Simulação numérica das características do escoamento turbulento sobre cilindros dispostos lado a lado

Abstract

As pesquisas acerca do escoamento sobre cilindros são amplamente estudadas tanto de forma experimental como através de simulações numéricas. A configuração lado a lado de cilindros circulares, sob escoamentos turbulentos, são geometrias importantes encontradas em muitas aplicações da engenharia. O escoamento turbulento sobre cilindros de configuração lado a lado produz importantes efeitos de interferência entre as esteiras viscosas. São influenciados, primeiramente, pelo espaçamento longitudinal e transversal entre os cilindros, bem como pelo número de Reynolds. Estes parâmetros geométricos influenciam na magnitude das forças aerodinâmicas, na mecânica de desprendimento de vórtices e nas características das flutuações de velocidade a jusante dos cilindros. Utilizando técnicas numéricas, foram simuladas as características médias e dinâmicas do escoamento turbulento em torno de dois cilindros dispostos lado-a-lado. Para tanto serão utilizados os modelos de turbulência k-ω SST e SAS-SST em regime transiente. O número Reynolds foi baseado na velocidade característica do escoamento, U∞, o diâmetro do tubo, ‘d’, e a viscosidade cinemática, . As simulações foram executadas para um número de Reynolds 20700. Neste trabalho o principal parâmetro geométrico é a relação adimensional p/d. O passo entre os tubos, p, indica a distância entre os centros dos tubos e d, o diâmetro dos mesmos. Os espaçamento avaliados neste trabalho foram p/d=1,26, p/d=1,60 e p/d=2,00. υO enfoque dos resultados no presente trabalho foi o comportamento dos campos médios de pressão, das flutuantes de pressão, os coeficientes de arrasto, os coeficientes sustentação, as flutuações de velocidade e os auto espectros de velocidade. As análises espectrais foram adimensionalizadas em forma de número de Strouhal. Os modelos k-ω SST e SAS-SST foram utilizados somente para o espaçamento p/d=1,60 para verificar que modelo comportou-se melhor. Para os espaçamentos p/d=1,26 e 2,00 foi utilizado apenas o modelo SAS-SST. Os resultados dos coeficientes de pressão calculados numericamente apresentaram resultados similares aos experimentais para ambos os modelos. Sendo o modelo SAS-SST mais próximo do resultado experimental. As flutuações de velocidade apresentaram-se coerentes com as esperadas. Verificou-se também que os resultados das características do escoamento sobre cilindros lado a lado se dá de forma diferente do observado em um cilindro isolado. As simulações feitas conseguiram mostrar o fenômeno da biestabilidade com exceção do espaçamento p/d=2,00. Os resultados dos auto espectros confirmaram os dois picos de frequência que indicam o bom comportamento das simulações feitas. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Researches regarding the flow over cylinders are extensively studied experimentally and numerically. The configuration of cylinders mounted side by side under turbulent flows are important geometries found in many engineering application. The turbulent flow over cylinders on side by side configurations produces significant interference effects between the viscous Wakes. These effects are primarily determined by longitudinal and transversal spacing between the cylinders as by the Reynolds number. These geometrical parameters affect the magnitude of the aerodynamic forces, mechanical vortex shedding and characteristics of velocity fluctuations downstream of the cylinders.The mean and dynamic characteristics of turbulent flow around two cylinders placed side-by-side were simulated using numerical techniques. The turbulence models k-SST and SAS-SST will be used in transient regime. The Reynolds number was based on the free stream velocity, U∞, the tube diameter, d, and kinematics viscosity, υ . The simulations were performed for Reynolds number 20700. In this work the main geometric parameter is the dimensionless relation p/d. The pitch between the tubes, p indicates the distance d between the centers of the cylinders and d the diameter. The pitch used in this work is p/d=1,26, p/d=1,60 and p/d=2,00.The approach of the results in this work was the behavior of the mean pressure fields, the fluctuating pressure, the drag coefficients, the lift coefficients, the velocities fluctuations and velocity auto spectrum. The spectral analysis were dimensionless in the form of Strouhal number. The k-ω SST and SAS-SST models were only used for gap p/d = 1,60 to verify that the model behaved better. For p/d = 1,26 and 2,00 gaps was used only the SAS-SST model.The results of the pressure coefficients calculated numerically were similar to the experimental results, for both models. The SAS-SST model shown better results compared to the k-ω SST model. Velocity fluctuations were consistent with the expectations. It was also found that the results of the flow characteristics of side-by-side cylinders occurs differently from that seen in the isolated cylinder. The simulations were able to show the phenomenon of bistability except for the gap p/d = 2,00. The results of the auto spectral confirmed the two frequency peaks, which indicate good behavior of simulations.