Estudo dos mecanismos de troca de calor e dos efeitos da resolução numérica em simulações de convecção turbulenta

• Autor(a) principal: Hugo Demattos Nogueira
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/34121
• topic: Convecção turbulenta; Estratificação de densidade; Aproximação anelástica; Troca de calor; Implicit large eddy simulation; Viscosidade efetiva; convecção; calor; viscosidade

Convecção é um mecanismo de transporte de energia presente em inúmeras situações na natureza, notoriamente na atmosfera terrestre e no terço exterior do raio solar, influenciando questões diversas como o clima e evolução estelar. Não existe uma teoria analítica dependente do tempo capaz de descrever completamente as propriedades da convecção, e experimentos de laboratório permitem estudar uma região limitada do espaço de parâmetros, portanto, torna-se necessário o estudo deste fenômeno a partir de simulações numéricas. Entretanto, ainda existem várias questões associadas à simulação de sistemas convectivos na presença de turbulência. Uma delas refere-se ao mecanismo de troca de calor. A maioria das simulações de convecção turbulenta usa um mecanismo de condução de calor. Contudo, o tempo de relaxação destas simulações é muito longo, levando vários autores a usarem um valor artificialmente alto do coeficiente de condução de calor. Uma maneira de contornar este problema é substituir a condução de calor por um mecanismo de forçamento e dissipação de energia. Outra questão refere-se à discretização numérica do domínio computacional e ao tempo de integração necessário para atingir o estado final do sistema. Caso a discretização seja muito fina, características do fluxo em escalas cada vez menores seriam resolvidas, mas o tempo de integração numérica das equações de Navier-Stokes seria muito longo, impossibilitando a obtenção de soluções numéricas em tempo hábil. Por outro lado, uma discretização muito grosseira perderia detalhes importantes do movimento do fluido e também não seria muito útil. Neste trabalho apresentamos simulações ILES (implicit large eddy simulation) bidimensio- nais de convecção estratificada usando várias resoluções e os dois mecanismos de troca de calor. Nossos objetivos são comparar estes dois métodos, assim como estudar a convergência das simulações para diferentes resoluções. O forçamento e dissipação acelera o tempo de relaxação, permitindo de forma eficiente o uso de resoluções mais altas que usando a condução de calor. Desta forma podemos estudar como as menores estruturas resolvidas por simulações de alta resolução contribuem para a solução geral. Descobrimos que, enquanto a viscosidade efetiva decresce com a resolução numérica, a partir de uma resolução de 512^2 pontos de grade, algumas grandezas físicas convergem para os mesmos valores e perfis verticais. Da mesma forma, a viscosidade turbulenta mostra uma convergência assintótica com o aumento do número de pontos de grade.