Análise experimental do escoamento transversal turbulento sobre dois cilindros paralelos fixos, com liberdade oscilatória e rotacional

Abstract

Este trabalho apresentada um estudo experimental do fenômeno de biestabilidade que ocorre na geometria simplificada de dois tubos dispostos lado a lado submetidos a um escoamento cruzado turbulento. Na análise consideram-se a condição de tubos fixos e com um grau de liberdade (rotacional), submetidos a diferentes números de Reynolds. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidade do escoamento através da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico, na avaliação dos esforços do escoamento sobre os tubos com o uso de uma célula de carga e na visualização dos efeitos do fenômeno biestável sobre os tubos livres para rotacionar. Os dados obtidos da medição no canal são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Os resultados das visualizações do escoamento são apresentados através de imagens obtidas das filmagens realizadas com uma câmera digital. A investigação experimental consiste de ensaios de cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base e posteriormente liberados para oscilar e/ou rotacionar em um eixo central aos dois tubos, submetidos ao escoamento perpendicular permanente de ar no canal Nos resultados experimentais observam-se a presença da biestabilidade e nota-se o comportamento não simultâneo deste fenômeno ao longo dos cilindros. A formação assimétrica das esteiras também é estudada e atribuída à interação entre os vórtices das esteiras, já que, inicialmente, o desprendimento dos vórtices atrás dos cilindros é simétrico. Na avaliação dos esforços por extensiometria, as etapas de condicionamento e aquisição do sinal foram elaboradas e os resultados de deformação mecânica apresentaram similaridade com o fenômeno observado na anemometria experimental. Para um número de Reynolds de 27635 encontrou-se uma força de 26,1 mN com um torque desenvolvido na célula de carga de 84,95Nmm. A técnica de visualização do fenômeno empregada corrobora a interpretação dos resultados obtidos através da técnica de anemometria de fio quente e extensiometria em canal aerodinâmico.

This paper presents an experimental study of the bistability phenomenon that occurs in the simplified geometry of two tubes arranged side by side submitted to a turbulent cross flow. In the analysis we consider the condition of fixed tubes and with a degree of freedom (rotational), submitted to different Reynolds numbers. The experimental technique consists in the measurement of velocity fluctuations through the aerodynamic channel with the hot wire anemometry technique, the evaluation of the stresses of the flow on the tubes with the use of a load cell and the visualization of the effects of the bistable phenomenon on the tubes free to rotate. The data obtained from the measurement in the channel are treated with the use of statistical, spectral and wavelet tools. The results of the flow visualizations are presented through images obtained with a high speed digital camera. The experimental investigation consists of tests of rigid cylinders mounted elastically and pivoted at the base and later released to oscillate and / or to rotate in a central axis to the two tubes, submitted to the flow of air in the channel In the experimental results we observe the presence of bistability and note the non-simultaneous behavior of the phenomenon along the cylinders. The asymmetric formation of the wakes is also studied and attributed to the interaction between the vortices from wakes behind the cylinders, since, initially, the wake detachments is symmetrical. In the evaluation of the forces by means of the extensiometry technique, the steps of conditioning and acquisition of the signal were elaborated and the results of mechanical deformation presented similarity with the phenomenon observed in the experimental anemometry. For a Reynolds number of 27635 a force of 26.1 mN was found with a torque developed in the load cell of 84.95 Nmm. The technique used for the visualization of the phenomenon corroborates the interpretation of the results obtained through hot wire anemometry and extensiometry in aerodynamic channel.