Experimentação física e simulação numérica de filme líquido: comparação de Métodos Eulerianos

The present work is based on current models and results published in the literature to implement and evaluate different methodologies in order to simulate the behaviour of a liquid film. The main objective of this work was to compare the methodologies for numerical solution of liquid film formation, presenting the main advantages of each one of them. Two different approaches were used, the Volume of Fluid (VOF) method and the Eulerian Wall Film (EWF) method. To fulfil the objective of the thesis, the commercial software Convergent Science Inc.'s CONVERGE $^{TM}$ CFD was used to run the simulations with the VOF method. This software adopts adaptive mesh refinement (AMR) techniques, which were used to perform the simulations. Another technique used was the adaptive time step. The variations were dependent on the Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) number and had a big difference for High-Resolution Interface Capturing (HRIC) and Piece-wise Linear Interface Calculation (PLIC) simulations. For the HRIC scheme, the simulations were run with a time step of approximately $5.10^{-6}$, while the simulations using the PLIC scheme were run with a predefined minimum time step of $1.10^{-7 }$, which means it would require even smaller time steps. These observations were contrary to the results observed for flows aligned with the mesh presented in previous works. The gas flow was considered incompressible. The maximum number of PISO iterations per time step was set to 20 with a tolerance of $10^{-5}$. To model the turbulence closure model, the $RNG~k-\epsilon$ model was used. The models used in this work for EWF modelling were implemented in the code Unsteady Cyclone Flow - 3D (Unscyfl3D), code that is under constant development in the fluid mechanics laboratory of the Federal University of Uberlândia. This code is characterised by simulating laminar and turbulent multi-phase flows. For this, the Navier-Stokes equations are solved in incompressible form by means of the finite volume method in unstructured meshes and co-localised array. For pressure-velocity coupling the SIMPLE algorithm was implemented. This code has already been widely validated with relevant results in the literature for particle flows. In the first stage of the work, physical experiments were carried out in the laboratory of Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. For physical experimentation, an injector was used to generate a chain of water droplets that collide with the opposite wall, forming a liquid film. Droplet images were obtained using two high-speed recording cameras. The results for different droplet sizes and impact angles are presented and a relation between the momentum parameter and the dimensionless pool size was established. These results are also used for comparison with numerical results. In the second part of the work the results of the physical experiments were compared with the results of the numerical simulations with the VOF method. It was concluded that the HRIC scheme can better deal with the non-alignment of the fluid flow with the mesh, as the PLIC scheme distorted the shape of the round drops. However, the PLIC scheme maintained a sharper interface than the HRIC scheme. On the other hand, the HRIC scheme was more computationally efficient than the PLIC scheme. In the third part of the work, two test cases were analysed. The first case refers to the spreading of a drop on a flat surface. This case was solved analytically and is found on the literature and compared to physical experimentation tests. This case is simpler and therefore can be used to validate the numerical scheme and the effects of capillary pressure. The second experiment consists of a jet that interacts with a cross flow, which is very similar to fuel injection in air jet atomisers, whose experiments were performed another author and was published as a paper. In this case, the Eulerian Wall Film (EWF) model was validated for different turbulence models. Assessments of the stability of the model against the main variables that consists the same were carried out. The results of the formation of liquid film were satisfactory when compared with tests of physical experiments. The main observation was that the SST model can better predict the liquid film behaviour, since the optimised k-$\epsilon$ and k-$\epsilon$ underestimate the liquid film formation. An extensive study of different methodologies was presented. Each of the evaluated techniques has its importance in engineering problems. As VOF methodologies are more time consuming than EWF approaches, they are used to solve problems involving smaller computational domains, as well as to deepen the knowledge on phenomena involving multi-phase flows. The numerical results of this type of simulation can be used to develop less time consuming numerical tools, such as the EWF method. As the EWF method is less time consuming than the VOF method, it can be used to optimise more realistic engineering process. As an example, the flow within a turbine combustion chamber can be predicted by these models, aiding in faster design optimisation. Although further evaluation is still needed to cover a wider range of cases and a greater variety of numerical approaches, an important step has been taken in the present work towards a better understanding of liquid film dynamics and improvement of numerical techniques.Tese (Doutorado)O presente trabalho baseia-se em modelos e resultados atuais publicados na literatura para implementar e avaliar diferentes metodologias com o objetivo de simular o