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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-6959-5554
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos multifásicos em malha adaptativa bloco estruturada utilizando o método multi direct forcing
Alternate title (s): Mathematical and computational modeling of multi-phase turbulent flows in a structured block adaptive grid using the multi direct forcing method
Author: Magalhães, Gabriel Marcos
First Advisor: Silveira Neto, Aristeu da
First member of the Committee: dos Santos, Daniel Dall'Onder
Second member of the Committee: de Souza, Francisco José
Third member of the Committee: Castelo Filho, Antonio
Fourth member of the Committee: Favero, Jovani Luiz
Summary: Escoamentos em tubulações horizontais onde coexistem uma fase líquida e uma fase gasosa são comuns em diversos seguimentos da indústria. A distribuição de ambas as fases pode assumir diferentes formas, as quais são também conhecidas como padrões de escoamento. A caracterização desses escoamentos pode ajudar a prever, por exemplo, taxas de erosão e corrosão, além das oscilações de pressão ao longo do tempo e do duto, que podem provocar vibrações ou deformações mecânicas no duto. O objetivo do presente trabalho é analisar, por meio de simulações computacionais, a transição entre os padrões estratificado e pistonado em tubulações horizontais. A plataforma numérica utilizada é um código de malha bloco estruturada adaptativa desenvolvido no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia, chamado MFSim. Devido às características do problema físico abordado e da plataforma numérica utilizada, ao longo do trabalho foram desenvolvidas e testadas modelagens relativas a escoamentos turbulentos, escoamentos multifásicos e tratamentos para representação de corpos imersos em malhas estruturadas, os chamados métodos de fronteira imersa. Dentre os desenvolvimentos realizados, cabe destacar um método de multi forçagem direta para k e epsilon utilizado em simulações com modelos de turbulência da classe k-epsilon. São apresentados testes de diversas funcionalidades envolvidas no método de fronteira imersa e no método para tratamento de escoamentos bifásicos utilizado, o Volume of Fluid (VOF). Ao final, são apresentados os resultados e as análises de simulações computacionais da transição entre os padrões estratificado e pistonado em tubulações horizontais com seções retangulares e circulares. Os resultados foram comparados com valores de referência da literatura obtidos via experimentos materiais e simulações computacionais. Quando comparado com outros códigos, observou-se que o desempenho do MFSim na predição de parâmetros como tempo e localização de formação do primeiro pistão e holdup médio esteve acima do obtido por meio de outros códigos. Em síntese, o método implementado e os demais desenvolvimentos realizados neste trabalho representam um importante avanço envolvendo a plataforma MFSim para a simulação de um novo problema que contempla uma série de mecanismos físicos complexos.
Abstract: Flows in horizontal pipes where a liquid phase and a gas phase coexist are common in many fields of the industry. The distribution of phases can take different forms, known as flow patterns. The characterization of these flows can help to predict, for example, erosion and corrosion rates, in addition to pressure fluctuations over time and in the duct, which can cause vibrations or mechanical deformations. The objective of the present work is to analyze, through computer simulations, the transition between the stratified flow and slug flow patterns in horizontal pipes. The numerical platform used is an adaptive structured block mesh code developed at the Fluid Mechanics Laboratory of the Federal University of Uberlândia, called MFSim. Due to the characteristics of the physical problem addressed and the numerical platform used, throughout the work, modeling related to turbulent flows, multi-phase flows, and treatments for the representation of immersed bodies in structured meshes, the so-called immersed boundary methods, were developed, and tested. Among the developments, it is worth highlighting a multi-direct forcing method for k and epsilon used in simulations with turbulence models of the k-epsilon class. Are presented tests of several functionalities involved in the immersed boundary method and in the methodology for treating two-phase flows used, the Volume of Fluid (VOF). At the end are presented the results and analysis of computer simulations of the transition between the stratified and slug patterns in horizontal pipes with rectangular and circular sections. The results and reference values from the literature obtained with experiments and computer simulations were compared. It was observed that, compared with other codes, the MFSim performance in the prediction of parameters such as time and location of first slug formation and average holdup was above that obtained through other codes. In summary, the method implemented and the developments in this work represent an expressive advance involving the MFSim platform for the simulation of a new problem that includes a series of complex physical mechanisms.
Keywords: Escoamentos multifásicos
Padrões de escoamentos bifásicos
Escoamentos pistonados
Fronteira imersa
Modelos de turubulência URANS
Multiphase flow
Two-phase flow patterns
Slug flow
Immersed boundary model
URANS turbulence models
Engenharia mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia mecânica
Escoamento multifásico
Escoamento bifásico
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: MAGALHÃES, Gabriel Marcos. Modelagem matemática e computacional de escoamentos turbulentos multifásicos em malha adaptativa bloco estruturada utilizando o método multi direct forcing. 2022. 149 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.342.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.342
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38069
Date of defense: 25-Jul-2022
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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