Henrique Conde Carvalho de Andrade
Título
MODELAGEM DE ESCOAMENTOS REATIVOS LEVEMENTE COMPRESSÍVEIS COM UM MODELO COMPUTACIONAL PARALELO DE VOLUMES FINITOS
Resumo
Apresenta-se, nesta tese, a implementação em paralelo de um modelo matemático para escoamento tridimensional; o escoamento pode ser caraterizado como turbulento, misto, reativo e levemente compressível. A discretização é feita através do método de volume finitos para malhas não ortogonais. Os termos advectivos foram tratados através da técnica da correção atrasada (deferred correction). As variáveis são todas armazenadas no centro das células. O fluido estudado é um gás monofásico multicomponente com comporta mento Newtoniano. Focou-se principalmente na mistura gasosa com o predomínio de N2, pois a reação química de maior interesse é o processo de combustão no ar. O empuxo é causado pelo gradiente da massa específica, que por sua vez é função da temperatura e da composição da mistura gasosa. O modelo matemático da fluidodinâmica utiliza a aproximação para baixo número de Mach, que também é conhecido como escoamento le vemente compressível. Nesse tipo de regime os efeitos acústicos da pressão na variação da massa específica são desprezados, portanto o escoamento pode ser tratado numericamente como incompressível. O acoplamento das equações do modelo fluidodinâmico utilizou o método não linear de Picard, com o tratamento do acoplamento pressão-velocidade sendo dado pelo algoritmo SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure-Linked Equations). A equação da energia escolhida foi a da entalpia sensível. O modelo de turbulência utilizado foi o LES (Large eddy simulation). As reações químicas foram consideradas utilizando as abordagens EDC (Eddy Dissipation Concept) e EDM (Eddy Dissipation Model). Os efeitos da transferência de energia por radiação não foram considerados. Na paralelização, foram utilizados o MPI e o OpenMP em abordagem híbrida de memória. Na decomposição do domínio foi utilizada a técnica subdomínio-por-subdomínio. Os resultados obtidos foram comparados com soluções analíticas e com os resultados do pacote OpenFOAM.
Abstract
In this work, a parallel implementation of a mathematical model for three-dimensional flow is presented; the flow can be characterized as a turbulent, mixed, reactive and slightly compressible flow. The finite volume methods is used for discretization of non-orthogonal meshes. The advective terms were considered using the deferred correction technique.
The variables are all stored in the center of the cells. The fluid studied is a single-phase multicomponent gas with Newtonian behavior. The focus is mainly on gas mixtures with a predominance of N2, since the chemical reaction of greatest interest is the combustion process in air. The buoyancy is caused by the gradient of the specified mass, which is a function of the temperature and the composition of the gas mixture. The mathematical model of fluid dynamics uses an approximation for the lower number of Mach, which is also known as slightly compressible flow. In this type of flow, the acoustic pressure effects in the variation of the specified mass are neglected, therefore, the flow can be treated numerically as an incompressible flow. The coupling of fluidodynamic model equations uses the nonlinear method of Picard, with the pressure-velocity coupling treatment given by the SIMPLE algorithm (Semi-implicit method for pressure-related equations). The energy equation chosen was the equation of sensitive enthalpy. The LES (Large eddy simulation) model was used for turbulence flow. The chemical reactions were implemented using the EDC (Eddy Dissipation Concept) and the EDM (Eddy Dissipation Model) approaches.
The effects of radiation energy transfer have not been considered. For the parallelization, MPI and OpenMP standards were used in a hybrid memory approach using the subdomain per subdomain technique for the decomposition of the domain. The results obtained were compared with analytical solutions and with results from the OpenFOAM package.
