A methodology for fluid-solid interaction based on lbm-dem-imb coupling

Abstract

Esta pesquisa apresenta o desenvolvimento e a validação do FSIT (Fluid-Solid Interaction Toolkit), um arcabouço computacional projetado para simulações bidimensionais de problemas de interação fluido-sólido. O FSIT foi implementado em linguagem C++ e combina o Método Lattice Boltzmann (LBM) para a simulação do escoamento do fluido, o Método dos Elementos Discretos (DEM) para a mecânica dos sólidos e o acoplamento hidrodinâmico por meio da técnica de Fronteira Móvel Imersa (Immersed Moving Boundary - IMB). O framework oferece suporte aos operadores de colisão BGK e MRT, permitindo simulações em uma ampla faixa de regimes de escoamento, com maior estabilidade numérica e acurácia. A fase fluida é modelada por meio do LBM utilizando uma malha do tipo D2Q9, enquanto as partículas sólidas são representadas pelo DEM com leis de contato elástico lineares e integração temporal do movimento das partículas realizada pelo método Leapfrog. O acoplamento hidrodinâmico entre as fases fluida e sólida é obtido por meio da formulação IMB, possibilitando uma troca de momento consistente, bem como o cálculo das forças e torques hidrodinâmicos atuantes sobre os elementos discretos. As capacidades do FSIT são validadas por meio de uma série de casos clássicos de referência, incluindo o fluxo de Poiseuille, o escoamento em cavidade com tampa móvel (lid-driven cavity flow), o decaimento do vórtice de Taylor-Green, o escoamento ao redor de partículas circulares e reais, o escoamento em meios porosos formados por empacotamentos de elementos discretos e a sedimentação de partículas governada pela Lei de Stokes. Os resultados numéricos apresentam forte concordância com soluções analíticas, observações experimentais e correlações empíricas reportadas na literatura. As simulações em meios porosos demonstram a capacidade do FSIT em capturar caminhos preferenciais de escoamento e calcular com precisão valores de permeabilidade, os quais apresentam boa concordância com as equações clássicas de Kozeny-Carman e Ergun. As simulações envolvendo geometrias realistas de partículas reforçam ainda mais a robustez do framework na modelagem de cenários complexos de interação fluido-sólido. De forma geral, o FSIT mostra-se uma ferramenta confiável e versátil para a investigação de fenômenos de interação fluido-sólido em mesoescala, com elevado potencial de aplicação em problemas geotécnicos e de engenharia, incluindo análises em escala de laboratório e estudos orientados a processos.