comportamento de um filme líquido. O objetivo principal do trabalho é comparar as metodologias para solução numérica da formação de filme liquido, apresentando as principais vantagens de cada uma delas. Duas diferentes abordagens são utilizadas, o método Volume de Fluido (VOF) e o método Eulerian Wall Film (EWF). Para cumprir o objetivo da tese, o programa comercial Convergent Science Inc.'s CONVERGE $^{TM}$ CFD foi utilizado para modelagem pelo método VOF. Este software adota técnicas de refinamento de malha adaptativa (AMR),que foram utilizadas para realizar as simulações. Outra técnica utilizada foi a de passo de tempo adaptativo. As variações foram dependentes do número de Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) e tiveram uma grande diferença para simulações com o modelo High-Resolution Interface Capturing (HRIC) e o modelo Piece-wise Linear Interface Calculation (PLIC). Para o esquema HRIC, as simulações foram executadas com um passo de tempo de aproximadamente $5,10^{-6}$, enquanto as simulações usando o esquema PLIC foram executadas com um passo de tempo mínimo predefinido de $1,10^{-7}$, o que significa que passos de tempo ainda menores seriam necessários. Essas observações se opõem aos resultados observados para escoamentos alinhados com a malha apresentadados em trabalhos passados. O escoamento de gás foi considerado incompressível. O número máximo de iterações PISO por etapa de tempo é definido como 20 com tolerância de $ 10^{-5}$. Para a modelagem do fechamento de turbulência, foi utilizado o modelo $RNG~k-\epsilon$. Já os modelos utilizados neste trabalho para modelagem EWF foram implementados no codigo Unsteady Cyclone Flow - 3D (Unscyfl3D), código que está em constante desenvolvimento no laboratório de mecânica dos fluidos da Universidade Federal de Uberlândia. Este código se caracteriza por simular escoamentos multifásicos laminares e turbulentos. Para tal, as Equações de Navier-Stokes são resolvidas na forma incompressível por meio do método dos volumes finitos em malhas não estruturadas e arranjo colocalizado. Para o acoplamento pressão velocidade o algoritmo SIMPLE foi implementado. Esse código já foi amplamente validado com resultados relevantes na literatura para escoamentos com partículas. Na primeira etapa do trabalho, experimentos físicos foram realizados no laboratório da Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Para a experimentação física, um injetor foi usado para gerar uma cadeia de gotas de água que colidem com a parede oposta, formando um filme líquido. As imagens das gotas foram obtidas usando duas câmeras de gravação de alta velocidade. Os resultados para diferentes tamanhos de gotas e ângulos de impacto são apresentados e uma relação entre o parâmetro de momentum e o tamanho adimensional da poça foi estabelecida. Esses resultados também são usados para comparação com os resultados numéricos. Na segunda parte do trabalho os resultados dos experimentos físicos foram comparados com os resultados das simulações numéricas com o método VOF. Concluiu-se que o esquema HRIC pode lidar melhor com o não alinhamento do escoamento do fluido com a malha, pois o esquema PLIC distorceu a forma das gotas redondas. Entretanto, o esquema PLIC mantém uma interface mais nítida que o esquema HRIC. Por outro lado, o esquema HRIC é mais eficiente computacionalmente que o esquema PLIC. Na terceira etapa do trabalho dois casos teste foram analisados. O primeiro caso é referente ao espalhamento de uma gota em uma superfície plana. Este caso foi resolvido analiticamente em um trabalho encontrado na literatura e comparado a testes físicos experimentais. Esse caso é mais simples e logo pode ser usado para validação do esquema numérico e os efeitos da pressão capilar. O segundo experimento consiste em um jato que interage com um escoamento cruzado muito semelhante a injeção de combustível em atomizadores por jato de ar, cujos experimentos foram realizados por outros pesquisadores e foram publicados em formato de artigo. Nesse caso o modelo Eulerian Wall Film (EWF) foi validado para diferentes modelos de turbulência. Avaliações da estabilidade do modelo perante suas principais variáveis foram realizadas. Os resultados da formação de filme líquido se mostraram satisfatórios perante a comparação com testes de experimentos físicos. As principais observações são de que o modelo SST pode prever melhor o comportamento do filme líquido, já que o k-$\epsilon$ e o k-$\epsilon$ otimizado subestimam a formação do filme líquido. Um extenso estudo de diferentes metodologias foi apresentado. Cada uma das técnicas avaliadas tem sua importância em problemas de engenharia. Como as metodologias VOF consomem mais tempo computacional do que as abordagens EWF, elas são utilizadas para resolver problemas que envolvem domínios computacionais menores, bem como aprofundar o conhecimento em fenômenos envolvendo escoamentos multifásicos. Os resultados numéricos deste tipo de simulações podem ser usados para desenvolver ferramentas numéricas que consomem menos tempo computacional, como o método EWF. Como o método EWF consome menos tempo computacional quando comparado ao método VOF, ele pode ser usado para otimizar processos de engenharia mais realistas. Como exemplo, o escoameno dentro de uma câmara de combustão de turbina pode ser previsto por essas modelagens, auxiliando na otimização mais rápida do projeto. Embora ainda seja necessária uma avaliação mais aprofundada para abranger uma gama mais ampla de casos e uma maior variedade de abordagens numéricas, um passo importante foi dado no presente trabalho para um melhor entendimento da dinâmica do filme líquido e aprimoramento das técnicas numéricas