Estudo da aplicação do método de Boltzmann em rede do pseudopotencial em simulações bifásicas gás-líquido

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Czelusniak, Luiz Eduardo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: boiling; ebulição; lattice Boltzmann method; método de Boltzmann em rede; método do pseudopotencial; multiphase simulation; pseudopotential method; simulação bifásica
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18147/tde-11092023-104135/

Neste trabalho é realizado um estudo fundamental do método de Boltzmann em rede do pseudopotencial (MBR-P) aplicado em simulações bifásicas do tipo gás-líquido com e sem mudança de fase. O intuito é promover o desenvolvimento do método e contribuir para a sua futura aplicação em simulações de fenômenos de ebulição realistas. Para a realização deste estudo, são identificados pontos chaves relacionados ao método que necessitam de mais esclarecimentos na literatura como, por exemplo: as formas de discretização, o papel das equações de estado e os mecanismos físicos relacionados à mudança de fase. Um amplo estudo dos fundamentos do MBR-P e atuais aplicações é apresentado. A partir de uma análise teórica são discutidas estratégias de discretização do método. Duas abordagens são desenvolvidas, uma baseada na força de interação e outra no tensor de pressão. Diversos testes benchmarks são utilizados na validação dessas abordagens. Descobriu-se que a abordagem da força é consistente para simulações bifásicas enquanto a do tensor de pressão apresentou algumas inconsistências, ainda necessitando de novos estudos. Posteriormente, apresentou-se um estudo sobre o papel da equação de estado na acurácia e estabilidade do MBR-P. Avaliou-se o efeito do aumento da espessura da interface e também testou-se um procedimento de modificação da equação de estado, proposto recentemente na literatura. Descobriu-se que este último, apesar de aumentar a acurácia do método em alguns testes, reduz drasticamente a estabilidade do método em testes dinâmicos. Isto motivou o desenvolvimento de um procedimento próprio que foi capaz de apresentar bons resultados nos testes de consistência termodinâmica e elevada estabilidade. Por fim, estudou-se os mecanismos de mudança de fase do método. Para um sistema bifásico simples, com transferência de calor de uma superfície aquecida para o líquido, conseguiu-se prever em quais condições o sistema entra em ebulição e forma uma nova fase de vapor. Este processo está diretamente ligado à equação de estado utilizada no modelo que determina quais estados termodinâmicos são estáveis ou instáveis. Também descobriu-se que a magnitude do campo gravitacional pode afetar a temperatura de ebulição do sistema devido à alteração no campo de pressões.