O Modelo de McCormack para Mistura de Gases: Problema de
Deslizamento T´
ermico
Rosenei F. Knackfuss
UFSM - Departamento de Matem´atica 97105-900, Santa maria, RS E-mail: knackfus@smail.ufsm.br.
Resumo: Uma vers˜ao anal´ıtica do m´etodo de ordenadas discretas (ADO) ´e usada para en-contrar, de forma concisa e precisa, solu¸c˜oes para o problema de deslizamento t´ermico de uma mistura gasosa bin´aria em um meio semi-infinito. As equa¸c˜oes cin´eticas usadas para descre-ver o fluxo s˜ao baseadas no modelo de McCormack para misturas. A intera¸c˜ao g´as-superf´ıcie, baseia-se no n´ucleo de Cercignani-Lampis que apresenta dois coeficientes de acomoda¸c˜ao: o coeficiente de acomoda¸c˜ao tangencial e o coeficiente de acomoda¸c˜ao da energia cin´etica. Os resultados num´ericos, para o coeficiente de deslizamento t´ermico, s˜ao apresentados para uma mistura bin´aria (Ne-Ar) com v´arias concentra¸c˜oes molares.
Palavras-chave: Coeficiente de deslizamento t´ermico, Modelo de McCormack, N´ucleo de Cer-cignani-Lampis
1
INTRODUC
¸ ˜
AO
A resolu¸c˜ao dos problemas de dinˆamica de gases, em geral, ´e baseada no estado de rarefa¸c˜ao do g´as [2]. Este estado pode ser classificado pelo valor do n´umero de Knudsen (Kn), definido como a raz˜ao entre o livre caminho m´edio l e um comprimento caracter´ıstico a∗.
Kn = l
a∗. (1)
Se o n´umero de Knudsen ´e muito pequeno, ent˜ao o livre caminho m´edio ´e pequeno, e assim, o fluxo do g´as pode ser considerado como meio cont´ınuo e as equa¸c˜oes cl´assicas da hidrodinˆamica, equa¸c˜oes de Navier-Stokes, podem ser aplicadas no escoamento do g´as com condi¸c˜oes de contorno de n˜ao deslizamento (regime hidrodinˆamico). Entretanto, para uma rarefa¸c˜ao moderadamente pequena, associa-se as equa¸c˜oes de Navier-Stokes a condi¸c˜ao de contorno de deslizamento, isto ´e, a velocidade do g´as em contato com a superf´ıcie ´e diferente de zero na superf´ıcie, mas sua com-ponente tangencial, depende do perfil de velocidade e da distribui¸c˜ao de temperatura perto da superf´ıcie. A condi¸c˜ao de deslizamento, para o gradiente de temperatura, direcionado ao longo da superf´ıcie, ´e dada atrav´es do coeficiente de deslizamento t´ermico. O coeficiente de desliza-mento t´ermico pode ser determinado resolvendo-se a equa¸c˜ao de Boltzmann ou as equa¸c˜oes cin´eticas que s˜ao formas simplificadas da equa¸c˜ao de Boltzmann no que diz respeito ao opera-dor de colis˜ao. Para isso, neste trabalho, apresenta-se a deriva¸c˜ao da solu¸c˜ao do problema de deslizamento t´ermico para misturas de dois gases nobres, em coordenadas cartesianas ortogo-nais, baseada no modelo de McCormack [5] e desenvolvida em termos de uma vers˜ao anal´ıtica do m´etodo de ordenadas discretas (ADO) [1] que tem sido aplicado, com ´otimos resultados, para derivar solu¸c˜oes em diversos problemas na dinˆamica de gases rarefeitos [3, 4, 11].
