Simulação numérica direta de escoamento turbulento de fluido não-newtoniano em duto anular concêntrico

Abstract

Resumo: Fluidos não-newtonianos estão presentes em uma ampla gama de aplicações dentro de processos industriais, tais como processamento de polímeros, escoamentos multifásicos em operações offshore e muitos escoamentos biológicos. O entendimento de escoamentos turbulentos de fluidos não-newtonianos permanece substancialmente sem solução, uma vez que seu comportamento se torna cada vez mais complexo em comparação com os fluidos newtonianos, que já têm sua própria complexidade quando se trata de turbulência. Por esta razão, problemas canônicos são utilizados como referência para verificar a coerência das soluções encontradas, tais como escoamentos em canais e tubos. Neste estudo, foram conduzidas análises numéricas para investigar a influência dos índices de Lei de Potência n para fluidos newtonianos generalizados (GNFs) e da curvatura transversal nas estruturas turbulentas próximas às paredes em um escoamento turbulento em tubo anular concêntrico. Utilizando o Método de Elementos Espectrais-Fourier para resolver as equações Navier-Stokes por meio de simulação numérica direta (DNS), foram obtidas descrições estatísticas das quantidades turbulentas para escoamentos em tubos anulares concêntricos. Os resultados foram comparados com estudos anteriores para tubos anulares com fluidos newtonianos e tubos retos com GNFs. Notavelmente, observou-se que o perfil interno exibiu uma inclinação menor do que o perfil externo na região logarítmica, consistente com estudos anteriores para escoamentos turbulentos de fluidos de Lei de Potência. Além disso, percebeu-se que quanto maior o comportamento de afinamento de cisalhamento do GNF, maior a tendência de o escoamento se tornar laminar, e à medida que a tensão limite de escoamento aumentou, o perfil médio do escoamento se desviou mais significativamente dos perfis newtoniano e de Lei de Potência. As estruturas turbulentas próximas à parede externa apresentaram maior ativação de turbulência em comparação com aquelas próximas à parede interna. Observou-se também que, à medida que o número de Reynolds generalizado ReG aumenta, há uma tendência de aproximação dos perfis para diferentes índices n, sugerindo uma diminuição da influência do índice n.

Abstract: Non-Newtonian fluids are present in a wide range of applications within industrial processes, such as polymer processing, multiphase flows in offshore operations and many biological flows. Understanding turbulent flows of non-Newtonian fluids remains substantially unresolved, as their behaviour becomes increasingly complex compared to Newtonian fluids, which already have their own complexity when it comes to turbulence. For this reason, canonical problems are used as a reference to check the coherence of the solutions found, such as flows in channels and pipes. In this study, numerical analyses were conducted to investigate the influence of the n Power Law indices for generalised Newtonian fluids (GNFs) and transverse curvature on the turbulent structures near the walls in a concentric annular tube turbulent flow. Using the Fourier-Spectral Element Method to solve the Navier-Stokes equations by means of direct numerical simulation (DNS), statistical descriptions of the turbulent quantities were obtained for flow in concentric annular tubes. The results were compared with previous studies for annular tubes with Newtonian fluids and straight tubes with GNFs. Notably, it was observed that the inner profile exhibited a smaller slope than the outer profile in the logarithmic region, consistent with previous studies for turbulent flows of Power Law fluids. Furthermore, it was noticed that the greater the shear thinning behaviour of the GNF, the greater the tendency for the flow to become laminar, and as the yield stress increased, the average flow profile deviated more significantly from the Newtonian and Power Law profiles. The turbulent structures near the outer wall showed greater turbulence activation compared to those near the inner wall. It was also observed that, as the generalised Reynolds number ReG increases, there is a tendency for the profiles to approach different ?? indices, suggesting a decrease in the influence of the n index.