Controle aperfeiçoado da esteira de corpos rombudos pela interferência de cilindros de controle.

• Autor(a) principal: Carvalho, Icaro Amorim de
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-29082023-110310/
• topic: Computational fluid dynamics; Controle de esteira; Dinâmica dos fluidos computacional; Drag reduction; Suppressors; Supressão do desprendimento de vórtices; Supressores; Vibrações; Vortex-shedding suppression; Wake control

Estruturas rombudas são afetadas por vórtices alternantes conforme o escoamento as contorna. Este fenômeno impacta diversas aplicações, desde a vibração de chaminés, torres de refrigeração, turbinas eólicas flutuantes offshore até enormes plataformas de petróleo; e podem causar danos significativos quando vibrações induzidas por vórtices ocorrem. Para controlar a esteira de vórtices, diversas técnicas foram desenvolvidas; a maior parte das quais é suscetíveis à direcionalidade ou dispêndio de potência excessivo. Neste trabalho, buscamos entender a física subjacente por trás do mecanismo de controle da esteira que consiste em um grande corpo cercado por oito cilindros finos de menor diâmetro, distantes do anterior por um espaçamento. A relevância destes elementos no controle do escoamento com malha aberta é examinada passiva e ativamente, rotacionando-os em torno de seu próprio eixo para se injetar quantidade de movimento no escoamento próximo ao sistema. Simulações de volumes finitos em regimes laminar e turbulento foram empregadas em números de Reynolds 100 e 1000, respectivamente; para as suposições de corpos infinitamente longos e finitos. Na primeira suposição, efeitos de ponta foram ignorados. Esta simplificação é razoável quando a razão entre o comprimento do corpo e seu diâmetro é suficientemente alta. Para corpos finitos, efeitos de ponta e de superfície livre foram considerados. No último caso, efeitos de onda foram ignorados, pois o sistema foi avaliado em baixos números de Froude. Inspiradas pelo estado ótimo do escoamento potencial, que configura uma condição de supressão do escoamento com arrasto médio nulo, as velocidades angulares foram comparadas, no caso viscoso, em dois arranjos: um com velocidades inspiradas pelo escoamento potencial, e outro, com cilindros rotacionando com a mesma taxa de rotação. Forças hidrodinâmicas, dinâmica de vórtices e dispêndio de potência são principalmente abordados aqui. Nossos resultados mostram que inserir estes pequenos elementos ao corpo maior principal aperfeiçoou o controle da esteira; principalmente quando efeitos de ponta foram ignorados. Em tais configurações, os cilindros rotativos progressivamente enfraqueceram a esteira de vórtices em magnitude de vorticidade, e promoveram o aumento da correlação das estruturas da esteira na direção paralela à envergadura dos cilindros. Cada cilindro foi individualmente avaliado sobre sua importância relative ao sistema como um todo. Para velocidades angulares suficientemente altas, os cilindros eliminaram a esteira de vórtices completamente e conduziram o escoamento a adentrar uma condição de regime permanente. Estes efeitos foram acompanhados pela mitigação das forças hidrodinâmicas, em particular, arrasto médio e raiz quadrada média da sustentação. Os mesmos efeitos foram observados para cilindros finitos sob o efeito de uma superfície livre (em regimes subcríticos de números de Reynolds e de Froude). Sob estas condições, o mecanismo ativo eliminou a maior parte da esteira de vórtices que segue o mecanismo de formação de Gerrard (1966), entretanto, não eliminou a parte associada com vórtices de ponta. Forças laterais foram reduzidas, e mostramos que isto está relacionado a vórtices em formato de anel, que atraíam outras pequenas estruturas da esteira de Bénard-von Kármán, que eventualmente foi suprimida. Em geral, o mecanismo ativo de velocidades angulares inspiradas pelo escoamento potencial provou ser mais viável, com base na formulação de perda de potência introduzida por Shukla e Arakeri (2013); e efetivo na reduçao de forças, relativo ao caso de velocidades uniformes. Ademais, estudos de direcionalidade do sistema mostraram, no caso inspirado pelo escoamento potencial, um comportamento omnidirecional, distinto daquele do sistema de velocidades angulares uniformes de trabalhos anteriores, que é suscetível à direção do escoamento.