Publicação: Modeling and simulation of multicomponent evaporative sprays in generic conditions
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Resumo
Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e a análise de um modelo de evaporação de gotas multicomponentes dentro de um framework baseado no Método de Partículas Discretas (DPM) aplicado a escoamentos turbulentos. O modelo incorpora fenômenos físicos relevantes, incluindo difusão diferencial, transferência de calor por radiação, termos-fonte de massa na equação de pressão do algoritmo PISO e o acoplamento com bancos de dados externos de propriedades termodinâmicas. A formulação multicomponente foi implementada e validada por meio de testes de evaporação de gotas isoladas, apresentando boa concordância com dados experimentais e referências da literatura.
A metodologia numérica também foi estendida para simulações de sprays em casos industriais, permitindo uma análise detalhada da dinâmica de evaporação sob condições complexas. Os resultados evidenciam a importância da modelagem precisa dos mecanismos de transporte e do tratamento das condições térmicas de contorno para a representação adequada da mudança de fase em sistemas multicomponentes.
Os resultados demonstram que as ferramentas numéricas e computacionais desenvolvidas permitem ao MFSim simular com eficiência a evaporação e condensação de gotas multicomponentes em condições gerais. A estrutura do modelo suporta um grande número de partículas Lagrangianas mantendo baixo custo computacional, o que o torna adequado para aplicações práticas em engenharia envolvendo dinâmicas complexas de sprays.
Esses desenvolvimentos são fundamentais para aprimorar a capacidade preditiva de ferramentas de CFD aplicadas a sprays combustíveis, trocadores de calor e outros sistemas de engenharia que envolvem fenômenos de transporte multifásicos e multicomponentes.
Abstract
This dissertation presents the development and analysis of a multicomponent droplet evaporation model within a Discrete Particle Method (DPM) framework for turbulent flows. The model incorporates key physical phenomena, including differential diffusion, radiation heat transfer, mass source terms in the PISO algorithm, and coupling with external thermodynamic property databases. A multicomponent formulation was implemented and validated through single droplet evaporation tests, showing good agreement with experimental data and literature references.
The numerical methodology was also extended to spray simulations in industrial cases, enabling detailed analysis of evaporation dynamics under complex conditions. The results highlight the importance of accurate transport models and thermal boundary treatments for capturing phase-change behavior in multicomponent systems.
The results demonstrate that the developed numerical and computational tools enable MFSim to simulate multicomponent droplet evaporation and condensation under general conditions with high efficiency. The framework supports large numbers of Lagrangian parcels while maintaining low computational cost, making it suitable for practical engineering applications involving complex spray dynamics.
These developments are essential for advancing the predictive capabilities of CFD tools applied to fuel sprays, heat exchangers, and other engineering systems involving multiphase and multicomponent transport phenomena.
Palavras-chave
differential diffusion, sprays, multicomponent, Difusão diferencial, multicomponente
Citação
NONAKA, Iago Tetsuo. Modeling and simulation of multicomponent evaporative sprays in generic conditions . 2025. 169 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5579.
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