Numerical Simulation of the Restart Flow of Thixotropic Elastoviscoplastic Materials in Contractions and Expansions Geometries Using OpenFoam

Abstract

A modelagem de materiais tixo-elastoviscoplásticos (TEVP) apresentou avanços importantes nos últimos anos, e mais estudos numéricos são necessários para validar esses modelos. A maioria das simulações numéricas encontradas na literatura consideram apenas um ou dois comportamentos reológicos, dificultando assim uma análise mais profunda sobre como as três principais classes de comportamentos reológicos interagem entre si. Um exemplo de aplicação de um material TEVP é a operação de reinício de escoamento de um duto preenchido por um óleo parafínico gelificado, onde cristais de parafina são depositados, alterando o comportamento reológico do escoamento. Além da complexidade do material, a operação de reinício é por definição uma operação em regime transiente, o que aumenta as dificuldades para a simulação numérica. O presente trabalho apresenta uma ferramenta open-source capaz de simular escoamentos de reinício de materiais TEVP, analisando como o comportamento reológico influencia os parâmetros do escoamento, tais como o campo de velocidade, o campo de fluidez e o tempo para atingir o regime permanente. As geometrias adotadas são a contração planar 4:1 e a expansão planar 1:4, e o escoamento é considerado incompressível e isotérmico. No início da simulação, o material é considerado como completamente estruturado, em repouso e sem qualquer esforço interno. Então, é imposto um gradiente de pressão entre a entrada e a saída, acelerando o escoamento e quebrando a estrutura interna do material. As simulações foram executadas até que o escoamento seja considerado em regime permanente. Os resultados são apresentados em termos do campo de tensão adimensional, o campo de fluidez normalizado, o campo de velocidades adimensional, e a evolução temporal da velocidade e da fluidez de alguns pontos específicos do domínio. Os efeitos da viscoelasticidade, do tempo de avalanche, do tempo de construção e do gradiente de pressão adimensional imposto são discutidos individualmente enquanto os outros parâmetros são mantidos constantes. Os resultados destacam a importância de considerar todos os três comportamentos reológicos simultaneamente: o transporte advectivo do material desestruturado possibilitou que o escoamento apresente regiões com fluxo ativo mesmo com a tensão local inferior à sua tensão de escoamento, por exemplo. O aumento da viscoelasticidade aumentou a aceleração no início do escoamento, mas o escoamento em regime permanente mostrou-se independente do número de Deborah.