Análise numérica de interação fluido-estrutura com escoamentos multifásicos: uma abordagem monolítica em descrição Lagrangiana - Carvalho, Thiago Rodrigues (2025)
Os escoamentos multifásicos, onde diferentes fluidos imiscíveis escoam em conjunto, estão presentes em diversas situações na engenharia ou na natureza. A simulação computacional desses problemas apresenta diversos desafios, sendo o principal deles, a mudança topológica que pode ocorrer nos domínios dos fluidos envolvidos. O desafio torna-se ainda maior quando envolve interação com estruturas flexíveis. Nesse caso há que se considerar o problema de contato e interação entre os diferentes fluidos; bem como entre os fluidos e os sólidos. Nesse sentido, este trabalho trata do desenvolvimento de uma metodologia para a análise de escoamentos multifásicos incompressíveis interagindo com sólidos elásticos. Para a simulação do escoamento multifásico adota-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos e Partículas (PFEM) baseada nas posições das partículas, enquanto para os sólidos elásticos, adota-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos em descrição lagrangiana total, baseada em posições, para análises dinâmicas de sólidos com grandes deslocamentos. Assim, tanto o fluido quanto o sólido possuem as posições como variáveis nodais, consequentemente o acoplamento monolítico entre os dois torna-se direto. O PFEM é escolhido por ser reconhecidamente eficiente em tratar problemas com mudanças topológicas. Nesse contexto, desenvolve-se uma metodologia para a simulação de escoamentos multifásicos no PFEM, que envolve identificar, na etapa de pré- processamento as partículas que definem o domínio de cada fluido, e ao longo do processo de solução, durante as etapas constantes de reconstrução da malha, as partículas são realocadas por meio de uma abordagem multidomínio, preservando a consistência material do escoamento multifásico. Para tornar a ferramenta desenvolvida mais geral, desenvolvem-se técnicas para a consideração de condições de contorno de domínios abertos, como contornos de entrada, de saída e de deslizamento espacialmente fixos. A metodologia proposta é testada por meio de exemplos numéricos, mostrando-se precisa e versátil com potencial para aplicações em casos onde há interação líquido-ar-estrutura, como sloshing em reservatórios, simulação de ruptura de barragens em estruturas flexíveis e captura de fenômenos complexos multiacoplados como a formação de bolsão de ar na análise de Interação Fluido-Estrutura (IFE) multifásica.