Análise numérica da dinâmica de crescimento da bolha de vapor em ebulição

• Main Author: Paschoal, Mateus Faria de Andrade
• Publication Date: 2020
• Format: Master thesis
• Language: por
• Source: Repositório Institucional da UNESP
• Download full: http://hdl.handle.net/11449/193305
• topic: Elementos finitos; Esquema CBS; Ebulição em piscina; Dinâmica de crescimento de bolha; Problema da cavidade; Level set; Volume of fluid; Finite element method; CBS scheme; Pool boiling; Cavity problem; Bubble growth dynamic

O presente trabalho possui enfoque em apresentar e desenvolver um programa capaz de simular a dinâmica de crescimento de uma bolha em regime de ebulição nucleada. Apresenta também fundamentos de mecânica dos fluidos, transferência de calor, métodos de rastreio e/ou captura de fronteira e métodos computacionais. Com a linguagem de programação Fortran 90 acoplado à IDE do CodeBlocks fez-se um programa para simular escoamentos de fluidos incompressíveis em coordenadas cartesianas sem e com mudança de fase. Para discretizar as equações governantes do problema, usou-se o Método de Elementos Finitos com o esquema da Separação Baseado na Característica (CBS) para estabilização da solução. Apresenta-se também no texto o desenvolvimento teórico dos métodos de discretização e estabilização. O código referente às equações fluidodinâmicas e térmica implementado foi testado no problema da cavidade com tampa deslizante e com convecção natural cujo domínio foi discretizado por uma malha não estruturada de elementos tetraédricos lineares e com malha estruturada de elementos hexaédricos lineares. Verificou-se que malhas estruturadas mostraram uma maior estabilidade para simulação do campo de pressão. Testou-se também resolver o campo de pressão através da Equação de Poisson para pressão e pelo Método da Compressibilidade Artificial. Foi evidenciado que ambos os métodos geram resultados muito similares para o campo de velocidade. Pela comparação dos resultados obtidos com os resultados benchmarking observa-se em alguns casos que o programa feito é capaz de simular um escoamento com transferência de calor com baixas velocidades. O código referente às equações de captura de fronteira também foi testado com um método Level Set modificado, que se mostrou um método para captura de fronteira fácil de ser implementado e que retorna resultados coerentes com as simulações de referência. Por fim, a simulação da dinâmica de crescimento de uma bolha em regime de ebulição nucleada mostrou raios de crescimento coerentes com dados experimentais da literatura.