Efeitos da rugosidade superficial sobre as pressões médias e flutuantes em cilindros circulares fixos em fluxo bidimensional

Abstract

Este trabalho é um estudo dos efeitos da rugosidade superficial sobre o fluxo bidimensional em torno de cilindros circulares (CC) fixos. O estudo incluiu ensaios no túnel de vento da UFRGS. Numa primeira etapa foram medidos os valores médios dos coef. de força e de pressão para 5000 S Re S 400000. Nessa etapa modelos de CC com três tipos de rugosidade (lixa, tela metálica e nervura) e quatro magnitudes de cada tipo (0.0018< k/d S 0.0123) foram ensaiados em fluxo suave. Os modelos tinham uma esbeltez 1/d=6.1. Numa segunda etapa foram feitas medições de valores flutuantes (RMS e pico) de coef. de força e de pressão, medições de densidade espectral de potência e mediação de correlação cruzada seccional e longitudinal em modelos com as menores magnitudes dos tipos de rugosidade mencionados acima. Nessa etapa os ensaios foram em fluxo suave, Re=380000, mas o modelo com nervuras foi ensaios também em fluxo turbulento (Re=250000). Em todos os casos o regime de fluxo foi ultracrítico. As principais conclusões dessa etapa foram: - Os valores flutuantes medidos nos CC rugosos foram mais elevados que aqueles observados em CC lisos no regime ultracrítico. Os resultados de espectro de potência indicam que a organização do fluxo é muito boa e ao que parece similar nos dois casos. Os resultados de correlação confirmam que CC rugosos apresentam uma boa organização do desprendimento de vórtices, comparável àquele observada em CC lisos no regime subcrítico. A introdução de turbulência no fluxo incidente não alterou de forma considerável o valor RMS dos coef. de força e de pressão, mas originou valores de pico mais elevados para esses coeficientes. Além disso, originou um espectro de potência de faixa mais larga e pico mais baixo e uma diminuição ( em módulo) dos coef. de correlação cruzada seccional e longitudinal. - Nos ensaios com fluxo suave, observou-se que na zona 30° < 0 < 80° os fatores de pico dos coef. de pressão locais foram menores (= 2,8). Na zona de sobrepressão (0<30°) e na esteira (0>100º), os fatores de pico foram mais elevados, podendo atingir 4,0 ou 5,0. Nos ensaios com fluxo turbulento, observou-se o mesmo comportamento qualitativo, mas os fatores de pico foram 20% a 40% mais elevados.

This work is a study of the effects of surface roughness on the two-dimensional flow surrounding fixed circular cylenders (CC). The study included tests in the wind tunnel of UFRGS. In a first stage, the mean force and pressure coef. Were measured at Reynolds numbers from 50,000to 400,000. In this stage CC models with three tyoes of roughness (sand paper, wire mesh and ribs) and four amounts of each tyoe (0.0018 < k/d <0.0123) were tested in smooth flow. The models had an aspect ratio 1/d=6.1. All types of roughness have proved themselves efficient in anticipating the transitions of regimes and allowing the establishment of the ultracritical regime (were the Kármán vortex reappear). But in this regime, as the relative roughnesse is increased, the differences between the parameters (drag coef., prossure coef., separation angle, etc.) measured on the rough CC and thoese observed on smooth CC also increased. The smallest relative differences were observed on the model with ribs. In a second stage, measurements of fluctuating (RMS and crest) force and pressure coef., measurements of power spectral density and measurements of sectional and longitudinal crosscorrelation with models of the smallest amounts of the roughness types cited above were made. In this stage, the tests were on smooth flow, Re=380,000, but the model with ribs was also tested in turbulent flow (Re=250,000). In all cases the flow regime was ultracritical. The principal conclusions of this stage were : -The fluctuationg values measured on the rough CC were larger than those observed on smooth CC in the ultracritical regime. The power spectral results indicate that the flow organization is quite good and seems similar in both cases. The correlations results confirm that the rough CC show a good vortex shedding organization, comparable to those observed on smooth CC in the subcritical regime. - The introduction of turbulence in the approaching flow didn’t change considerably the force and pressure RMS values, but originated larger crest values for these coefficients. In adittion, originated a power spectral with a larger band and smaller crest and a decrease (in modulus) of the seccional and longitudinal cross-correlation coefficients. - In the smooth flow tests, it was observed that in the zone 30°< 0< 80° the crest factor of the local pressure coef. Were approximately 2.8. In the positive pressure zone (0<30°) and in the wake (0>100°) the crest factors were larger, increasing up to 4.0 or 5.0. In the turbulent flow tests, it was observed the same qualitative behavior, bur the crest factos were 20% to 40% larger.