Para completar o problema, inclui-se a intera¸c˜ao g´as-superf´ıcie, baseada no n´ucleo de Cer-cignani-Lampis [2], que, diferentemente, do n´ucleo de Maxwell [13], apresenta dois coeficientes de acomoda¸c˜ao: o coeficiente de acomoda¸c˜ao do momento tangencial (αt) e o coeficiente de
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FORMULAC
¸ ˜
AO GERAL
O modelo cin´etico de McCormack [5] ´e usado, neste trabalho, para definir a formula¸c˜ao do problema de uma mistura de g´as bin´ario no espa¸co semi-infinito y∗ ≥ 0 sobre uma superf´ıcie s´olida infinita fixada em y∗ = 0, cujo fluxo ´e causado por um gradiente constante de temperatura na dire¸c˜ao do fluxo, denominado de problema de Deslizamento T´ermico para uma mistura de dois gases. Considera-se que as fun¸c˜oes distribui¸c˜ao hα(y∗, v) para os dois tipos de part´ıculas
(α = 1 e 2) denotam perturba¸c˜oes `a distribui¸c˜ao Maxwelliana para cada esp´ecie. Aqui, y∗ denota a vari´avel espacial e v = (vx, vy, vz), com magnitude v, ´e a velocidade da part´ıcula. A
lineariza¸c˜ao da fun¸c˜ao distribui¸c˜ao fα(y∗, v) para cada esp´ecie α, segundo McCormack [5], ´e
feita atrav´es de uma Maxwelliana local [11]. A fun¸c˜ao perturba¸c˜ao hα, seguindo a Ref. [5],
obedece duas equa¸c˜oes de Boltzmann acopladas, que para este problema escreve-se como
Sα(c) + cy
∂ ∂y∗hα(y
∗, c) + ω
αγαhα(y∗, c) = ωαγαLα{h1, h2}(y∗, c), α = 1, 2, (2)
onde o vetor c, com componentes cx, cy, cze magnitude c, ´e uma vari´avel adimensional.
Observa-se que introduz-Observa-se esta velocidade adimensional c diferentemente nas duas equa¸c˜oes, ou seja, seguindo Siewert [11], para o caso α = 1 usa-se a transforma¸c˜ao c = ω1v e para o caso α = 2
usa-se a transforma¸c˜ao c = ω2v. Ainda,
ωα = [ mα 2kT0 ]1/2 , Sα(c) = cz ( c2−5 2 ) Kη, α = 1, 2 (3)
e a freq¨uˆencia de colis˜ao γα deve ser definida. Tem-se, tamb´em, que k representa a constante
de Boltzmann, mα e nα s˜ao, respectivamente, a massa e a densidade de equil´ıbrio das esp´ecies
1 e 2, T0 ´e a temperatura de referˆencia e Kη ´e o gradiente de temperatura.
O operador de colis˜aoL correspondente ao modelo de McCormack ´e escrito como
Lα{h1, h2}(y∗, c) = 1 π3/2 2 ∑ β=1 ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞e −c′2 hβ(y∗, c′)Kβ,α(c′, c)dc′xdc′ydc′z (4)
e os n´ucleos Kβ,α(c′, c) s˜ao expressos como
Kβ,α = K (1) β,α(c′, c) + K (2) β,α(c′, c) + K (3) β,α(c′, c) + K (4) β,α(c′, c), α, β = 1, 2, (5)
onde as express˜oes para cada componente na Eq. (5) s˜ao listadas no Apˆendice A da Ref. [11]. Seguindo a Ref. [11], reescreve-se a Eq. (2) em termos da vari´avel adimenional y como
Sα(c) + cy
∂
∂yhα(y, c) + σαhα(y, c) = σαLα{h1, h2}(y, c), (6)
onde y = y ∗ l0 e σα= γα n1/γ1+ n2/γ2 n1+ n2 ( mα m )1/2 . (7)
Aqui, l0 representa o livre caminho m´edio e γα s˜ao express˜oes definidas na Ref. [11].
