Modelagem de turbulência de escoamentos em canais de fundo rugoso

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Soares, Bruna Fernanda
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Engenharia civil; Fluidodinâmica Computacional; Turbulência; Fluxo de canal aberto; Dinâmica dos fluidos
• Link de acesso: https://repositorio.udesc.br/handle/UDESC/18329

Na engenharia, problemas relacionados a escoamentos turbulentos em canais influenciados por superfícies sólidas são comuns. A hidráulica clássica possui teorias consolidadas relacionadas à média de escoamentos, que são usualmente empregadas no cálculo de escoamento em canais em problemas práticos de engenharia. Assim, permanecem sendo utilizadas abordagens empíricas ou semi-empíricas aplicando coeficientes de resistência como Manning, Chézy e Darcy–Weisbach, apesar do avanço da dinâmica dos fluidos computacional e dos modelos 3D. O desenvolvimento contínuo dos computadores e das técnicas numéricas permitem, atualmente, estudos detalhados da física da turbulência e das regiões próximas à parede. A presente pesquisa tem como objetivo geral desenvolver uma formulação numérica de escoamentos em canais com superfície livre e de fundo rugoso, com modelagem de turbulência para domínios tridimensionais. A metodologia proposta desenvolveu modificações no código SuLi-LS (Simulador de Escoamentos com Superfície Livre com Level Set), que é baseado nas equações de Navier-Stokes, da continuidade para fluidos incompressíveis e no Método Level Set, considerando a composição bifásica de escoamento, água ar, com superfície livre. Foi implementado o modelo de turbulência Detached Eddy Simulation, incluindo o cálculo da energia cinética de turbulenta por uma Equação Diferencial Parcial. Os efeitos da rugosidade de fundo foram modelados a partir da aplicação da condição de contorno semi-slip, baseada na Lei Logarítmica da Parede. O código foi aplicado a dois tipos de escoamento em canais para comparação com dados experimentais publicados. No caso de um escoamento com fundo plano, foram obtidos bons resultados com a modelagem de turbulência e da rugosidade de fundo. Já para um escoamento sobre degrau, o modelo apresentou limitações e algumas sugestões de adequação do código foram apontadas para trabalhos futuros, a fim de superar estas deficiências. A partir da comparação dos resultados provenientes do modelo de turbulência Detached Eddy Simulation com o modelo clássico Smagorinsky-Lilly, não foram observadas expressivas diferenças quando os coeficientes dos modelos de turbulência estavam devidamente calibrados, não sendo possível de indicar um código mais adequado para os casos testados. A pesquisa apresenta-se, portanto, como parte do processo de desenvolvimento das técnicas de modelagem de turbulência e de rugosidade em canais abertos, em que ainda existe escassez de trabalhos publicados