Escoamento em torno de um prisma quadrado : um estudo numérico de modelos de turbulência

Abstract

O avanço do conhecimento técnico-científico na área de engenharia possibilita a concepção estruturas cada vez mais esbeltas e com menor peso específico. Estruturas metálicas com membranas tensionadas, por exemplo, além de apresentarem formas arrojadas não platônicas, possuem baixo peso próprio, portanto, são extremamente sensíveis a ação do vento. Estruturas esbeltas e com elevadas alturas estão sujeitas a altas cargas de vento que podem induzir estados limites não toleráveis e até mesmo ao colapso dessas estruturas. As ações provocadas pelo escoamento em uma estrutura dependem, dentre outros fatores, de sua forma. Considerando a relevância prática das estruturas com forma quadrada, este trabalho visa reduzir a lacuna de estudos para os prismas quadrados por meio da modelagem numérica bidimensional do escoamento externo turbulento através da dinâmica dos fluídos computacional (CFD) no software ANSYS Fluent®. Simulou-se o mesmo escoamento apresentado por Bosch e Rodi (1998), com 𝑅𝑒 = 22 × 103 . Os parâmetros relevantes para validação do modelo foram comparados aos dados apresentados por Lyn e Rodi (1994). Para esse escoamento, avaliou-se o desempenho dos modelos de turbulência 𝑅𝑆𝑀, 𝑆𝐴 𝑒 𝑆𝑆𝑇 𝑘 − 𝜔 que utilizam a abordagem RANS. O modelo 𝑆𝐴, com custo computacional inferior, apresentou o pior desempenho geral, superestimando as quantidades flutuantes analisadas. O modelo 𝑆𝑆𝑇 𝑘 − 𝜔 apresentou bom desempenho na região das paredes, onde são avaliadas as principais quantidades de interesse para a engenharia. Por sua vez, o modelo 𝑅𝑆𝑀, com custo computacional superior, teve desempenho geral muito próximo ao do modelo 𝑆𝑆𝑇 𝑘 − 𝜔 na região das paredes, porém com maior acurácia nas medidas realizadas no escoamento. Constatou-se uma importante lacuna a ser preenchida através do desenvolvimento de um modelo de turbulência que apresente adequado desempenho, tanto no escoamento quanto na região da parede, razoável custo computacional e que seja capaz de transpor as limitações dos modelos de viscosidade turbulenta existentes.