Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Basso, Felipe Oliveira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322
Resumo: 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.
id UTFPR-12_5187598c8f213928ad34853435e92558
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/30322
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-BulkleyLarge-eddy simulation and under-resolved direct numerical simulation of turbulent flow of Herschel-Bulkley fluidsFluidos não-newtonianosMétodos de simulaçãoViscosidadeFluxo viscosoTurbulênciaDinâmica dos fluidosFluidodinâmica computacionalNon-Newtonian fluidsSimulation methodsViscosityViscous flowTurbulenceFluid dynamicsComputational fluid dynamicsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICAEngenharia MecânicaThe 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.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)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.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRFranco, Admilson Teixeirahttps://orcid.org/0000-0002-7977-6404http://lattes.cnpq.br/3561428456009236Franco, Admilson Teixeirahttps://orcid.org/0000-0002-7977-6404http://lattes.cnpq.br/3561428456009236Negrão, Cezar Otaviano Ribeirohttps://orcid.org/0000-0001-7090-2729http://lattes.cnpq.br/4344790398205987Thompson, Roney Leonhttp://orcid.org/0000-0002-3642-0766http://lattes.cnpq.br/4870003562574001Cruz, Gilmar Mompean Munhoz dahttps://orcid.org/0000-0003-0131-5402Junqueira, Silvio Luiz de Mellohttps://orcid.org/0000-0001-5935-4266http://lattes.cnpq.br/2213804390733564Basso, Felipe Oliveira2022-12-19T18:31:59Z2022-12-19T18:31:59Z2022-07-01info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBASSO, 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.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322enghttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2022-12-20T06:06:50Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/30322Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2022-12-20T06:06:50Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
Large-eddy simulation and under-resolved direct numerical simulation of turbulent flow of Herschel-Bulkley fluids
title Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
spellingShingle Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
Basso, Felipe Oliveira
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
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA
Engenharia Mecânica
title_short Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
title_full Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
title_fullStr Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
title_full_unstemmed Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
title_sort Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
author Basso, Felipe Oliveira
author_facet Basso, Felipe Oliveira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Franco, Admilson Teixeira
https://orcid.org/0000-0002-7977-6404
http://lattes.cnpq.br/3561428456009236
Franco, Admilson Teixeira
https://orcid.org/0000-0002-7977-6404
http://lattes.cnpq.br/3561428456009236
Negrão, Cezar Otaviano Ribeiro
https://orcid.org/0000-0001-7090-2729
http://lattes.cnpq.br/4344790398205987
Thompson, Roney Leon
http://orcid.org/0000-0002-3642-0766
http://lattes.cnpq.br/4870003562574001
Cruz, Gilmar Mompean Munhoz da
https://orcid.org/0000-0003-0131-5402
Junqueira, Silvio Luiz de Mello
https://orcid.org/0000-0001-5935-4266
http://lattes.cnpq.br/2213804390733564
dc.contributor.author.fl_str_mv Basso, Felipe Oliveira
dc.subject.por.fl_str_mv 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
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA
Engenharia Mecânica
topic 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
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA
Engenharia Mecânica
description 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.
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022-12-19T18:31:59Z
2022-12-19T18:31:59Z
2022-07-01
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv 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.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322
identifier_str_mv 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.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30322
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
instname_str Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron_str UTFPR
institution UTFPR
reponame_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
collection Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
repository.mail.fl_str_mv riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br
_version_ 1850498367830884352