Simulações de grandes escalas e simulação numérica direta sub-resolvida de escoamento turbulento de fluidos Herschel-Bulkley
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
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| 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
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| 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. |
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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 |
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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 |
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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 |
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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. |
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