Estudo numérico do transporte de bolhas/gotas em fluidos newtonianos através das metodologias VOF e S-CLSVOF utilizando o OpenFOAM.

Abstract

Escoamentos bifásicos são encontrados comumente em muitas aplicações industriais tais como no transporte de óleo, em reatores químicos, em resfriamento de reatores nucleares, em processos de aeração e outros. O estudo numérico das bolhas ascendendo em meios viscosos e gotas escoando em microcanais com junções em T são alguns destes exemplos e ainda existem muitos desafios em seus estudos numéricos, especialmente os relacionados com a definição correta da forma da interface entre os dois fluidos. No caso das bolhas ascendendo em meios líquidos, sua forma final tem dependência direta com os números adimensionais Eötvös, Morton e Reynolds. Em gotas escoando em microcanais através de junções em T, o regime de ruptura é fortemente influenciado pelo número de Capilaridade e por fatores geométricos como a razão entre o comprimento inicial da gota (𝑙ₒ) 𝑒 a dimensão transversal do microcanal (𝑤). Várias técnicas numéricas de modelagem destes tipos de escoamentos bifásicos estão disponiveis na literatura e as mais comuns são os métodos de captura da interface tais como o método de Volume de Fluido (VOF) e método Level Set (LS). O objetivo do presente trabalho é estudar numericamente a dinâmica de uma bolha de gás ascendendo em um fluido estacionário e uma gota escoando em um microcanal com junção em T, por meio das metodologias VOF e o acoplamento VOF e LS (S-CLSVOF). As simulações foram realizadas com o software aberto OpenFOAM, no qual a metodologia VOF está implementada no módulo interFoam, e o acomplamento S-CLSVOF que foi implementado durante o desenvolvimento deste trabalho. Os resultados obtidos permitiram comparar as vantagens e desvantagens das duas metodologias. Uma das grandes dificuldades na simulação de gotas em microcanais é o fato de que, com baixos números de capilaridade, as correntes parasitárias tendem a deformar a interface. Nas simulações realizadas estes erros numéricos afetaram o regime de ruptura da gota através da junção em T. Para contornar este problema foi escolhido um número de Courant adequado para cada simulação, porém, com a implementação da metodologia S-CLSVOF conseguiu-se reduzir a formação destas correntes parasitárias. Os resultados das simulações tanto de bolhas ascendendo em meios líquidos quanto de gotas escoando em microcanais tiveram boa concordância com a literatura consultada.