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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5354-3023
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem numérico-computacional multiníveis de processos de corrosão em sistemas fluidodinâmicos
Alternate title (s): Multilevel numerical-computational modeling of corrosion processes in fluid dynamic systems
Author: Mota, Pedro Henrique Augusto
First Advisor: Silveira Neto, Aristeu da
First coorientator: Villar, Millena Martins
First member of the Committee: Serfaty, Ricardo
Second member of the Committee: Meier, Henry França
Third member of the Committee: Vilarinho, Louriel Oliveira
Fourth member of the Committee: Vedovotto, João Marcelo
Summary: A corrosão acelerada pelo escoamento é um fenômeno presente em operações industriais que pode levar a falha de sistemas fluidodinâmicos e gerar perdas financeiras expressivas. Em sistemas corrosivos turbulentos industriais determinar as regiões de maior magnitude de velocidade, energia cinética turbulenta e tensões cisalhantes contribuem para identificar os locais mais suscetíveis à corrosão. No presente estudo foi aplicada a metodologia URANS para simulação do fenômeno da corrosão e da fluidodinâmica desses sistemas. Desse modo, foram resolvidas as equações de balanço de massa, de quantidade de movimento linear e de um escalar para modelagem da corrosão. Ressalta-se que para a modelagem de fechamento da turbulência foram considerados os modelos: LRN k-ε AKN e k-ω SST. No presente estudo métodos multiníveis foram analisados para obter uma metodologia que proporcionasse maior eficiência computacional para o estudo do fenômeno multi-físico. O método multinível implementado no software MFSim tem como característica resolver as equações que representam os fenômenos em malhas diferentes considerando os comprimentos característicos de cada fenômeno. A aplicação do método é justificado em razão do elevado número de Sc de escoamentos turbulentos com corrosão. Na primeira análise do presente estudo considerou-se um problema de solução manufaturada para verificação do código MFSim. Após a verificação do código, o método multinível foi avaliado e observou-se uma redução dos custos computacionais em aproximadamente 90% e pequenos desvios do escalar passivo. Na segunda parte do estudo, o método multinível foi analisado nos seguintes escoamentos: expansão brusca, jatos de impacto e sobre uma esfera. Para a expansão brusca observou-se que os coeficientes de transferência de massa apresentaram um desvio desprezível considerando uma malha 16 vezes mais grossa para a fluidodinâmica. Além disso, a redução de custo computacional foi de aproximadamente 90% com o método multinível e foi possível obter resultados de coeficiente de transferência de massa com pequenos desvios considerando o uso do método da Fronteira Imersa. Na análise do escoamento de jatos de impacto foram obtidos desvios moderados do coeficiente de transferência de massa na região de estagnação. Além disso, foi possível obter boa representatividade do fenômeno multi-físico considerando uma malha 4 vezes mais grossa para a fluidodinâmica com uma redução de custo computacional de 90%. Para as simulações do escoamento sobre a esfera uma malha 4 vezes mais grossa foi definida para a fluidodinâmica, o que resultou em pequenos desvios de Sh considerando correlações usualmente aplicadas na literatura. Com relação ao método multinível, foi possível simular este escoamento com tempo de simulação aproximadamente 30% menor. Os resultados obtidos com o MFSim apontam uma redução expressiva do custo computacional com a aplicação do método multinível, tornando possível a análise de problemas industriais com menor custo computacional.
Abstract: Flow accelerated corrosion is a phenomenon observed in industrial operations that can lead to the failure of fluid dynamic systems and generate significant financial losses. In industrial turbulent corrosive systems, determining the regions of greater magnitude of velocity, turbulent kinetic energy and shear stresses contribute to identifying the most susceptible places to corrosion. In the present study, the URANS methodology was applied to simulate the phenomenon of corrosion and the fluid dynamics of these systems. Thus, the following equations were solved: mass balance, linear momentum and a scalar balance equation for corrosion modelling. It should be noted that for the turbulence closure modelling, the following were considered: LRN k-ε AKN and k-ω SST. In the present study, multilevel methods were analyzed to obtain a methodology that would provide greater computational efficiency for the study of this multi-physics phenomenon. The multilevel method implemented in the MFSim software has the characteristic of solving the equations that represent the phenomena in different meshes considering the characteristic lengths of each phenomenon. The application of the method is justified due to the high number of Sc of turbulent flows with corrosion. In the first analysis of the present study, a manufactured solution problem was considered to verify the MFSim code. After verifying the code, the multilevel method was evaluated, and a reduction in computational costs of approximately 90% and slight deviations from the passive scalar were observed. In the second part of the study, the multilevel method was analyzed in flows: sudden expansion, impingement jet and around a sphere. For the sudden expansion, it was observed that the mass transfer coefficients presented a minor deviation considering a mesh 16 times thicker for the fluid dynamics. Furthermore, the computational cost reduction was approximately 90% with the multilevel method, and it was possible to obtain mass transfer coefficient results with slight deviations considering the Immersed Boundary method. In the impingement jet flow analysis, moderate deviations of the mass transfer coefficient were obtained in the stagnation region. Furthermore, it was possible to get a good representation of the multi-physics phenomenon considering a mesh four times thicker for fluid dynamics with a computational cost reduction of 90%. For the simulations of the flow over the sphere, a mesh four times thicker was defined for the fluid dynamics, which resulted in slight deviations of Sh considering correlations usually applied in the literature. Regarding the multilevel method, it was possible to simulate this flow with a simulation time of approximately 30% smaller. The results obtained in MFSim point to a significant reduction in computational cost with the application of the multilevel method, making it possible to analyze industrial problems with lower computational costs.
Keywords: Método multinível
Corrosão acelerada pelo escoamento
método da Fronteira Imersa
expansão brusca
jato de impacto
escoamento sobre esfera
Multilevel method
Flow Accelerated corrosion
Immersed boundary method
sudden expansion
impingement jet
flow around sphere
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia mecânica
Escoamento
Aço - Corrosão
Fluidodinâmica computacional
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: MOTA, Pedro Henrique Augusto. Modelagem numérico-computacional multiníveis de processos de corrosão em sistemas fluidodinâmicos. 2023. 109 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2023.72.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.72
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37459
Date of defense: 28-Feb-2023
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