Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos bifásicos em regime denso
| Ano de defesa: | 2023 |
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| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Uberlândia
Brasil Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38810 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.418 |
Resumo: | Turbulent flows in multiphase systems represent a significant challenge in classical physics, offering an open field for research. Understanding this phenomenon can lead to important advancements with engineering applications. The objective of this thesis is to develop a model to assess how the presence of a dense particle regime in a fluid affects turbulence. It is known that particles immersed in a fluid alter its viscosity. Utilizing the Euler-Lagrange formulation and the Large Eddy Simulation (LES) methodology, we apply a low-pass filtering to the equations of mass balance, linear momentum, and energy. We propose a triple decomposition of the Eulerian velocity field to account for fluctuations caused by the relative motion between the continuous and dispersed phases. We conduct simulations of two distinct problems. The first problem is an iconic case of bubble injection at the bottom of a water-filled vertical column. The second problem involves simulating a full cone spray case. We also propose a modified viscosity and drag force based on the volumetric fraction of the continuous phase. We evaluate different closure models for turbulence and compare the results of the three-way formulation with the two-way formulation. The results of the computational experiments are compared with those of a physical experiment. The turbulent kinetic energy obtained in the physical experiment closely matched the Smagorinsky model with a constant Cs = 0.15. The analysis of the collected data validates the proposed model and demonstrates how the modeling of dense turbulent flows incorporates more physics for describing the phenomenon. |
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Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos bifásicos em regime densoMathematical and computational modeling of turbulent two-phase flows in dense regimeEscoamentos MultifásicosMultiphase FlowsTurbulênciaTurbulenceEuler-LagrangeEuler-LagrangeRegime DensoDense RegimeSimulação das Grandes EstruturasLarge Eddy SimulationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia MecânicaEscoamento multifásicoAnálise estrutural (Engenharia)TurbulênciaTurbulent flows in multiphase systems represent a significant challenge in classical physics, offering an open field for research. Understanding this phenomenon can lead to important advancements with engineering applications. The objective of this thesis is to develop a model to assess how the presence of a dense particle regime in a fluid affects turbulence. It is known that particles immersed in a fluid alter its viscosity. Utilizing the Euler-Lagrange formulation and the Large Eddy Simulation (LES) methodology, we apply a low-pass filtering to the equations of mass balance, linear momentum, and energy. We propose a triple decomposition of the Eulerian velocity field to account for fluctuations caused by the relative motion between the continuous and dispersed phases. We conduct simulations of two distinct problems. The first problem is an iconic case of bubble injection at the bottom of a water-filled vertical column. The second problem involves simulating a full cone spray case. We also propose a modified viscosity and drag force based on the volumetric fraction of the continuous phase. We evaluate different closure models for turbulence and compare the results of the three-way formulation with the two-way formulation. The results of the computational experiments are compared with those of a physical experiment. The turbulent kinetic energy obtained in the physical experiment closely matched the Smagorinsky model with a constant Cs = 0.15. The analysis of the collected data validates the proposed model and demonstrates how the modeling of dense turbulent flows incorporates more physics for describing the phenomenon.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorPetrobrás - Petróleo Brasileiro S.ATese (Doutorado)Escoamentos turbulentos em sistemas multifásicos representam um desafio significativo na física clássica, oferecendo um campo em aberto para pesquisa. Compreender esse fenômeno pode levar a avanços importantes com aplicações em engenharia. O objetivo desta tese é desenvolver um modelo para avaliar como a presença de um regime denso de partículas em um fluido afeta a turbulência. É sabido que partículas imersas em um fluido alteram sua viscosidade. Utilizando a formula- ção Euler-Lagrange e a metodologia LES (Large Eddy Simulation), aplicamos uma filtragem passa-baixa às equações de balanço de massa, de quantidade de movimento linear e de energia. Propomos uma decomposição tripla do campo de velocidade euleriana para considerar as flutuações causadas pelo movimento relativo entre as fases contínua e dispersa. Realizamos simulações de dois problemas distintos. O primeiro problema é um caso icônico de injeção de bolhas na parte inferior de uma coluna vertical preenchida com água. O segundo problema envolve a simulação de um caso de spray de cone cheio. Também propomos uma viscosidade modificada e uma força de arrasto em função da fração volumétrica da fase contínua. Avaliamos diferentes modelos de fechamento para a turbulência e comparamos os resultados da formulação de três vias com a de duas vias. Os resultados das simulações computacionais foram comparados com os resultados de um experimento material. A energia cinética turbulenta obtida no experimento material se aproximou bastante do modelo de Smagorinsky com uma constante Cs = 0,15. A análise dos dados coletados validou o modelo proposto e demonstrou como a modelagem de escoamentos turbulentos densos incorpora mais física para a descrição do problema.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaSilveira Neto, Aristeu dahttp://lattes.cnpq.br/4650888739121183Meier, Henry Françahttp://lattes.cnpq.br/2594453880874755Salazar, Juan Pablo de Lima Costahttp://lattes.cnpq.br/0944359875076401Santos, Daniel Dall'Onder doshttp://lattes.cnpq.br/7847006276264872Souza, Francisco José dehttp://lattes.cnpq.br/1257320066520278Serfaty, Ricardohttp://lattes.cnpq.br/5917199961355543Catta Preta, Ricardo Tadeu Oliveira2023-08-02T12:39:21Z2023-08-02T12:39:21Z2023-07-24info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCATTA PRETA, Ricardo Tadeu Oliveira. Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos bifásicos em regime denso. 2023. 173 f. Tese de Doutorado (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI 10.14393/ufu.te.2023.418.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38810http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.418porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-08-07T16:03:09Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/38810Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-08-07T16:03:09Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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Turbulent flows in multiphase systems represent a significant challenge in classical physics, offering an open field for research. Understanding this phenomenon can lead to important advancements with engineering applications. The objective of this thesis is to develop a model to assess how the presence of a dense particle regime in a fluid affects turbulence. It is known that particles immersed in a fluid alter its viscosity. Utilizing the Euler-Lagrange formulation and the Large Eddy Simulation (LES) methodology, we apply a low-pass filtering to the equations of mass balance, linear momentum, and energy. We propose a triple decomposition of the Eulerian velocity field to account for fluctuations caused by the relative motion between the continuous and dispersed phases. We conduct simulations of two distinct problems. The first problem is an iconic case of bubble injection at the bottom of a water-filled vertical column. The second problem involves simulating a full cone spray case. We also propose a modified viscosity and drag force based on the volumetric fraction of the continuous phase. We evaluate different closure models for turbulence and compare the results of the three-way formulation with the two-way formulation. The results of the computational experiments are compared with those of a physical experiment. The turbulent kinetic energy obtained in the physical experiment closely matched the Smagorinsky model with a constant Cs = 0.15. The analysis of the collected data validates the proposed model and demonstrates how the modeling of dense turbulent flows incorporates more physics for describing the phenomenon. |
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