Para o problema semi-infinito, suplementa-se a Eq. (2) com as condi¸c˜oes de contorno na superf´ıcie (y = 0). Uma vez que o vetor velocidade ´e dado em coordenadas cartesianas retangu-lares, observa-se da Eq. (2) que h(y, c) = h(y, cx, cy, cz) e expressa-se as condi¸c˜oes de contorno
de Cercignani-Lampis [2] na superf´ıcie, como
hα(0, cx, cy, cz) = ∫ ∞ 0 ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞hα(0, c ′ x,−c′y, c′z)RCLα(c′x,−c′y, c′z: cx, cy, cz)dcx′dc′zdc′y, (8) com RCLα(c′x, c′y, c′z : cx, cy, cz) = 2c′y πanαatα(2− atα) Tα(c′x : cx)Sα(cy′ : cy)Tα(c′z : cz), α = 1, 2. (9)
Aqui, Tα(x : z) = exp [ −[(1− atα)z− x]2 atα(2− atα) ] , (10) Sα(x : z) = exp [ −[(1− anα)1/2z− x]2 anα ] b I0 [ 2(1− anα)1/2|xz| anα ] e Ib0(w) = I0(w)e−w. (11)
Ainda, atα representa o coeficiente de acomoda¸c˜ao do momento tangencial de cada esp´ecie
(α = 1, 2), anα ´e o coeficiente de acomoda¸c˜ao da energia cin´etica devido a componente normal
da velocidade de cada esp´ecie (α = 1, 2) e I0(w) ´e a fun¸c˜ao de Bessel modificada.
Neste trabalho calcula-se grandezas f´ısicas relacionadas com as velocidades das part´ıculas e fluxo de calor que s˜ao definidas, segundo a Ref. [11], como
vα(y) = π−3/2 ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞e −c′2 hα(y, cx, cy, cz)cxdcxdcydcz, (12)
para o perfil de velocidade,
pα(y) = π−3/2 ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞e −c′2 hα(y, cx, cy, cz)cxczdcxdcydcz (13)
para o perfil de tens˜ao de cisalhamento e
qα(y) = π−3/2 ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞e −c′2 hα(y, cx, cy, cz)(c2− 5/2)cxdcxdcydcz. (14)
para o perfil de fluxo de calor.
Observa-se que v(y), p(y) e q(y) s˜ao as quantidades f´ısicas b´asicas de interesse, e assim, na verdade n˜ao precisa calcular a fun¸c˜ao distribui¸c˜ao completa h(y, cx, cy, cz). Ao inv´es disso,
pode-se obter os resultados a partir de v´arios momentos ou integrais da fun¸c˜ao distribui¸c˜ao. Para iniciar o desenvolvimento, multiplica-se a Eq. (6) por
ϕ1(cx, cz) = 1 πe −(cx2+cz2)c z e ϕ2(cx, cz) = 1 π(cx 2+ c z2− 2)cze−(cx 2+c z2) (15)
e, em ambos os casos, integra-se sobre todo cx e cz. Considera-se a nova vari´avel ξ = cy e
define-se g2α−1(y, ξ) = ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ϕ1(cx, cz)hα(y, cx, ξ, cz)dcxdcz (16) e g2α(y, ξ) = ∫ ∞ −∞ ∫ ∞ −∞ϕ2(cx, cz)hα(y, cx, ξ, cz)dcxdcz, (17)
para α = 1, 2. Assim, obt´em-se quatro equa¸c˜oes de balan¸co, que s˜ao escritas em uma forma vetorial, para as componentes de G(y, ξ) dadas pelas Eqs. (16) e (17),
S1(ξ) + ξ
∂
∂yG(y, ξ) + ΣG(y, ξ) = Σ
∫ ∞ −∞ψ(ξ ′)K s(ξ′, ξ)G(y, ξ′)dξ′, (18) com Σ = diag{σ1, σ1, σ2, σ2} , ψ(ξ) = π−1/2e−ξ 2 e S1(ξ) = Kη (1/2)(ξ2− 1/2) 1 (1/2)(ξ2− 1/2) 1 . (19)
As componentes ki,j(ξ′, ξ) do n´ucleo Ks(ξ′, ξ) s˜ao definidas no Apˆendice B da Ref. [11].
