verificação de um programa de computador para simulação de...

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Verificação de um programa de computador para simulação de escoamentos viscoelasticos Joana Malheiro*, Paulo J. Oliveira* e Fernando T. Pinho** * Departamento de Engenharia Electromecânica Universidade da Beira Interior Calçada Fonte do Lameiro Covilhã Telf: +351 275 329952; e-mail: [email protected] , [email protected] ** Departamento de Engenharia Mecânica Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 Porto Telf: +(351) 22 508 1597; e-mail: [email protected] Resumo Neste trabalho foi investigada a aplicação de um código computacional para fluidos viscoelasticos quando estes são sujeitos a um escoamento pulsante. O problema considerado é aparentemente simples, dependente do tempo e de solução analítica conhecida. O escoamento é gerado por um gradiente de pressão oscilante periódico imposto a um escoamento Poiseuille constante entre duas placas infinitas paralelas. Os resultados foram obtidos para os modelos reológicos Oldroyd-B e UCM, para os quais foi avaliado o efeito do número de elasticidade (E), e expressos no tempo e no espaço. Observamos que a variação do número de elasticidade afecta a velocidade ao longo do tempo e através do canal, dependendo da razão de viscosidadedo modelo. Dependendo das condições do escoamento, foi obtida boa concordância entre os resultados numéricos e analíticos, no entanto, em algumas situações foram necessários refinamentos da malha. 1. Introdução Embora a solução de problemas não estacionários de escoamentos viscoelasticos seja de grande importância, quer por muitos escoamentos de interesse ocorrem em regime variável, quer devido à tendência dos sistemas não- newtonianos desenvolverem instabilidades ao longo do tempo, existe uma lacuna de casos teste capazes de avaliar o comportamento numérico dos códigos existentes. No trabalho de Duarte et al [1], que deu origem à presente investigação, foi verificado que o escoamento pulsante de fluidos viscoelasticos era vantajoso relativamente ao “start- up” para avaliar os códigos existentes pois: (i) é periódico, por isso, menos sensível às condições iniciais e os resultados numérico podem ser verificados a cada período; (ii) não geram “choques” que dão origem a descontinuidades do gradiente de velocidade; e (iii) o controlo do erro de discretização e razão de convergência é melhor conseguido. No entanto, em Duarte et al [1] o escoamento pulsante foi estudado apenas para E = 1. No presente trabalho, o código numérico de simulação foi aplicado a um escoamento pulsante resultante da aplicação de um gradiente de pressão que varia sinusoidalmente no tempo sobre um escoamento de Poiseuille constante entre duas placas infinitas paralelas. Os resultados numéricos e analíticos foram obtidos para dois modelos reológicos viscoelasticos (Oldroyd-B e UCM) e foram comparados para diferentes valores de elasticidade, E = 0.01, 0.1, 1, 10 e 100. Para estudar o efeito da elasticidade, em escoamento pulsante de fluidos não-newtonianos, foi necessário diminuir o tamanho dos passos no tempo quando se aumentava a elasticicdade devido à elevada frequência esperada e observada para valores elevados de E. A velocidade foi analisada no tempo (velocidade no plano central do canal) e no espaço (perfis transversais de velocidade) para diferentes valores de elasticidade e os erros de discretização correspondentes foram avaliados. 2. Equações de Governo Em CFD (Computational Fluid Dynamics) a simulação numérica requer a solução simultânea de três equações: a equação da continuidade, a equação do movimento e a equação constitutiva. A equação da continuidade e do momento linear, na ausência de forças gravitacionais são expressas por: . 0 u e 2 s D p Dt u u τ (1) onde u é o vector de velocidade local de componentes u e v que correspondem às coordenadas cartesianas x e y, respectivamente, para um problema bi-dimensional, p é o gradiente de pressão, s viscosidade do solvente, e τ o tensor da tensão elástica. A forma geral da equação constitutiva, para os modelos viscoelasticos considerados, pode ser escrita como: 2 p f f D (2)

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  • Verificao de um programa de computador para simulao de escoamentos viscoelasticos

    Joana Malheiro*, Paulo J. Oliveira* e Fernando T. Pinho**

    * Departamento de Engenharia Electromecnica

    Universidade da Beira Interior

    Calada Fonte do Lameiro Covilh

    Telf: +351 275 329952; e-mail: [email protected], [email protected]

