TESIS
TEORÍA CINÉTICA DE FLUÍDOS GRANULARES FORZADOS
2017-06-28
Programa Oficial De Doctorado En Física
Fenomenos Termodinamicos De Transporte; Mecanica Estadistica; Teoria Cinetica
DIRECTORES

Francisco Vega Reyes (Codirector)

Vicente Garzo Puertos (Director)
TRIBUNAL

Azevedo Machado De Araújo, Nuno Miguel (Secretario)

Brito López, Ricardo (Presidente)

Maynar Blanco, Pablo (Vocal)
DESCRIPCIÓN
Los materiales granulares en condiciones de flujo rápido pueden modelarse como un gas granular; esto es, un gas compuesto de esferas duras inelásticas que disipan parte de su energía cinética durante colisiones binarias. Dada la naturaleza disipativa de las colisiones, es necesario inyectar energía al sistema para compensar el enfriamiento inelástico y mantener el gas en régimen de fluido rápido. Aunque en experimentos la inyección externa de energía se realiza a través de paredes, es muy usual encontrar simulaciones por ordenador en las que esta inyección se realiza mediante fuerzas que actúan homogéneamente en todo el sistema. A estas fuerzas se les denomina de forma general termostatos. El uso de estos termostatos ha sido ampliamente utilizado en las últimas décadas pero su influencia sobre las propiedades dinámicas de un gas granular no está aún completamente entendida. En la presente tesis se determinan las propiedades de transporte de sistemas granulares forzados y las propiedades reológicas no Newtonianas de una suspensión diluida bajo el régimen de flujo uniforme de cizalla (USF) usando dos rutas independientes y complementarias: la primera de ellas analítica, por medio del método de Chapman-Enskog, solución BGK de la ecuación cinética y método de los momentos de Grad, y la segunda computacional a través de simulaciones numéricas de Monte Carlo.Los coeficientes de transporte (viscosidad, difusión térmica, etc.) son obtenidos a partir del método de Chapman-Enskog como función del grado de inelasticidad y densidad. La presencia de un tipo de termostato compuesto por una fuerza de arrastre y otra de calentamiento estocástico que simulan la interacción de las partículas sólidas con el fluido intersticial conlleva nuevas consideraciones que no habían sido tenidas en cuenta en estudios anteriores. En particular, la función de distribución en el régimen hidrodinámico va a depender del tiempo no solo de la temperatura sino de uno de los parámetros del termostato. Así mismo, el estado de referencia para el desarrollo de la expansión de Chapman-Enskog no es ahora localmente estacionario ya que, dado que la densidad y la temperatura son tenidas como independientes entre sí, la acción de los termostatos no puede compensar localmente el enfriamiento colisional. Esto produce nuevas contribuciones en las expresiones de los coeficientes de transporte. La comparación con resultados computacionales propios por DSMC y de otros estudios mediante simulaciones de Langevin [1] muestra buenos acuerdos.Como complemento a lo anterior se ha obtenido los mismos coeficientes de transporte para un gas diluido usando el Modelo Inelástico de Maxwell (IMM) [2] para la caracterización de las colisiones. Este modelo, aunque no representa ningún potencial de interacción físico real entre las partículas, tiene la ventaja de poder obtener de forma exacta los momentos colisionales de la función de colisión, siendo por ello muy valorado y utilizado en numerosos estudios. La comparación con las predicciones del modelo anterior IHS diluída muestra un acuerdo suficientemente bueno como para justificar el uso de IMM.Finalmente es estudian las propiedades reológicas de un gas granular forzado con una fuerza de arrastre y bajo un régimen de flujo uniforme de cizalla como modelo paradigmático de una suspensión diluida. Usando el método de los momentos de Grad se obtienen los diferentes elementos del tensor de presiones como función del grado de inelasticidad y de la tasa de cizalla. Un punto destacable aquí es que, debido al acoplamiento entre la inelasticidad y la tasa de cizalla, el sistema se encuentra generalmente en estados con gradientes no pequeños y por tanto no es posible aplicar la descripción hidrodinámica de Navier-Stokes ya que los efectos no Newtonianos son importantes. Una mejora de nuestro estudio frente a otros previos [3] es que hemos tenido en cuenta contribuciones de segundo orden en el desarrollo de Grad lo que nos ha proporcionado detectar analíticamente por primera vez efectos no Newtonianos como las diferencias entre los elementos normales del tensor de presiones (función viscomética). La comparación con simulaciones DSMC muestran un acuerdo excelente.[1] G. Gradenigo, A. Sarracino, D. Villamaina and A. Puglisi. J. Stat. Mech. P08017, 2011.[2] V. Garzó and A. Santos. J. Phys, A: Math. Theor., 40:14972, 2007.[3] A. S. Sangani, G. Mo, H-K. Tsao, and D.L. Koch. J. Fluid Mech., 313:309-341, 1996.