NUMERICAL SIMULATION OF MULTIPHASE FLOWS WITH ENHANCED CURVATURE COMPUTATION BY POINT-CLOUD SAMPLING

• Main Author: BRUNO DE BARROS MENDES KASSAR
• Other Authors: ANGELA OURIVIO NIECKELE
• Language: English
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2016
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=27512@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=27512@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA === Volume of Fluid (VOF) é um método amplamente empregado na predição de escoamentos multifásicos devido à sua simplicidade, boas características de conservação de massa e natural tratamento de interfaces topologicamente complexas. No entanto, para escoamentos dominados por tensão interfacial, a literatura tem mostrado que a precisão nas estimativas da tensão interfacial ainda é um problema em questão, que pode levar a correntes parasíticas e previsão imprecisa da condição de salto de pressão através das interfaces. Isto ocorre principalmente devido às variações abruptas do campo de fração volumétrica através das interfaces, que leva a imprecisão no cálculo das curvaturas interfaciais. Portanto, diferentes abordagens têm sido apresentadas para mitigar este problema, incluindo funções-altura, suavização da fração volumétrica, ajuste parabólico, entre outros. Este trabalho propõe uma nova abordagem para estimativa de curvatura em VOF, mas não limitado a este, que lança uma nova luz a este problema persistente. A ideia é amostrar a interface por nuvens de pontos e normais na isosuperfície de nível 0.5 do campo de fração volumétrica e calcular a curvatura para cada ponto da nuvem por uma técnica de Computação Gráfica (ajuste de normais). As curvaturas são, então, projetadas na malha Euleriana de maneira tal como no método Front-Tracking. O novo método foi implementado no código padrão de VOF do OpenFOAM (interFoam) resultando em melhorias nas estimativas de salto de pressão e em significativa redução das correntes espúrias. Simulações numéricas foram realizadas e resultados comparados a dados de referência demonstrando a viabilidade da ideia. === Volume of Fluid (VOF) is a widely employed method for multiphase flows prediction for its simplicity, good mass conservation characteristics and natural handling of topologically complex interfaces. For surface tension dominated flows, however, literature has shown that accuracy in surface tension estimations is still an issue, what may cause parasitic currents and inaccurate prediction of pressure jump condition across interfaces. It occurs mainly due to abrupt changes in the volume fraction field across the interfaces, which takes to inaccurate estimates of interfacial curvatures. Therefore, different approaches have been proposed to mitigate this problem including height-functions, volume fraction smoothing, parabolic fittings, among others. This work proposes a novel approach for curvature estimation in VOF, but not limited to it, that sheds a new light on this persistent problem. The idea is to sample the interfaces with clouds of points and normals at the 0.5 level isosurface of the volume fraction field and to compute the curvature for each point of the cloud by a Computer Graphics technique (normal fitting). The curvatures are then projected onto the Eulerian grid in a Front-Tracking fashion. The new method was implemented in the standard OpenFOAM VOF solver (interFoam) resulting in improvements on the pressure jump estimations and in significant reduction of spurious currents. Numerical simulations were performed and results compared to benchmark data showing the feasibility of the idea.