Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Polímeros sintéticos ocupam uma posição de grande importância no estilo de vida moderno, servindo como matérias-primas para a construção de uma variedade de utensílios. Apesar do grande número de operações de processamento e produtos disponíveis, o planejamento de produtos e a otimização dos processos de produção raramente constituem-se de tarefas triviais. Isso deve-se ao fato da maioria das operações aplicadas na indústria de processamento de polímeros envolverem geometrias e padrões de escoamento complexos, além da dificuldade intrínseca relacionada ao comportamento reológico complexo de polímeros fundidos ou soluções poliméricas. Devido a estes fatores, o desenvolvimento de técnicas de dinâmica de fluido computacional (computational fluid dynamics – CFD) para a simulação de escoamentos de fluidos poliméricos e etapas de operações de processamento tem sido assunto de numerosos estudos durante as últimas décadas. Sob esta perspectiva, o solver viscoelasticFluidFoam, merece destaque. Ele é capaz de resolver simulações de escoamentos de fluidos viscoelásticos utilizando diferentes equações constitutivas. Contudo, apesar de resultados existentes na literatura apresentarem um bom potencial de aplicação, uma análise extensiva de seu desempenho numérico ainda não foi realizada. Neste contexto, a proposta do presente trabalho é a análise da influência de parâmetros de malha, numéricos e constitutivos no comportamento do solver. As bases para os testes compreendem uma geometria simples – escoamento laminar entre duas placas paralelas – o modelo constitutivo de Oldroyd-B e respectivas soluções analíticas para os campos de velocidade e tensão. Mesmo os testes demonstrando a inegável versatilidade do solver, eles revelam limitações em lidar com algumas configurações de malha e parâmetros constitutivos, principalmente com relação ao refinamento na direção perpendicular ao escoamento, diminuição do número de Reynolds e aumento do número de Weisenberg. Estas limitações podem ser parcialmente contornadas com escolha adequada de parâmetros de relaxação das variáveis e da razão de aspecto dos volumes de controle. Tais dificuldades não estão presentes em simulações de escoamentos de fluidos newtonianos em condições semelhantes, sugerindo que trabalhos futuros devem focar em implementações mais robustas do solver viscoelasticFluidFoam. / Synthetic polymers hold a position of great importance in modern lifestyle, serving as raw materials for the construction of a wide variety of appliances. Despite the large number of processing operations and products available, product planning and optimization of production processes rarely constitute a trivial task. This is due to the fact of operations applied in polymer processing industry involve complex geometries and flow patterns, plus the intrinsic difficulty related to the molten polymers or polymer solutions complex rheological behavior. Because of these factors, the development of techniques of computational fluid dynamics (CFD) for the simulation of flows of polymeric fluids and stages of processing operations has been the subject of numerous studies during the last decades. From this perspective, the viscoelasticFluidFoam solver deserves mention. The solver is capable of resolving simulations of viscoelastic fluid flows using different constitutive equations. However, despite the existing results in the literature present a great potential for application, an extensive analysis of their numerical performance has not been performed yet. The purpose of this paper is to examine the influence of mesh, numerical and constitutive parameters in the behavior of the solver. Bases for the tests comprise a simple geometry – laminar flow between two parallel plates – the constitutive model of Oldroyd-B and its analytical solutions for the velocity and stress fields. Although the tests show the undeniable versatility of the solver, they also reveal limitations in dealing with some mesh settings and constitutive parameters, particularly with respect to refinement in the direction perpendicular to the flow, decreasing in the Reynolds number and increasing in the Weisenberg number. This limitation can be partially circumvented with proper choice of variables relaxation parameters and aspect ratio of the control volumes. Such difficulties are not present in simulations of Newtonian fluids flows under similar conditions, suggesting that future works should focus on more robust implementations of the viscoelasticFluidFoam solver.

