Simulación numérica del fenómeno de ebullición empleando el método de lattice Boltzmann
En la presente tesis se analiza la expansión de la técnica de lattice Boltzmann (LB) hacia la simulación del transporte de energía en fujos multifásicos, buscando una alternativa para resolver computacionalmente el complejo fenómeno de ebullición. Desde un punto de vista formal LB puede interpretars...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1071/1/1Fogliatto.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | En la presente tesis se analiza la expansión de la técnica de lattice Boltzmann (LB) hacia la simulación del transporte de energía en fujos multifásicos, buscando una alternativa para resolver computacionalmente el complejo fenómeno de ebullición. Desde un punto de vista formal LB puede interpretarse como un camino para encontrar la solución de una ecuación de Boltzmann, donde en lugar de discretizar directamente las ecuaciones de conservación macroscópicas, el método propone transportar una función de distribución en una grilla regular. A través de técnicas de expansión multiescala, como el análisis de Chapman-Enskog, es posible verificar que la grilla espacial, las velocidades discretas del espacio de fases, y el operador de colisión, pueden ser combinados adecuadamente para obtener la solución de las ecuaciones de conservación típicas de la mecánica de fuidos. La aplicación de esta metodología produce, en general, algoritmos de sencilla implementación, con una elevada capacidad de paralelización y una eficiencia computacional significativa.
El camino propuesto en este trabajo para abordar la simulación de ebullición con LB sigue una metodología incremental. En primer lugar se comienza con la evaluación de modelos multifásicos isotérmicos existentes, que consiste en el desarrollo y aplicación de un problema de prueba, con solución analítica, que permite evaluar la capacidad de un modelo LB para representar el equilibrio termodinámico de un sistema líquido-vapor bajo diferentes condiciones hidrodinámicas. A través de esta solución de referencia es posible cuantificar el efecto de la fuerza gravitacional en la existencia y posición de una interfase en equilibrio, junto con la verificación de la reproducción adecuada de densidades de coexistencia y la resolución espacial del método analizado.
Los modelos hidrodinámicos son expandidos con nuevas propuestas para resolver el transporte de energía en dos y tres dimensiones. Para ello, en esta tesis se adicionan ecuaciones de LB que permiten recuperar adecuadamente una ecuación de energía termodinámicamente consistente con la formulación pseudopotencial. Típicamente, el uso de esquemas LB tradicionales en la resolución de ecuaciones de advección-difusión escalares produce la recuperación de términos macroscópicos no deseados. En los modelos propuestos en este trabajo se demuestra que estos efectos pueden evitarse mediante la utilización de una distribución de equilibrio definida explícitamente en el espacio de momentos, de una matriz de relajación con coeficientes no nulos fuera de la diagonal principal, y de un término fuente implícito. Los nuevos modelos son validados mediante la simulación de un conjunto de experimentos numéricos con solución analítica, y demuestran una excelente capacidad para reproducir la creación y movimiento de las interfases. Por otro lado, son utilizados para demostrar cuantitativamente que aspectos tradicionales de la técnica, como consistencia e independencia de grilla, pueden evaluarse mediante una adimensionalización adecuada de las simulaciones empleando unidades reducidas.
Las capacidades de los nuevos modelos y procedimientos para simular eficientemente problemas de ebullición son finalmente evaluadas mediante la reproducción de un experimento de generación de burbujas individuales sobre una superficie calefaccionada. En particular, los modelos LB de la familia pseudopotencial reproducen el comportamiento de fluidos con propiedades macroscópicas que no pueden fijarse con exactitud antes de la simulación del experimento, y cuyos valores deben determinarse mediante experimentos numéricos adicionales. La validación propuesta en esta tesis no sólo incluye la comparación de las simulaciones con los resultados experimentales, sino que incorpora un análisis detallado de la construcción del modelo computacional. En el caso bajo análisis, se evidencia una excelente reproducción del proceso de formación, crecimiento y desprendimiento de las burbujas.
Los modelos introducidos en esta tesis se encuentran implementados en una herramienta numérica desarrollada en C++ que permite efectuar las simulaciones en arquitecturas de alto desempeño. El diseño de las bibliotecas posibilita una sencilla expansión e incorporación de nuevos modelos y ecuaciones. |
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