A metodologia usada na obten¸c˜ao da Eq. (19) ´e tamb´em aplicada nas condi¸c˜oes de contorno, Eq. (8), obtendo-se
G(0, ξ) = D
∫ ∞ 0
onde D = diag {(1 − at1), (1− at1)3, (1− at2), (1− at2)3} (21) e F(ξ′, ξ) = diag {f1(ξ′, ξ), f1(ξ′, ξ), f2(ξ′, ξ), f2(ξ′, ξ)}. (22) Aqui, fα(ξ′, ξ) = 2ξ′ anα exp [ −[(1− anα)1/2ξ− ξ′]2 anα ] b I0 [ 2(1− anα)1/2ξ′ξ anα ] (23) para ξ, ξ′ ∈ (0, ∞) e α = 1, 2.
Baseado na nota¸c˜ao vetorial, expressa-se as grandezas f´ısicas de interesse para cada esp´ecie (α = 1, 2), o perfil de velocidade, Eq. (12), o perfil de tens˜ao de cisalhamento, Eq. (13), e o perfil de fluxo de calor, Eq. (14), respectivamente, como
vα(y) = ∫ ∞ −∞ψ(ξ)g2α−1(y, ξ)dξ , pα(y) = ∫ ∞ −∞ψ(ξ)g2α−1(y, ξ)ξdξ (24) e qα(y) = ∫ ∞ −∞ψ(ξ)[(ξ 2− 1/2)g 2α−1(y, ξ) + g2α(y, ξ)]dξ. (25)
3
SOLUC
¸ ˜
AO EM ORDENADAS DISCRETAS
A equa¸c˜ao que define o problema de Deslizamento T´ermico, Eq. (18), n˜ao ´e homogˆenea, sendo assim, tem-se a solu¸c˜ao geral definida como
G(y,±ξi) = Gp(y,±ξi) + Gh(y,±ξi). (26)
A solu¸c˜ao particular Gp, segundo a Ref. [11], ´e dada por
Gp(y,±ξ) = E(ξ2− 1/2 − sω) 2E F (ξ2− 1/2 − rω) 2F . (27)
Aqui, s = (m2/m1)1/2, r = (m1/m2)1/2, E e F s˜ao encontrados na Ref. [11].
Para encontrar a solu¸c˜ao da parte homogˆenea da Eq. (18), Gh, utiliza-se a vers˜ao anal´ıtica
do m´etodo de ordenadas discretas (ADO) que consiste em substituir o termo integral da Eq. (18) por um esquema de quadratura num´erica e procurar solu¸c˜oes da forma
Gh(y, ξ) = Φ(ν, ξ)e−y/ν (28)
Assim, chega-se a um problema de autovalores, onde cada ν ´e o inverso quadrado de cada autovalor encontrado.
A solu¸c˜ao da equa¸c˜ao homogˆenea Gh, em ordenadas discretas, ´e encontrada, segundo [11] como Gh(y,±ξi) = A1G1+ 4N ∑ j=2 AjΦ(νj,±ξi)e−y/νj, (29)
para i = 1, 2, . . . , N . As constantes arbitr´arias Aj, j = 1, . . . , 4N , s˜ao determinadas a partir das
condi¸c˜oes de contorno do problema. A solu¸c˜ao exata G1 aparece devido um autovalor tender a
zero, assim deve-se desprezar este autovalor (uma solu¸c˜ao) encontrando-se
G1= 1 0 s 0 . (30)
Para completar a solu¸c˜ao do problema, substitui-se a Eq. (26) na vers˜ao em ordenadas discretas da condi¸c˜ao de contorno encontrada a partir da Eq. (20) , obtendo-se, assim, um sistema de equa¸c˜oes com 4N equa¸c˜oes alg´ebricas lineares e 4N inc´ognitas, {Aj} para j =
1, . . . , 4N .
