Simulação Numérica de uma bolha de separação em bordo arredondado utilizando equações médias de reynolds

Abstract

O objetivo deste trabalho é complementar os resultados existentes na literatura (em LES, DNS e PIV) sobre a formação de uma bolha de separação em escoamento em regime permanente sobre um corpo simétrico bidimensional através da simulação computacional baseada nas equações médias de Reynolds (Reynolds Average Navier-Stokes - RANS). Essa técnica de simulação numérica usa um esforço computacional reduzido e tem sido adotado na maioria dos problemas práticos de engenharia, uma vez que tais aplicações dependem exclusivamente do escoamento em regime permanente e do campo de velocidade média. O objetivo principal é analisar as características da bolha de separação (as linhas de corrente médias, os perfis de velocidade, o ângulo de separação da bolha, o comprimento de recolamento da bolha de separação, a altura da bolha de separação, o coeficiente de atrito superficial, a distribuição de pressão e a energia cinética turbulenta) para o parâmetro adimensional (razão entre o raio R do bordo de ataque arredondado e sua altura H). Quatro geometrias foram investigadas, correspondendo aos parâmetros de 0,125, 0,25, 0,50 e 1. O número de Reynolds, baseado na velocidade de corrente livre U∞ e o comprimento característico L, definido como a altura H, foi considerado como igual à 2000. As soluções obtidas através das equações médias de Reynolds (RANS) para o escoamento bidimensional em regime permanente utilizaram os modelos de turbulência Spalart-Allmaras e SST (Shear Stress Transport). Esses modelos RANS assumem uma modelagem isotrópica do tensor de Reynolds. As malhas utilizadas foram de 216249, 201069, 211337 e 184138 volumes para os parâmetros de 0,125, 0,25, 0,50 e 1, respectivamente. O menor elemento da malha foi de tamanho 0,0075 H. Foram obtidos os comprimentos de recolamento de 10,6, 8,4, 5,9 e 4,4 H com o modelo e SST e intensidade turbulenta I = 0 e 0,1% U∞. Com o modelo Spalart-Allmaras foram obtidos os comprimentos de recolamento de 7,9, 6,2, 4,2 e 2,8 H de intensidade turbulenta I = 0,1% U∞ e 8,1, 6,6, 5,0 e 4,0 H de intensidade turbulenta I = 0% U∞ para os parâmetros  de 0,125, 0,25, 0,50 e 1, respectivamente. Os resultados obtidos foram comparados com dados computacionais em DNS e LES e experimental em PIV. Foram significativamente satisfatórios, tendo em vista o baixo custo computacional e alta velocidade de convergência, que para cada uma das 16 simulações foi de aproximadamente 36 horas. O modelo SST se aproximou mais dos resultados em comparação do que o modelo Spalart-Allmaras.