Simulação numérica direta de um escoamento turbulento em um canal com fundo ondulado

• Autor(a) principal: Buarque, Diogo Costa
• Data de Publicação: 2007
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/11339
• topic: Escoamento turbulento

Os escoamentos sobre superfícies onduladas são importantes para muitas aplicações de engenharia e problemas ambientais. Compreender seu comportamento é necessário para conhecer como a curvatura afeta a resistência ao escoamento, os mecanismos de movimento do leito de rios e do transporte de sedimentos e os movimentos atmosféricos de grandes escalas. Este trabalho teve como objetivo principal estudar a dinâmica do escoamento turbulento em um canal com fundo ondulado, utilizando a técnica de Simulação Numérica Direta (DNS). Foi adotado um número de Reynolds igual a 7000 e uma razão de aspecto de 0,053, buscando reproduzir o campo de escoamento e identificar suas características principais, obter as principais estatísticas da turbulência e representar algumas das estruturas próximas à parede. Um método de Runge-Kutta de terceira ordem com armazenamento reduzido, e um esquema de diferenças finitas compacto de sexta ordem, foram utilizados para a discretização temporal e espacial, respectivamente, das equações da continuidade e de Navier-Stokes. Foram adotadas condições de contorno periódicas nas direções longitudinal e transversal, condição de deslizamento livre na direção vertical e condição de não deslizamento sobre as superfícies, as quais foram representados por um Método de Fronteiras Virtuais (MFV). Inicialmente foram realizadas DNS de escoamentos bidimensionais sobre superfícies onduladas para determinar os parâmetros do MFV e a melhor forma de representar o obstáculo, avaliar a influência da resolução da malha e verificar os efeitos do confinamento. Também foi analisado um escoamento turbulento em um canal de placas planas, buscando validar a metodologia empregada e gerar um campo de velocidade para iniciar a simulação do canal de fundo ondulado. A simulação do canal plano apresentou uma assimetria no escoamento, com maior intensidade da turbulência e melhor convergência estatística na parede superior, onde os resultados estatísticos concordaram bem com os dados de referência. A dinâmica do escoamento turbulento no canal de fundo ondulado foi muito bem representada, verificando-se a formação de uma camada cisalhante livre sobre a crista e uma pequena região de recirculação próxima à parede, na região do vale. Os efeitos da ondulação da parede sobre o escoamento e as demais estatísticas concordaram bem com outros trabalhos de referência. O campo de velocidade média apresentou perfis verticais com uma distribuição logarítmica padrão dos escoamentos sobre superfícies onduladas. Foram identificadas estruturas coerentes do escoamento, tais como os vórtices longitudinais e faixas de fluido com alta e baixa velocidade (streaks).