Os escoamentos multifásicos, onde diferentes fluidos imiscíveis escoam em conjunto, estão presentes em diversas situações na engenharia ou na natureza. A simulação computacional desses problemas apresenta diversos desafios, sendo o principal deles, a mudança topológica que pode ocorrer nos domínios dos fluidos envolvidos. O desafio torna-se ainda maior quando envolve interação com estruturas flexíveis. Nesse caso há que se considerar o problema de contato e interação entre os diferentes fluidos; bem como entre os fluidos e os sólidos. Nesse sentido, este trabalho trata do desenvolvimento de uma metodologia para a análise de escoamentos multifásicos incompressíveis interagindo com sólidos elásticos. Para a simulação do escoamento multifásico adota-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos e Partículas (PFEM) baseada nas posições das partículas, enquanto para os sólidos elásticos, adota-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos em descrição lagrangiana total, baseada em posições, para análises dinâmicas de sólidos com grandes deslocamentos. Assim, tanto o fluido quanto o sólido possuem as posições como variáveis nodais, consequentemente o acoplamento monolítico entre os dois torna-se direto. O PFEM é escolhido por ser reconhecidamente eficiente em tratar problemas com mudanças topológicas. Nesse contexto, desenvolve-se uma metodologia para a simulação de escoamentos multifásicos no PFEM, que envolve identificar, na etapa de préprocessamento as partículas que definem o domínio de cada fluido, e ao longo do processo de solução, durante as etapas constantes de reconstrução da malha, as partículas são realocadas por meio de uma abordagem multidomínio, preservando a consistência material do escoamento multifásico. Para tornar a ferramenta desenvolvida mais geral, desenvolvem-se técnicas para a consideração de condições de contorno de domínios abertos, como contornos de entrada, de saída e de deslizamento espacialmente fixos. A metodologia proposta é testada por meio de exemplos numéricos, mostrando-se precisa e versátil com potencial para aplicações em casos onde há interação líquido-ar-estrutura, como sloshing em reservatórios, simulação de ruptura de barragens em estruturas flexíveis e captura de fenômenos complexos multiacoplados como a formação de bolsão de ar na análise de Interação Fluido-Estrutura (IFE) multifásica.

Multiphase flows, where different immiscible fluids flow together, are present in various engineering and natural situations. The computational simulation of these problems presents several challenges, the main one being the topological changes that may occur in the domains of the involved fluids. The challenge becomes even greater when it involves interaction with flexible structures. In this case, the contact and interaction problem between the different fluids, as well as between the fluids and the solids, must be considered. In this sense, this work deals with the development of a methodology for the analysis of incompressible multiphase flows interacting with elastic solids. For the simulation of multiphase flow, a Particle Finite Element Method (PFEM) formulation based on particle positions is adopted, while for elastic solids, a Total Lagrangian Finite Element Method formulation, also position-based, is used for dynamic analyses of solids with large displacements. Thus, both the fluid and the solid have positions as nodal variables, making monolithic coupling between the two straightforward. The PFEM is chosen because it is widely recognized as efficient in handling problems with topological changes. In this context, a methodology is developed for simulating multiphase flows in the PFEM, which involves identifying, in the pre-processing stage, the particles that define the domain of each fluid. Throughout the solution process, during the constant mesh reconstruction steps, the particles are relocated using a multi-domain approach, preserving the material consistency of the multiphase flow. To make the developed tool more general, techniques are developed to account for open-domain boundary conditions, such as spatially fixed inlet, outlet, and slip boundaries. The proposed methodology is tested through numerical examples, proving to be accurate and versatile, with potential applications in cases where there is liquid-air-structure interaction, such as sloshing in tanks, dam-break simulations in flexible structures, and the capture of complex multi-coupled phenomena like air pocket formation in multiphase Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis.