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

Abstract

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.

The present work aims to present and develop a program able to simulate a single bubble growth in the pool boiling regime. Also, it presents some fluid mechanical, heat transfer, front tracking, and computational methods fundamentals. By using Fortran 90 programming language coupled with CodeBlocks IDE was developed a frame to simulate incompressible fluid flows in Cartesian coordinates with and without phase change. In order to discretize the governing equations were used Finite Element Method with Characteristic Based Split (CBS) scheme to stabilize the solution. The theoretical development of the Finite Element Method and CBS scheme are also presented. The code was tested in a driven-lit cavity and the cavity problem with natural convection which domain was discretized by a non-structured mesh of linear tetrahedrons and a structure mesh of hexahedral linear elements. It was observed that structured meshes are more stable to obtain the pressure field. Moreover, it was tested the pressure field by Poisson Equation and by Artificial Compressibility. It was evidenced both gives similar temperature field. Comparing the obtained results and benchmarking results can be concluded that the implemented code is capable to simulate fluid flow with heat exchange with low velocities. The code implemented for front capturing was tested and was verified that the Level Set Method is an easy method to implement and returned reasonable results compared with the reference simulation. The simulation of a single bubble growth under the pool boiling regime shows a growth radius coherent to the literature experimental data.