Estratégias numéricas para simulação de escoamento em meios porosos isotrópicos delgados: benchmark entre Ansys Fluent e OpenFOAM

Resumo

O presente trabalho realiza um benchmark entre os softwares Ansys Fluent e OpenFOAM para a simulação de escoamento em meios porosos isotrópicos delgados. As simulações monofásicas, turbulentas e em regime permanente foram conduzidas com base em dados experimentais da literatura, de queda de pressão por velocidade de filtração, os quais permitiram ajustar os parâmetros de perdas viscosa e inercial para a modelagem em macroescala do escoamento em um filtro. Os resultados mostraram concordância entre a queda de pressão ajustada e simulada obtidas pelas médias das pressões na entrada e saída do meio poroso. A análise dos contornos de velocidade e pressão estática mostrou-se coerente à dinâmica do escoamento em ambos os softwares com desvios variando de 1,43% a 12,37% para a pressão máxima e de 0,97% a 4,18% para a velocidade máxima. O estudo revelou questões críticas para modelagem de escoamento em meios porosos pelo ajuste dos dados de queda de pressão por velocidade de filtração: os coeficientes de resistência viscosa e inercial calibrados pela regressão dos dados experimentais induziram erros de queda de pressão de 10%, 4,6% e 1%, para as velocidades de filtração de 5, 10 e 15 cm/s, respectivamente; a abordagem utilizada para a validação dos dados baseada nas pressões médias na entrada e saída do meio poroso mostrou-se robusta devido à captura da distribuição da pressão em toda a superfície do filtro; a modelagem da velocidade de entrada, baseado no balanço de massa entre o meio poroso e entrada, resultou em velocidades de filtração numericamente superiores às teóricas, indicando a necessidade de um ajuste iterativo nesta condição para garantir que a velocidade de filtração requerida seja devidamente reproduzida no meio poroso; os altos gradientes de pressão, descolamento da camada limite e zonas de recirculação evidenciaram a necessidade de utilização de modelos de turbulência mais robustos para a captura dos fenômenos envolvidos; e por fim, a abordagem de condição de contorno utilizando o porouBafflePressure apresentou desafios não solucionados de convergência para os cenários testados, impedindo sua viabilidade.