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Title: Modelo de escoamento multifásico para estudo da interação onda/sedimento
metadata.dc.creator: Piccoli, Fábio Pavan
Keywords: Escoamento multifásico;Equações de Boussinesq;Colisões (Física);Partículas (Física, química, etc.);Ondas gravitacionais;Transporte de sedimentos
Issue Date: 2015
Abstract: Modelos de escoamento multifásico são amplamente usados em diversas áreas de pesquisa ambiental, como leitos fluidizados, dispersão de gás em líquidos e vários outros processos que englobam mais de uma propriedade físico-química do meio. Dessa forma, um modelo multifásico foi desenvolvido e adaptado para o estudo do transporte de sedimentos de fundo devido à ação de ondas de gravidade. Neste trabalho, foi elaborado o acoplamento multifásico de um modelo euleriano não-linear de ondas do tipo Boussinesq, baseado na formulação numérica encontrada em Wei et al. (1995), com um modelo lagrangiano de partículas, fundamentado pelo princípio Newtoniano do movimento com o esquema de colisões do tipo esferas rígidas. O modelo de ondas foi testado quanto à sua fonte geradora, representada por uma função gaussiana, pá-pistão e pá-batedor, e quanto à sua interação com a profundidade, através da não-linearidade e de propriedades dispersivas. Nos testes realizados da fonte geradora, foi observado que a fonte gaussiana, conforme Wei et al. (1999), apresentou melhor consistência e estabilidade na geração das ondas, quando comparada à teoria linear para um kh   . A não-linearidade do modelo de ondas de 2ª ordem para a dispersão apresentou resultados satisfatórios quando confrontados com o experimento de ondas sobre um obstáculo trapezoidal, onde a deformação da onda sobre a estrutura submersa está em concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. A partir daí, o modelo granular também foi testado em dois experimentos. O primeiro simula uma quebra de barragem em um tanque contendo água e o segundo, a quebra de barragem é simulada com um obstáculo rígido adicionado ao centro do tanque. Nesses experimentos, o algoritmo de colisão foi eficaz no tratamento da interação entre partícula-partícula e partícula-parede, permitindo a evidência de processos físicos que são complicados de serem simulados por modelos de malhas regulares. Para o acoplamento do modelo de ondas e de sedimentos, o algoritmo foi testado com base de dados da literatura quanto à morfologia do leito. Os resultados foram confrontados com dados analíticos e de modelos numéricos, e se mostraram satisfatórios com relação aos pontos de erosão, de sedimentação e na alteração da forma da barra arenosa
Multiphase flow models are widely used in many fields of environmental research, such as fluidized beds, gas dispersion in liquids, dam breaks, oil spill and others physical and chemical processes that use more than one property. Thus, a multiphase model to study the dynamics of two distinct properties represented on reference Eulerian-Lagrangian was developed. In order to study the dynamics of sediment transport due to wave’s action, a non-linear wave Boussinesq model in Eulerian frame, in which the numerical formulation based on Wei et al. (1995), and a Lagrangian particle model, whose formulation is given by the Newtonian principle of motion, has been developed. In the Lagrangian particle model was added the scheme of hard-spheres particle collision. The coupling between the two models has been doing with the wave transferring momentum to sediment particles, which is carried by the flow. For the wave’s model, the wave maker, defined by a Gaussian function, piston-paddle and flap-paddle, and the effects due to the depth of the waves were tested. The Gaussian wave maker showed better consistency in the generation of waves, getting errors about 0.11% compared to the linear theory for kh   . The wave’s nonlinearity simulated by the 2nd order dispersion Boussinesq-wave model showed satisfactory results when compared with experiment of wave propagation over a trapezoidal obstacle, where the deformation of the wave on the underwater structure is in agreement with literature data. In addition to the granular model was also tested in two experiments: the first, which simulates a dam break in a tank containing water-air; and the second experiment, the dam break interact with an obstacle in the center of the tank. In both experiments, the collision model was effective in the treatment of the interaction between the particles and the wall, and allowed the evidence of physical processes that are complicated to be simulated by models that use regular grids. For the coupling of wavesediment model, the algorithm has been tested with data obtained from the literature as the morphology of the bed. The results were compared with analytical data and numerical models, and it showed a certain agreement on points of erosion, sedimentation and change in shape of the sand bar
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/1528
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