    ** Departamento de Engenharia Mecnica

    Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

    Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 Porto

    Telf: +(351) 22 508 1597; e-mail: [email protected]

    Resumo Neste trabalho foi investigada a aplicao de um cdigo computacional para fluidos viscoelasticos quando estes

    so sujeitos a um escoamento pulsante. O problema

    considerado aparentemente simples, dependente do tempo e

    de soluo analtica conhecida. O escoamento gerado por um

    gradiente de presso oscilante peridico imposto a um

    escoamento Poiseuille constante entre duas placas infinitas

    paralelas. Os resultados foram obtidos para os modelos

    reolgicos Oldroyd-B e UCM, para os quais foi avaliado o

    efeito do nmero de elasticidade (E), e expressos no tempo e

    no espao. Observamos que a variao do nmero de

    elasticidade afecta a velocidade ao longo do tempo e atravs

    do canal, dependendo da razo de viscosidadedo modelo.

    Dependendo das condies do escoamento, foi obtida boa

    concordncia entre os resultados numricos e analticos, no

    entanto, em algumas situaes foram necessrios

    refinamentos da malha.

    1. Introduo

    Embora a soluo de problemas no estacionrios de

    escoamentos viscoelasticos seja de grande importncia,

    quer por muitos escoamentos de interesse ocorrem em

    regime varivel, quer devido tendncia dos sistemas no-

    newtonianos desenvolverem instabilidades ao longo do

    tempo, existe uma lacuna de casos teste capazes de avaliar

    o comportamento numrico dos cdigos existentes. No

    trabalho de Duarte et al [1], que deu origem presente

    investigao, foi verificado que o escoamento pulsante de

    fluidos viscoelasticos era vantajoso relativamente ao start-

    up para avaliar os cdigos existentes pois: (i) peridico,

    por isso, menos sensvel s condies iniciais e os

    resultados numrico podem ser verificados a cada perodo;

    (ii) no geram choques que do origem a

    descontinuidades do gradiente de velocidade; e (iii) o

    controlo do erro de discretizao e razo de convergncia

    melhor conseguido. No entanto, em Duarte et al [1] o

    escoamento pulsante foi estudado apenas para E = 1. No

    presente trabalho, o cdigo numrico de simulao foi

    aplicado a um escoamento pulsante resultante da aplicao

    de um gradiente de presso que varia sinusoidalmente no

    tempo sobre um escoamento de Poiseuille constante entre

    duas placas infinitas paralelas. Os resultados numricos e

    analticos foram obtidos para dois modelos reolgicos

    viscoelasticos (Oldroyd-B e UCM) e foram comparados

    para diferentes valores de elasticidade, E = 0.01, 0.1, 1, 10

    e 100.

    Para estudar o efeito da elasticidade, em escoamento

    pulsante de fluidos no-newtonianos, foi necessrio

    diminuir o tamanho dos passos no tempo quando se

    aumentava a elasticicdade devido elevada frequncia

    esperada e observada para valores elevados de E.

    A velocidade foi analisada no tempo (velocidade no plano

    central do canal) e no espao (perfis transversais de

    velocidade) para diferentes valores de elasticidade e os

    erros de discretizao correspondentes foram avaliados.

    2. Equaes de Governo

    Em CFD (Computational Fluid Dynamics) a simulao

    numrica requer a soluo simultnea de trs equaes: a

    equao da continuidade, a equao do movimento e a

    equao constitutiva. A equao da continuidade e do

    momento linear, na ausncia de foras gravitacionais so

    expressas por:

    . 0 u e 2s

    Dp

    Dt

    uu (1)

    onde u o vector de velocidade local de componentes u e v

    que correspondem s coordenadas cartesianas x e y,

    respectivamente, para um problema bi-dimensional, p

    o gradiente de presso, s

    viscosidade do solvente, e o

    tensor da tenso elstica. A forma geral da equao

    constitutiva, para os modelos viscoelasticos considerados,

    pode ser escrita como:

    2 pf f

    D (2)

    mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]

