Este trabalho apresenta um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos bidimensionais governados pela equação constitutiva Giesekus [Schleiniger e Weinacht 1991]. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada. A superfície livre do fluido é modelada por partículas marcadoras possibilitando assim a sua visualização e localização. O cálculo da velocidade é efetuado por um método implícito enquanto a pressão é calculada por um método explícito. A equação constitutiva de Giesekus é resolvida pelo método de Euler modificado explícito. O método numérico desenvolvido nesse trabalho é verificado comparando-se a solução numérica com a solução analítica para o escoamento de um fluido Giesekus em um canal. Resultados de convergência são obtidos pelo uso de refinamento de malha. Os resultados alcançados incluem um estudo da aplicação do modelo Giesekus para simular o escoamento numa contração planar 4:1 e o problema de um jato incidindo sobre uma placa rígida, em que o fenômeno jet buckling é simulado. / This work presents a numerical method to simulate two-dimensional viscoelastic flows governed by the Giesekus constitutive equation [Schleiniger e Weinacht 1991]. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. The free surface of the fluid is modeled by tracer particles thus enabling its visualization and location. The calculation of the velocity is performed by an implicit method while pressure is calculated by an explicit method. The Giesekus constitutive equation is resolved by the explicit modified Euler method. The numerical method developed in this work is verified by comparing the numerical solution with the analytical solution for the flow of a Giesekus fluid in a channel. Convergence results are obtained by the use of mesh refinement. Results obtained include a study of the application of the Giesekus model to simulate the flow through a 4:1 contraction and the problem of a jet flowing onto a rigid plate where the phenomenon of jet buckling is simulated.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos tridimensionais com superfícies livres governados pelo modelo constitutivo Giesekus. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada. A superfície livre do fluido é modelada por partículas marcadoras, possibilitando assim a visualização e localização da superfície livre do fluido. A equação constitutiva de Giesekus é resolvida utilizando as seguintes formulações: método de Runge-Kutta de segunda ordem (também conhecido como método de Euler modificado) e transformação logarítmica do tensor conformação. O método numérico apresentado é verificado comparando-se os resultados obtidos por meio de refinamento de malha para os escoamentos em um tubo e de um jato incidindo em uma placa plana. Resultados de convergência foram obtidos por meio de refinamento de malha do escoamento totalmente desenvolvido em um tubo. Os resultados numéricos obtidos incluem a simulação de um jato incidindo em uma caixa vazia e a simulação do inchamento do extrudado (dieswell) para vários números de Weissenberg utilizando diferentes valores do fator de mobilidade do fluido. Resultados adicionais incluem simulações do fenômeno delayed dieswell para altos números de Weissenberg e altos valores do número de Reynolds. Uma comparação qualitativa com resultados experimentais é apresentada. / In this work, a numerical method for simulating viscoelastic free surface flows governed by the Giesekus constitutive equation is developed. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. The fluid free surface is approximated by marker particles which enables the visualization and location of the free surface fluid. The Giesekus constitutive equation is solved by the following techniques: second-order Runge-Kutta, conformation tensor and logarithmic transformation of the conformation tensor. The numerical method is verified by comparing the numerical solutions obtained on a series of embedding meshes of the flow in a tube and by the flow produced by a jet flowing onto a planar surface. Additional verification and convergence results are obtained by solving tube flow employing several meshes. Results obtained include the simulation of a jet flowing into a three dimensional container and the simulation of extrudate swell using several values of the Reynolds and Weissenberg numbers and different values of the mobility parameter a. Furthermore, we present results from the simulation of the phenomenon know as delayed dieswell using highWeissenberg and Reynolds numbers. Comparisons with experimental results are given.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos tridimensionais com superfícies livres governados pelo modelo constitutivo Giesekus. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada. A superfície livre do fluido é modelada por partículas marcadoras, possibilitando assim a visualização e localização da superfície livre do fluido. A equação constitutiva de Giesekus é resolvida utilizando as seguintes formulações: método de Runge-Kutta de segunda ordem (também conhecido como método de Euler modificado) e transformação logarítmica do tensor conformação. O método numérico apresentado é verificado comparando-se os resultados obtidos por meio de refinamento de malha para os escoamentos em um tubo e de um jato incidindo em uma placa plana. Resultados de convergência foram obtidos por meio de refinamento de malha do escoamento totalmente desenvolvido em um tubo. Os resultados numéricos obtidos incluem a simulação de um jato incidindo em uma caixa vazia e a simulação do inchamento do extrudado (dieswell) para vários números de Weissenberg utilizando diferentes valores do fator de mobilidade do fluido. Resultados adicionais incluem simulações do fenômeno delayed dieswell para altos números de Weissenberg e altos valores do número de Reynolds. Uma comparação qualitativa com resultados experimentais é apresentada. / In this work, a numerical method for simulating viscoelastic free surface flows governed by the Giesekus constitutive equation is developed. