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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6525-7163
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Title: Modelagem Matemática e Computacional da Erosão em Escoamentos Multifásicos com Malhas Dinâmicas
Alternate title (s): Mathematical and Computational Modeling of Erosion in Multiphase Flows with Dynamic Mesh
Author: Rocha, Déborah Domingos da
First Advisor: Carvalho, Solidônio Rodrigues de
First member of the Committee: Filho, Enio Pedone Bandarra
Second member of the Committee: Vedovotto, João Marcelo
Third member of the Committee: Gómez, Luben Cabezas
Fourth member of the Committee: Anjos, Gustavo Rabello dos
Summary: Em diversas aplicações industriais a erosão tem grande importância e modifica a superfície erodida, o que pode, por exemplo, diminuir a vida útil de tubulações e equipamentos. Como o estudo experimental desses casos pode ser complexo ou até mesmo inviável devido ao alto custo, simulações numéricas são uma ferramenta importante para auxiliar na predição da erosão e evitar prejuízos e/ou melhorar a desempenho de equipamentos. Porém, em muitos casos a alteração da topologia ganha importância e exige que a malha computacional reproduza a movimentação da superfície erodida, o que requer a utilização de malhas dinâmicas. Esse tipo de malha demanda um custo computacional maior e os códigos disponíveis não possuem uma metodologia robusta que inclua a resolução transiente do escoamento acompanhada da movimentação da malha a cada passo de tempo com a obtenção de bons resultados e de fácil convergência. Sendo assim, foi desenvolvida uma metodologia numérica para atender a essa necessidade e que pudesse ser aplicada a quaisquer condições. Uma dificuldade nas simulações é o surgimento de volumes negativos devido à diminuição da qualidade da malha à medida que ela se deforma. Além disso, observou-se que resultados de erosão podem apresentar ruídos devido à estatística dos impactos nas células das malhas computacionais. Sendo assim, após o estudo do efeito de diversas variáveis e a validação da metodologia, foi implementado no código UNSCYFL3D um método para suavização do gradiente da superfície erodida. Observou-se que a qualidade da malha melhorou de forma significativa e que, para o caso de um jato impingente erosivo, o tempo de simulação diminuiu em até 58% devido à possibilidade de utilização de 8 vezes menos parcelas mantendo a qualidade do resultado obtido. Além disso, o código utilizado neste trabalho permite tanto a utilização de malhas estáticas quanto malhas dinâmicas, podendo-se optar por resolver o escoamento a cada passo de tempo ou utilizar um campo convergido do escoamento para calcular apenas a solução das partículas e, consequentemente, da erosão, o que também diminui consideravelmente o custo computacional. Ao comparar a metodologia para malhas estáticas ou dinâmicas utilizada neste estudo com outras disponíveis na literatura observou-se que os resultados são muito mais satisfatórios, apresentando diferenças de 15% em relação à profundidade máxima de erosão experimental, enquanto esse valor chega a 400% em outros trabalhos. Além disso, é a única metodologia com robustez para aplicação a qualquer geometria com possibilidade do estudo da modificação da mesma e sua influência na erosão aliado à obtenção de bons resultados.
Abstract: In several industrial applications, the phenomenon of erosion is very important and modify the eroded surface, which can, for example, reduce the useful life of pipes and equipment. As the experimental study can be complex or even unfeasible due to its high cost, numerical simulations are an important tool to erosion prediction and avoid losses and/or improve equipment performance. However, in many cases the topology change due to erosion is relevant and requires a computational mesh that reproduces the movement of the eroded surface, requiring dynamic meshes. This type of mesh presents a higher computational cost and the available codes do not have a robust methodology that includes the transient resolution of the flow followed by the movement of the mesh at each time step, while obtaining good results and easy convergence. Therefore, a numerical methodology was developed to meet this need and be applied to any conditions. A difficulty in simulations is usually the generation of negative volumes due to a decrease in mesh quality as mesh deformation increases. In addition, it was observed that erosion results may present non-physical noise due to the statistics of impacts on the cells of the computational mesh. Thus, after studying the effect of several variables and the methodology validation, a smoothing method was implemented in the UNSCYFL3D code in order to smooth the gradient of the eroded surface. It was observed that the mesh quality improved significantly and for the case of an impinging erosive jet the simulation time decreased by up to 58% due to the possibility of using 8 times fewer parcels while maintaining the quality of the results obtained. In addition, the code used in this work allows the use of both static and dynamic meshes, choosing to solve the flow at each time step or use a converged flow field to calculate only the solution of the particles and, consequently, of erosion, considerably reducing the computational cost. When comparing the methodology for static or dynamic meshes used in this study with others available in the literature, it was observed that the results are much more satisfactory, showing differences of 15% in relation to the maximum depth of experimental erosion, while this value reaches 400% using other methodologies. In addition, it is the only methodology with robustness for application to any geometry with the possibility of studying its modification and its influence on erosion combined with obtaining good results.
Keywords: CFD
Método de suavização
Malha móvel
Modelagem de erosão
Smooting method
Dynamic mesh
Erosion modeling
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia mecânica
Erosão
Malhas - Controle de qualidade
Modelagem matemática aplicada à resolução de problemas nas Engenharias
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: ROCHA, Déborah Domingos da. Modelagem Matemática e Computacional da Erosão em Escoamentos Multifásicos com Malhas Dinâmicas. 2023. 130f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2023.383.
Document identifier: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.383
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38953
Date of defense: 26-Jul-2023
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