Estudo da dinâmica de colisão de gotas: abordagem de simulação numérica direta
DOI:
https://doi.org/10.21712/lajer.2025.v12.n3.p45-56Palabras clave:
escoamento multifásico, Modelagem matemática, simulação computacionalResumen
O fenômeno de colisão entre gotas é encontrado tanto no ambiente natural quanto na produção industrial. Na área da energia, é possível citar a presença deste fenômeno em processos de separação óleo-água, injeção de combustíveis e sistemas de pós-tratamento de gases oriundos da combustão. A colisão tem sido estudada extensivamente ao longo de várias décadas, mas grande parte da dinâmica de colisão entre gotas ainda precisa ser explorada. Questões como o impacto do tempo de drenagem do filme nas simulações e a validação por meio de dados experimentais, após análise adimensional, podem contribuir para os estudos ocupando um espaço até então pouco explorado. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi investigar, por meio de simulações numéricas diretas, a dinâmica de colisão frontal entre gotas utilizando o parâmetro tempo de drenagem do filme e grupos adimensionais como o número de Weber, número de Reynolds, razão de massa específica e razão de viscosidade sobre os tempos de colisão e de recuperação. Para isso, foram adimensionalizadas as equações de conservação da massa e de quantidade de movimento; definidos um domínio bidimensional e uma malha adaptativa em função do diâmetro inicial da gota; desenvolvido o código para o solver de código aberto Basilisk® que foi a plataforma de solução numérica das equações de conservação. Os resultados evidenciaram que o tempo de colisão é impactado diretamente pelo tempo de drenagem do filme, diferentemente do tempo de recuperação que não apresentou alterações mesmo para tempos de drenagem diferentes. Os valores para o tempo de drenagem adimensional iguais a 0,35, para a condição de coalescência, e 0,60 para a condição de rebote permitiram similaridade com dados experimentais atestando a validade do modelo.
Palavras-chave: colisão binária, gotas, parâmetros adimensionais, simulação numérica direta, tempo de drenagem do filme.
Descargas
Referencias
An, X, Dong, B, Li, W, Zhou, X and Sun, T (2021) ‘Simulation of binary droplet collision with different angles based on a pseudopotential multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model’ Computers & Mathematics with Applications, [e-journal], vol. 92, pp. 76–87. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2021.03.036.
Chang, J, Xu, R, Cui, J, Song, Q and Shen, T (2022) ‘Influences of Liquid Viscosity and Relative Velocity on the Head-On Collisions of Immiscible Drops’ Energies, [e-journal] 15(22), 8544. https://doi.org/10.3390/en15228544.
Chen, X and Yang, V (2020) ‘Direct numerical simulation of multiscale flow physics of binary droplet collision’ Physics of Fluids, [e-journal] 32(6), 062103. https://doi.org/10.1063/5.0006695.
Chen, Y, Chen, X, Fan, C, Ge, S, Zhou, G and Shi, Y (2025) ‘Study on the dynamic behaviors of collision and coalescence of binary double low-viscosity droplets’ Physics of Fluids, [e-journal] 37(1), 013320. https://doi.org/10.1063/5.0245384.
Cong, H, Qian, L, Wang, Y and Lin, J (2020) ‘Numerical simulation of the collision behaviors of binary unequal-sized droplets at high Weber number’ Physics of Fluids, [e-journal] 32(10), 103307. https://doi.org/10.1063/5.0020709.
Goyal, N, Shaikh, J and Sharma, A (2020) ‘Bubble entrapment during head-on binary collision with large deformation of unequal-sized tetradecane droplets’ Physics of Fluids, [e-journal] 32(12), 122114. https://doi.org/10.1063/5.0029179.
Huang, B, Liang, H and Xu, J (2022) ‘Lattice Boltzmann simulation of binary three-dimensional droplet coalescence in a confined shear flow’ Physics of Fluids, [e-journal] 34(3), 032101. https://doi.org/10.1063/5.0082263.
Pan, KL, Law, CK and Zhou, B (2008) ‘Experimental and mechanistic description of merging and bouncing in head-on binary droplet collision’ Journal of Applied Physics, [e-journal] 103(6), 064901. https://doi.org/10.1063/1.2841055.
Samuelsson, E and Holmberg, S (2013) A CFD Study of the Urea Supply, Droplet Breakup and Mixing in a Pipe Upstream of a SCR Catalyst – A design application under development at Volvo Penta. Masters thesis, Chalmers University of Technology, Sweden.
Wang, Y, Qian, L, Chen, Z and Zhou, F (2020) ‘Coalescence of Binary Droplets in the Transformer Oil Based on Small Amounts of Polymer: Effects of Initial Droplet Diameter and Collision Parameter’ Polymers, [e-journal] 12(9), 2054. https://doi.org/10.3390/polym12092054.
Yuan, S, Dabirian, R, Shoham, O and Mohan, RS (2020) ‘Numerical Simulation of Liquid Droplet Coalescence and Breakup’ Journal of Energy Resources Technology, [e-journal] 142(10), 102101. https://doi.org/10.1115/1.4046603.
Descargas
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2025 Latin American Journal of Energy Research
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
O autor, no ato da submissão do artigo, transfere o direito autoral ao periódico.
