Publicação: Solução de problemas simplificados de interação fluido-estrutura aplicados à engenharia de perfuração.
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Padilla, Elie Luis Martínez
Resumo
Em várias situações práticas existem escoamentos viscosos e incompressíveis através de espaços anulares cilíndricos, sendo estes resultantes da rotação de um dos cilindros ou ambos (escoamento de Taylor-Couette), ou pela superposição da rotação com um movimento imposto na direção axial (escoamentos de Taylor-Couette-Poiseuille ou Taylor-Couette espiral). São exemplos escoamentos em reatores químicos, mancais e devido a perfuração de poços de petróleo e gás. O desenvolvimento de uma plataforma numérica robusta capaz de simular estes tipos de escoamentos além de problemas clássicos de mecânica dos fluidos é o objetivo geral deste trabalho. Com isso, buscou-se realizar adequações em uma plataforma numérica já existente para que problemas clássicos como cavidade tridimensional, escoamento entre placas planas e paralelas, canal cilíndrico, canal cilíndrico anular e problemas simplificados aplicados à engenharia de perfuração pudessem ser estudados e caracterizados. Todos os problemas foram resolvidos através da solução numérica das equações de Navier-Stokes e conservação de massa, sendo a discretização espacial feita pelo Método dos Volumes Finitos e a discretização temporal pelo método de Adams-Bashforth. Para os problemas com interação fluido-estrutura utilizou-se o método da fronteira imersa, onde a distribuição e interpolação das variáveis são feitas através de Reconstrução por Mínimos Quadrados Móveis (MLS). Os resultados obtidos são apresentados na forma qualitativa e quantitativa, através de tabelas, gráficos, diagramas de cores para campos escalares, campos vetoriais e linhas de corrente, os quais são comparados com trabalhos da literatura apresentando sempre uma boa concordância.
Abstract
In several practical situations there are viscous and incompressible flows through cylindrical annular spaces either resulting from the rotation of one of the cylinders or both (Taylor-Couette flow), or by superposition of the rotation with a movement imposed in the axial direction (flows of Taylor-Couette-Poiseuile or Taylor-Couette spiral). Examples are flows in chemical reactors, bearings and due to drilling of oil and gas wells. The development of a robust numerical platform capable of simulating these types of flows besides classical problems of fluid mechanics is the general objective of this work. Therefore, it was tried to make adjustments in an existing numerical platform so that classic problems such as three-dimensional lid-driven cavity, flow between flat and parallel plates, cylindrical channel, annular cylindrical channel and simplified drilling engineering problems could be studied and characterized. All problems were solved through the numerical solution of the Navier-Stokes equations and mass conservation, with spatial discretization made by the Finite Volume Method and time discretization by the AdamsBashforth method. For the problems with fluid-structure interaction, the immersed boundary method was used, where the distribution and interpolation of the variables are made through Reconstruction by Mobile Least Squares (MLS). The results obtained are presented in qualitative and quantitative form, through tables, graphs, color diagrams for scalar fields, vector fields and streamlines, which are compared with papers in the literature always showing a good agreement.
Palavras-chave
Escoamentos em canais anulares., Interação fluido-estrutura., Método da fronteira imersa., Flow in annular channels., Fluid-structure interaction., Immersed boundary method.
Citação
BEZERRA, F. S., Solução de problemas simplificados de interação fluido-estrutura aplicados à engenharia de perfuração - Uberlândia. 2017. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017.