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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Estudo numérico do escoamento sobre um degrau com a presença de um obstáculo de seção retangular
Title Alternative: Numerical study on the influence of a rectangular cross-sectional obstacle in a backward-facing step flow
Author: Medeiros Filho, Décio Luis, 1991-
Advisor: Santos, Rogério Gonçalves dos, 1978-
Abstract: Resumo: Separação é um fenômeno físico característico de escoamentos viscosos internos ou externos, onde a presença de um gradiente adverso de pressão, muitas vezes devido a variações bruscas na geometria, resulta no desprendimento da camada limite do fluido. No caso do escoamento degrau uma ou mais zonas de recirculação são formadas como consequência. Já no escoamento externo ao redor de um obstáculo retangular, a separação localizada nos vértices da geometria, pode resultar na formação das esteiras de Von Karman em determinada faixa de Reynolds. Este trabalho tem como um dos objetivos estudar os resultados provenientes da inserção de um obstáculo retangular como redirecionador de fluxo em um escoamento sobre degrau. Alterações nas zonas de recirculação podem influenciar aplicações industriais que envolvam mecanismos de transferência de massa ou calor. Considerando como exemplo trocadores de calor, o obstáculo poderia ter função semelhante a uma aleta. Também são consideradas possíveis alterações na esteira do obstáculo, como a frequência de formação dos vórtices, a qual pode ser interessante em um estudo de vibrações. Como outro objetivo do trabalho, foi desenvolvido um código de CFD (Computational Fluid Dynamics) bidimensional em volumes finitos, de característica transiente, laminar e incom- pressível. Onde os casos de simulação envolvendo as geometrias do degrau e do obstáculo foram conduzidos para uma faixa de Reynolds entre 100 e 600. Este código tem como característica prin- cipal a utilização do método UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponential-type Scheme) na discretização dos termos de convectivo e difusivo das equações de Navier-Stokes. Duas configurações numéricas foram utilizadas nas simulações. A primeira (NUM1) apre- sentando malha semi-deslocada, discretização espacial e temporal pelos métodos UNIFAES e eu- ler explícito, com obtenção de uma equação de poisson para a pressão. A segunda (NUM2) uti- lizando malha deslocada (staggered), discretização espacial e temporal pelos métodos upwind e euler implícito, com utilização do algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations). Em ambos os casos um solver iterativo SOR (Successive Over-Relaxation) resolve iterativamente o sistema algébrico de equações quando necessário. Primeiramente é validado o caso do escoamento sobre degrau para a faixa de Reynolds definida, obtendo resultados sobre a quantidade e comprimentos das bolhas de recirculação. A configuração NUM1 foi definida como padrão para os próximos casos após a comparação dos resultados das configurações com a literatura. Em seguida, resultados relacionados a presença e frequência da formação de vórtices são obtidos na simulação do escoamento ao redor do obstáculo confinado em canal. Por fim, são simulados casos de escoamento degrau com a presença do ob- stáculo de seção retangular em dois posicionamentos diferentes. Como conclusão é notado que a presença do obstáculo controla o comprimento e quantidade de zonas de recirculação no escoamento degrau. Sendo os efeitos maiores quanto maior o número de Reynolds e a proximidade entre obstáculo e degrau. É também observado que existe influência da presença do degrau no valor do Reynolds crítico de formação da esteira de Von Karman do obstáculo de seção retangular

Abstract: Flow separation is a physical phenomenon characteristic of internal and external viscous flows, in which the presence of a negative pressure gradient, commonly originated from abrupt changes in geometry, can generate boundary layer detachment. As a result, one or more recircu- lation zones can be formed in a backward-step flow. Regarding the flow around an obstacle with a rectangular cross-section, the separation taking place at the geometry vertex can originate a von Karman vortex street. One of this work goals is to study the results related to the presence of a rectangular cross- sectional obstacle, acting as a flow redirector in a backward-step flow. Changes in the recirculation zones behavior can impact industrial applications that relies on heat and mass transfer mechanisms. Taking a heat exchanger as example, the obstacle could behave similarly to a fin. Moreover, changes in the obstacle wake behavior like vortex frequency can be interesting for vibration studies. Another goal of this work, was the development of a 2D, finite volume, transient, laminar and incompressible Fortran CFD (Computational Fluid Dynamics) code. In which, simulation cases involving a backward-step and a rectangular obstacle where conduced in a 100 to 600 Reynolds number range. This computational code has as main characteristic the use of the UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponential-type Scheme) discretization method for the Navier-Stokes equations convective and diffusive flux terms. The numerical simulations adopted two different settings. The first one (NUM1) presents a semi-staggered grid, the UNIFAES and explicit Euler as spatial and temporal discretization schemes, solving a pressure Poisson equation. The second one (NUM2) consists of a staggered grid, the upwind and implicit Euler schemes for the spatial and temporal discretization, using the SIMPLE algorithm (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) for pressure coupling. In both cases, the SOR (Successive Over-Relaxation) method is used as the algebraic equation system iterative solver. Initially, the backward-step flow is validated for the defined Reynolds number range, obtain- ing results about length and number of recirculation bubbles. For the next simulations, the (NUM1) was chosen as main setting, after comparing the results from both numerical settings with the val- ues found in the literature. Additionally, results regarding the vortex street presence and frequency were obtained for the simulation around a confined rectangular cross-sectional obstacle. Finally, simulations cases for the backward-step flow with the presence, in two different positions, of an obstacle with rectangular cross-section were conduced. As conclusion, it is observed that the obstacle presence can control the length and number of the backward-step flow recirculation zones. The effects are enhanced by the Reynolds number value and the distance between step and obstacle. Moreover, the step has influence in the obstacle von Karman street critical Reynolds number value
Subject: Mecânica de fluidos
Métodos numéricos
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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