Um método numérico para o tratamento de mudanças topológicas em escoamentos viscoelásticos com superfície livre

Abstract

Neste trabalho é apresentado o estudo de um método numérico para resolver as equações de Navier-Stokes incompressíveis em escoamentos que possuem superfícies livres e mudanças topológicas. As equações governantes são resolvidas por um método de projeção que desacopla as incógnitas velocidade e pressão. A discretização é feita através de aproximações por diferenças finitas aplicadas a uma malha computacional não-uniforme. O método numérico é aplicado para a solução de problemas envolvendo fluidos Newtonianos e não-Newtonianos. Em particular, os efeitos viscoelásticos são descritos pelo modelo Oldroyd-B, utilizando a formulação Cartesiana clássica e uma forma alternativa para a decomposição da parte polimérica do tensor tensão extra. Esta estratégia alternativa de decomposição, conhecida como Formulação Tensão Natural, é muito atual e resultados numéricos são originalmente discutidos neste trabalho. O novo código com malha nãouniforme é testado nos seguintes problemas: escoamento na cavidade (lid-driven cavity), escoamento no cross-slot, e escoamento no canal com contração. A representação da superfície livre é feita através do método Front-Tracking, que descreve a interface de forma explícita através de partículas marcadoras. O algoritmo de mudanças topológicas é baseado em uma técnica que detecta e desfaz embaraçamentos presentes na interface. Este algoritmo é testado em simulações numéricas como: o impacto entre uma gota e uma camada de fluido, o impacto entre gotas e uma parede rígida, e o alongamento de um jato pela tensão superficial.

This work presents the study of a numerical method for solving the incompressible Navier-Stokes equations for free-surface flows that undergo topological changes. The governing equations are solved through a projection method that decouples the velocity and pressure fields. The discretization is performed via finite differences approximations applied to a non-uniform mesh. The numerical scheme is applied for solving Newtonian and non-Newtonian fluid flows. In particular, the viscoelastic effects are described by the Oldroyd-B model, using the classic Cartesian formulation and also an alternative approach for the decomposition of the polimeric part of the extra stress tensor. This alternative decomposition strategy is known as Natural Stress Formulation, and numerical results are originally discussed in this work. The new code with a non-uniform mesh is tested in the following problems: the lid-driven cavity, the cross-slot problem, and the flow through a channel with contraction. In order to represent the free-surface, a Front-Tracking method that describes the interface explicitly using marker particles is used. The algorithm for topological changes is based in a technique that detects when the interface is tangled and untangles it. This algorithm is tested in numerical simulations such as: the impact between a drop and a layer of fluid, the impact between drops and a solid wall, and the jetting break-up process under the effect of surface tension.