Considerando a deriva¸c˜ao acima, escreve-se, para as duas esp´ecies (α = 1, 2), o perfil de velocidade, respectivamente, v1(y) = A1− sωE + 4N ∑ j=2 AjNv,1(νj)e−y/νj e v2(y) = sA1− rωF + 4N ∑ j=2 AjNv,2(νj)e−y/νj, (31)
o perfil de tens˜ao de cisalhamento
pα(y) = 4N ∑ j=2
AjNp,α(νj)e−y/νj. (32)
e o perfil de fluxo de calor, respectivamente,
q1(y) = 5 2E + 4N ∑ j=2 AjNq,1(νj)e−y/νj e q2(y) = 5 2F + 4N ∑ j=2 AjNq,2(νj)e−y/νj (33) Aqui, tem-se Nv,α(νj) = FTα N ∑ k=1 ωkψ(ξk)[Φ(νj, ξk) + Φ(νj,−ξk)], (34) Np,α(νj) = FTα N ∑ k=1 ωkψ(ξk)ξk[Φ(νj, ξk) + Φ(νj,−ξk)] (35) e Nq,α(νj) = N ∑ k=1 ωkψ(ξk)FTq,α(ξk)[Φ(νj, ξk) + Φ(νj,−ξk)], (36)
onde o sobrescrito T significa a opera¸c˜ao transposta,
F1 = 1 0 0 0 , F2= 0 0 1 0 , Fq,1= ξ2− 1/2 1 0 0 e Fq,2= 0 0 ξ2− 1/2 1 . (37)
Segundo a Ref. [11], os coeficientes de deslizamento t´ermico para cada esp´ecie (α = 1, 2), s˜ao dados, respectivamente, como
ζ1= A1− sωE e ζ2= sA1− rωF. (38)
4
RESULTADOS NUM´
ERICOS
A implementa¸c˜ao computacional, para avaliar os resultados num´ericos, foi desenvolvida atrav´es de programa em linguagem FORTRAN. Para implementar as solu¸c˜oes, inicialmente, define-se o esquema de quadratura associado ao m´etodo de ordenadas discretas anal´ıtico (ADO). Neste sentido, para muitos problemas na dinˆamica de gases rarefeitos, a utiliza¸c˜ao do procedimento a seguir, tem se mostrado adequado [1, 3, 4]. Objetivando-se calcular integrais no intervalo [0,∞), usa-se a transforma¸c˜ao n˜ao-linear u(ξ) = e−ξ para mapear ξ ∈ [0, ∞) sob u ∈ [0, 1], e ent˜ao usa-se o esquema de quadratura de Gauss-Legendre mapeado linearmente no intervalo [0, 1].
Tendo definido o esquema de quadratura, o pr´oximo passo ´e a determina¸c˜ao dos autova-lores (constantes de separa¸c˜ao) e autovetores. A seguir, encontra-se as constantes arbitr´arias, resolvendo-se o sistema linear, assim, as quantidades f´ısicas de interesse s˜ao encontradas.
Os resultados num´ericos s˜ao apresentados na Tabela 1 para duas misturas de gases nobres, obtidos com N = 80 pontos de quadraturas.
