Validação de simulações Large-Eddy de correntes de densidade sobre um cilindro

• Autor(a) principal: Curado, Rafael Tomás Moura
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10362/152576
• topic: LES; Correntes de densidade; Cilindro; Ensaios experimentais; Escoamento; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica

Nas zonas de transição de lagos pouco profundos para zonas húmidas registam-se frequentemente variações significativas de temperatura. Estas variações de temperatura induzem diferenças de densidade da água que originam correntes de densidade. Estas correntes podem ter um papel chave no transporte de nutrientes e poluentes, afetando o estado ecológico das massas de água. Portanto, a capacidade de transporte destas correntes é de grande importância na gestão de qualidade de água e segurança industrial. Neste sentido torna-se essencial caracterizar a dinâmica das correntes de densidade, nomeadamente quais as condicionantes que sustentam a estrutura do escoamento. Independentemente da causa das diferenças de densidade, as correntes de densidade apresentam uma estrutura definida por uma frente, um corpo, e uma cauda. No entanto, esta estrutura e as propriedades físicas que caracterizam a corrente podem alterar-se caso existam condicionantes externos como é o caso da vegetação. Assim, o objetivo principal desta dissertação é validar as simulações Large-Eddy de correntes de densidade sobre um cilindro. Os objetivos específicos são: (1) definir as principais fases características do desenvolvimento das correntes de densidade; (2) estudar a evolução da velocidade da frente da corrente, quando está envolvida a ação do cilindro; (3) caracterizar o campo de velocidades à escala do cilindro no plano horizontal e (4) analisar o entrainment provocado pelo cilindro. Nesta dissertação o modelo numérico será tratado por LES por comodidade de escrita. Na primeira parte deste estudo, apresenta-se o modelo numérico utilizado (LES). De seguida descrevem-se os ensaios experimentais, através da descrição da instalação, das condições dos ensaios laboratoriais e do processamento de dados, e realiza-se uma breve análise da sensibilidade da malha utilizada na simulação numérica. Relativamente aos ensaios experimentais, efetuaram-se para dois layouts diferentes. Estes realizaram-se também para dois valores de gravidade reduzida diferentes (ɡ0 ́ = 0.06 e 0.24) e foram gravados com uma câmara de alta velocidade para posterior análise. Após esta descrição dos ensaios experimentais, define-se os parâmetros a analisar para a caracterização do comportamento da corrente e para a determinação da influência dos fatores em estudo. Estes parâmetros são a evolução do campo de concentrações, a evolução da altura da corrente, a evolução da posição da frente da corrente, a evolução da velocidade da frente da corrente, os perfis de concentração, o campo e perfis de velocidade, e o entrainment do cilindro. Na parte final, analisou-se e avaliou-se o comportamento da corrente quando exposta a um obstáculo, representada na simulação 3D por um único cilindro centrado com o canal. Esta análise realizou-se através da comparação entre o modelo LES e os ensaios experimentais relativamente a todos os parâmetros definidos acima. Na análise dos dados utilizou-se o programa Matlab para identificar os vários parâmetros e caracterizar o escoamento através da análise do campo de concentrações, cinemática da frente da corrente e diluição da corrente. Conclui-se que uma forte componente de velocidade vertical é observada quando a frente da corrente atinge o cilindro, causada pelo efeito de bloqueio do cilindro. Conclui-se também, que o efeito do cilindro não é suficiente para provocar alterações significativas quer na forma macroscópica da estrutura da corrente, quer na evolução da posição e da velocidade da frente da corrente. Todos os casos investigados nesta dissertação demonstraram que o LES pode ser usado para descrever a interação do escoamento de correntes de densidade e estruturas cilíndricas.