Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Investigação do escoamento ao redor de um corpo rombudo de parede hidraulicamente rugosa e que troca calor com o meio fluido: simulação numérica utilizando o método de partículas de temperatura
Autor(es): CARVALHO, Gabriel Ferraz Marcondes de
Primeiro Orientador: PEREIRA, Luiz Antonio Alcântara
Resumo: Este trabalho investiga escoamentos bidimensionais com número de Reynolds subcrítico ao redor de um cilindro circular com superfície rugosa e mantida aquecida a uma temperatura constante; as análises ainda incluem mecanismos de transferência de calor por convecção mista. A técnica numérica utilizada discretiza o campo de vorticidades e o calor utilizando partículas, o que caracteriza uma descrição puramente lagrangiana.O trabalho contribui com a literatura científica de duas maneiras: i) implementação de um algoritmo acelerador para incorporar modelagem de turbulência do tipo LES para o campo de temperaturas, e ii) proposição de um modelo de rugosidade superficial para a camada limite térmica. Esta segunda contribuição é viabilizada pela modelagem de turbulência do tipo LES, permitindo que os efeitos rugosos interfiram no comportamento dos coeficientes de pressão, arrasto e sustentação, no ângulo de separação da camada limite e na transferência de calor para o meio fluido adotando-se diferentes alturas de rugosidade superficial média. Estes parâmetros são de grande interesse em projetos de engenharia envolvendo diversos aparatos sujeitos a escoamentos nos quais há troca de calor com o meio fluido. As simulações foram realizadas para número de Reynolds Re = 100.000, número de Prandtl Pr = 0,71, e alturas de rugosidade superficial média de ε/D = 0,001 e 0,007. Os resultados mostraram que a transferência de calor por convecção mista impacta nos carregamentos fluidodinâmicos de modo complexo aumentando o coeficiente de arrasto e a transferência de calor via comportamento do número de Nusselt. Para este último adimensional, o valor obtido para a simulação no caso de parede hidraulicamente lisa apresentou uma maior diferença em relação ao valor experimental, mostrando a necessidade de se realizar um balanço de energia mais detalhado na camada limite térmica. Ao se incluírem efeitos rugosos, entretanto, observou-se o aumento no valor do número de Nusselt na mesma proporção dos resultados experimentais, indicando que o novo modelo de rugosidade bidimensional é sensível e fornece resultados fisicamente consistentes. Os três tipos característicos de interações entre partículas consomem um elevado tempo computacional, o que também exigiu o uso de processamento paralelo no ambiente OpenMP- Fortran.
Abstract: This work investigates two-dimensional flows with subcritical Reynolds number around a circular cylinder with rough surface and kept heated at a constant temperature; the analyses include mechanisms of mixed convection heat transfer. The numerical approach discretizes the vorticity field and the heat by using particles, which characterizes a purely lagrangian description.The work contributes to the scientific literature in two ways: i) implementation of an accelerator algorithm to incorporate LES-type turbulence modeling for the temperature field, and ii) proposition of a surface roughness model for the thermal boundary layer. The second contribution is made possible through LES-type turbulence modeling, allowing that roughness effects for different average surface roughness heights interfere on behavior of pressure, drag and lift coefficients, of the boundary layer separation angle, and heat transfer from body surface to fluid domain. Those parameters are of great interest for engineering design involving various devices subject to external flows, where there is heat exchange with the fluid domain. Simulations were performed for a Reynolds number of Re = 100,000, Prandtl number of Pr = 0.71, and average surface roughness heights of ε/D = 0.001 and 0.007. The results showed that mixed convection heat transfer impacts the fluid dynamic loads in a complex manner, increasing the drag coefficient and heat transfer via Nusselt number behavior. For the latter dimensionless number, the value obtained for the simulation in the smoothed cylinder case showed some discrepancy with the expected experimental date, indicating the need for a more detailed energy balance on the thermal boundary layer. However, by implementing roughness effects, an increase in the Nusselt number was observed in proportion to the experimental results, indicating that the new two-dimensional roughness model is sensitive and provides physically consistent results. The three characteristic kinds of particles interaction consume a high computational time, which also required the use of parallel processing in OpenMP-Fortran.
Palavras-chave: Método de partículas de Temperatura
Método dos painéis
Carregamentos fluidodinâmicos
Forças de flutuabilidade
Modelagem de turbulência tipo LES
Modelo de rugosidade superficial
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: Mestrado - Engenharia Mecânica
Citação: CARVALHO, Gabriel Ferraz Marcondes de. Investigação do escoamento ao redor de um corpo rombudo de parede hidraulicamente rugosa e que troca calor com o meio fluido: simulação numérica utilizando o método de partículas de temperatura. 2025. 107 f. Dissertação. (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4235
Data do documento: 13-Fev-2025
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