numerical simulation of turbulent flow of Herschel-Bulkley fluids |
Autor(es): | Basso, Felipe Oliveira |
Orientador(es): | Franco, Admilson Teixeira |
Palavras-chave: | Fluidos não-newtonianos Métodos de simulação Viscosidade Fluxo viscoso Turbulência Dinâmica dos fluidos Fluidodinâmica computacional Non-Newtonian fluids Simulation methods Viscosity Viscous flow Turbulence Fluid dynamics Computational fluid dynamics |
Data do documento: | 1-Jul-2022 |
Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
Câmpus: | Curitiba |
Citação: | BASSO, Felipe Oliveira. Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
Resumo: | Escoamentos turbulentos de fluidos não newtonianos com o modelo Herschel-Bulkley são encontrados em várias aplicações de engenharia, por exemplo, fluidos de perfuração, lamas de mineração e soluções de polímeros. No entanto, estudos sobre simulações de grandes escalas (LES) envolvendo esse tipo de fluido são escassos. O presente trabalho visa contribuir para este debate. A primeira parte da tese se concentra na avaliação da abordagem LES na previsão das características de escoamento de fluidos Herschel-Bulkley. A metodologia numérica é comparada com dados de referência da literatura. Dois modelos de sub-malha (SGS) são considerados: Dynamic Smagorinsky e Wall Adapting Local Eddy-viscosity (WALE). Além disso, simulações numéricas direta sub-resolvidas (UDNS) também são realizadas. Em seguida, o método de solução é utilizado para analisar o escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley através de uma seção anular concêntrica com rotação interna do cilindro em ReG ≈ 9, 000. A influência do índice de comportamento do escoamento (n = 0.65, 0.70 e 0.75), número de Bingham (Bn = 0.10, 0.25 e 0.40), e a taxa de rotação (N = 0.15 e 0.30) nas características de escoamento são exploradas. As quantidades de escoamento instantâneo, incluindo contornos da velocidade axial e viscosidade, estruturas de vórtices, estatísticas de turbulência de primeira e segunda ordem e características do escoamento médio, como perfis viscosidade, energia cinética turbulenta, gradiente de pressão e fator de atrito são investigados. Os resultados mostram que estruturas turbulentas mais fracas são geradas à medida que o valor de n é reduzido e o número de Bingham elevado. Aumentar a taxa de rotação aumenta as magnitudes das estatísticas turbulentas e torna os níveis de flutuações de velocidade mais assimétricos. Demonstra-se também que as previsões obtidas com os modelos SGS e UDNS não apresentam diferenças significativas. |
Abstract: | The Herschel-Bulkley model’s turbulent flows of non-Newtonian fluids are encountered in several engineering applications, e.g. drilling fluids, mining slurries, and polymer solutions. However, studies regarding Large Eddy Simulations (LES) involving this type of fluid are scarce. The present work aims to contribute to this issue. The first part of the thesis focuses on evaluating the LES approach in predicting the flow features of Herschel-Bulkley fluids. The numerical methodology is compared against literature reference data. Two subgrid-scale (SGS) models are considered: Dynamic Smagorinsky and Wall Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) models. Additionally, under-resolved direct numerical simulations (UDNS) are also performed. Following that, the solution method is used to analyze the turbulent flow of Herschel-Bulkley fluids through a concentric annular section with inner cylinder rotation at ReG ≈ 9, 000. The influence of the flow behavior index (n = 0.65, 0.70 and 0.75), the Bingham number (Bn = 0.10, 0.25 and 0.40), and the rotation rate (N = 0.15 and 0.30) on the flow characteristics are explored. The instantaneous flow quantities, including contours of the axial velocity and viscosity, vortex structures, the first- and second-order turbulence statistics, and mean flow features, such as mean viscosity profiles, mean turbulence kinetic energy, pressure gradient, and friction factor are investigated. The results show that weaker turbulent structures are generated as the n value is reduced and the Bingham number increases. Raising the rotation rate enhances the magnitudes of turbulent statistics and makes the levels of velocity fluctuations more asymmetrical. It is also demonstrated that predictions obtained with the SGS models and the UDNS do not present significant differences. |
URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322 |
Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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