O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-12-04Bitstream added on 2014-06-13T20:50:44Z : No. of bitstreams: 1 minussi_rb_me_ilha.pdf: 1918415 bytes, checksum: 5176f1d27a7b361288abf94e48919e04 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Denominam-se problemas tipo rompimento de barreira os fenômenos nos quais um fluido é liberado de maneira abrupta. Quando o fluido apresenta natureza hiperconcentrada, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação pode se tornar não-linear, passando a apresentar reologia não-Newtoniana. Problemas deste tipo podem ser encontrados em muitos fenômenos tanto na natureza quanto em processos industriais. O estudo de tal problema é, geralmente, conduzido usando simplificações, como a aproximação de águas rasas e a separação do escoamento em regimes dominantemente inerciais ou viscosos. O presente trabalho é composto de duas partes, uma experimental e outra, numérica. No campo experimental, duas soluções controladas são usadas: soluções aquosas de açúcar e de Carbopol 940, esta última com várias concentrações volumétricas. O aparato experimental consiste em um canal retangular de acrílico, contendo uma comporta, a montante da qual, o fluido é retido e, pela ruptura (levantamento da comporta), começa a escoar. O escoamento é estudado através de técnicas avançadas de filmagem. No campo numérico, são realizadas simulações usando o programa CFX, no qual é usado um método de rastreamento de interface, o VOF e sem o emprego das simplificações citadas. Os resultados experimentais são comparados com os numéricos e com resultados da literatura que usam tais simplificações. Na comparação a aproximação de águas rasas, apesar de descrever bem a forma da interface, se distancia dos valores reais da posição da frente de onda. / The dam break problem describes a phenomenon in which there is an abrupt release of fluid. When the fluid is hiperconcentrated, the relation between the shear stress and the strain rate can become non-linear, and so present a non-Newtonian rheology. The non-Newtonian dam break problem may be found in many phenomena in nature and industrial process. The study of such a problem is, generally, conducted using simplified hypothesis such as the shallow water approximation and the separation of the flow in inertial and viscous dominated regimes. The present work is composed of two parts, one experimental and other, numerical. In the experimental field, two controlled solutions were used: water solutions of sugar and of Carbopol 940, the last one with a wide range of volume concentrations. These fluids have, respectively, Newtonian and non-Newtonian rheologies. The experimental setup consists of an acrylic rectangular channel, which has a dam and upstream of that the fluid is retained and, by the rupture, it begins to flow. The flow is studied by using advanced filming techniques. In the numerical field, simulations are conducted using the CFX software, which uses an interface tracking method, the VOF, and without the shallow water approximation and the division of the flow. So the experimental, numerical and literature results, that uses such simplifications, are compared and it is showed that the shallow water approximation, however describes very well the shape of the surface, is not accurate in calculate the wave front position.

The increasing activity of oil and gas extraction in deep water has stimulated several studies to solve problems encountered in drilling wells. During the drilling operation, a fluid (drilling mud) is pumped through the column to the bottom, carrying to the surface the drill cuttings generated, through the annular space formed between the column and the borehole wall. In this type of flow may appear a kind of hydrodynamic instability characterized by the appearance of toroidal vortices. This type of instability (Taylor-Couette) may profoundly alter the pressure drop of the flow, the shear stress at the borehole wall and the ability of carrying the solids. Moreover, during the process of drilling a well it is necessary promotes the well cementing and coating to provide a mechanical support, as well as, to isolate it from different rock formations traversed. For this step to be successful, the drilling mud must be completely removed from the annular space, and this removal may be impaired in wells which have varying eccentricity along the tube. Due to high costs of correction transactions and loss of drilling time, it is