Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Bazarin, Ricardo Leite Martins
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
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/1/30982
Resumo: The present work proposes the development of a multicomponent lattice Boltzann model for the representation of high viscosity ratios in immiscible flows, using as reference in its development the models described by Shan e Chen (1993) and Philippi et al. (2012). The proposed model is based on the use of high-order discretization schemes and on the adaptation of a moments-based collision model. Through Chapman-Enskog analyses, which recover the balance equations of the numerically discretized model, it is demonstrated that the balance equations of the developed model eliminate discretization and modeling errors present in the model proposed by Shan e Chen (1993). Verification results of the moments-based collision model were conducted to verify the Stokes hypothesis in incompressible flows, being observed that the model increases numerical stability and reduces the compressibility effects characteristic of LBM, both while maintaining the second-order grid convergence rate. The multicomponent model validation is done through problems of static bubble, Poiseuille flow for two-components and fluid-fluid displacement, analyzing the numerical stability limit behaviors, accuracy, and magnitude of spurious currents. The results demonstrate numerical stability limits for the viscosity ratio tending to infinity in the problems of static bubble and Poiseuille flow for two-components, while in the fluid-fluid displacement problem were reached stability in the order of 104 . In the other analyzes of spurious currents and accuracy, the results were consistent with those presented by the other models in the literature. Finally, the present model is employed in the representation of the fluid-fluid displacement problem in porous media, being observed a good capacity to represent the behaviors of distinct displacement states, as well as a high numerical stability of the viscosity ratio in the order of 10−6 to 106 , depending on the capillary number.
id UTFPR-12_7be00ee32c3f8e6663ec7c07ad2010e5
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/30982
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidadeMulticomponent Lattice Boltzmann modeling for immiscible fluid flow with high viscosity ratioModelagemMétodo de Lattice BoltzmannEscoamentoDinâmica dos fluidosViscosidadeModelyngLattice Boltzmann methodsRunoffFluid dynamicsViscosityCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAEngenharia MecânicaThe present work proposes the development of a multicomponent lattice Boltzann model for the representation of high viscosity ratios in immiscible flows, using as reference in its development the models described by Shan e Chen (1993) and Philippi et al. (2012). The proposed model is based on the use of high-order discretization schemes and on the adaptation of a moments-based collision model. Through Chapman-Enskog analyses, which recover the balance equations of the numerically discretized model, it is demonstrated that the balance equations of the developed model eliminate discretization and modeling errors present in the model proposed by Shan e Chen (1993). Verification results of the moments-based collision model were conducted to verify the Stokes hypothesis in incompressible flows, being observed that the model increases numerical stability and reduces the compressibility effects characteristic of LBM, both while maintaining the second-order grid convergence rate. The multicomponent model validation is done through problems of static bubble, Poiseuille flow for two-components and fluid-fluid displacement, analyzing the numerical stability limit behaviors, accuracy, and magnitude of spurious currents. The results demonstrate numerical stability limits for the viscosity ratio tending to infinity in the problems of static bubble and Poiseuille flow for two-components, while in the fluid-fluid displacement problem were reached stability in the order of 104 . In the other analyzes of spurious currents and accuracy, the results were consistent with those presented by the other models in the literature. Finally, the present model is employed in the representation of the fluid-fluid displacement problem in porous media, being observed a good capacity to represent the behaviors of distinct displacement states, as well as a high numerical stability of the viscosity ratio in the order of 10−6 to 106 , depending on the capillary number.O presente trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo lattice Boltzmann multicomponente para a representação de elevadas razões de viscosidade em escoamentos imiscíveis, utilizando como referência no seu desenvolvimento os modelos descritos por Shan e Chen (1993) e Philippi et al. (2012). O modelo proposto é elaborado com base na utilização de esquemas de discretização de alta ordem e na adaptação de um modelo de colisão baseado em momentos. Através de análises de Chapman-Enskog que recuperam as equações governantes do modelo discretizado numericamente, demonstra-se que as equações de balanço do presente modelo eliminam erros de discretização e de modelagens presentes no modelo proposto por Shan e Chen (1993).Resultados de verificação do modelo de colisão baseado em momentos foram conduzidos para verificação da hipótese de Stokes em escoamentos incompressíveis, sendo observado que o modelo aumenta a estabilidade numérica e reduz os efeitos de compressibilidade característico do LBM, ambos mantendo a taxa de convergência de malha em segunda ordem. A validação do modelo multicomponente é feita por meio dos problemas de bolha estática, escoamento de Poiseuille para dois-componentes e deslocamento fluido-fluido, sendo analisados os comportamentos de limite de estabilidade numérica, acurácia e magnitude de correntes espúrias. Os resultados demonstram limites de estabilidade numérica para a razão de viscosidade tendendo ao infinito nos problemas de bolha estática e escoamento de Poiseuille para dois-componentes, enquanto no problema de deslocamento fluido-fluido notam-se limites na ordem de 104 . Nas demais análises de correntes espúrias e acurácia, observou-se conformidade dos resultados com os apresentados pelos demais modelos da literatura. Por fim, o presente modelo é empregado na representação do problema de deslocamento fluido-fluido em meio poroso, sendo observada boa capacidade de representação dos comportamentos que caracterizam os diferentes estados de deslocamento, assim como altas faixas de estabilidade numérica da razão de viscosidade na ordem de 10−6 até 106 , dependendo do número de capilaridade.