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Título: Caracterização numérica/experimental do escoamento turbulento em um canal contendo um duto circular
Autor(es): Severino, Herbert Antônio Moreira
Orientador(es): Goulart, Jhon Nero Vaz
Assunto: Escoamento - mecânica dos fluidos
Tubos
Tubulações
Data de publicação: 23-Out-2018
Referência: SEVERINO, Herbert Antônio Moreira. Caracterização numérica/experimental do escoamento turbulento em um canal contendo um duto circular. 2018. 102 f., il. Dissertação (Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018.
Resumo: O escoamento interno turbulento em tubulações com canais compostos, pode transportar estruturas de grande escala quase-periódicas. Essas pulsações são o movimento responsável pelo transporte de massa energia e quantidade de movimento entre sub canais adjacentes. Elas estão presentes principalmente em reatores nucleares e trocadores de calor. A correta avaliação desse fenômeno, presente também em escoamentos laminares, é importante para predição da troca de calor convectivo, troca de massa e na avaliação da vibração gerada pelo escoamento. Portanto o estudo da dinâmica do escoamento é um fator de projeto que engloba eficiência e segurança de tais equipamentos. O presente trabalho tem como objetivo caracterizar de maneira experimental e numérica o escoamento turbulento em um canal com seção retangular, contendo um duto circular em seu interior com uma fenda estreita entre a parede superior do canal. Avaliar a distribuição das médias e RMS da flutuação de velocidade axial em função da largura da fenda. Também pretende-se compreender a influência da variação do número de Reynolds, largura de fenda e diâmetro do tubo na dinâmica do escoamento. Com esse fim o trabalho é dividido em três etapas: Visualização do escoamento, Simulação numérica do escoamento e Caracterização das flutuações de velocidade utilizando anemometria de fio-quente. Com a técnica de visualização analisou-se duas relações W/D de 1,10 e 1,20, onde W é o diâmetro do tubo mais a largura da fenda e D o diâmetro. O fluído de trabalho foi a água em temperatura ambiente,  25 °C. O número de Reynolds baseado no diâmetro do tubo, velocidade média e viscosidade cinemática, sendo equivalente à 4.400. Em seguida desenvolveu-se o trabalho numérico baseado no trabalho de visualização, mas somente uma relação (W/D 1,10) foi simulada. Na simulação foi utilizado o software comercial ANSYS® CFX, aplicou-se o modelo de turbulência URANS/ SST, e para redução do domínio computacional recorreu-se a técnica de periodicidade translacional no domínio. Os experimentos com a anemometria de fio-quente o fluído de trabalho foi o ar a temperatura ambiente. Foi realizado experimentos com tubos de diâmetros D = 60mm e 101,6 mm de diâmetro. Analisou-se três números de Reynolds, ReD 14.500, 28.600 e 44.100, para o tubo de 60 mm e dois ReD 28.600 e 44.100 para o de 101,6 mm baseado nas mesmas escalas que os trabalhos anteriores. Além da influência do número de Reynolds, estudou-se três relações W/D 1,05, 1,10, 1,17 e quatro comprimentos de seção Lsc/D, 8,33, 16,67, 25,00 e 33,33, onde Lsc é o comprimento da seção de testes. No primeiro experimento, que consistia na visualização foi possível ver claramente a presença de estruturas de larga escala na região da fenda. Para a relação W/D = 1,10 a formação das estruturas iniciou-se a aproximadamente 6D a jusante do início da seção de testes. Não foi possível observar nenhuma estrutura ao aumentar a largura da fenda para W/D = 1,20, com um tubo de 33,33D. Com a simulação numérica obteve-se os campos médios de velocidade axial e energia cinética turbulenta adimensionalizados que mostram os menores valores na região da fenda. Na caracterização dinâmica, determinou-se o número de Strouhal equivalente a 0,15, velocidade convectiva normalizada com a velocidade média 0,54 e comprimento de onda equivalente a 3,6D, com uma diferença de 13%, 31% e 14%, respectivamente, em relação aos dados experimentais disponibilizados na literatura. Com a anemometria de fio-quente foi possível observar que para os menores números de Reynolds, foi possível detectar estruturas coerentes com comprimentos de tubos menores. Isso é visível principalmente para o tubo de menor diâmetro. O diâmetro do tubo, parece ter o mesmo efeito do número de Reynolds: necessita de menor comprimento de tubo para a formação de instabilidades a medida que o diâmetro aumenta. A largura de fenda proporciona um aumento das flutuações de velocidade na região próximo a fenda e é o principal fator para que ocorra ou não as instabilidades, conforme previsto na literatura.
