Double population cascaded lattice boltzmann method

Lattice Boltzmann Methods (LBM) are powerful numerical tools to simulate heat and mass transfer problems. Instead of directly integrating the N-S equations, LBM solves the discretized form of the Boltzmann Transport Equation (BTE), keeping track of the microscopic description of the systems. Therefore, LBM can solve fluid flows with great stability and computational efficiency, especially complex geometry fluid flows. For thermal flows, double distribution function (DDF) LBM scheme is the most popular and successful approach. But it is evident from the literature that existing double distribution function (DDF) LBM approaches, which use two collision operators, involve collision schemes which violate Galilean invariance, therefore producing instabilities for flows with high Re and Ra numbers. In this thesis, a double population cascaded lattice Boltzmann method is developed to improve the DDF LBM scheme from this drawback. The proposed method reduces the degree of violation of Galilean invariance, increasing the stability and accuracy of the LBM scheme. The scheme was implemented to simulate advection-diffusion, forced convection and natural convection heat transfer problems. The proposed scheme was also successfully tested for turbulent flow regimes and 3-D fluid flow in porous media. The results obtained from this work are in strong agreement with those available in the literature obtained through other numerical methods and experiments.Os métodos de ”Lattice”Boltzmann (LBM) são potentes ferramentas numéricas para simular problemas de transferência de massa e calor. Ao invés de integrar diretamente as equações de Navier-Stokes, o método LBM resolve, de forma discretizada, a equação de transporte de Boltzmann, acompanhando a descrição microscópica dos sistemas. O método LBM pode solucionar fluxo de fluidos com grande estabilidade e eficiência computacional, especialmente fluxos em geometrias complexas. Para fluxos térmicos, o esquema LBM de dupla função de distribuição (DDF) é a abordagem mais popular e bem sucedida. Mas é evidente, a partir da literatura, que as abordagens LBM de dupla função de distribuição (DDF), as quais utilizam dois operadores de colisão, envolvem esquemas de colisão que violam a invariância de Galileu, produzindo instabilidades para fluxos com números Re e Ra altos. Nesta tese, o método de ”Lattice”Boltzmann em cascata de dupla população em cascata é desenvolvido para corrigir o esquema DDF LBM. O método proposto reduz o grau de violação da invariância de Galileu, aumentando a estabilidade e acurácia do método LBM. O método foi implementado para simular problemas de advecção, difusão, convecções natural e forçada típicos de transferências de calor. O esquema proposto foi também bem sucedido em regimes de fluxo turbulento e em escoamentos 3-D em meios porosos. Os resultados obtidos neste trabalho estão fortemente de acordo com experimentos e métodos numéricos disponíveis na literatura