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Mestrado - Rodrigo Saldanha Romanus

por dirppg-ct publicado 02/09/2020 08h54, última modificação 02/09/2020 08h54
Simulação numérica direta de partícula elipsoidal sedimentando em fluido viscoplastico utilizando método lattice-boltzmann
Quando
18/09/2020
de 09h00 até 12h00
(America/Sao_Paulo / UTC-300)
Onde
Esta defesa será realizada exclusivamente através de videoconferência, caso tenha interesse em acompanhar, entre em contato com o orientador com pelo menos 24 horas de antecedência da data de realização.
Pessoa de contato
Prof. Admilson Teixeira Franco, Dr.
Participantes
Orientador(a): Prof. Admilson Teixeira Franco, Dr. - UTFPR
Coorientador(a): Prof. Alan Lugarini de Souza, Me. - UTFPR
Banca examinadora:
Presidente: Prof. Admilson Teixeira Franco, Dr. - UTFPR
Prof. Paulo Cesar Philippi, Dr. - PUC-PR
Prof. Silvio Luiz de Mello Junqueira, Dr. - UTFPR
Prof. Christian Naaktgeboren, Dr. - UTFPR
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Resumo: Neste documento, é apresentado um estudo numérico da sedimentação de uma partícula elipsoidal em fluidos quiescente Newtoniano e viscoplástico. A pesquisa é motivada por seus aspectos teóricos e aplicações industriais, tais como o transporte de sedimentos no setor de exploração de petróleo. Para números de Reynolds moderados a altos, um objeto sob a ação da gravidade requer uma distancia considerável para atingir um regime periódico ou estatisticamente permanente, o que implica em restrições do tamanho máximo do domínio em simulações numéricas diretas (DNS) para essa classe de escoamento, devido a limitações de memória. Algumas alternativas, tais como técnicas de reposicionamento do domínio, permitem simulações em domínios sem fronteiras e são encontradas em métodos espectrais e de diferenças finitas. Por questões de localidade, a utilização do método lattice-Boltzmann (LBM) para DNS tem se popularizado cada vez mais. O presente trabalho apresenta uma metodologia de realocação de fronteiras desenvolvida para o LBM que permite simular uma partícula se deslocando em um meio virtualmente infinito. O principio do método consiste no truncamento do domínio do escoamento e realocação das fronteiras, transferindo-as para nós exteriores ao domínio de simulação. O método da fronteira imersa (IBM) é adotado para descrição da interação sólido-líquido. Ao longo do texto, a metodologia para confecção de malhas elipsoidais é detalhada e uma releitura da estratégia de Suzuki e Inamuro (2011) para compensação da massa interna de fluido é desenvolvida. O modelo do fluido de Bingham é então adaptado para o LBM com a adequação apropriada do método de relocação das fronteiras. O algoritmo é então avaliado sequencialmente para cada um de seus recursos, apresentando boa concordância com soluções analíticas e resultados disponíveis na literatura. Também são evidenciadas melhorias nos resultados de acordo com a resolução adotada para o domínio computacional. Foi então realizada investigação da sedimentação de esferoides oblatos em fluido Newtoniano, sendo identificados diversos padrões de movimento. Por fim, foi conduzida uma analise da sedimentação de elipsoides em fluido viscoplástico, na qual foram identificadas influencias de forma e que, para um elipsoide inclinado, o aumento do número de Bingham pode levar à constrição e até mesmo à inversão do sentido de rotação da partícula.
Palavras-chave: domínio sem fronteira; método da fronteira imersa; método lattice Boltzmann; sedimentação em meio viscoplástico; partícula elipsoidal

Direct numerical simulation of spheroidal particle settling in viscoplastic fluid using lattice boltzmann method
Abstract:
A numerical study of ellipsoidal particle settling in quiescent Newtonian and viscoplastic fluid is presented motivated by theoretical aspects and industrial applications, such as cuttings transport in oil drilling. As particle settling at moderate to high Reynolds numbers takes considerable distance to reach periodical or statistically steady regime, memory limitations in direct numerical simulations (DNS) constrain the maximum domain size for this class of flow. In spectral and finite difference methods some workarounds that allow simulation in unbounded vertical extents are available, such as domain transferring schemes. Due to the locality in most of its algorithm, the lattice-Boltzmann method (LBM) is increasingly popular for DNS studies. In present work, a boundary relocation approach is presented, enabling LBM simulations of particle motion in a virtually infinite domain. The scheme consists basically of the truncation of flow domain with the relocation of boundaries to nodes kept outside simulation confines. The immersed boundary method (IBM) is implemented for the liquid-fluid interaction. A thorough mesh generation for ellipsoidal particles is disclosed, as well as an extension of the internal mass compensation strategy of Suzuki and Inamuro (2011). The Bingham model is implemented with a proper adaptation of the boundary relocation approach. The numerical model is assessed sequentially for each of its features, showing good agreement with analytical solutions and results available in the literature. The possibility of improvement through an increase in resolution is also evidenced. Simulations were then performed for oblate spheroids in quiescent Newtonian fluid, in which a variety of motion patterns was delineated. Then, an investigation of ellipsoidal particles settling in viscoplastic fluid was conducted, analyzing shape influence on the motion of a solid body. It was also shown that for an inclined ellipsoid, the increase of Bingham number leads to constriction and even an inversion in the direction of particle rotation.
Keywords: unbounded domain; immersed boundary method; lattice Boltzmann method; viscoplastic settling; ellipsoidal particle

Lista de publicações:
Rodrigo S. Romanus, Alan Lugarini, Admilson T. Franco. NUMERICAL INVESTIGATION OF UNIFORM FLOWPAST STATIONARY SPHERE USING IMMERSED BOUNDARY-LATTICE BOLTZMANN METHOD. CILAMCE 2019 Proceedings Of The XL Ibero-Latin-American Congress On Computational Methods In Engineering, ABMEC. Natal/RN, Brazil, November 11-14, 2019

Obs: Esta defesa será realizada exclusivamente através de videoconferência, caso tenha interesse em acompanhar, entre em contato com o orientador com pelo menos 24 horas de antecedência da data de realização.