  • onde f e f so funes de invariantes de que tomam o

    valor de 1f f para os modelos UCM e Oldroyd-B,

    D o tensor da taxa de deformao,

    a derivada

    convectiva superior do tensor das tenses, p

    a

    viscosidade do soluto polimrico e o tempo de

    relaxao. As viscosidades do solvente e do soluto

    polimrico esto relacionadas:

    0 s p e

    0

    s r

    (3)

    onde 0

    o coeficiente de viscosidade total, r o tempo de

    retardao do fluido e define a contribuio da

    viscosidade do solvente, caracterizando a natureza elstica

    do fluido, conjuntamente com o tempo de relaxao, . Nas

    equaes (1) e (2), quando = 0 a equao constitutiva

    Newtoniana recuperada com viscosiadade 0

    . Para o

    fluido UCM a viscosidade do solvente zero (

    0 0s

    ), i.e., tem apenas a contribuio da

    viscosidade polimrica, sendo desprovido de qualquer

    termo difusivo explcito na equao da quantidade de

    movimento. O modelo Oldroyd-B, que tem a contribuio

    das viscosidades de solvente e do polmero em diferentes

    propores ( 0 1 ) torna-se uma combinao linear

    dos modelos UCM ( = 0) e Newtoniano ( = 1). No

    presente problema, que envolve o escoamento em canal

    plano em condies completamente desenvolvidas, sujeito

    a um gradiente de presso sinusoidal:

    1

    coss odp

    K K tdx

    (4)

    a equao da continuidade automaticamente satisfeita, a

    equao do momento linear reduz-se a:

    2

    2

    xy

    s

    u dp u

    t dx yy

    (5)

    e a equao constitutiva para a componente de corte da

    tenso passa a ser escrita como:

    xy

    xy p

    u

    t y

    (6)

    Na Eq.(4) KO a amplitude do gradiente de presso

    oscilante, a frequncia angular da oscilao

    correspondendo a um perodo 2 /T , e a magnitude

    do gradiente de presso estacionrio s

    K . So

    consideradas condies de no-escorregamento junto s

    paredes do canal, localizadas a y h onde h metade

    da altura total do canal,

    , 0u y h t , para 0t (7)

    e o escoamento inicia-se sob condies quiescentes,

    , 0 0u y t , para h y h (8)

    Para a resoluo do sistema de equaes todas as variveis

    foram usadas na forma adimensional,

    /t t T , /y y h

    / su u u onde

    2

    0/ 3

    s su K h

    (9)

    0/ /

    xy xy su h

    Os grupos adimensionais mais importantes so o nmero

    de elasticidade, o nmero de Womersley e a razo do

    gradiente de presso,

    = 0

    2, =

    0 e

    (10)

    A soluo analtica para a velocidade dada em Duarte et

    al [1] e ser usada para comparar com os resultados

    numricos obtidos,

    2 2

    cosh33, 1 Re 1 exp 2

    2 cosh

    oth

    s

    ZyKu y t y i it

    K Z

    (11)

    onde

    1/ 22

    2

    1

    1

    i EZ i

    i E

    .

    O erro de discretizao baseado na norma Euclideana

    aplicada velocidade axial, avaliada quer por integrao

    na seco transversal do canal ou como valor mdio num

    perodo:

    21

    , ,y i th ii

    e t u y t u y tNY

    ou 1

    ( )periodt

    e e tN

    (12)

    Onde uy a soluo numrica numa malha com NY

    volumes de controlo com espaamento 1/y NY e Nt o

    nmero total de passos no tempo num perodo, com t =

    1/Nt.

    2. Mtodo Numrico

    Foi usado um mtodo implcito de volumes-finitos. As

    equaes de governo foram integradas no espao num

    volume de controlo atravs do mtodo de diferenas

    centradas e no tempo em pequenos passo no tempo atravs

    do mtodo dos trs nveis temporais de forma a obter um

    sistema de equaes algbricas linearizadas. Ambos os

    mtodos so de segunda ordem e so aplicados em malha

    com espaamento uniforme na direco de y, onde as

    variveis dependentes esto localizadas no centro do

    volume de controlo. A equao algbrica linearizada

    apresenta a seguinte forma geral,

    1 1 1n n nP P N N S Sa a a b

    (13)

    onde = u ou xy, aP o coeficiente do centro do volume de controlo da clula em questo, aN e aS so os

    coeficientes do volume de controlo nas fronteiras norte e

    sul, respectivamente, b o termo fonte que incorpora todos

  • os termos que no esto includos nos coeficientes e o

    ndice superior n denota os nveis de tempo. Este sistema

    tri-diagonal de equaes foi resolvido com o algoritmo

    para matrizes tridiagonais TDMA.

