Dados do Trabalhos de Conclusão

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE DEFESA (31007015011P8)
OBTENÇÃO DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS E DE TRANSPORTE DE FLUIDOS SUPERCRÍTICOS MOLECULARES POR DINÂMICA MOLECULAR
JAKLER NICHELE NUNES
TESE
11/02/2018

A pesquisa realizada nesta tese visa calcular propriedades termodinâmicas e de transporte de sistemas moleculares na vizinhança do ponto crítico a partir de simulações computacionais. O estudo é de pesquisa básica, porém motivado por aplicações duais – civis e militares –; sendo uma possível aplicação os efeitos de propagação gerados em munições termobáricas. O nitrogênio e o oxigênio moleculares foram os sistemas escolhidos para o estudo. A técnica computacional da Dinâmica Molecular foi empregada nas simulações. As propriedades estudadas foram o coeficiente de compressibilidade isotérmica, o coeficiente de expansão térmica, a capacidade térmica a pressão constante, a capacidade térmica a volume constante, a viscosidade de cisalhamento, a viscosidade bulk e a condutividade térmica. Os resultados obtidos foram comparados com os dados disponibilizados pelo National Institute of Standards and Technology (NIST), o que exclui a viscosidade bulk. Diferentes campos de força foram testados preliminarmente. Dois deles foram usados para descrever as interações entre as moléculas. O primeiro deles simplifica a estrutura molecular para um centro pontual de interação. O outro, para um sistema com dois centros de interação mantidos a distância fixa. O crescimento acentuado das propriedades termodinâmicas foi descrito com excelente precisão na vizinhança do ponto crítico usando os dois campos de força. Para alcançar essa precisão, o estimador Multistate Bennett Acceptance Ratio (MBAR) foi usado como técnica de pós-processamento. Ressalte-se a descrição da anomalia crítica da capacidade térmica a volume constante, que é de difícil determinação experimental e teórico-computacional. Resultados semelhantes não foram encontrados em trabalhos anteriores da literatura. Uma conclusão importante dessa tese é que, para as propriedades termodinâmicas, a determinação precisa das constantes críticas de cada campo de força pode ser mais fundamental para a precisão dos resultados do que o aumento de sua complexidade. Por essa razão, os resultados obtidos com o campo de força de um centro foram mais precisos do que os obtidos com a abordagem de dois centros. Resultados inéditos representativos também foram obtidos para as propriedades de transporte. Em especial, a viscosidade bulk, grandeza relevante em problemas de escoamentos compressíveis, foi calculada na vizinhança do ponto crítico. Esses resultados permitem superar, não apenas as limitações da hipótese de Stokes, mas também estabelecer correlações entre os valores dessa propriedade e os da sua associada, a viscosidade de cisalhamento.

FLUIDOS SUPERCRÍTICOS;DINÂMICA MOLECULAR;PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS;PROPRIEDADES DE TRANSPORTE;ANOMALIA CRÍTICA
The research performed in this thesis aims to compute thermodynamic and transport properties of near critical molecular systems from computer simulations. This basic research study was motivated by dual use applications – civilian and military –; being one of them the propagation effects caused by thermobaric ammunition. Molecular nitrogen and oxygen were chosen to be studied. The computational technique Molecular Dynamics was employed in the simulations. The properties studied were the isothermal compressibility, the thermal expansion coefficient, the heat at constant pressure, the heat capacity at constant volume, the shear viscosity, the bulk viscosity and the thermal conductivity. The obtained results were compared to the open-access data of the National Institute of Standards and Technology (NIST), which excludes the bulk viscosity. Different force fields were subject to preliminary tests. Two of them were used to describe the molecular interactions. The first simplifies the molecular structure to a single interaction point. The other simplifies to a system with two interaction sites separated by a constant length. The critical enhancements of the thermodynamic properties were described with high accuracy in the neighborhood of the critical point using both force fields. To reach this precision, the Multistate Bennett Acceptance Ratio estimator (MBAR) was used as a post-processing technique. One must highlight the description of the critical anomaly for the heat capacity at constant volume, which is difficult to obtain experimentally or by theory. Similar results were not found in previous works in the literature. An important conclusion of this thesis, related to the thermodynamic properties, is that the determination of accurate critical constants for each force field can be more fundamental to obtain more precise results than increasing its complexity. Concerning to this, the results obtained with the single site force field were more accurate than those obtained with the two sites approach. Representative results were also obtained for the transport properties. Especially the bulk viscosity, which is a relevant quantity to compressible flow problems, was computed in the neighborhood of the critical point. These results allow not only overcoming the limitations of the Stokes’ hypothesis, but also to establish correlations between the values of that property and the values of the shear viscosity.
SUPERCRITICAL FLUIDS;MOLECULAR DYNAMICS;THERMODYNAMIC PROPERTIES;TRANSPORT PROPERTIES;CRITICAL ANOMALY
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PORTUGUES
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

ENGENHARIA DE DEFESA
MODELAGEM E SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DEFESA
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Banca Examinadora

ITAMAR BORGES JUNIOR
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
FERNANDO DANTAS NOBRE Participante Externo
CHARLLES RUBBER DE ALMEIDA ABREU Participante Externo
LUIZ EDUARDO PIZARRO BORGES Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
MINISTERIO DA DEFESA - Fomento a Projetos de Interesse da Defesa 36

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Sim