Orientador: Luís Fernando Mercier Franco

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O método da Rede Boltzmann (LBM, do inglês \textit{Lattice Boltzmann Method}) é uma alternativa às metodologias tradicionais usadas na Fluidodinâmica Computacional (CFD, do inglês \textit{Computational Fluid Dynamics}). Sua popularidade tem aumentado devido às suas capacidades únicas,...

Resumo: O método da Rede Boltzmann (LBM, do inglês \textit{Lattice Boltzmann Method}) é uma alternativa às metodologias tradicionais usadas na Fluidodinâmica Computacional (CFD, do inglês \textit{Computational Fluid Dynamics}). Sua popularidade tem aumentado devido às suas capacidades únicas, especiamente na escala em que efeitos microscópicos se tornam importantes. O LBM tem origem Mecânica Estatística, fazendo uma descrição discreta da matéria em contraposição à hipótese do contínuo, na qual os métodos tradicionais de CFD se baseiam. O LBM também contrasta com a dinâmica molecular (MD) e simulações de Monte Carlo (MC) por não considerar as moléculas individualmente, permitindo uma demanda computacional menor para domínios muito grandes. As malhas computacionais (\textit{lattices}) são simples, e o modo como o método é estruturado permite paralelização e versatilidade para simular geometrias complexas, como meios porosos. O presente trabalho foca na implementação e estudo do LBM para escoamentos em meios porosos e adsorção, áreas de grande interesse e com muitas perspectivas. Um código foi escrito para as simulações, o qual foi validado comparando os resultados com soluções analíticas conhecidas dos escoamentos de Poiseulle e Couette. Geometrias mais complexas (escomento de Poiseulle em torno de um cilindro infinito e \textit{lid-driven cavity}) também foram avaliadas qualitativamente, comparando a resultados disponíveis na literatura e com simulações de CFD. O escoamento em meios porosos foi simulado em malhas geradas por simulações de Monte Carlo para o modelo Ising bidimensional. As simulações foram avaliadas qualitativamente e a lei de Darcy foi verificada. Forças de corpo (\textit{body-forces}) e locais (para adsorção) também foram implementadas. Os resultados foram avaliados qualitativamente e comparados com outros estudos, quando possível. As simulações em geometrias simples foram bastante satisfatórias, apresentando erros pequenos. Para os casos mais complexos, o comportamento também foi como esperado. Uma distribuição de equilíbrio alternativa foi proposta para simular sistemas binários sem interação entre os componentes, apresentando bons resultados para adsorção. Assim, os resultados comprovam a aplicabilidade do método para os sistemas apresentados

Abstract: The Lattice Boltzmann Method (LBM) is an alternative to traditional Computational Fluid Dynamics (CFD). It has recently gained popularity due to its special capabilities, especially at scales where microscopic effects become important. The LBM originated in statistical mechanics, which...

Abstract: The Lattice Boltzmann Method (LBM) is an alternative to traditional Computational Fluid Dynamics (CFD). It has recently gained popularity due to its special capabilities, especially at scales where microscopic effects become important. The LBM originated in statistical mechanics, which implies the existence of particles contrasting with the continuum hypothesis assumed in CFD. Furthermore, LBM also contrasts with Molecular Dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) simulations, since it does not focus on each individual particle but in their distribution, which allows for less computational demand in bigger domains. The meshes (or lattices) commonly used in LBM are simple, and the way the method is structured allows for code parallelization and versatility in simulating complex geometries, such as porous media. The present work focuses on the implementation and study of the LBM for simulating flows in porous media and under the effect of adsorption forces. These are areas of interest with great perspectives, especially for chemical engineering. A program was created and the code validated by performing simulations for cases that can be compared to analytical solutions (Poiseuille and Couette). More complex geometries (Poiseuille flow around an infinite cylinder, lid-driven cavity) were also used for evaluating the code, comparing the results to those available in the literature and CFD simulations. Flow in porous media was simulated in meshes generated using Monte Carlo simulations for the Ising model. The results were analyzed and compared to the Darcy's Law. Forces were also implemented and used to simulate body-forces and adsorption. Results were analyzed qualitatively and compared to other studies when possible. They proved to be very satisfactory for the simple geometries, and the flow behaved as expected in the complex ones. An alternative model for a distribution function was proposed to study binary flows of non-interacting particles, yielding good results when simulating adsorption. The results show the feasibility of using the LBM to simulate the studied systems

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