    2. Resultados e Discusso

    Os resultados obtidos so apresentados e discutidos nesta

    seco. Foram considerados dois modelos reolgicos,

    Oldroyd-B e UCM, para os quais foi estudado o efeito da

    elasticidade no escoamento pulsante para E = 0.01, 0.1, 1,

    10 e 100. Os perfis de velocidade numricos e analticos

    foram apresentados no tempo e no espao e comparados,

    tendo em ateno o refinamento da malha, os erros de

    discretizao e convergncia. Os valores da frequncia

    adimensional ( = 4.864) e da razo do gradiente de

    presso (KO/KS = 2.587) so fixos [1]. Por ser esperada

    uma resposta de elevada frequncia para valores elevados

    de elasticidade, foram usados diferentes passos no tempo

    para os diferentes valores de E. Assim, para E = 0.01, 0.1 e

    1 foi usado t = 2 10-2

    ; para E = 10 foi t = 2 10-4

    e

    para E = 100 o passo no tempo usado foi t = 2 10-5

    .

    Para melhorar a preciso dos resultados numricos obtidos

    em determinadas condies de elasticidade foram

    utilizadas seis malhas diferentes com 100, 200, 400, 800,

    1000 e 2000 volumes de controlo, i.e., com espaamentos

    de y = 0.02, 0.01, 0.005, 0.0025, 0.002 e 0.001 (para um

    domnio no espao de y = -1 a y = +1). Os erros de

    discretizao foram calculados apenas quando o

    escoamento em regime oscilatrio se encontrava

    completamente estabelecido.

    A. Incio do escoamento pulsante

    O tempo necessrio para o estabelecimento do escoamento

    dos fluidos Oldroyd-B e UCM grandemente influenciado

    pelo nmero de elasticidade. O estado de escoamento

    completamente desenvolvido alcanado apenas para

    valores muito elevados de tempo adimensional, este

    comportamento ilustrado na Fig.1 onde a evoluo da

    velocidade no plano central para os fluidos Oldroyd-B com

    = 0.01 e UCM so apresentadas em funo do tempo.

    Alm disso a amplitude e o nmero de oscilaes no

    arranque do escoamento aumentam significativamente com

    a elasticidade. Comparando modelos de fluidos com =

    0.01 e 0, Fig.1 b) v-se que a diminuio de leva a

    oscilaes com maiores amplitudes e consequentemente

    maior tempo at atingir o escoamento completamente

    desenvolvido. Estas oscilaes de baixa frequncia so

    originadas por uma frente de onda que oscila de parede a

    parede atravs do canal no inicio do escoamento.

    B. Velocidade no plano central do canal

    Os resultados apresentados nesta seco e nas seguintes

    so para escoamento completamente desenvolvido obtidos

    depois de fazer correr a simulao durante vrios ciclos at

    que o ciclo fosse a repetio do anterior. Na Fig.2

    apresentada a evoluo da velocidade no plano central

    durante um ciclo para diferentes valores de elasticidade (E

    = 0.01, 0.1, 1, 10 e 100) usando os modelos reolgicos

    considerados. Nos fluidos viscoelasticos, medida que a

    a)0 40 80 120

    T

    0

    1

    2

    3

    4

    U

    Oldroyd-B (=0.01)

    E=0.01

    E=0.1

    E=1

    b)0 200 400 600

    T

    -8

    -4

    0

    4

    8

    12

    U

    E=10

    Oldroyd-B (B=0.01)

    UCM (B=0)

