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metadata.dc.type: Dissertação
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Modelagem Matemática e Simulação Computacional de Escoamentos Bifásicos com a Presença de Surfactante Insolúvel
Other Titles: Mathematical Modeling and Computational Simulation of two-phase ows with Insoluble Surfactant
metadata.dc.creator: Miranda, Flavia Cavalcanti
metadata.dc.contributor.advisor1: Silveira Neto, Aristeu da
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Roma, Alexandre Megiorin
metadata.dc.contributor.referee1: Philippi, Paulo Cesar
metadata.dc.contributor.referee2: Villar, Millena Martins
metadata.dc.description.resumo: Quando se trata de escoamentos bifásicos, torna-se inevitável falar de surfactantes. Surfactantes são agentes ativos de superfície que podem estar presentes em sistemas, tanto na forma de impurezas quanto na forma de substâncias químicas adicionadas propositalmente _a misturas para controlar efeitos físicos interfaciais. Os surfactantes são amplamente usados em numerosas aplica _c~oes de engenharia, como por exemplo, eles são usados na produção de emulsões, ou para manipular bolhas e gotas em microcanais, para estabilizar gotas suspensas em um meio imiscível, também usados no processo de purificação de _água, etc. As funções principais do surfactante são diminuir a tensão superficial e prevenir a coalescência. A presença destes agentes ativos pode afetar criticamente a dinâmica interfacial dos escoamentos bifásicos. Surfactantes aderidos _a interface resultam em uma diminuição não uniforme de tensão superficial, isso torna a força de capilaridade não linear a introduz a força de Marangoni. Utilizando o método Front-Tracking e malhas adaptativas refinadas localmente, o presente trabalho tem como objetivo estudar o efeito de surfactantes insolúveis em escoamentos interfaciais bidimensionais. O surfactante dito insolúvel _e aquele que se mantém na interface e não há uxo de massa de surfactante entre a interface e o ruido ambiente. Portanto, o transporte de surfactante _e feito somente sobre a interface e para tal, a equação de transporte para a concentração de surfactante _e resolvida na malha lagrangiana. As implementações foram feitas no código AMR2D desenvolvido por Villar (2007). Num primeiro momento, fez-se a validação do código numérico através de uma expressão desenvolvida para o cálculo do coeficiente de arrasto para bolhas bidimensionais, onde são comparados os resultados numérico e analítico. Fez-se também a verificação das implementações feitas, sobre a equação de surfactante, por intermédio da análise de convergência por referência de malha. Buscando fazer a comparação entre interface limpa e contaminada, simulou-se uma e duas bolhas imersas em um escoamento cisalhante com o interesse de verificar os efeitos do surfactante na dinâmica desses escoamentos e para o caso de duas bolhas, investigar também os efeitos do surfactante na interaçãao entre as bolhas. Em seguida, fez-se um teste para evidenciar a presença do efeito Marangoni em escoamentos contaminados. Neste teste, a interface se movimenta devido somente à força de Marangoni. Por último, apresenta-se um estudo de problemas de linhas de contato dinâmicas. Este estudo trata-se da modelagem do ponto triplo de contato, onde se tem a interação das três fases presentes no escoamento e, neste contexto, o surfactante presente age modificando o valor do ângulo de contato. Este também é um problema de grande importância industrial. Ele aparece em processos de umedecimento, revestimento e em muitas aplicações biológicas e tem sido objeto de estudo de muitos pesquisadores desde várias décadas.
Abstract: When it comes to two-phase ows, it is inevitable to talk about surfactants. Surfactants are surface-active agents that may be present in systems, as impurities, or deliberately added to the mixture to control interfacial physical efects. Surfactants are widely used in many engineering applications; for instance, they are used to generate emulsions, to handle drops and bubbles in microchannels, or to stabilize droplets suspended in an immiscible medium, they are also used in the process of water purification, etc. The main functions of surfactants are to reduce surface tension and prevent coalescence. The presence of these active agents can critically afect the dynamics of interfacial two-phase ows. Surfactants adhered to the interface result in a decrease, in a non-uniform way, of the surface tension; which makes the capillary force non-linear and introduces the Marangoni force. By using the front-tracking method and adaptive meshes locally refined, this work aims to study the efect of insoluble surfactant in interfacial two-dimensional ows. Since the surfactant is assumed to be insoluble, there is no net mass transport between the interface and the bulk uid. Therefore, the transport of surfactant is only done on the interface and for that, the transport equation for the surfactant concentration is solved in the Lagrangian mesh. This equation was implemented in the AMR2D code developed by Villar (2007). In the first step, the numerical code was validated by an analitical expression developed to calculate the drag coeficient for two-dimensional bubbles, then, the analytical and numerical results were compared. The implementation of surfactant concentration equation was verified through convergence analysis. It was simulated one and two bubbles immersed in a shear ow seeking to make a comparison between clean and contaminated interfaces. For that, it was evaluated the efects of surfactant on the dynamics of these ows. Moreover, for the case of two bubbles, the efects of surfactant in the interaction between bubbles were also investigated. After that, it was demonstrated the presence of the Marangoni efect in contaminated ows through a test in which the interface moves only because of the Marangoni force. Finally, a study of moving contact lines is presented. This study is about the modeling of the contact point, where there is the interaction of the three phases present in the ow and, in this context, the surfactant acts by modifying the value of contact angle. This is also a problem of great industrial interest. It appears in the processes of wetting, coating and many biological applications and it has been in the focus of study by many researchers for several decades.
Keywords: Surfactante
Efeito marangoni
Ponto triplo de contato
Two-phase ow
Front-tracking
Surfactant
Marangoni force
Moving contact point
Escoamento bifásico
Agentes ativos de superfície
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: MIRANDA, Flavia Cavalcanti. Mathematical Modeling and Computational Simulation of two-phase ows with Insoluble Surfactant. 2010. 144 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14869
Issue Date: 23-Sep-2010
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

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