Estudo do fenômeno da biestabilidade em cilindros finitos com média razão de aspecto

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo experimental a respeito do fenômeno da biestabilidade em cilindros finitos com média razão de aspecto. Na biestabilidade, há uma esteira estreita a jusante de um dos cilindros e uma esteira larga a jusante do outro. Pode estar presente em muitas situações práticas da engenharia dependendo da distância entre os cilindros. Em cilindros finitos ainda é pouco compreendida e explorada. Para compreender o mecanismo do desprendimento de vórtices, são estudados o escoamento em torno de um único cilindro finito, com cilindros de diâmetros entre 25 e 60 mm e razão de aspecto entre 1 e 4 e após, o escoamento em torno de dois cilindros finitos dispostos lado a lado, com cilindros de diâmetros entre 25 e 32 mm e razão de aspecto entre 3 e 4. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade em canal aerodinâmico, utilizando a técnica de anemometria de fio quente e na visualização do escoamento no mesmo canal, mantendo os parâmetros, utilizando gelo seco e laser. Além disso, foi realizada a visualização do escoamento em canal hidráulico com as mesmas dimensões do canal aerodinâmico, utilizando injeção de tinta através de agulhas. Para o estudo foram utilizados Re=2,00×104 para um cilindro finito e 3,86×103 ≤ Re ≤ 4,81×104 para cilindros finitos dispostos lado a lado. Os dados medidos em canal aerodinâmico são tratados através de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas, e os resultados das visualizações do escoamento são apresentados por meio de imagens obtidas das filmagens realizadas com uma câmera digital. Além disso, os vídeos são tratados com softwares de edição de vídeo e com ferramentas estatísticas. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade para dois cilindros finitos dispostos lado a lado, que é um dos objetivos do estudo, nas três posições estudadas. A técnica de visualização de escoamento reforça a interpretação dos resultados obtidos através da técnica de anemometria de fio quente. Neste trabalho é considerada a existência de três escoamentos concomitantes: o escoamento ascendente, caracterizado pela estrutura de vórtices na base; o escoamento descendente, caracterizado pela estrutura de vórtices no topo; e o aqui chamado escoamento principal, caracterizado pelo desprendimento de vórtices a meia altura dos cilindros.

This work presents an experimental study on the bistability phenomenon in finite cylinders with a mid-aspect ratio. In the bistability phenomenon the flow to form two wakes behind the cylinders, a large wake behind a cylinder and a narrow wake after another. It can be present in many practical engineering situations depending on the distance between the cylinders. In finite cylinders, it is still poorly understood and explored. To understand the vortex shedding mechanism are studied the flow in a single finite cylinder with diameters between 25 and 60 mm and aspect ratio between 1 and 4 is studied. After that, the flow of two finite cylinders placed side by side with cylinders of diameters between 25 and 32 mm and aspect ratio between 3 and 4 was studied. The experimental technique of hot wire anemometry in aerodynamic channel is applied in the measurement of velocity fluctuations of the flow. The flow visualization was performed on the same aerodynamic channel, keeping the parameters, through using dry ice and laser. In addition, flow visualization is performed on the hydraulic channel with the same dimensions of the aerodynamic channel using ink injection through needles. All images are captured with a camera digital. For the study, Re=2.00×104 for a finite cylinder and 3.86×103 ≤ Re ≤ 4.81×104 for finite cylinders arranged side by side were used. The data measured in aerodynamic channel are treated through statistics, spectral and wavelet tools and the videos are treated through video editing software and with statistical tools. The results show the existence of two different levels of mean velocity in time series, corresponding to two flow modes confirming the phenomenon of bistability for two finite cylinders placed side by side, which is one of the objectives of the study. The flow visualization technique strengthens the interpretation of the results obtained through the hot wire anemometer technique. In this work the existence of three concomitant flows is considered: the upwash flow, characterized by the vortex structure in the base; the downwash flow, characterized by the vortex structure at the top; and the so-called main flow, characterized by the vortex shedding at half height of the cylinders.