    Fig .1. Evoluo da velocidade da linha central ao longo do

    tempo durante escoamento pulsante: a) para Oldroyd-B ( = 0.01)

    para nmeros de elasticidade diferentes (E = 0.01, 0.1 e 1); b)

    para Oldroyd-B ( = 0.01) e UCM ( = 0) para E = 10

    razo da viscosidade de solvente reduzida o efeito da

    elasticidade torna-se visvel. Independentemente do valor

    de , para E = 0.01 todos os fluidos apresentam igual

    evoluo da velocidade. Como consequncia do aumento

    da elasticidade para E = 0.1 ocorre uma diferena em fase,

    que observada em todos os modelos. Quando E = 1 o

    efeito da elasticidade passa a depender de . Assim,

    embora o fluido Oldroyd-B com = 0.01 (Fig.2 a)) no

    seja praticamente influenciado por E (a velocidade

    apresenta praticamente a mesma evoluo para E = 0.01, 1,

    10 e 100) para = 0.001 (Fig.2 b)) a principal diferena o

    aumento das oscilaes em amplitude quando E = 1.

    Observando o fluido UCM (Fig.2 c)) a velocidade no plano

    central para E = 1 diferente em fase e maior em

    amplitude do que para menores valores de E, tendo, no

    entanto, um comportamento prximo ao apresentado pelo

    fluido Oldroyd-B ( = 0.001). J para E = 10 e 100 mostra

    uma reduo e um aumento significativo respectivamente

    em termos de amplitude das oscilaes. Para o fluido

    Oldroyd-B ( = 0.01) independentemente do nmero de

    elasticidade obteve-se boa concordncia entre os resultados

    numricos e as solues analticas. Quando diminudo

    para 0.001 no se observou concordncia entre os

    resultados apenas para E = 1. No entanto, para o fluido

    UCM em que = 0 foi obtida concordncia entre os

    resultados numrico e analticos apenas para valores de E

    baixos (0.01 e 0.1) com a malha mais grossa (y = 1 10-

    2). Nas situaes em que a concordncia no foi obtida

  • com esta malha procedeu-se ao seu refinamento, obtendo-

    se resultados em perfeita concordncia usando malha de

    espaamento y = 1 10-3

    .

    a)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    Oldroyd-B (=0.01)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    E = 100

    b)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    Oldroyd-B (=0.001)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    E = 100

    c)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    UCM (=0)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    E = 100

    Fig .2. Evoluo da velocidade na linha central ao longo de um

    perodo durante escoamento pulsante: a) e b) Oldroyd-B ( = 0.01

    e 0.001); e c) UCM ( = 0) para diferentes nmeros de

    elasticidade. Previses numricas com y = 1 10-2 (smbolos

    coloridos), y = 1 10-3 (cruzes pretas) e solues analticas

    (linhas).

    C. Perfis de velocidade no espao

    Na Fig.3 est ilustrado o efeito da elasticidade nos perfis

    de velocidade para os modelos Oldroyd-B ( = 0.01 e

    0.001) e UCM ( = 0) para um tempo angular t = 0.

    Pelos resultados obtidos verifica-se que medida que a

    razo de viscosidade diminuda a influncia do nmero

    de elasticidade aumenta. A ausncia de oscilaes para E =

    0.01 e a presena de oscilaes suaves para E = 0.1 um

    comportamento geral observado nos modelos de fluidos

    viscoelasticos. O fluido Oldroyd-B ( = 0.01) (Fig.3 a))

    apresenta, para E = 1, oscilaes visveis, em termos de

    amplitude e frequncia, relativamente a menores valores de

    E, e para E = 10 e 100 aparecem pequenas oscilaes junto

    parede. No modelo Oldroyd-B, para = 0.001 (Fig.3b))

    as oscilaes para E = 1 aumentam em termos de

    amplitude e para E = 10 e 100 as oscilaes junto parede

    propagam-se at uma distncia maior das paredes,

    relativamente ao modelo Oldroyd-B ( = 0.01) (Fig.3 a)).

    Considerando o fluido UCM (Fig.3 c) e d)) as principais

    diferenas residem no aumento da amplitude das

    oscilaes para E = 1 (Fig.3 c)), enquanto para E = 10 e

    100 (Fig.3 d)) as oscilaes, em vez de se concentrarem

    junto parede, propagam-se ao longo de toda a seco

    transversal do canal aumentando significativamente a sua

    frequncia, embora com muito menores amplitudes.

