Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Desenvolvimento de um modelo de rugosidade para a simulação numérica paralela do escoamento ao redor de um corpo rombudo
Autor(es): OLIVEIRA, Marcos André de
Primeiro Orientador: PEREIRA, Luiz Antonio Alcântara
Resumo: Existem duas técnicas para controle do comportamento destrutivo da esteira e do desprendimento de estruturas vorticosas atrás de corpos rombudos. Na primeira está o método ativo, que necessita de alguma fonte externa de energia para controle do escoamento. Na segunda está o método passivo, que se caracteriza pela modificação da geometria do corpo. Assim, a combinação da rugosidade superficial de um corpo (controle passivo) e a aproximação desse corpo de uma superfície plana horizontal móvel (controle ativo) foi recentemente classificada como uma “técnica de controle híbrido de desprendimento e supressão de vórtices”, durante o desenvolvimento desta Tese de Doutorado. Contudo, é relatado na literatura que algumas restrições impostas pelos atuais modelos de rugosidade necessitam ser superadas. Além do mais, há escassez de resultados na literatura para combinação dos efeitos de rugosidade e solo. E para certas condições de escoamento, são muito raros os resultados de uma terceira sobreposição, que seria o efeito de vibração estrutural do corpo induzida pelo desprendimento de vórtices. Principalmente, se são considerados altos números de Reynolds de interesse prático. Nesta Tese de Doutorado é concebido e desenvolvido um novo modelo de rugosidade, que é integrado ao Método de Vórtices Discretos que já apresenta uma adaptação com a inclusão de um modelo de turbulência de Simulação de Grandes Escalas. Com essa contribuição, simulações e investigações do efeito da rugosidade superficial de um cilindro bidimensional no controle do desprendimento de vórtices deste, são realizadas para escoamentos em uma ampla faixa de altos números de Reynolds. Outras configurações de escoamentos são também simuladas para testar a sensibilidade do método computacional. A programação paralela no padrão OpenMP é implementada para redução do tempo de processamento final. O novo modelo de rugosidade foi implementado com sucesso, e foi nomeado de Modelo Lagrangeano Dinâmico de Rugosidade – MLDRVL. Os regimes de formação de vórtices a jusante do corpo e a redução da força de arrasto foram mapeados em concordância com a física do problema. A crise do arrasto foi capturada e investigada para oito diferentes superfícies do cilindro, incluindo escoamentos nos regimes crítico e supercrítico, os quais apresentam maior dificuldade para serem numericamente simulados. Particularmente, os resultados para o coeficiente de arrasto apresentam boa aproximação aos valores obtidos experimentalmente. Sendo que o método desenvolvido foi capaz de capturar, inclusive, a chamada bolha de separação, que é um fenômeno de difícil reprodução, tanto por simulação numérica como por investigação experimental. A rugosidade superficial do cilindro isolado de outras fronteiras sólidas foi capaz de reduzir em até 51,6% o coeficiente de arrasto, em comparação com uma superfície lisa nas mesmas condições de escoamento. A aplicação da técnica híbrida de controle de desprendimento de vórtices permitiu reduções do coeficiente de arrasto da ordem de 45,4% para o cilindro estacionário e de 57,7% para o cilindro vibrando na direção longitudinal ao escoamento incidente. Por fim, a programação paralela permitiu significativa redução no tempo de processamento de uma simulação típica, em torno de 67% em média.
Abstract: There are two groups of methods to control wake destructive behavior and vortex shedding behind bluff bodies. The first one is the active method, where an external source of energy is needed to control the flow. The second one is the passive method, which is characterized by the modification of the body's geometry. Thus, the combination of the surface roughness of a body (passive control) and the approximation of that body to a moving horizontal flat surface (active control) was recently classified as a “hybrid control technique of vortex shedding and suppression”, during the development of this Doctoral Thesis. However, it is reported in the literature that some restrictions imposed by the current roughness models need to be overcome. Furthermore, there are few results in the literature combining both effects of surface roughness and ground plane. And for certain flow conditions, the results of a third overlap, which would be the effect of structural vibration of the body induced by the vortex shedding, are very rare. Especially if high numbers of Reynolds of practical interest are considered. In this Doctoral Thesis, a new roughness model is designed and developed, which is integrated with the Discrete Vortex Method, which already has an adaptation with the inclusion of a Large Eddy Simulation turbulence model. With this contribution, simulations and investigations of the effect of the surface roughness of a two-dimensional circular cylinder in the control of vortex shedding of it are performed for flows in a wide range of high Reynolds numbers. Other flow configurations are also simulated to test the sensitivity of the computational method. Parallel programming in the OpenMP standard is implemented to reduce the final processing time. The new roughness model was successfully implemented and was named the Lagrangian Dynamic Roughness Model – MLDRVL. The vortex formation regimes downstream of the body and the reduction of the drag force were mapped in accordance with the physics of the problem. The drag crisis was captured and investigated for 8 different surfaces of the circular cylinder, including flows in the critical and supercritical regimes which have greater difficulty in being numerically simulated. In particular, the results for the drag coefficient show a good approximation to the values obtained experimentally. The developed method was able to capture, even, the so-called separation bubble, which is a phenomenon that is difficult to reproduce, both by numerical simulation and by experimental investigation. The surface roughness of the circular cylinder isolated from other solid boundaries was able to reduce the drag coefficient by up to 51.6% compared to a smooth surface under the same flow conditions. The application of the hybrid control technique of vortex shedding allowed the drag coefficient to be reduced by 45.4% for the stationary circular cylinder and 57.7% for the circular cylinder vibrating in-line with the incident flow. Finally, parallel programming allowed a significant reduction in the processing time of a typical simulation, around 67% on average.
Palavras-chave: Modelo de rugosidade - MLDRVL
Controle híbrido de supressão de vórtices
Vibração estrutural forçada
Redução do arrasto
OpenMP-Fortran
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2292
Data do documento: 16-Dez-2020
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