Drop Rise and Interfacial Coalescence Initiation in Complex Materials
Nome: LUCAS HENRIQUE PAGOTO DEOCLECIO
Data de publicação: 10/11/2023
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Papel |
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| EDSON JOSE SOARES | Orientador |
Resumo: Os fenômenos de ascensão e coalescência de gotas em materiais complexos são relevantes para vários fenômenos naturais e processos industriais. A dinâmica intricada das etapas sequenciais de ascensão, colisão e drenagem do filme ´e influenciada por comportamentos não newtonianos, como plasticidade e elasticidade exibidos pelo material circundante. Uma compreensão abrangente desses processos ´e crucial para um eficiente projeto e operação de unidades de mistura e separa¸c˜ao industriais. No entanto, apesar de sua importância, os mecanismos subjacentes que governam esses fenômenos não são totalmente compreendidos.
O objetivo principal desta tese é investigar a ascensão e a iniciação da coalescência interfacial de uma gota newtoniana em materiais complexos usando simulações numéricas diretas transientes. O material circundante ´e progressivamente modelado com formulações de crescente complexidade, a saber, newtoniano, inelástico visco plástico, visco elástico e elastoviscoplastico. Para conduzir o estudo, o modelo elasto-viscoplásticos de Saramito é implementado e validado. A investiga¸c˜ao se concentra em elucidar a influencia dos efeitos plásticos, elásticos, inerciais, viscosos e de tensão superficial, bem como suas interações na dinâmica da ascensão e iniciação da coalescência de gotas. Inicialmente, a condição de aprisionamento de gotas esféricas e não esféricas em materiais inelásticos viscoplásticos é avaliada em termos da razão entre a forca exercida pela tensão limite de escoamento e a forca de empuxo.
Verifica-se que, ao determinar a forca exercida pela tensão limite de escoamento com base no raio da área transversal máxima da gota (normal ao empuxo), essa razão permanece constante para gotas com baixa viscosidade. No entanto, para gotas altamente viscosas, a razão diminui assintoticamente até atingir o limite para esferas sólidas. Para gotas não esféricas, a tensão superficial pode fazer com que o material circundante minimize a energia superficial da gota, tornando-a permanentemente ou apenas temporariamente móvel. Para materiais elasto-viscoplásticos, a elasticidade aumenta o nível de plasticidade necessário para
o aprisionamento. A ascensão da gota desempenha um papel importante na iniciação do processo de coalescência. Efeitos inerciais tendem a aumentar a velocidade e a largura da gota, enquanto um aumento na viscosidade da gota aumenta a dissipação viscosa e diminui a sua velocidade. A influencia da tensão superficial na velocidade e largura da gota de pende das forcas que dominam o escoamento, que podem causar tanto um aumento quanto uma diminuição nessas variares. Efeitos plásticos resultam em uma redução na velocidade e largura da gota. A ascensão da gota em materiais viscoelásticos é um processo dinâmico, influenciado pela razão entre o tempo de relaxação do material e o tempo de ascensão característico da gota. Efeitos elásticos também contribuem para uma redução na largura da gota, facilitando sua ascensão. No caso de materiais elasto-viscoplásticos, a interação entre efeitos elásticos e plásticos resulta em comportamentos intrigantes. Efeitos plásticos intensificam o comportamento elástico do material, resultando no surgimento da esteira negativa e do formato de lágrima
ambos característicos do comportamento elástico) para valores mais baixos do módulo de elasticidade com um aumento no n´nível de plasticidade. Por outro lado, efeitos elásticos suprimem a resposta plástica do material, levando a uma região cedida expandida e menor restrição `a mobilidade da gota pela plasticidade com o aumento da elasticidade.
Em relação ao fenômeno de coalescência, a plasticidade manifesta dois efeitos principais no processo de drenagem do filme. Primeiramente, induz a formação de filmes mais curtos e esféricos, e, em segundo lugar, aumenta a resistência do filme ao escoamento. O efeito na forma do filme facilita o processo de drenagem, enquanto o efeito na resistência do filme ao
escoamento o prejudica. Em regimes caracterizados por baixa tensão superficial, a influencia da plasticidade na geometria do filme torna-se mais proeminente do que o efeito de resistência, resultando em uma redução no tempo de drenagem. Por outro lado, em regimes caracterizados por alta tensão superficial, onde as interfaces entre os fluidos são menos deformáveis, o efeito de resistência torna-se mais dominante em comparação com o efeito da forma do filme, levando a um aumento no tempo de drenagem com o nível de plasticidade. Efeitos elásticos também contribuem para a formação de filmes mais curtos, facilitando assim o processo de drenagem. A ativação parcial ou excessiva da viscosidade do material elástico também afeta a taxa de drenagem do filme. Especificamente, a ativação parcial da viscosidade aumenta a taxa de drenagem, enquanto a ativação excessiva a diminui. No caso de materiais elasto-viscoplásticos, os efeitos plásticos intensificam a ativação parcial da viscosidade do material, facilitando a etapa inicial do processo de drenagem. Além disso, a deformação elástica dificulta a paralisação da drenagem do filme pela tensão limite de escoamento.