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. The fluid free surface is approximated by marker particles which enables the visualization and location of the free surface fluid. The Giesekus constitutive equation is solved by the following techniques: second-order Runge-Kutta, conformation tensor and logarithmic transformation of the conformation tensor. The numerical method is verified by comparing the numerical solutions obtained on a series of embedding meshes of the flow in a tube and by the flow produced by a jet flowing onto a planar surface. Additional verification and convergence results are obtained by solving tube flow employing several meshes. Results obtained include the simulation of a jet flowing into a three dimensional container and the simulation of extrudate swell using several values of the Reynolds and Weissenberg numbers and different values of the mobility parameter a. Furthermore, we present results from the simulation of the phenomenon know as delayed dieswell using highWeissenberg and Reynolds numbers. Comparisons with experimental results are given.

Este trabalho apresenta um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos bidimensionais governados pela equação constitutiva Giesekus [Schleiniger e Weinacht 1991]. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada. A superfície livre do fluido é modelada por partículas marcadoras possibilitando assim a sua visualização e localização. O cálculo da velocidade é efetuado por um método implícito enquanto a pressão é calculada por um método explícito. A equação constitutiva de Giesekus é resolvida pelo método de Euler modificado explícito. O método numérico desenvolvido nesse trabalho é verificado comparando-se a solução numérica com a solução analítica para o escoamento de um fluido Giesekus em um canal. Resultados de convergência são obtidos pelo uso de refinamento de malha. Os resultados alcançados incluem um estudo da aplicação do modelo Giesekus para simular o escoamento numa contração planar 4:1 e o problema de um jato incidindo sobre uma placa rígida, em que o fenômeno jet buckling é simulado. / This work presents a numerical method to simulate two-dimensional viscoelastic flows governed by the Giesekus constitutive equation [Schleiniger e Weinacht 1991]. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. The free surface of the fluid is modeled by tracer particles thus enabling its visualization and location. The calculation of the velocity is performed by an implicit method while pressure is calculated by an explicit method. The Giesekus constitutive equation is resolved by the explicit modified Euler method. The numerical method developed in this work is verified by comparing the numerical solution with the analytical solution for the flow of a Giesekus fluid in a channel. Convergence results are obtained by the use of mesh refinement. Results obtained include a study of the application of the Giesekus model to simulate the flow through a 4:1 contraction and the problem of a jet flowing onto a rigid plate where the phenomenon of jet buckling is simulated.

Diversas aplicações industriais utilizam escoamentos de fluidos viscoelásticos, e em muitos casos é necessário saber se os escoamentos propagam-se no estado laminar ou no turbulento. Embora a hidrodinâmica de fluidos viscoelásticos seja fortemente afetada pelo balanço entre forças inerciais e elásticas no escoamento, o efeito da elasticidade sobre a estabilidade de escoamentos inerciais não foi completamente estabelecido. Neste trabalho, estuda-se o que ocorre durante a transição laminar-turbulenta, investigando a convecção de ondas de Tollmien-Schlichting para o escoamento incompressível, para um fluido viscoelástico, entre placas paralelas, utilizando a equação constitutiva Giesekus. Para isto, adotou-se a simulação numérica direta para verificar a estabilidade dos escoamentos à perturbações não estacionárias deste fluido. Experimentos computacionais para verificação do código foram realizados. Com os resultados numéricos obtidos, foi possível verificar e analizar a estabilidade de escoamentos utilizando-se o modelo não newtoniano Giesekus. / Several industrial applications use viscoelastic fluid flows, and it is necessary to know if the flows propagate in the laminar or turbulent state. Although the hydrodynamics of viscoelastic fluids is strongly affected by the balance between inertial and elastic forces in the flow, the effect of elasticity on the stability of inertial flows has not been completely established. In this work we study what happens during the laminar-turbulent transition, investigating the convection of Tollmien-Schlichting waves for the incompressible flow, for a viscoelastic fluid, between parallel plates, using the constitutive equation Giesekus. For this, the direct numerical simulation was used to verify the stability of the flows to the non-stationary perturbations of this fluid. Computational experiments to verify the code were performed. With the numerical results obtained, it was possible to verify and analyze the stability of flows modelled by Giesekus non-newtonian model.

