Simulação de grandes escalas do escoamento de ar sobre modelo de terreno complexo : estudo comparativo com experimento em túnel de vento e modelagem numérica via rans

Abstract

O presente estudo apresenta Simulação de Grandes Escalas (Large Eddy Simulation – LES) de um escoamento sobre um terreno complexo e para isso, foi desenvolvida uma simulação de um terreno de escala reduzida, similar a um terreno analisado em experimento em túnel de vendo, usando o programa ANSYS Fluent 13, que faz uso do método de volumes infinitos para solucionar as equações de transporte. Para tal, a discretização temporal apropriada foi definida e quatro malhas com quantidades diferentes de células foram simuladas e avaliadas por meio da aquisição das medições de velocidade em 9 linhas verticais alocadas no perfil de in interesse da superfície do terreno. Depois disso, notou-se que o resultado numérico aproximou-se do resultado em túnel d vendo na medida em que a quantidade de células foi aumentada, de modo que a malha de maior qualidade foi a malha 4, sendo esta a malha com a maior quantidade de células, apresentando uma diferença relativa média de 10,6% em comparação com as medições do experimento em túnel de vento. Além disso, os perfis de velocidade obtidos na simulação são consistentes com o problema em túnel de vento e as maiores diferenças foram mais concentradas nas proximidades da superfície do terreno, no entanto isso pode ser explicado pela falta de acuracidade do modelo Smagorinsky junto à parede e pela negligência da rugosidade superficial na simulação, contudo, as maiores diferenças relativas foram observadas nos pontos de aquisição de dados localizados a jusante do morro, onde foi notada uma região de descolamento. Além disso, os resultados da malha 4 foram comparados com resultados numérico de simulações similares, com a mesma geometria, usando modelos RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e observou-se que a malha 4 obteve uma diferença relativa média com 16,7 pontos percentuais a menos quando comparada com o caso RANS sem rugosidade superficial e uma diferença relativa média com 9,1 pontos percentuais a menos quando comparada com o caso RANS com rugosidade superficial, representando uma diminuição relativa da diferença relativa média de 61% e 46% respectivamente. Ainda foi observado que o caso LES aproximou-se do comportamento do caso experimental mostrando, também uma aproximação qualitativa. Concluindo, com o objetivo de melhorar os resultados, é sugerida a aplicação de LES considerando a rugosidade superficial do problema e uma análise da influencia dos diferentes modelos de sub-malha.

This study presents Large Eddy Simulation – LES of atmospheric flows over a complex terrain and for such, a numerical simulation of a reduced scale terrain, similar to the terrain evaluated in a wind tunnel experiment, was developed using the software ANSYS Fluent 13, which uses the finite volume method to solve the transport equations. For that, the correct time-step was chosen by time discretion analysis and 4 meshes with different cell quantities were simulated and evaluated by means of the acquisition of the velocity data in 9 vertical lines allocated in the profile of interest of the terrain surface. After that, it was noticed that the numerical results approached the wind tunnel results as the cell amount was increased, so the best quality mesh found was the mesh 4, which has the highest number of cells, presenting an average relative difference of 10,6% in comparison with the wind tunnel experiment velocity measurements. Also, the velocity profiles obtained in the simulation are consistent with the wind tunnel problem and the higher differences were mostly present near the terrain surface however this can be explained by the low accuracy of smagorinsky model considering near wall results and by the absence of wall roughness in the simulation, withal, the larger relative differences were observed in the data acquisition points located downstream of the hill, where was noticed a wake region. In addition to that, the mesh 4 results were compared with numerical results of a similar simulation, with the same geometry, using RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) models and was observed that the mesh 4 had an average relative difference 16,7 percentage points lower when compared to the RANS case with no surface roughness and an average relative difference 9,1 percentage points lower when compared to the RANS case with surface roughness, therefore, a relative average difference reduction of 61% and 46% respectively. Yet, it was observed that the LES case got closer to the behavior of experimental case, showing also a qualitative approximation. In conclusion, in order to improve the results, is suggested the application of LES in the problem considering the surface roughness and an evaluation of different sub-grid models influence.