crucial to predict the mud flow around the annular. The effects of this variation of the eccentricity have not been much discussed in the literature, and they may have great influence on the displacement of the mud in the annular space. As an initial phase of work, numerical simulations were performed to study the flow and the emergence of Taylor- Couette instabilities in a concentric annular section, in order to compare them with literature data. Numerical simulations were developed in annular periodic sections, concentric and eccentric (E = 0.5) in order to obtain average profiles of axial and tangential velocities using different turbulence models, aiming at a comparison of simulated results with experimental data from literature. Later, it was made an experimental study and simulation to assess the effect of internal axis rotation on the pressure drop in the flow of non-Newtonian fluids (aqueous solutions of xanthan gum and carboxymethyl cellulose with 0.2% by weight) in a section annular concentric and the other with fixed eccentricity (E = 0.75). Finally, it was elaborated an experimental design (3k) with four variables, such as, xanthan gum concentration (0.05%, 0.10% and 0.15% by weight), eccentricity (0.0, 0.23 and 0.46), fluid flow rate (5, 7 and 9 m3/h) and internal rotation axis (0, 100 and 200 rpm). Following this planning, experimental data of pressure drop were collected, as well as, numerical simulations (CFD) in periodic annular sections to get results of axial velocity, in order to evaluate the effect of variable eccentric rotation on the fluid dynamics of non-Newtonian flows in annular spaces. / A crescente atividade de extração de petróleo e gás em águas cada vez mais profundas tem impulsionando diversos estudos para solucionar problemas encontrados na perfuração de poços. Durante a operação de perfuração, um fluido (lama de perfuração) é bombeado através da coluna até o fundo do poço, retornando à superfície carreando os cascalhos gerados pela broca, passando pelo espaço anular formado entre a coluna e a parede do poço. Neste tipo de escoamento pode ocorrer um tipo de instabilidade hidrodinâmica caracterizada pelo aparecimento de vórtices toroidais. Este tipo de instabilidade (Taylor-Couette), pode alterar profundamente a perda de carga do escoamento, a tensão cisalhante na parede do poço e a capacidade de carreamento de cascalho. Além disto, durante o processo de perfuração de um poço é necessário promover o revestimento e a cimentação do poço para fornecer a sua sustentação mecânica, bem como, para isolá-lo das diferentes formações rochosas atravessadas. Para esta etapa ser bem sucedida, a lama de perfuração deve ser completamente removida do anular, sendo que, esta remoção pode ser prejudicada em poços que apresentem excentricidade variando ao longo do tubo. Devido aos altos custos das operações de correção e a perda de tempo de perfuração, é fundamental prever este deslocamento da lama ao redor do anular. Os efeitos desta variação da excentricidade ainda não foram muito abordados na literatura e podem apresentar grande influência no deslocamento da lama no espaço anular. Como etapa inicial do trabalho, foram realizadas simulações numéricas para estudar o escoamento com surgimento de instabilidades do tipo Taylor-Couette em uma seção anular concêntrica, com intuito de compará-las com trabalhos da literatura. Depois foram desenvolvidas simulações numéricas em seções anulares periódicas, concêntrica e excêntrica (E = 0,5), a fim de obter perfis médios de velocidades axial e tangencial usando diferentes modelos de turbulência, visando uma comparação dos resultados simulados com os dados experimentais da literatura. Posteriormente, foi feito um estudo experimental e de simulação para avaliar o efeito da rotação do eixo interno sobre a queda de pressão no escoamento de fluidos não-Newtonianos (soluções aquosas de Goma Xantana e de Carboximetilcelulose a 0,2% em peso) numa seção anular concêntrica e outra com excentricidade fixa (E = 0,75). Finalmente, elaborou-se um planejamento fatorial de experimentos do tipo 3k com quatro variáveis, tais como, concentração de Goma Xantana (0,05%, 0,10% e 0,15%), excentricidade (0,0; 0,23 e 0,46), vazão volumétrica (5, 7 e 9 m3/h) e rotação do eixo interno (0, 100 e 200 rpm). Seguindo este planejamento foram levantados dados experimentais de queda de pressão, bem como, simulações numéricas (CFD) em seções periódicas para obtenção de resultados de velocidade axial, com intuito de avaliar efeito do movimento de rotação excêntrica variável sobre a dinâmica do escoamento de fluidos não-Newtonianos em espaços anulares. / Doutor em Engenharia Química

