Interações fluido-sólido via Método Lattice Boltzmann e elementos discretos

Abstract

A pesquisa tem como objetivo o estudo bidimensional da interação entre fluido e partículas sólidas por meio de um código computacional dos métodos lattice Boltzmann e elementos discretos. O código foi desenvolvido utilizando a linguagem C++ devido a sua maior rapidez e por ser uma linguagem orientada a objetos. O método lattice Boltzmann implementado faz uso do operador de colisão BGK com um único tempo de relaxação e discretização do domínio feita por meio de células lattice tipo D2Q9. O método dos elementos discretos (MED) utilizado é o mesmo proposto por Cundall & Strack com a adoção de partículas circulares ou discos para simular o meio discreto. Ambos os métodos foram validados por meio de problemas de referência amplamente estudados e de solução acurada. No método lattice Boltzmann foram feitas simulações de fluxo Poiseuille e fluxo ao redor de um cilindro onde foi verificada a capacidade geral do método de simular fluxos incompressíveis e capturar os diferentes tipos de regimes desenvolvidos em um canal em função do número de Reynolds. Já o método dos elementos discretos foi validado e teve parâmetros calibrados por meio da análise da energia de uma partícula em queda livre e da conservação de momento linear na colisão entre partículas, se mostrando bastante eficaz em ambos os casos. O acoplamento dos métodos foi feito por meio do método das fronteiras móveis devido a sua facilidade de implementação e conservação da localidade das operações e teve sua validação por meio da análise do coeficiente de arrasto desenvolvido na partícula. Os valores do coeficiente de arrasto em função do número de Reynolds se mostraram totalmente em conformidade com a solução analítica para números de Reynolds maiores que 60 e apresentaram valores subestimados para números de Reynolds menores, porém o método ainda se mostrou eficaz. Por fim, o código desenvolvido é uma ferramenta com um grande potencial para simulação de meios particulados em contato com um fluido e avaliar as nuances de suas interações.