Particle transport in irregular structures: applications in pulmonary physiology, fractures and porous media / Transporte de partÃculas em estruturas irregulares: aplicaÃÃes em fisiologia pulmonar, fraturas e meios porosos.

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

13/06/2008

RESUMO

Este trabalho à dedicado ao estudo do processo de transporte de fluido e massa atravÃs de sistemas irregulares. Na primeira parte desta tese, abordamos a dinÃmica do escoamento ocorrendo atravÃs de canais rugosos auto-afins. Essencialmente, os aspectos relevantes na compreensÃo do escoamento em sistemas irregulares sÃo o {it estrutural}, intimamente associado à conformaÃÃo topolÃgica e morfolÃgica do meio, e o {it fenomenolÃgico}, que faz referÃncia aos mecanismos de transporte. Portanto, inicialmente descrevemos a topologia e a morfologia do sistema irregular. Consideramos que a geometria das interfaces que constituem o duto apresenta propriedades estatÃsticas invariantes sob transformaÃÃes de escala anisotrÃpicas, ou seja, possuem correlaÃÃes espaciais de longo alcance e podem, portanto, ser caracterizadas como superfÃcies fractais auto-afins. Mostramos que o carÃter irregular desta geometria adiciona um grau de complexidade ao problema do escoamento, refletindo-se nas propriedades dos campos de velocidade e pressÃo. Como complementaÃÃo deste estudo, investigamos o processo do transporte de partÃculas com massa arrastadas por um fluido escoando no interior das estruturas rugosas anteriormente mencionadas. Investigamos como a rugosidade da estrutura influencia fortemente a natureza deste fenÃmeno e estudamos o comportamento do tempo mÃdio de trÃnsito das partÃculas no interior destes dutos rugosos, em funÃÃo de parÃmetros como o nÃmero de Stokes e o coeficiente de restituiÃÃo. Mostramos que o transporte de partÃculas em dutos com geometria auto-afim à caracterizado pela existÃncia de quatro regimes bem distintos entre si e determinados pela competiÃÃo localizada entre dois mecanismos: as interaÃÃes partÃcula-estrutura (colisÃes) e partÃcula-fluido (escoamento). AtravÃs de simulaÃÃes numÃricas de partÃculas nÃo-Brownianas transportadas por um fluido em um meio poroso, investigamos a influÃncia da geometria e dos efeitos inerciais sobre a eficiÃncia de captura de uma matriz sÃlida. No caso de um arranjo periÃdico de cilindros e sob a aÃÃo da gravidade, nossos resultados revelam que $delta sim St$, onde $delta$ à a eficiÃncia de captura de partÃcula, e $St$ à o nÃmero de Stokes. Na ausÃncia de gravidade, observamos uma tÃpica transiÃÃo de segunda ordem entre a captura e a nÃo-captura de partÃculas, que pode ser expressa como $delta sim(St-St_{c})^{alpha}$, com um expoente $alpha approx 0.5$, onde $St_{c}$ à o nÃmero de Stokes crÃtico. TambÃm realizamos simulaÃÃes para o escoamento atravÃs de um meio poroso aleatÃrio e confirmamos que este comportamento para a captura de partÃculas à consistente com o modelo periÃdico simples. AlÃm disso, abordamos outro aspecto do processo de transporte de fluido e massa atravÃs de sistemas irregulares, nomeadamente o transporte e captura de partÃculas arrastadas por um escoamento hidrodinÃmico no interior de uma estrutura arborescente. Uma vez caracterizado o escoamento nestas estruturas complexas, passamos efetivamente à abordagem do processo de transporte de partÃculas com massa arrastadas por um fluido, integrando-se numericamente a equaÃÃo do movimento para cada partÃcula. O objetivo deste estudo à compreender, principalmente, a dinÃmica de captura de partÃculas e poluentes no interior das vias respiratÃrias. No entanto, a aproximaÃÃo realizada foi mais abrangente. Examinamos a influÃncia que certos parÃmetros fÃsicos e geomÃtricos, tais como os fatores de homotesia, os Ãngulos de ramificaÃÃo e o nÃmero de Reynolds, exercem sobre o processo citado. Esta abordagem nos permitiu pÃr em destaque uma universalidade notÃvel das leis de captura nas estruturas ramificadas.

ASSUNTO(S)

fisica da materia condensada estruturas ramificadas escoamento captura partÃculas meios porosos ramified structures flow capture particle porous media

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