Simulação numérica de escoamento ao redor de cilindro circular oscilando segundo trajetórias em forma de oito, arco e intermediárias

Abstract

Ao se inserirem obstáculos em escoamentos de fluidos, geram-se instabilidades que provocam a formação e o desprendimento de vórtices, os quais produzem alterações nas forças atuantes sobre os obstáculos. Neste trabalho foi realizado um estudo visando à descrição da dinâmica do escoamento ao redor de obstáculos cilíndricos, de seção circular, em movimento segundo trajetórias de oito, arco e intermediárias. Tais trajetórias são características dos risers, tubulações que conduzem o petróleo do fundo do mar até a superfície. Para tanto, buscou-se a descrição do escoamento em termos de padrão de desprendimento de vórtices, a determinação dos valores dos coeficientes de arrasto e sustentação, a avaliação da influência do tipo de trajetória e sentido de rotação no valor das forças hidrodinâmicas e a análise dos espectros de coeficiente de sustentação para as diferentes trajetórias. Foram realizadas simulações de cinco curvas, em forma de oito, arco côncavo, arco convexo e duas curvas intermediárias entre as formas de oito e arco, sendo que as curvas em oito e intermediárias possuem dois sentidos de rotação, totalizando oito simulações. O Número de Reynolds utilizado foi igual a 140. O método empregado foi a Simulação Numérica Direta. Os obstáculos são representados com a utilização do Método de Fronteiras Virtuais. Os resultados evidenciaram a influência do sentido de rotação e da trajetória nos valores dos coeficientes hidrodinâmicos. Para o caso de <CD>, os menores valores estão relacionados ao sentido de rotação horário e os maiores ao anti-horário. O gráfico do <CL> sugere uma simetria em torno de zero, de acordo com o sentido de rotação. Em relação à influência da trajetória, as curvas em oito apresentaram os valores extremos, superior e inferior, de <CD> e sCL, havendo uma convergência dos valores a partir das curvas intermediárias em direção às curvas em arco. Trajetórias em sentido horário tenderam a apresentar padrões de desprendimento de mais fácil identificação. Além disso, percebeu-se que os vórtices destas trajetórias são desprendidos com maior velocidade de deslocamento longitudinal e de rotação, o que explica os seus espectros mais energéticos.