Para a obten¸c˜ao dos resultados num´ericos apresentados na Tabela 1, considera-se a seguinte mistura de gases: Neˆonio (Ne) e Argˆonio (Ar). Os casos referidos na Tabela 1 s˜ao os seguintes: Ne-Ar: m1 = 20.183, m2 = 39.948 e d2/d1 = 1.406 (d1 e d2 representam, respectivamente, os
diˆametros moleculares dos gases Neˆonio e Argˆonio).
caso I: αt1= 0.849, αt2= 0.916, αn1 = 0.10, αn2= 0.40
caso II: αt1= 0.31, αt2= 0.67, αn1 = 0.10, αn2 = 0.40
caso III: αt1= 0.849, αt2= 0.916, αn1= 0.082, αn2 = 0.222
Os valores para os coeficientes de acomoda¸c˜ao do momento tangencial para os casos II s˜ao reproduzidos de valores experimentais encontrados no trabalho de Lord [12]. Para os caso I e III, os valores experimentais s˜ao provenientes de [8] que segue o trabalho experimental de Porodnov
et al. [7].
Em rela¸c˜ao ao coeficiente de acomoda¸c˜ao normal, escolhe-se valores num´ericos baseados no coeficiente de acomoda¸c˜ao t´ermico dos gases, por n˜ao apresentar, na literatura, valores expe-rimentais. Para isto, usa-se os resultados experimentais apresentados no trabalho de Thomas [12].
Os resultados encontrados, para os dois casos, foram desenvolvidos em termos da concen-tra¸c˜ao molar definidos em rela¸c˜ao a primeira part´ıcula como
C = n1/n2
1 + n1/n2
. (39)
caso I caso II caso III
C ζ1 ζ2 ζ1 ζ2 ζ1 ζ2 0.0 5.75582(–1) 5.46294(–1) 5.61156(–1) 5.25998(–1) 5.73804(–1) 5.43792(–1) 0.1 5.77622(–1) 5.50330(–1) 5.55385(–1) 5.19046(–1) 5.75952(–1) 5.47982(–1) 0.2 5.79435(–1) 5.54133(–1) 5.49355(–1) 5.11814(–1) 5.77878(–1) 5.51943(–1) 0.3 5.80966(–1) 5.57630(–1) 5.43009(–1) 5.04229(–1) 5.79523(–1) 5.55604(–1) 0.4 5.82079(–1) 5.60636(–1) 5.36271(–1) 4.96191(–1) 5.80759(–1) 5.37358(–1) 0.5 5.82563(–1) 5.62864(–1) 5.28956(–1) 4.87446(–1) 5.81368(–1) 5.61183(–1) 0.6 5.82178(–1) 5.63982(–1) 5.20812(–1) 4.77648(–1) 5.81113(–1) 5.62484(–1) 0.7 5.80593(–1) 5.63530(–1) 5.11455(–1) 4.66262(–1) 5.79664(–1) 5.62223(–1) 0.8 5.77350(–1) 5.60871(–1) 5.00251(–1) 4.52402(–1) 5.76564(–1) 5.59764(–1) 0.9 5.71811(–1) 5.55108(–1) 4.86103(–1) 4.34528(–1) 5.71175(–1) 5.54212(–1) 1.0 5.63059(–1) 5.44951(–1) 4.66978(–1) 4.09777(–1) 5.62582(–1) 5.44280(–1)
Tabela 1: Coeficiente de Deslizamento T´ermico ζ: para a mistura Ne-Ar.
5
CONSIDERAC
¸ ˜
OES FINAIS
O problema de Deslizamento T´ermico foi resolvido para o caso de uma mistura gasosa bin´aria. A solu¸c˜ao ´e baseada na vers˜ao anal´ıtica do m´etodo de ordenadas discretas, que produziu resultados com alta precis˜ao para o coeficiente de deslizamento t´ermico e para as grandezas f´ısicas, tais como: velocidade, temperatura e tens˜ao de cisalhamento. A facilidade de uso e, em particular, os resultados precisos obtidos justificam a confian¸ca de que o m´etodo possa ser usado em outros problemas na dinˆamica de gases rarefeitos. Outros resultados simulados neste trabalho, com coeficientes de acomoda¸c˜ao similares, foram comparados com os resultados obtidos na Ref. [10].
Agradecimentos
O autor agradece ao FIPE/UFSM pelo apoio financeiro dado a este trabalho.
Referˆ
encias
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