Fluidodinâmica computacional da ascensão de bolhas em líquidos de elevada viscosidade

Abstract

O método Volume de Fluido (VOF) é amplamente utilizado na simulação de escoamentos multifásicos, como a movimentação de bolhas através de líquidos. No entanto, há poucos estudos voltados à ascensão de bolhas em meios altamente viscosos, como polímeros fundidos. Esse tipo de escoamento está presente em diversas aplicações industriais, que vão desde o processamento de espumas até a calandragem de borracha. Enquanto, na literatura, encontram-se razões de viscosidade líquido-gás (rμ) de no máximo 10⁵, processos reais podem envolver razões da ordem de 10⁸. Nesta dissertação, investiga-se a dinâmica de uma bolha em líquidos de elevada viscosidade, utilizando-se o solver interFoam (VOF, OpenFOAM®) e uma configuração de coluna preenchida com líquido inicialmente em repouso. Consideram-se dois cenários: ascensão natural, promovida apenas pela gravidade, e ascensão forçada, com fluxo entrante imposto na base da coluna. A viscosidade do meio líquido é aumentada até valores representativos de polímeros fundidos (104 Pa·s), observando-se o efeito sobre a dinâmica da bolha. Os resultados indicam que as velocidades terminais simuladas pelo interFoam tendem à lei de Stokes para baixas viscosidades (erro médio de 10,8%), mas se desviam em direção à lei de Hadamard-Rybczynski em condições mais viscosas (erro médio de 9,1%). Em regimes de alta viscosidade com fluxo forçado (|| uin || = 9 mm/s), nota-se uma elongação vertical progressiva da bolha a partir de rμ = 5 × 105. Além disso, para rμ > 3 × 106, observam-se oscilações no contorno da bolha, indicando o surgimento de uma instabilidade associada ao elevado contraste de viscosidade entre as fases.

The Volume of Fluid (VOF) method is widely used for the simulation of multiphase flows, such as the motion of bubbles through liquids. However, few studies have focused on the rise of bubbles in highly viscous media, such as molten polymers. This type of flow is present in various industrial applications, ranging from foam processing to rubber calendering. While the literature typically reports liquid-gas viscosity ratios (rμ) of up to 10⁵, real processes may involve ratios on the order of 10⁸. In this dissertation, the dynamics of a bubble rising in highly viscous liquids is investigated using the interFoam solver (VOF, OpenFOAM®) and a column setup filled with liquid initially at rest. Two scenarios are considered: natural rise, driven solely by gravity, and forced rise, with an inlet flow imposed at the bottom of the column. The viscosity of the liquid phase is increased to values representative of molten polymers (104 Pa·s), and its effect on bubble dynamics is observed. The results indicate that the terminal velocities simulated by interFoam follow Stokes’ law at low viscosities (mean error of 10.8%), but deviate toward the Hadamard-Rybczynski law under more viscous conditions (mean error of 9.1%). In highly viscous regimes with forced flow (|| uin || = 9 mm/s), a progressive vertical elongation of the bubble is observed starting from rμ = 5 × 105. Furthermore, for rμ > 3 × 106, oscillations at the bubble interface are observed, indicating the onset of an instability associated with the high viscosity constrast between the phases.