Simulação numérica do escoamento turbulento sobre um degrau descendente

Abstract

O escoamento sobre um canal com a presença de um degrau descendente trata-se de um caso onde há a separação do escoamento provocada por um gradiente adverso de pressão originado pela súbita mudança na geometria. Há diversos problemas presentes na natureza e na engenharia de escoamentos turbulentos com o fenômeno de separação que podem ser estudados e aprofundados através de simulações computacionais. O presente trabalho abrange a simulação computacional e análise do escoamento turbulento sobre um canal com degrau descendente bidimensional e em regime permanente, por meio da construção de uma geometria relativamente simples com a grande vantagem de apresentar características importantes para o âmbito do estudo dos fenômenos de separação, recirculação e recolamento de escoamentos turbulentos. A simulação computacional realizada nesse estudo é baseada nas equações médias de Reynolds, através da utilização de uma técnica denominada Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). A escolha dessa técnica neste trabalho deve-se ao fato de que a mesma não exige um esforço computacional elevado e gera resultados de alta qualidade. Além da compreensão dos fenômenos presentes no caso analisado nesse estudo, um dos principais objetivos do trabalho é a comparação do desempenho dos diferentes modelos de turbulência utilizados em casos com gradiente de pressão adverso, separação, recirculação e recolamento do escoamento. Os modelos de turbulência RANS utilizados são os modelos de duas equações diferenciais parciais k-ω, k-ε, Shear Stress Transport k-ω (SST k-ω) e o modelo de fechamento de segunda ordem Reynolds Stress Model (RSM). Os resultados foram comparados com os dados da literatura por meio da Simulação Numérica Direta (DNS). Todas as simulações foram realizadas com um número de Reynolds igual a 9000, baseado na altura do degrau h e na velocidade de entrada Ub. A malha utilizada em todos os casos tem 155000 elementos e apresenta um maior refinamento na região próxima ao degrau. Os principais resultados analisados são o comprimento de recolamento, coeficiente de atrito, os perfis e contornos de velocidade média, os perfis e contornos relacionados à distribuição de pressão, as intensidades de turbulência e componentes do tensor de Reynolds. O modelo SST k-ω apresentou os melhores resultados de comprimento de recolamento, perfil e contorno de velocidade média, quando comparado aos resultados obtidos pela literatura. O modelo k-ε obteve fracos resultados em grande parte das grandezas analisadas nesse estudo. O modelo RSM encontrou os melhores resultados relacionados às grandes de segunda ordem ao analisar os perfis e contornos das mesmas.