Diversas aplicações industriais utilizam escoamentos de fluidos viscoelásticos, e em muitos casos é necessário saber se os escoamentos propagam-se no estado laminar ou no turbulento. Embora a hidrodinâmica de fluidos viscoelásticos seja fortemente afetada pelo balanço entre forças inerciais e elásticas no escoamento, o efeito da elasticidade sobre a estabilidade de escoamentos inerciais não foi completamente estabelecido. Neste trabalho, estuda-se o que ocorre durante a transição laminar-turbulenta, investigando a convecção de ondas de Tollmien-Schlichting para o escoamento incompressível, para um fluido viscoelástico, entre placas paralelas, utilizando a equação constitutiva Giesekus. Para isto, adotou-se a simulação numérica direta para verificar a estabilidade dos escoamentos à perturbações não estacionárias deste fluido. Experimentos computacionais para verificação do código foram realizados. Com os resultados numéricos obtidos, foi possível verificar e analizar a estabilidade de escoamentos utilizando-se o modelo não newtoniano Giesekus. / Several industrial applications use viscoelastic fluid flows, and it is necessary to know if the flows propagate in the laminar or turbulent state. Although the hydrodynamics of viscoelastic fluids is strongly affected by the balance between inertial and elastic forces in the flow, the effect of elasticity on the stability of inertial flows has not been completely established. In this work we study what happens during the laminar-turbulent transition, investigating the convection of Tollmien-Schlichting waves for the incompressible flow, for a viscoelastic fluid, between parallel plates, using the constitutive equation Giesekus. For this, the direct numerical simulation was used to verify the stability of the flows to the non-stationary perturbations of this fluid. Computational experiments to verify the code were performed. With the numerical results obtained, it was possible to verify and analyze the stability of flows modelled by Giesekus non-newtonian model.

Numerical simulations of the complex flows of complex (viscoelastic) fluids are investigated. The primary fluid investigated in this thesis is human blood, a complex fluid which can be modelled via viscoelastic constitutive models. The most commonly used constitutive models for viscoelastic fluids include the OldroydB, Giesekus, Johnson-Segalman, Finitely Extensible Non-Linear Elastic (FENE), Phan-Thein-Tanner (PTT) models etc. Our Numerical approach is based on the finite volume methods implemented on the OpenFOAM platform. We employ the Giesekus, Oldroyd-B, and Generalized Oldroyd-B viscoelastic constitutive models in this thesis, depending on the underlying context. Numerical validation of our results is conducted via the most used benchmark flow problems for viscoelastic fluid flow. The robust and efficient numerical methodologies are then deployed to investigate the flow characteristics, and hence illustrate various novel behavior, for blood flow in stenosed and bifurcated arteries. The present work took advantage of the availability of a reasonable set of viscoelastic constitutive model solvers within OpenFOAM, specifically the viscoelasticFluidFoam solver which we modified and developed to suit our focused needs for blood flow computations. The modified computational algorithms were successfully validated against well-known benchmark flow problems in the literature. Noting that the Giesekus viscoelastic constitutive model is a generalization of both the Oldroyd-B and Generalized Oldroyd-B models, the validation of results is carried out via the Giesekus model enabling us to develop a general-purpose code capable of simulating several viscoelastic constitutive models. The main results were otherwise presented for the Oldroyd-B and Generalized Oldroyd-B models as these are the most applicable to blood flow modelling. The results demonstrate that the velocity spurt through the stenosis is directly proportional to the constriction caused by the stenosis. The higher the blockage from the constriction, the higher the corresponding velocity spurt through the constriction. This velocity behavior, as the constriction blockage increases, correspondingly increase the wall shear stresses. High wall shear stresses significantly increase the possibility of rupture of the stenosis/blockage. This can lead to catastrophic consequences in the usual case where the stenosis is caused by tumor growth.