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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23404
Tipo do documento: | Tese |
Título: | Modelagem e simulação numérica de um escoamento através de meio poroso com restrição unilateral e com transporte de contaminantes quimicamente reagentes |
Título(s) alternativo(s): | Combining Glimm’s Scheme and operator splitting for simulating constrained flows of fluids with chemically reacting pollutants in porous media |
Autor: | Gama, Rogério Pazetto Saldanha da ![]() |
Primeiro orientador: | Gama, Rogério Martins Saldanha da |
Primeiro coorientador: | Costa, Maria Laura Martins |
Primeiro membro da banca: | Pedrosa Filho, José Julio |
Segundo membro da banca: | Correa, Eduardo Dias |
Terceiro membro da banca: | Mattos, Heraldo Silva da Costa |
Quarto membro da banca: | Rachid, Felipe Bastos Freitas |
Resumo: | Esta tese estuda escoamentos de fluidos newtonianos contendo poluentes quimicamente reagentes através de meios porosos com restrições, modelados usando uma abordagem de Teoria de Misturas e uma relação constitutiva para a pressão – dada por uma função contínua e diferenciável da saturação, que sempre garante a preservação da hiperbolicidade do problema. A equação da pressão também permite uma supersaturação (controlada) da matriz porosa ultrapequena e a transição de escoamento insaturado para saturado (e vice-versa). Assumindo densidades de concentração ultrapequenas de constituintes poluentes que podem reagir entre si, mas nunca reagem com o constituinte fluido, todos apresentam densidades de massa da mesma ordem de grandeza, medidas de um ponto de vista de Mecânica do Contínuo. Estas hipóteses levam a supor velocidades iguais para os constituintes poluentes e o constituinte fluido: a velocidade da mistura. Como o constituinte sólido, que representa a matriz porosa, é rígido e está em repouso, e o gás inerte tem uma densidade mássica minúscula (incluída para propiciar alguma compressibilidade à mistura), basta resolver as equações de conservação de massa para o constituinte fluido e para os constituintes poluentes e a equação de conservação de momentum do constituinte fluido, originando um sistema hiperbólico não homogêneo. A sua simulação numérica combina o método de Glimm com uma estratégia de fatoração do operador para levar em conta a variação da massa dos poluentes causada pelas reações químicas dos poluentes entre si. Apesar da comprovada convergência do método Glimm, ele não é adequado para aproximar sistemas hiperbólicos não homogêneos, a menos que seja combinado com uma técnica de fatoração de operadores. Embora outras abordagens já tenham tratado este problema, a novidade é combinar o método de Glimm com a fatoração de operadores para considerar a variação de massa dos poluentes causada por suas reações químicas. O esquema de Glimm avança no tempo usando um número previamente selecionado de problemas de Riemann associados. A relação constitutiva para a pressão – uma função crescente da saturação, com a primeira derivada também crescente, convexa e positiva, permite obter expressões explícitas para os invariantes de Riemann. A solução completa (exata) do problema de Riemann associado é apresentada. Os resultados mostram a evolução da velocidade do constituinte fluido, da saturação e das concentrações dos constituintes poluentes na mistura para dados iniciais selecionados, que são influenciados pelos termos de arraste de Darcy e Forchheimer no escoamento e pelas reações químicas que ocorrem entre os poluentes. |
Abstract: | This thesis studies constrained Newtonian fluid flows containing reacting pollutants through porous media, modeled using a Mixture Theory perspective and a constitutive relation for the pressure – namely, a continuous and differentiable function of the saturation that ensures always preserving the problem hyperbolicity. The pressure equation also permits an ultra-small porous matrix (controlled) supersaturation and the transition from unsaturated to saturated flow (and vice versa). Assuming tiny pollutant constituent concentration densities that may react among themselves but never react with the fluid constituent, they all present the same order of magnitude mass densities, measured from a Continuum Mechanics viewpoint. These hypotheses lead to the assumption of equal velocities for the pollutant constituents and the fluid constituent: the mixture velocity. Since the solid constituent that represents the porous matrix is rigid and at rest, and the inert gas has a tiny mass density (included to provide some compressibility to the mixture), it suffices to solve the mass conservation equations for the fluid constituent and for the pollutant constituents and the fluid constituent’s momentum balance, giving rise to a non-homogeneous hyperbolic system. Its numerical simulation combines Glimm’s method with an operator-splitting strategy to account for the pollutants’ mass variation caused by the pollutants’ chemical reactions among themselves. Despite the Glimm method’s proven convergence, it is not adequate to approximate non-homogeneous hyperbolic systems unless combined with an operatorsplitting technique. Although other approaches have already addressed this problem, the novelty is combining Glimm’s method with operator-splitting to account for the pollutants’ mass variation caused by the pollutants’ chemical reactions among themselves. Glimm’s scheme marches in time using a formerly selected number of associated Riemann problems. The constitutive relation for the pressure – an increasing function of the saturation, with the first derivative also increasing, convex, and positive, allows obtaining explicit expressions for the Riemann invariants. The complete (exact) solution of the associated Riemann problem is presented. The results show the evolution of the fluid constituent velocity, of the saturation, and of the pollutant constituents’ concentrations in the mixture for selected initial data that suffer the influence of the Darcy and Forchheimer drag terms on the flow and of the chemical reactions among the pollutants. |
Palavras-chave: | Engenharia mecânica Materiais porosos Reações químicas Escoamento Riemann-Hilbert, Problemas de Mechanical engineering Porous materials Chemical reactions Runoff Riemann-Hilbert Problems |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
Citação: | GAMA, Rogério Pazetto Saldanha da. Modelagem e simulação numérica de um escoamento através de meio poroso com restrição unilateral e com transporte de contaminantes quimicamente reagentes. 2024. 104 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23404 |
Data de defesa: | 20-Dez-2024 |
Aparece nas coleções: | Doutorado em Engenharia Mecânica |
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