Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/25997

Type: Dissertação
Title: Lattice boltzmann method applied to multiphase flows and preferential paths in porous media
Author(s)/Inventor(s): Lourenço, Ramon Gomes de Castro
Advisor: Tavares, Frederico Wanderley
Co-advisor: Constantino, Pedro Henrique Davi
Abstract: O Método Lattice Boltzmann (LBM) tem sido crescentemente adotado na Engenharia Química. Embora popular e fácil de implementar, o modelo pseudopotencial de Shan-Chen possui limitações como inconsistência termodinâmica, geração de velocidades espúrias, dentre outras. Vários modelos alternativos que corrigem essas limitações são encontrados na literatura. Neste trabalho, por meio de manipulações algébricas, propomos um modelo unificado a partir do qual diferentes forças de interação multifásicas podem ser recuperadas. Simulações isotérmicas e monocomponentes de transição de fase de gotas estacionária e oscilante validam o modelo numericamente como também reforçam que as forças de interação são essencialmente equivalentes. Os parâmetros multifásicos são ajustados com base nas densidades da fase vapor na região de baixa temperatura da curva de coexistência de Maxwell. A consistência termodinâmica é melhorada ao escrever os parâmetros como funções da temperatura reduzida, sem perda de estabilidade numérica ou aumento das velocidades espúrias. A validade de um modelo preditor de caminho preferencial para um regime não Darcyano é verificada e seus resultados são confrontados com os das simulações. LBM recupera com sucesso a equação de Forchheimer. Embora o modelo preveja razoavelmente os caminhos preferidos, as contribuições inerciais no regime de Forchheimer fazem o padrão poroso, a forma do grão e as deflexões do caminho perturbarem essas previsões.
Abstract: The Lattice Boltzmann Method (LBM) has been increasingly adopted in Chemical Engineering. Although popular and easy to implement, the Shan-Chen pseudopotential model suffers from many limitations regarding thermodynamic consistency, the formation of spurious currents, and others. Several alternative models that mitigate these effects are found in the literature. Through algebraic manipulations, we propose a unified model from which these multiphase interaction forces can be recovered. Isothermal phase transition simulations of single-component stationary and oscillating droplets validate the model numerically and reinforce that the multiphase forces are essentially interchangeable. The multiphase parameters are selected based on the vapor densities at low temperatures in the Maxwell coexistence curve, where there is a narrow range of optimal values. Writing them as functions of the reduced temperature enhances the thermodynamic consistency without losing stability or increasing spurious velocities. The validity of a preferential path predictor in a non-Darcy regime is also verified, and the results are confronted with the simulated preferred paths. LBM successfully recovers the Forchheimer equation. Although the model reasonably predicts the preferred paths, the inertial contributions in the Forchheimer regime make the porous pattern, grain shape, and path deflections disturb those predictions.
Keywords: Modelagem em mesoescala
Modelo pseudopotencial
Escala de poros
Fluxo preferencial
Dinâmica de gotículas
Pseudopotential modeling
Mesoscale modeling
Droplet dynamics
Pore scale
Preferential flow
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INORGANICOS
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Apr-2021
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: LOURENÇO, Ramon Gomes de Castro. Lattice boltzmann method applied to multiphase flows and preferential paths in porous media. 2021. 157 f. Dissertação (Mestrado) - Programa de Engenharia Química, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
Appears in Collections:Engenharia Química

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
945427.pdf1.99 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.