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Polímeros sintéticos ocupam uma posição de grande importância no estilo de vida moderno, servindo como matérias-primas para a construção de uma variedade de utensílios. Apesar do grande número de operações de processamento e produtos disponíveis, o planejamento de produtos e a otimização dos processos de produção raramente constituem-se de tarefas triviais. Isso deve-se ao fato da maioria das operações aplicadas na indústria de processamento de polímeros envolverem geometrias e padrões de escoamento complexos, além da dificuldade intrínseca relacionada ao comportamento reológico complexo de polímeros fundidos ou soluções poliméricas. Devido a estes fatores, o desenvolvimento de técnicas de dinâmica de fluido computacional (computational fluid dynamics – CFD) para a simulação de escoamentos de fluidos poliméricos e etapas de operações de processamento tem sido assunto de numerosos estudos durante as últimas décadas. Sob esta perspectiva, o solver viscoelasticFluidFoam, merece destaque. Ele é capaz de resolver simulações de escoamentos de fluidos viscoelásticos utilizando diferentes equações constitutivas. Contudo, apesar de resultados existentes na literatura apresentarem um bom potencial de aplicação, uma análise extensiva de seu desempenho numérico ainda não foi realizada. Neste contexto, a proposta do presente trabalho é a análise da influência de parâmetros de malha, numéricos e constitutivos no comportamento do solver. As bases para os testes compreendem uma geometria simples – escoamento laminar entre duas placas paralelas – o modelo constitutivo de Oldroyd-B e respectivas soluções analíticas para os campos de velocidade e tensão. Mesmo os testes demonstrando a inegável versatilidade do solver, eles revelam limitações em lidar com algumas configurações de malha e parâmetros constitutivos, principalmente com relação ao refinamento na direção perpendicular ao escoamento, diminuição do número de Reynolds e aumento do número de Weisenberg. Estas limitações podem ser parcialmente contornadas com escolha adequada de parâmetros de relaxação das variáveis e da razão de aspecto dos volumes de controle. Tais dificuldades não estão presentes em simulações de escoamentos de fluidos newtonianos em condições semelhantes, sugerindo que trabalhos futuros devem focar em implementações mais robustas do solver viscoelasticFluidFoam. / Synthetic polymers hold a position of great importance in modern lifestyle, serving as raw materials for the construction of a wide variety of appliances. Despite the large number of processing operations and products available, product planning and optimization of production processes rarely constitute a trivial task. This is due to the fact of operations applied in polymer processing industry involve complex geometries and flow patterns, plus the intrinsic difficulty related to the molten polymers or polymer solutions complex rheological behavior. Because of these factors, the development of techniques of computational fluid dynamics (CFD) for the simulation of flows of polymeric fluids and stages of processing operations has been the subject of numerous studies during the last decades. From this perspective, the viscoelasticFluidFoam solver deserves mention. The solver is capable of resolving simulations of viscoelastic fluid flows using different constitutive equations. However, despite the existing results in the literature present a great potential for application, an extensive analysis of their numerical performance has not been performed yet. The purpose of this paper is to examine the influence of mesh, numerical and constitutive parameters in the behavior of the solver. Bases for the tests comprise a simple geometry – laminar flow between two parallel plates – the constitutive model of Oldroyd-B and its analytical solutions for the velocity and stress fields. Although the tests show the undeniable versatility of the solver, they also reveal limitations in dealing with some mesh settings and constitutive parameters, particularly with respect to refinement in the direction perpendicular to the flow, decreasing in the Reynolds number and increasing in the Weisenberg number. This limitation can be partially circumvented with proper choice of variables relaxation parameters and aspect ratio of the control volumes. Such difficulties are not present in simulations of Newtonian fluids flows under similar conditions, suggesting that future works should focus on more robust implementations of the viscoelasticFluidFoam solver.