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRJunqueira, Silvio Luiz de Mellohttps://orcid.org/0000-0001-5935-4266http://lattes.cnpq.br/2213804390733564Naaktgeboren, Christianhttps://orcid.org/0000-0001-9030-163Xhttp://lattes.cnpq.br/8621139258082919Junqueira, Silvio Luiz de Mellohttps://orcid.org/0000-0001-5935-4266http://lattes.cnpq.br/2213804390733564Franco, Admilson Teixeirahttps://orcid.org/0000-0002-7977-6404http://lattes.cnpq.br/3561428456009236Negrão, Cezar Otaviano Ribeirohttps://orcid.org/0000-0001-7090-2729http://lattes.cnpq.br/4344790398205987Santos, Luis Orlando Emerich doshttps://orcid.org/0000-0001-9106-4525http://lattes.cnpq.br/6366979611026417Philippi, Paulo Cesarhttps://orcid.org/0000-0003-2945-3356http://lattes.cnpq.br/8227771331126028Bazarin, Ricardo Leite Martins2023-03-29T19:48:27Z2023-03-29T19:48:27Z2023-02-17info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBAZARIN, Ricardo Leite Martins. Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30982porhttp://creativecommons.org/licenses/by/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:UTFPR2023-03-30T06:08:03Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/30982Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2023-03-30T06:08:03Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
Multicomponent Lattice Boltzmann modeling for immiscible fluid flow with high viscosity ratio
title Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
spellingShingle Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
Bazarin, Ricardo Leite Martins
Modelagem
Método de Lattice Boltzmann
Escoamento
Dinâmica dos fluidos
Viscosidade
Modelyng
Lattice Boltzmann methods
Runoff
Fluid dynamics
Viscosity
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Engenharia Mecânica
title_short Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
title_full Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
title_fullStr Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
title_full_unstemmed Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
title_sort Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade
author Bazarin, Ricardo Leite Martins
author_facet Bazarin, Ricardo Leite Martins
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Junqueira, Silvio Luiz de Mello
https://orcid.org/0000-0001-5935-4266
http://lattes.cnpq.br/2213804390733564
Naaktgeboren, Christian
https://orcid.org/0000-0001-9030-163X
http://lattes.cnpq.br/8621139258082919
Junqueira, Silvio Luiz de Mello
https://orcid.org/0000-0001-5935-4266
http://lattes.cnpq.br/2213804390733564
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
Santos, Luis Orlando Emerich dos
https://orcid.org/0000-0001-9106-4525
http://lattes.cnpq.br/6366979611026417
Philippi, Paulo Cesar
https://orcid.org/0000-0003-2945-3356
http://lattes.cnpq.br/8227771331126028
dc.contributor.author.fl_str_mv Bazarin, Ricardo Leite Martins
dc.subject.por.fl_str_mv Modelagem
Método de Lattice Boltzmann
Escoamento
Dinâmica dos fluidos
Viscosidade
Modelyng
Lattice Boltzmann methods
Runoff
Fluid dynamics
Viscosity
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Engenharia Mecânica
topic Modelagem
Método de Lattice Boltzmann
Escoamento
Dinâmica dos fluidos
Viscosidade
Modelyng
Lattice Boltzmann methods
Runoff
Fluid dynamics
Viscosity
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Engenharia Mecânica
description The present work proposes the development of a multicomponent lattice Boltzann model for the representation of high viscosity ratios in immiscible flows, using as reference in its development the models described by Shan e Chen (1993) and Philippi et al. (2012). The proposed model is based on the use of high-order discretization schemes and on the adaptation of a moments-based collision model. Through Chapman-Enskog analyses, which recover the balance equations of the numerically discretized model, it is demonstrated that the balance equations of the developed model eliminate discretization and modeling errors present in the model proposed by Shan e Chen (1993). Verification results of the moments-based collision model were conducted to verify the Stokes hypothesis in incompressible flows, being observed that the model increases numerical stability and reduces the compressibility effects characteristic of LBM, both while maintaining the second-order grid convergence rate. The multicomponent model validation is done through problems of static bubble, Poiseuille flow for two-components and fluid-fluid displacement, analyzing the numerical stability limit behaviors, accuracy, and magnitude of spurious currents. The results demonstrate numerical stability limits for the viscosity ratio tending to infinity in the problems of static bubble and Poiseuille flow for two-components, while in the fluid-fluid displacement problem were reached stability in the order of 104 . In the other analyzes of spurious currents and accuracy, the results were consistent with those presented by the other models in the literature. Finally, the present model is employed in the representation of the fluid-fluid displacement problem in porous media, being observed a good capacity to represent the behaviors of distinct displacement states, as well as a high numerical stability of the viscosity ratio in the order of 10−6 to 106 , depending on the capillary number.
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023-03-29T19:48:27Z
2023-03-29T19:48:27Z
2023-02-17
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 BAZARIN, Ricardo Leite Martins. Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30982
identifier_str_mv BAZARIN, Ricardo Leite Martins. Modelagem Lattice Boltzmann multicomponente para o escoamento de fluidos imiscíveis com altas razões de viscosidade. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30982
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by/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_ 1850498281159786496