    Os perfis de velocidade foram tambm obtidos para quarto

    instantes no tempo durante um periodo oscilatrio com

    tempos angulares t = 0, 90, 180 e 270 (Fig.4). De uma

    forma geral, os modelos Oldroyd-B revelam um aumento

    inicial e depois uma reduo das oscilaes medida que o

    numero de elasticidade aumentado de 0.01 a 100,

    apresentado maiores oscilaes para E = 1. J o modelo

    UCM ( = 0) apresenta uma evoluo diferente que

    ilustrada na Fig.4. Os perfis de velocidade para E = 0.01

    (Fig.4 a)) no apresenta oscilaes tal como acontece com

    os fluidos Newtonianos [1], mas quando o nmero de

    elasticidade aumentado para 0.1 aparecem suaves

    oscilaes ao longo do canal. Para estes dois valores de E a

    influncia do valor de no se faz notar. Para E = 1 a

    propagao dos movimentos oscilante esto claramente

    espalhados ao longo da seco transversal do canal

    apresentando elevada amplitude e uma frequncia bem

    estabelecida (4-5 ciclos). Este comportamento em muito

    semelhante ao apresentado pelos modelos Oldroyd-B.

    Quando E = 10, enquanto que para os modelos Oldroyd-B

    as oscilaes no se estendem por toda a seco transversal

    do canal mas esto restringidas a uma regio junto parede

    do canal, no fluido UCM as oscilaes propagam-se por

    toda a seco transversal do canal. Alm disso, a figura

    mostra claramente que so necessrias malhas mais finas

    para nmeros de elasticidade iguais a 1 e 10 de forma a

    conseguir reproduzir numericamente os perfis tericos:

    enquanto 200 volumes de controlo (y = 0.01) so

    suficientes para E = 0.01 e 0.1, para E = 1 e 10 so

    necessrios pelo menos 2000 volumes de controlo (y =

    0.001).

    D. Erros de discretizao e Convergncia do erro

    A distribuio do erro de discretizao ao longo de um

    ciclo foi calculado para seis malhas uniformes usando os

    diferentes valores de E. Para o valor mais baixo de

    elasticidade os erros revelaram um paralelismo regular,

    com uma separao constante medida que os

    espaamentos da malha so diminudos segundo as y1 =

    y2/2, que usual em mtodos de segunda ordem precisos,

    e a magnitude do erro aumenta com o nmero de

    elasticidade at E = 1, a partir do qual volta a diminuir para

    os modelos Oldroyd-B. Alm disso, enquanto que para E =

    0.01 o erro menor que 10-3

    em todas as malhas, para E =

    10 o erro apenas menor do que 10-3

    quando usado na

  • a)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    U

    Oldroyd-B (=0.01)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    E = 100

    b)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    U

    Oldroyd-B (=0.001)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    E = 100

    c)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    UCM (=0)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    d)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    T

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    UCM (=0)E = 10

    E = 100

    Fig .3. Perfis de velocidade a t = 0 em regime oscilatrio dos

    fluidos: a) e b) Oldroyd-B ( = 0.01 e 0.001), e c) e d) UCM ( =

    0). Previses numricas com y = 1 10-2 (smbolos coloridos),

    y = 1 10-3 (cruzes pretas) e solues analticas (linhas).

    a)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    Y

    0

    0.4

    0.8

    1.2

    1.6

    2

    U

    UCM (=0); E = 0.01analitico

    0.01

    = 180 = 270

    = 90

    = 0/360

    b) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

    Y

    0

    0.4

    0.8

    1.2

    1.6

    2

    U

    UCM (=0); E = 0.1analitico

    0.01

    = 180

    = 270

    = 90 = 0/360

    c)

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Y

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    UCM (=0); E = 1analitico

    0.01

    0.001

    = 0/360

    = 180

    = 90

    = 270

    d)

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Y

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    U

    UCM (=0); E = 10analitico

    0.01

    0.001

    = 180

    = 270

    = 90

    = 0/360

    Fig .4. Resultados numricos (smbolos) e analticos (linhas) dos

    perfis de velocidade do fluido UCM ( = 0) em regime oscilatrio

    durante um ciclo para diferentes valores de E. Os resultados

    numricos foram obtidos com espaamentos de y = 1 10-2

    (azul) e y = 1 10-3 (laranja).