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2007. / Submitted by Fabrícia da Silva Costa Feitosa (fabriciascf@gmail.com) on 2009-12-24T17:37:56Z No. of bitstreams: 1 2007_SorayaMendesdeSouza.pdf: 2759625 bytes, checksum: 75f1fbac58661b97dda16513e5d59313 (MD5) / Approved for entry into archive by Joanita Pereira(joanita) on 2010-01-04T17:30:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_SorayaMendesdeSouza.pdf: 2759625 bytes, checksum: 75f1fbac58661b97dda16513e5d59313 (MD5) / Made available in DSpace on 2010-01-04T17:30:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_SorayaMendesdeSouza.pdf: 2759625 bytes, checksum: 75f1fbac58661b97dda16513e5d59313 (MD5) Previous issue date: 2007 / O presente trabalho pretende estudar alguns casos de problemas de acoplamento acústico- mecânico 2D através de uma formulação potencial simétrica U-φ-P0. O potencial de velocidades (φ) e a pressão estática (P0) são variáveis para o fluido, enquanto os deslocamentos (U) descrevem o comportamento do sólido. Para a solução do problema de acoplado fluido-estrutura, utiliza-se o Método de Elementos Finitos baseado numa formulação variacional. Selecionam-se alguns casos testes para simulação e os resultados numéricos obtidos com o programa acadêmico FEDYFE são comparados com aqueles resultantes do programa ANSYS e com as soluções analíticas equivalentes, com intuito de validar as implementações computacionais, fato que fornecem uma boa concordância entre as soluções analisadas. Além disso, desenvolve-se uma metodologia capaz de auxiliar a identificação os modos de vibração dos problemas acoplados fluido-estrutura. Esse procedimento se faz necessário quando a estrutura apresenta certa flexibilidade, o que proporciona o surgimento de modos dominantes da cavidade, da estrutura e mistos no modelo de difícil análise e interpretação. Aplica-se a metodologia em alguns casos, onde há um ou mais estruturas (analogia de pistões rígidos-móveis ou flexíveis) associados a cavidades acústicas de geometria regular. Nos modelos estudados, testam-se também as soluções analíticas para o sistema, que podem ser obtidas a partir da composição de freqüências e seus modos resultantes. Ainda como resultado desta dissertação, implementa-se um elemento de viga de Bernoulli no programa acadêmico FEDYFE. Escolhem-se dois modelos de acoplamento, considerando o elemento de viga, comparando-se também os resultados numéricos (ANSYS e FEDYFE) com as soluções analíticas para os casos desacoplados e acoplados. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The main focus of this work is the use of a symmetrical potential formulation U-φ-P0 to solve 2D acoustic-mechanic coupling problems. The velocity potential (φ) and the static pressure (P0) are variables for the fluid, while the displacements (U) describe the behavior of the solid. The fluid-structure coupled problems have been dealt with using the finite element method based on a variational formulation. Some study cases have been object of computer simulation, and the numeric results obtained from the software FEDYFE were compared with those from the software ANSYS and with the equivalent analytic solutions. The aim was to validate the computational modelling, and the results show a high level of convergence between the different approaches. In addition, a methodology has been developed to assist identifying vibration modes in fluid-structure coupled problems. Such a procedure is needed for flexible structures, as they tend to present cavity dominant modes, structure modes and mixed modes, which are of difficult analysis and interpretation. The methodology has been applied to problems presenting one or more structures (mobile rigid or flexible piston analogy) associated to regular geometry acoustic cavities. In the studied models, it has also been tested an analytic solution for the system, which was obtained from the composition of frequencies and their resultant modes. Still, a Bernoulli beam element has been implemented in FEDYFE. Two coupling models have been chosen considering the beam element, and the numeric results (ANSYS and FEDYFE) were also compared with the analytic solutions for both the uncoupled and coupled cases.

