Neste trabalho apresentamos um estudo assintótico e numérico de escoamentos viscoelásticos com singularidades de tensão. Estas singularidades surgem como consequência de uma mudança abrupta nas condições de contorno, como no caso do stick-slip, ou devido a presença de quinas na geometria do problema, como no escoamento da contração. Para o problema stick-slip definimos o comportamento assintótico do fluido Oldroyd-B sobre um campo de velocidade Newtoniano. Esta análise foi feita com o método assintótico das expansões, que pode ser estendida para outros tipos de fluidos. O estudo assintótico do stick-slip com o modelo Oldroyd-B revelou que as equações deste modelo não estão bem definidas para este problema, pois este fluido estende o valor singular ao longo de toda a superfície livre, gerando resultados sem sentido físico. Além disso, os resultados assintóticos dos problemas stick-slip e da contração 4:1 foram verificados numericamente através da integração das equações constitutivas ao longo de linhas de corrente. Vale destacar que, além da tradicional formulação Cartesiana do tensor (CSF), também utilizamos a formulação natural do tensor (NSF), que tem a vantagem de capturar de modo mais acurado os resultados próximos às singularidades. Além do mais, desenvolvemos um método numérico para resolver as equações de Navier-Stokes combinadas com as equações constitutivas das formulações CSF e NSF para os modelos PTT e Giesekus nos dois problemas estudados. Vale ressaltar que, não há na literatura resultados numéricos, para o caso transiente, com a formulação NSF para os modelos PTT e Giesekus. Por fim, verificamos numericamente o comportamento assintótico das tensões próximo as singularidades, bem como a configuração das camadas limites para os problemas mencionados. / In this work we present an asymptotic and numerical study of viscoelastic flows with stress singularities. These singularities arise as a consequence of an abrupt change in the boundary conditions, as in the case of the stick-slip flow, or due to the presence of corners in the geometry of the problem, as in the contraction flow. For the stick-slip problem, we define the asymptotic behavior of the Oldroyd-B fluid over a Newtonian velocity field. This analysis was done with the method of matched asymptotic expansions, which can be extended to other types of fluids. The asymptotic study of the stick-slip flow for the Oldroyd-B model revealed that the equations of this model are not well defined for this problem, because this fluid extends the singularity throughout the free surface, generating results with no physical meaning. Besides that, the asymptotic results of the stick-slip and 4:1 contraction problems were verified numerically by integrating the constitutive equations along streamlines. It is worth mentioning that we performed asymptotic and numerical studies with the natural stress formulation (NSF) in addition to the Cartesian stress formulation (CSF). The NSF can capture the numerical results in a more accurate manner near singularities. Furthermore, we developed a numerical method to solve the Navier-Stokes equations combined with the constitutive equations of the CSF and NSF formulations for the PTT and Giesekus in the two problems studied. It is worth noting that there is no numerical results, for the transient case, with the NSF formulation for the PTT and Giesekus. Finally, we verified numerically the asymptotic behavior of stresses close to the singularities, as well as the configuration of the boundary layers for the problems mentioned above.

Submitted by Hugo Leonardo França (franca.hugo1@gmail.com) on 2018-10-04T18:04:35Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao-HugoFranca.pdf: 3793817 bytes, checksum: 12fb2ae28a169e9a5f6d50a5bce46b71 (MD5) / Approved for entry into archive by ALESSANDRA KUBA OSHIRO ASSUNÇÃO (alessandra@fct.unesp.br) on 2018-10-04T18:51:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 franca_hl_me_prud.pdf: 3820297 bytes, checksum: dafdb7b68a6401f200440004051ffa37 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-04T18:51:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 franca_hl_me_prud.pdf: 3820297 bytes, checksum: dafdb7b68a6401f200440004051ffa37 (MD5) Previous issue date: 2018-09-10 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / 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. / FAPESP: 2016/00456-2