Modelagem numérica e mecânica de escoamentos elasto-viscoplásticos tixotrópicos : investigações com uma nova função viscoplástica

Abstract

Neste trabalho é apresentado a modelagem mecânica e numérica de um escoamento elastoviscoplástico tixotrópico, em termos dos campos de velocidade, pressão, tensão e parâmetro de estrutura. A discretização numérica é feita pelo Método de Elementos Finitos Estabilizado, também conhecido como Galerkin Mínimos Quadrados (GMQ), através de elementos quadrangulares bilineares. O clássico problema da cavidade é utilizado nas simulações, a fim de comparar a formulação e o código utilizados com os resultados conhecidos na literatura. Além disso, apresenta-se o estudo de materiais elasto-viscoplástico tixotrópico em uma contração abrupta na escala 4:1, utilizando a formulação descrita e uma nova função viscosidade para fluidos viscoplásticos, denominada função Viscoplástica Harmônica (VPH). Resultados envolvendo a função VPH são introduzidos e discutidos pela primeira vez nesta tese e apresenta um ótimo ajuste de curva, quando comparada com outras funções disponíveis na literatura. Além da fácil implementação, essa função também apresenta um platô para as altas e baixas viscosidades que são fisicamente realistas, visto que não é possível uma viscosidade infinita ou nula. O menor tempo computacional é também uma característica perceptível nas simulações usando a nova função viscoplástica, isso é um atributo do seu equacionamento que não depende de um termo exponencial, como outros modelos. O estudo de qualidade de malha também é apresentado a fim de garantir a escolha do domínio discreto adequado. Apesar do uso de elementos de ordem inferior, o método GMQ mostrou-se estável na aproximação numérica de todos os problemas dispostos, garantindo até mesmo a análise sobre os efeitos da cinemática, da elasticidade e da tixotropia no escoamento dos fluidos dentro da contração abrupta.

In this work the mechanical and numerical modeling of a thixotropic elasto-viscoplastic flow in terms of the velocity, pressure, stress and structure parameter is presented. Numerical discretization is done by the Stabilized Finite Element Method, also known as Galerkin Least Squares (GLS), through bilinear quadrangular elements. The classical liddriven cavity problem is used in the simulations in order to compare the formulation and code used with the results in the literature. In addition, the study of elasto-viscoplastic thixotropic materials in a 4:1 abrupt contraction using the described formulation and a new viscosity function for viscoplastic fluids, called the Harmonic Viscoplastic Function (HVP), is presented. Results involving the HVP function are introduced and discussed for the first time in this thesis and present a better curve fit when compared to other functions available in the literature. Besides to easy implementation, this function also features a plateau for high and low viscosities that are physically realistic, since infinite or zero viscosity is not possible. The shortest computational time is also a perceptible feature in the simulations using the new viscoplastic function, this is an attribute of its equation that does not depend on an exponential term like other models. The mesh quality study is also presented in order to ensure the choice of the appropriate discrete domain. Despite the use of lower-order elements, the GLS method proved to be stable in the numerical approximation of all the problems, guaranteeing even the analysis of the effects of kinematics, elasticity and thixotropy on fluid flow within the abrupt contraction.