A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não newtonianos e o estudo do seu comportamento reológico tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, existe uma classe de fluidos que exibem pequena deformação aparente quando sujeitos a um nível de tensões inferior a uma tensão limite de escoamento, referido como comportamento viscoplástico. Nesta classe de materiais, alguns apresentam também comportamento elástico quando submetidos a baixas taxas de cisalhamento. A presente Tese tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos elasto-viscoplásticos através de uma expansão-contração planar. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo elasto-viscoplástico proposto nesta Tese. Esta modelagem é aproximada por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão extra polimérica, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os sub-espaços de elementos finitos para tensão extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nesta Tese é adotada uma metodologia alternativa para a definição das zonas rígidas do escoamento como sendo a posição onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o tempo de relaxação adimensional, o número de salto, o coeficiente power-law, a vazão adimensional e a massa específica adimensional são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos elastoviscoplásticos. Os resultados obtidos estão qualitativamente de acordo com a literatura, atestando a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found in nature and the study of their rheological behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a class of materials that exhibits little apparent deformation when subjected to a stress level behind an yield stress, referenced as viscoplastic material. In this class of materials, some fluids also exhibit elastic behavior at low shear rates. The present work aimed to a numerical study of two-dimensional steady state laminar flows of elasto-viscoplastic fluids through a planar expansion-contraction cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the elasto-viscoplastic model porposed in this work. This modeling has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the elastic extra-stress component, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stress-velocity and pressure-velocity (Babuška- Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of the Federal University of Rio Grande do Sul. An alternative methodology is adopted to define the yield surface as the position where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the non-dimensional relaxation time, the jump number, the power-law coefficient, the non-dimensional flow rate, and the non-dimensional density are varied in order to evaluate their influence on the elasto-viscoplastic fluid dynamics. All results found are in qualitatively accordance with the affine literature, and attesting the good stability features of the formulation.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não newtonianos e o estudo do seu comportamento reológico tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, existe uma classe de fluidos que exibem pequena deformação aparente quando sujeitos a um nível de tensões inferior a uma tensão limite de escoamento, referido como comportamento viscoplástico. Nesta classe de materiais, alguns apresentam também comportamento elástico quando submetidos a baixas taxas de cisalhamento. A presente Tese tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos elasto-viscoplásticos através de uma expansão-contração planar. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo elasto-viscoplástico proposto nesta Tese. Esta modelagem é aproximada por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão extra polimérica, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os sub-espaços de elementos finitos para tensão extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nesta Tese é adotada uma metodologia alternativa para a definição das zonas rígidas do escoamento como sendo a posição onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o tempo de relaxação adimensional, o número de salto, o coeficiente power-law, a vazão adimensional e a massa específica adimensional são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos elastoviscoplásticos. Os resultados obtidos estão qualitativamente de acordo com a literatura, atestando a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found in nature and the study of their rheological behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a class of materials that exhibits little apparent deformation when subjected to a stress level behind an yield stress, referenced as viscoplastic material. In this class of materials, some fluids also exhibit elastic behavior at low shear rates. The present work aimed to a numerical study of two-dimensional steady state laminar flows of elasto-viscoplastic fluids through a planar expansion-contraction cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the elasto-viscoplastic model porposed in this work. This modeling has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the elastic extra-stress component, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stress-velocity and pressure-velocity (Babuška- Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of the Federal University of Rio Grande do Sul. An alternative methodology is adopted to define the yield surface as the position where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the non-dimensional relaxation time, the jump number, the power-law coefficient, the non-dimensional flow rate, and the non-dimensional density are varied in order to evaluate their influence on the elasto-viscoplastic fluid dynamics. All results found are in qualitatively accordance with the affine literature, and attesting the good stability features of the formulation.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não newtonianos e o estudo do seu comportamento reológico tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, existe uma classe de fluidos que exibem pequena deformação aparente quando sujeitos a um nível de tensões inferior a uma tensão limite de escoamento, referido como comportamento viscoplástico. Nesta classe de materiais, alguns apresentam também comportamento elástico quando submetidos a baixas taxas de cisalhamento. A presente Tese tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos elasto-viscoplásticos através de uma expansão-contração planar. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo elasto-viscoplástico proposto nesta Tese. Esta modelagem é aproximada por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão extra polimérica, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os sub-espaços de elementos finitos para tensão extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nesta Tese é adotada uma metodologia alternativa para a definição das zonas rígidas do escoamento como sendo a posição onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o tempo de relaxação adimensional, o número de salto, o coeficiente power-law, a vazão adimensional e a massa específica adimensional são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos elastoviscoplásticos. Os resultados obtidos estão qualitativamente de acordo com a literatura, atestando a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found in nature and the study of their rheological behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a class of materials that exhibits little apparent deformation when subjected to a stress level behind an yield stress, referenced as viscoplastic material. In this class of materials, some fluids also exhibit elastic behavior at low shear rates. The present work aimed to a numerical study of two-dimensional steady state laminar flows of elasto-viscoplastic fluids through a planar expansion-contraction cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the elasto-viscoplastic model porposed in this work. This modeling has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the elastic extra-stress component, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stress-velocity and pressure-velocity (Babuška- Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of the Federal University of Rio Grande do Sul. An alternative methodology is adopted to define the yield surface as the position where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the non-dimensional relaxation time, the jump number, the power-law coefficient, the non-dimensional flow rate, and the non-dimensional density are varied in order to evaluate their influence on the elasto-viscoplastic fluid dynamics. All results found are in qualitatively accordance with the affine literature, and attesting the good stability features of the formulation.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.