Uma abordagem Euleriana-Lagrangeana para simulação de escoamentos turbulentos com fronteiras móveis

Abstract

O presente trabalho irá apresentar resultados da simulação de escoamentos turbulentos com geometria móvel. Sua motivação decorre do fato de que este tipo de escoamento ainda representa um desafio em termos de engenharia e de pesquisa. A ocorrência de problemas práticos de escoamentos turbulentos que possuem geometrias móveis é percebida em várias áreas de conhecimento. Para efetuar as simulações, foi empregado o código CORDEL, desenvolvido em linguagem MATLAB pelo laboratório de energia e ambiente da UnB. Para efetuar a simulação da fronteira móvel, metodologias de movimentação de malha foram implementadas no código. Para a simulação do escoamento, empregou-se a modelagem clássica da turbulência com o método dos elementos finitos e a formulação Euleriana-Lagrangeana Arbitrária. Inicialmente, foram implementadas cinco metodologias de movimentação de malha. Quatro baseadas em uma abordagem pseudo-estrutural e uma abordagem pseudo-escoamento. A abordagem pseudo-escoamento, baseada no escoamento de Stokes, foi ineditamente discretizada em um contexto de métodos de projeção em elementos finitos. Os resultados obtidos para a movimentação da malha mostraram que a maioria das metodologias movimentaram a malha de forma adequada, sem apresentar problemas de integridade de malha. A metodologia do pseudo-escoamento mostrou bons resultados mas exigiu um passo de tempo mais baixo. Posteriormente foram simulados dois casos com domínios fixos. Os resultados obtidos se mostram em consonância com a literatura pesquisada. Em uma das simulações com modelagem da turbulência híbrida foi feita uma alteração no valor de uma de suas constantes. Esta alteração objetiva obter resultados mais realistas do arrasto. Os resultados obtidos com o novo valor da constante mostraram um valor de arrasto em maior proximidade com dados numéricos obtidos pela literatura. Finalmente foram efetuadas simulações do escoamento em fronteiras móveis. Os resultados obtidos mostram em consonância com a literatura, mas o caso do cilindro necessita de dados experimentais que o validem. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The present work presents results of numerical simulations of turbulent flows with moving boundaries. Its motivation is given by the fact that this kind of flow still represents a challenge in terms of engineering and research. The occurrence of practical problems of turbulent flows that has moving boundaries is known in several research areas. To perform the simulations, the Finite Element code CORDEL, developed in MATLAB language by the Laboratory of Energy and Environment of University of Brasilia was employed. It was used a classical turbulence modeling, discretized in a finite element projection method with the Arbitrary Lagrangean Eulerian approach for the moving boundary. Initially, five mesh motion methodologies were implemented: Four based on a pseudo-structural approach and one based on a pseudo-flow approach. The pseudo- flow approach was based on a Stokes flow problem and newly discretized into a finite element projection method. The results obtained for the mesh moving showed that the majority of the methodologies moved the mesh adequately, without presenting integrity problems. The pseudo-flow methodology showed good results, but demanded a lower timestep. Finally, flows with fixed and moving boundaries were simulated. The obtained results showed resemblance with the literature. It was made in one of the hybrid simulations an alteration of the value of one of its constants. This alteration has the objective of obtain more realistic results for drag coefficient. The results with the new value showed an average drag that is closer to tridimensional results at the literature. The results with moving boundaries are similar with the literature, but one of the simulated cases need experimental validation.