Desenvolvimento de um mÃtodo numÃrico em malhas nÃo-estruturadas hÃbridas para escoamentos turbulentos em baixo nÃmero de Mach: aplicaÃÃo em chama propagando-se livremente e esteiras inertes e reativas.

AUTOR(ES)

Dourado, Wladimyr Mattos da Costa

DATA DE PUBLICAÇÃO

2003

RESUMO

As complexidades das configuraÃÃes, da geometria e da topologia dos escoamentos encontrados em sistemas tais como cÃmaras de combustÃo de turbo-mÃquinas requerem mÃtodos numÃricos eficientes para modelar os escoamentos turbulentos reativos existentes. Este trabalho de modelagem numÃrica està relacionado com o desenvolvimento de ferramentas numÃricas eficientes necessÃrias ao estudo dos escoamentos turbulentos reativos nessas aplicaÃÃes. Na primeira parte desta tese, apÃs relembrar os elementos de base que permitem a descriÃÃo de um escoamento turbulento reativo prÃe-misturado, sÃo apresentadas as diversas etapas que presidem a elaboraÃÃo do programa computacional. Inicialmente, introduz-se a tÃcnica de compressibilidade artificial, que consiste em modificar as equaÃÃes governantes acrescentando termos nÃo-estacionÃrios no pseudo-tempo, destinados a introduzir uma velocidade do som finita no domÃnio de cÃlculo. Em seguida à exposta a discretizaÃÃo por volumes finitos das equaÃÃes governantes em malhas nÃo-estruturadas bidimensionais hÃbridas, que contÃm elementos triangulares e/ou quadrilÃteros. A adiÃÃo de termos de dissipaÃÃo artificial bem com o uso de um mÃtodo do tipo Runge-Kutta para integrar os termos temporais no pseudo-tempo das equaÃÃes governantes, que completam o mÃtodo, sÃo comentados em seguir. O programa de cÃlculo, desenvolvido na linguagem C++, foi validado considerando-se o problema de uma chama plana turbulenta, propagando-se livremente em uma turbulÃncia "congelada". Este fenÃmeno foi modelado com um termo de produÃÃo quÃmica mÃdio do tipo flamelet, no qual um corte representando extinÃÃo foi introduzido com a finalidade de selecionar uma sà velocidade possÃvel de propagaÃÃo. Os resultados obtidos para uma chama lenta (0,5 m/s) ou rÃpida (10 m/s) foram comparados com aqueles obtidos na literatura. A precisÃo dos resultados à bastante satisfatÃria e os gradientes elevados de pressÃo estÃtica, caracterÃsticos do termo fonte empregado, sÃo capturados corretamente, tanto no que se refere a sua intensidade quanto à sua localizaÃÃo, dentro da frente de chama mÃdia. Uma anÃlise de sensibilidade e precisÃo da malha foi igualmente conduzida, assim como um estudo das caracterÃsticas de convergÃncia em funÃÃo do valor do coeficiente de compressibilidade artificial. Tendo sido validado, o programa de cÃlculo foi, em seguida, utilizado com a finalidade de estudar esteiras inertes ou reativas encontradas à jusante de um obstÃculo de seÃÃo transversal triangular, colocado no meio de um escoamento turbulento em um canal. Um modelo de turbulÃncia do tipo k-e, acoplado a dois tipos de leis de parede foi utilizado. O desprendimento turbilhonar, tÃpico dos escoamentos de esteiras inertes considerados, foi previsto corretamente com, em particular, uma freqÃÃncia de Strouhal de desprendimento com boa concordÃncia com os resultados experimentais disponÃveis. As esteiras reativas foram calculadas com um modelo de flamelet, onde os transportes turbulentos da variÃvel de avanÃo da combustÃo foram calculados por aproximaÃÃo do tipo gradiente. TrÃs formas do termo de produÃÃo quÃmica mÃdio, existentes na literatura, foram utilizados. Aparentemente, a estrutura da esteira reativa prevista à fortemente dependente da formulaÃÃo adotada para o termo fonte mÃdio. Embora os resultados obtidos sejam comparados Ãqueles apresentados por outro autores, em uma configuraÃÃo de escoamento similar, a comparaÃÃo com resultados experimentais mostra que à necessÃrio uma melhoria na modelagem fÃsica de forma a prever este tipo de escoamento reativo de maneira satisfatÃria.

ASSUNTO(S)

esteiras turbulentas propagaÃÃo de chama escoamento incompressÃvel combustÃo malhas nÃo-estruturadas (matemÃtica) mÃtodo de volume finito dinÃmica dos fluidos computacional escoamento turbulento mecÃnica dos fluidos modelo de turbulÃncia k-epsilon anÃlise numÃrica escoamento reativo

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