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Título: Escoamento de fluidos complexos e transporte de part´ıculas em geometrias irregulares
Autor(es): Morais Neto, Apiano Ferreira de
Orientador(es): Andrade Junior, José Soares de
Coorientador(es): MORAES NETO, A.F.
Palavras-chave: Fenômenos de Transporte.
Dinâmica de Fluidos.
Fluidos não-Newtonianos.
Data do documento: 2011
Resumo: Neste trabalho, foram estudados vários tipos de escoamentos laminares de fluidos incompressíveis Newtonianos e não-Newtonianos. Isto foi feito através do estudo da interação destes escoamentos com geometrias complexas através de modelagem computacional e da solução numérica das equações de conservação do momento e continuidade de massa. Numa primeira etapa, a modelagem computacional de uma rede de poros foi usada para a gerar padrões de agregados granulares resultando de mecanismos de erosão-deposição de grãos leves. A geometria da rede de poros foi alterada dinamicamente de acordo com a transferência de momento do escoamento para as partículas localizadas em cada vértice da rede de poros. Os resultados mostraram que, para esse processo irreversível, o modelo foi capaz de reproduzir padrões típicos de processos de erosão bem-conhecidos. Numa segunda etapa, um separador de partículas semelhante à estrutura pulmonar foi proposto com base nas propriedades de escoamento em uma estrutura ramificada e nas propriedades de transporte inercial das partículas, quantificadas através do número de Stokes. Os resultados indicaram que a variação dos parâmetros de construção da estrutura ramificada leva a um regime eficiente do processo de separação em um amplo espectro de valores do número de Stokes. Por último, o escoamento de vários fluidos não-Newtonianos através de meios porosos desordenados em três-dimensões foi estudado. Os resultados mostraram, para fluidos do tipo lei-de-potência, que o escoamento pode ser descrito como uma curva universal se o n´umero de Reynolds e a permeabilidade hidráulica forem redefinidos de maneira apropriada. Fluidos de Bingham também foram estudados através do modelo de Herschel-Bulkley. Neste caso, as simulações revelaram que as interações entre a geometria complexa do espaço poroso, as propriedades reológicas do fluido e os efeitos inerciais do escoamento são responsáveis por uma melhora substancial da permeabilidade hidr´aulica do sistema em valores intermediários do número de Reynolds.
Abstract: In this work many types of incompressible laminar Newtonian and Non- Newtonian flows are studied. The interplay of these flows with complex geometries was investigated using computational modeling and numerical solution of the conservation of momentum and mass continuity equations. As a first step, the computational modeling of a network of pores was adopted to reveal the formation patterns caused by the mechanism of erosion-deposition of light grains. The geometry of the pore network was changed dynamically according to the flow momentum transfer for particles located on each vertex of the pore network. The results showed that, for this irreversible processes, the model is capable of reproducing patterns of formation of well-known erosion processes. In a second step, a particle separator inspired on the lung structure was proposed based on the flow properties in a branched structure and transport of inertial particles, quantified in terms of the Stokes number. The results indicated that the variation of construction parameters of the branched structure leads to an efficient design of the separation process in a wide range of values of the Stokes number. Finally, the flow of non-Newtonian fluids through threedimensional disordered porous media has been studied. The results showed, for power-law fluids that the flow can de described as a universal curve if the Reynolds number and the hydraulic permeability are redefined properly. The flow of Bingham fluids was also studied using the model of Herschel- Bulkley. In this case, the simulations showed that the interaction between the complex geometry of the pore space, the rheological properties of the fluid and the inertial effects of the flow is responsible for a substantial improvement of the hydraulic permeability of the system at intermediate values of the Reynolds number.
Descrição: Morais, Apiano F.; Andrade Jr., José S.. Escoamento de fluidos complexos e transporte de partículas em geometrias irregulares. Fortaleza, 2011. 131p. Tese de Doutorado — Departamento de Física, Universidade Federal do Ceará.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/1095
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