Resumen de Numerical simulation of multi-fluid flows with the Particle Finite Element Method
Mónica De Mier Torrecilla
La presencia simultánea de múltiples fluidos con diferentes propiedades ocurre en numerosos problemas medioambientales, procesos industriales y situaciones de la vida diaria. Algunos ejemplos son la interacción fluido-combustible en la extracción mejorada de petróleo, mezcla de polímeros, emulsiones en productos alimentarios, formación de gotas de lluvia en nubes, inyección en motores de combustión o reactores de columna de burbujas. A pesar de que los flujos de multi-fluidos son muy frecuentes, todavía suponen un reto tanto desde el punto de vista teórico como computacional. En el caso de fluidos inmiscibles, la dinámica de la interfase entre fluidos juega un papel determinante. El éxito en la simulación de estos flujos dependerá de la capacidad del método numérico de modelar con precisión la interfase y los fenómenos que tienen lugar en ella. En este trabajo nos hemos centrado en entender la principios físicos básicos de los multi-fluidos y las dificultades que aparecen en su simulación numérica. Hemos extendido el Particle Finite Element Method (PFEM) a problemas de varios fluidos diferentes con el objetivo de explotar el hecho de que los métodos lagrangianos son especialmente adecuados para el seguimiento de todo tipo de interfases. Hemos desarrollado un esquema numérico capaz de tratar grandes saltos en las propiedades físicas (densidad y viscosidad), de incluir la tensión superficial y de representar las discontinuidades de las variables del flujo. El esquema se basa en desacoplar las variables de posición de los nodos, velocidad y presión a través de la linearización de Picard y un método de segregación de la presión que tiene en cuenta las condiciones de interfase. La interfase se ha definido alineada con la malla móvil, de forma que se mantiene el salto de propiedades físicas sin suavizar a lo largo del tiempo. Además, los grados de libertad de la presión han sido duplicados en los nodos de interfase para representar la discontinuidad de esta variable debido a la tensión superficial y a la viscosidad variable, y la malla ha sido refinada cerca de la interfase para mejorar la precisión de la simulación. Hemos aplicado el esquema resultante a diversos problemas académicos y geológicos, como el sloshingde dos fluidos, extrusión de fluidos viscosos, ascensión y rotura de una burbuja dentro de una columna de líquido, mezcla de magmas y fuentes invertidas (negatively buoyant jet).