Polímeros sintéticos ocupam uma posição de grande importância no estilo de vida moderno, servindo como matérias-primas para a construção de uma variedade de utensílios. Apesar do grande número de operações de processamento e produtos disponíveis, o planejamento de produtos e a otimização dos processos de produção raramente constituem-se de tarefas triviais. Isso deve-se ao fato da maioria das operações aplicadas na indústria de processamento de polímeros envolverem geometrias e padrões de escoamento complexos, além da dificuldade intrínseca relacionada ao comportamento reológico complexo de polímeros fundidos ou soluções poliméricas. Devido a estes fatores, o desenvolvimento de técnicas de dinâmica de fluido computacional (computational fluid dynamics – CFD) para a simulação de escoamentos de fluidos poliméricos e etapas de operações de processamento tem sido assunto de numerosos estudos durante as últimas décadas. Sob esta perspectiva, o solver viscoelasticFluidFoam, merece destaque. Ele é capaz de resolver simulações de escoamentos de fluidos viscoelásticos utilizando diferentes equações constitutivas. Contudo, apesar de resultados existentes na literatura apresentarem um bom potencial de aplicação, uma análise extensiva de seu desempenho numérico ainda não foi realizada. Neste contexto, a proposta do presente trabalho é a análise da influência de parâmetros de malha, numéricos e constitutivos no comportamento do solver. As bases para os testes compreendem uma geometria simples – escoamento laminar entre duas placas paralelas – o modelo constitutivo de Oldroyd-B e respectivas soluções analíticas para os campos de velocidade e tensão. Mesmo os testes demonstrando a inegável versatilidade do solver, eles revelam limitações em lidar com algumas configurações de malha e parâmetros constitutivos, principalmente com relação ao refinamento na direção perpendicular ao escoamento, diminuição do número de Reynolds e aumento do número de Weisenberg. Estas limitações podem ser parcialmente contornadas com escolha adequada de parâmetros de relaxação das variáveis e da razão de aspecto dos volumes de controle. Tais dificuldades não estão presentes em simulações de escoamentos de fluidos newtonianos em condições semelhantes, sugerindo que trabalhos futuros devem focar em implementações mais robustas do solver viscoelasticFluidFoam. / Synthetic polymers hold a position of great importance in modern lifestyle, serving as raw materials for the construction of a wide variety of appliances. Despite the large number of processing operations and products available, product planning and optimization of production processes rarely constitute a trivial task. This is due to the fact of operations applied in polymer processing industry involve complex geometries and flow patterns, plus the intrinsic difficulty related to the molten polymers or polymer solutions complex rheological behavior. Because of these factors, the development of techniques of computational fluid dynamics (CFD) for the simulation of flows of polymeric fluids and stages of processing operations has been the subject of numerous studies during the last decades. From this perspective, the viscoelasticFluidFoam solver deserves mention. The solver is capable of resolving simulations of viscoelastic fluid flows using different constitutive equations. However, despite the existing results in the literature present a great potential for application, an extensive analysis of their numerical performance has not been performed yet. The purpose of this paper is to examine the influence of mesh, numerical and constitutive parameters in the behavior of the solver. Bases for the tests comprise a simple geometry – laminar flow between two parallel plates – the constitutive model of Oldroyd-B and its analytical solutions for the velocity and stress fields. Although the tests show the undeniable versatility of the solver, they also reveal limitations in dealing with some mesh settings and constitutive parameters, particularly with respect to refinement in the direction perpendicular to the flow, decreasing in the Reynolds number and increasing in the Weisenberg number. This limitation can be partially circumvented with proper choice of variables relaxation parameters and aspect ratio of the control volumes. Such difficulties are not present in simulations of Newtonian fluids flows under similar conditions, suggesting that future works should focus on more robust implementations of the viscoelasticFluidFoam solver.

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.