Abstract: Turbulent internal flow in ducts with composite channels can carry quasi-periodic large-scale structures. These pulsations are the movement responsible for mass transport energy and momentum between adjacent sub-channels. They are mainly present in nuclear reactors and heat exchangers. The correct evaluation of this phenomenon, also present in laminar flows, is important for the prediction of the convective heat exchange, mass exchange and the evaluation of the vibration generated by the flow. Therefore, the study of flow dynamics is a design factor that encompasses the efficiency and safety of such equipment. The present work aims to characterize in an experimental and numerical way the turbulent flow in a channel with rectangular section, containing a circular duct in its interior with a narrow gap between the upper wall of the channel. Evaluate the distribution of the means and RMS of the axial velocity fluctuation as a function of the gap width. It is also intended to understand the influence of Reynolds number variation, gap width and tube diameter on the flow dynamics. With this purpose the work is divided into three stages: Flow visualization; Numerical flow simulation; and Characterization of velocity fluctuations using hot wire anemometry. With the visualization technique two W/D ratios of 1.10 and 1.20 were analyzed, where W is the pipe diameter plus the slot width and D the diameter. The working fluid was water at room temperature, ≈ 25° C. The Reynolds number based on tube diameter, mean velocity and kinematic viscosity, being equivalent to 4,400. Then the numerical work was developed based on the visualization work, but only one relation (W/D = 1,10) was simulated. In the simulation, the commercial software ANSYS® CFX was used, the URANS/SST turbulence model was applied, and for the reduction of the computational domain the technique of translational periodicity in the domain was used. In the experiment with hot wire anemometry the working fluid was air at room temperature. Experiments were performed with tubes with diameters D = 60 mm and 101.6 mm in diameter. Three Reynolds numbers, ReD 14,500, 28,600 and 44,100, were analyzed for the 60 mm tube and two ReD 28,600 and 44,100 for the 101.6 mm tube based on the same scales as the previous experiments. In addition to the influence of the Reynolds number, we studied three W/D ratios of 1.05, 1.10, 1.17 and four lengths Lsc/D section, 8.33, 16.67, 25.00 and 33.33, where Lsc is the length of the test section. In the first experiment, which consisted of visualization, it was possible to clearly see the presence of large scale structures in the region of the slit. For the W/D ratio = 1.10 the formation of the structures started at approximately 6D downstream of the beginning of the test section. No structure could be observed by increasing the width of the slit to W/D = 1.20, with a 33.33D tube. With the numerical simulation, the axial velocity and kinetic dimensionless fields were obtained, showing the smallest values in the gap region. In the dynamic characterization, the Strouhal number equivalent to 0.15, normalized convective velocity with a mean velocity of 0.54 and a wavelength equivalent to 3.6 D, with a difference of 13%, 31% and 14%, was determined. respectively, in relation to the experimental data available in the literature. It was observed with the anemometry of hot wire that, for the smaller numbers of Reynolds, it was possible detect coherent structures with lengths of smaller tubes. This is mainly visible to the smaller diameter tube. The diameter of the tube seems to have the same effect as the Reynolds number: it requires a smaller tube length for the formation of instabilities than the mean that the diameter increases. The gap width provides an increase in velocity fluctuations in the region near the gap and is the main factor for instability occurrences, as predicted in the literature. formation of the structures started at approximately 6D downstream of the beginning of the test section. No structure could be observed by increasing the width of the slit to W/D = 1.20, with a 33.33D tube. With the numerical simulation, the axial velocity and kinetic dimensionless fields were obtained, showing the smallest values in the gap region. In the dynamic characterization, the Strouhal number equivalent to 0.15, normalized convective velocity with a mean velocity of 0.54 and a wavelength equivalent to 3.6 D, with a difference of 13%, 31% and 14%, was determined. respectively, in relation to the experimental data available in the literature. It was observed with the anemometry of hot wire that, for the smaller numbers of Reynolds, it was possible detect coherent structures with lengths of smaller tubes. This is mainly visible to the smaller diameter tube. The diameter of the tube seems to have the same effect as the Reynolds number: it requires a smaller tube length for the formation of instabilities than the mean that the diameter increases. The gap width provides an increase in velocity fluctuations in the region near the gap and is the main factor for instability occurrences, as predicted in the literature.
Informações adicionais: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2018.
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES); Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP-DF).
Aparece nas coleções:FGA - Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia

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