  • malha o espaamento y = 1 10-3

    . A razo de

    convergncia do erro mdio num ciclo calculado pela

    Eq.(12) obtida para os diferentes modelos para diferentes

    valores de elasticidade num perodo so ilustrados na Fig.5

    como smbolos tal como as respectivas linhas de tendncia,

    obtidas pela eq. da lei de potncias. Os grficos da Fig.5

    mostram que a magnitude do erro diminui com o

    refinamento da malha para todas as situaes,

    apresentando, no entanto numa razo de convergncia de p

    = 2.01 apenas quando E 1 de acordo com a segunda

    ordem do mtodo numrico aplicado. Quando E = 10 a

    ordem de convergncia diminui para aproximadamente p =

    1.7 para o modelo Oldroyd-B e para p = 1.5 para o UCM.

    Verifica-se tambm que para todos os fluidos a magnitude

    do erro aumenta medida que E aumenta at E = 1

    diminuindo, no entanto, para valores superiores a 1. O erro

    aumenta tambm com a diminuio de .

    3. Concluses

    O problema de escoamento pulsante iniciado por Duarte et

    al [1] aqui estendido para vrios valores de elasticidade.

    A anlise de escoamentos de fluidos viscoelasticos

    comeou com a avaliao do escoamento durante o regime

    transiente at que o escoamento completamente

    desenvolvido fosse atingido. Aqui, ao aumentar o numero

    de elasticidade, foi necessrio mais tempo para atingir o

    escoamento completamente desenvolvido e oscilaes com

    maior comprimento de onda do que o imposto pelo

    gradiente de presso sinusoidal, aumentando

    significativamente em amplitude e frequncia. Foi tambm

    mostrado que medida que tende para zero as oscilaes

    da propagao de onda tambm aumentam em frequncia e

    amplitude. Depois, a influncia de E foi analisada durante

    um perodo atravs da observao da evoluo da

    velocidade no plano central do canal. medida que

    tende para zero o valor de E, nomeadamente para E 1,

    tende a ter maior importncia na evoluo da velocidade.

    Observou-se tambm que para o modelo Oldroyd-B apenas

    se obteve boa concordncia entre os resultados numricos

    e analticos com malhas y = 0.01. Por outro lado, para o

    fluido UCM foi necessrio aplicar malhas mais refinados

    (y = 0.001) para obter concordncia entre os resultados,

    para valores E 1. Os perfis de velocidade foram

    apresentados em metade do canal, primeiro para t = 0 e

    depois em quatro momentos diferentes no tempo, ao longo

    de um perodo, variando E. Foi observado que medida

    que a elasticidade aumenta de 0.01 para 1 ocorrem

    oscilaes transversas, que aumentam em termos de

    amplitude at E = 1, e diminuem depois at E = 100. Em

    concordncia com [1] foi observado que medida que a

    elasticidade aumentada e diminudo a preciso dos

    resultados numricos deteriora-se, e por isso so

    necessrios maiores refinamentos da malha e do passo no

    tempo para aumentar a preciso.

    a)0.001 0.01 0.1

    y

    1E-007

    1E-006

    1E-005

    0.0001

    0.001

    0.01

    0.1

    e

    Oldroyd-B ( = 0.01)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    b) 0.001 0.01 0.1

    y

    1E-007

    1E-006

    1E-005

    0.0001

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    e

    Oldroyd-B ( = 0.001)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    c) 0.001 0.01 0.1

    y

    1E-007

    1E-006

    1E-005

    0.0001

    0.001

    0.01

    0.1

    1e

    UCM ( = 0)E = 0.01

    E = 0.1

    E = 1

    E = 10

    Fig .5. Grficos de convergncia para escoamento pulsante dos

    modelos de fluidos Oldroyd-B e UCM para valores diferentes de

    elasticidade.

    Agradecimentos

    Os autores gostariam de agradecer Fundao para a

    Cincia e Tecnologia pelo apoio financeiro atravs do

    projecto PTDC/EME-MFE/70186/2006.

    Referncias

    [1] A.S.R. Duarte, A.I.P. Miranda, P.J. Oliveira, Numerical and analytical modeling of unsteady viscoelastic flows: The start-up and pulsating test case problems, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 154: 153169, 2008.