Fluxo em meio poroso na escala de grãos com morfologia real utilizando métodos numéricos híbridos

Abstract

No presente trabalho são apresentadas modelagens de fluxo na escala de grãos em meios porosos granulares utilizando métodos numéricos híbridos. São desenvolvidos meios porosos com partículas virtuais e morfologia realista, definidas a partir da caracterização de materiais granulares reais por meio do processamento digital de imagens. Após a caracterização de grande número de partículas, é criado um repositório virtual com sólidos tridimensionais que representam estatisticamente a forma das partículas reais. O primeiro dos métodos numéricos utilizados é o algoritmo para empacotamento das partículas do repositório virtual de forma aleatória e composição dos meios porosos virtuais. O algoritmo é baseado no método dos elementos discretos (DEM). São então realizadas análises de fluxo utilizando a dinâmica de fluidos computacional (CFD) para modelar o escoamento do fluido dentro da matriz de vazios obtida dos pacotes de partículas virtuais. Dessa forma, desprende-se da necessidade da utilização da abordagem contínua para o meio poroso. A metodologia utilizada viabiliza a obtenção das distribuições das variáveis características do escoamento em toda a matriz porosa, e não mais valores médios obtidos para um volume elementar representativo (REV). Foram utilizados para as análises seis pacotes de partículas virtuais com diferentes granulometrias, com dimensões variando entre 4,8 e 32 mm. Os resultados obtidos foram então comparados com os valores obtidos de modelos de resistência ao fluxo difundidos na literatura, desenvolvidos utilizando a premissa do meio poroso como contínuo. Adicionalmente, os resultados numéricos foram validados por dados experimentais obtidos de ensaio de laboratório utilizando canal hidráulico e material granular real utilizado como base para construção dos pacotes virtuais. A união dos métodos numéricos utilizados aqui se mostrou bastante efetiva, com grandes vantagens analíticas, qualitativas e quantitativas. Os artifícios gráficos disponíveis em análises CFD podem ser utilizados de maneira inovadora como ferramentas poderosas para visualização de um fenômeno complexo que ocorre na rede de poros de materiais granulares geotécnicos, representados virtualmente de forma realista.