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Atividade Financiada

Modelos para simulação das grandes escalas de fluidos complexos

large-eddy simulation models for complex fluids

Referência
2023.15779.PEX
Data de Início do Projeto
2025-01-01
Data de Fim do Projeto
2026-12-31
Investigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos Exploratórios em Todos os Domínios Científicos 2023

Resumo

O uso eficiente de energia te´rmica e meca^nica e´ um dos pilares do desenvolvimento sustenta´vel e por implicac¸a~o do combate a`s alterac¸o~es clima´ticas. A utilizac¸a~o crescente de fluidos sinte´ticos em engenharia, obtidos por adic¸a~o de macromole´culas, surfatantes, parti´culas ou agentes qui´micos a fluidos newtonianos, permite a otimizac¸a~o dos processos, a reduc¸a~o das necessidades de energia e seus desperdi´cios. Esses fluidos aditivados exibem comportamentos complexos com viscoelasticidade, que sa~o responsa´veis pela reduc¸a~o das transfere^ncias de energia e quantidade de movimento em certas circunsta^ncias. Exemplos podem ser encontrados nas indu´strias alimentar e de processo [1] e tambe´m como fluidos te´rmicos em sistemas de aquecimento e arrefecimento urbano [2], entre outros [3]. O maior benefi´cio energe´tico necessita que os escoamentos sejam turbulentos, ou no regime de transic¸a~o, e que os projetos de engenharia possuam ferramentas adequadas para a simulac¸o~es com modelos de turbule^ncia rigorosos. A soluc¸a~o deste tipo de problemas e´ difi´cil devido a`s complexas interac¸o~es entre a reologia e as flutuac¸o~es turbulentas multi-escala. Atualmente, a simulac¸a~o nume´rica de escoamentos turbulentos de fluidos complexos e´ quase exclusivamente baseada nas equac¸o~es de Navier-Stokes me´dia (RANS) [4]. Estes modelos te^m limitac¸o~es e muitas vezes resultam num desvio substancial das estati´sticas dos escoamentos reais [5], pelo que a simulac¸a~o das grandes escalas (LES) tem vindo a ser mais usada em aplicac¸o~es de engenharia. Em LES, as maiores escalas de movimento (GS - escalas resolvidas) sa~o explicitamente simuladas e os efeitos das menores escalas (SGS - escalas de sub-malha) sa~o modelados usando um modelo SGS. LES e´ o me´todo mais avanc¸ado e preciso para a simulac¸a~o de escoamentos turbulentos [6], mas para fluidos com reologia complexa o LES permanece inexistente, como atestado pelo nu´mero muito pequeno de estudos de LES dedicados a esses escoamentos [7]. Na verdade, nenhum modelo SGS existe presentemente para ca´lculos rotineiros com LES em escoamentos de engenharia com fluidos complexos. O objetivo desta proposta e´ desenvolver modelos SGS para LES de uma grande classe de fluidos complexos. A investigac¸a~o fara´ uso do modelo FENE-P [8], amplamente utilizado em investigac¸o~es de escoamentos turbulentos usando simulac¸o~es nume´ricas diretas (DNS) [A], e outras equac¸o~es constitutivas como os modelos FENE-CR, Phan-Thien-Tanner (PTT) e Giesekus [9,10, B], para alargar a gama de fluidos complexos disponi´veis em futuros ca´lculos de escoamentos com LES. O trabalho e´ baseado em simulac¸o~es DNS massivas de fluidos complexos em turbule^ncia isotro´pica (HIT) [A, 11], e escoamentos num canal (CHAN) [D], que permitem uma investigac¸a~o detalhada da dina^mica de turbule^ncia em fluidos de reologia complexa, e a investigac¸a~o das interac¸o~es GS/SGS nas equac¸o~es governativas, incluindo seu acoplamento, em situac¸o~es diferentes. Em DNS, todas as escalas de movimento sa~o explicitamente simuladas, desde as grandes escalas que conte^m energia, ate´ a`s menores escalas associadas a` dissipac¸a~o da energia cine´tica. As DNS sa~o equivalentes a uma experiencia, pois permitem o acesso a` complexidade dos escoamentos turbulentos, incluindo as interac¸o~es com reologia na~o linear [5,14,15, A, B]. A DNS e´ um ingrediente crucial da presente proposta e tem sido usado anteriormente pelos autores, incluindo DNS de fluidos de reologia complexa descritos pelo modelo FENE-P [A, C, D, E, 16]. A DNS sera´ usada para conduzir testes cla´ssicos a-priori nas equac¸o~es governantes, e para desenvolver novos modelos SGS decorrentes dessas equac¸o~es [E,16]. Por fim, as DNS sera~o utilizadas como refere^ncia para a posterior avaliac¸a~o dos resultados obtidos por LES utilizando os novos modelos desenvolvidos no decorrer deste projeto. Em termos de fecho SGS o ponto de partida e´ o modelo DSIM (semelhanc¸a de distorc¸a~o) [E] recentemente desenvolvido pelos autores que apresentou excelentes e bons resultados em HIT [E] e PJET [16], respetivamente, faltando analisa´-lo em CHAN. O projeto tambe´m avaliara´ melhorias no DSIM, sua extensa~o a esteiras, e averiguara´ se as suas hipo´teses de modelac¸a~o sa~o va´lidas para outros fluidos complexos.

Instituições

Instituições Principais

  • Instituto de Engenharia Mecânica (IDMEC)

Outras Instituições

  • Universidade do Porto Centro de Estudos de Fenómenos de Transporte (CEFT)

Financiamento 49.055,75 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

49.055,75 €