Influência da presença de um contorno plano no comportamento do escoamento em torno de um cilindro circular rígido

Abstract

Os tubos de seção circular são utilizados desde a antiguidade para atender as mais variadas demandas das civilizações. A preferência na sua escolha reside certamente na observação da natureza, onde ela é abundante e eficiente. Na engenharia moderna o seu emprego é generalizado, principalmente na condução dos mais variados tipos de fluidos, tais como água potável, óleos e efluentes de esgoto. As tubulações que são posicionadas próximas ao leito de corpos d’água são submetidas ao escoamento externo, o que pode alterar os campos de pressão e de velocidade do escoamento em sua vizinhança, podendo causar uma série de danos a essas tubulações. Os efeitos do escoamento de um fluido no entorno de um tubo de seção circular são conhecidos na engenharia há mais de um século, porém os efeitos advindos da proximidade de um contorno plano só começaram a ser esclarecidos por volta dos anos de 1970. Desde então, o modelo idealizado de um cilindro próximo a uma placa plana e submetido ao escoamento gerado no interior de um túnel de ensaio tornou-se usual para o estudo desse tipo de escoamento. Das primeiras pesquisas com esse arranjo experimental, sabe-se que, além do número de Reynolds, a distância entre a placa e o cilindro e a espessura da camada limite do escoamento incidente têm um papel fundamental no comportamento dos fenômenos físicos advindos desse escoamento alterado. O presente trabalho teve como objetivo principal estudar os campos de pressão e de velocidade do escoamento ora citado. Para alcançar esse objetivo, foi empreendido um programa experimental no túnel de vento do Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC) da UFRGS. Nos ensaios foram investigados alguns dos principais fenômenos físicos gerados pelo escoamento, tais como o desprendimento alternado de vórtices (marcado pela frequência do desprendimento e pelo número de Strouhal) e as pressões externas médias (a partir das quais se determinam os coeficientes de arrasto e de sustentação) atuantes no cilindro. A análise desses fenômenos aumentou o acervo de informações acerca da influência que a proximidade da placa tem em relação ao desaparecimento do desprendimento alternado de vórtices na esteira do cilindro, da manutenção do valor do número de Strouhal e do comportamento do coeficiente de arrasto antes e imediatamente após a sua queda pronunciada devido à diminuição da distância entre a placa e o cilindro a partir de uma distância crítica.

Circular section tubes have been used since ancient times to meet the most varied demands of civilizations. The preference in its choice certainly resides in the observation of nature, where it is abundant and efficient. In modern engineering, its use is widespread, mainly in the conduction of the most varied types of fluids, such as drinking water, oils and sewage effluents. Pipes that are positioned close to the bottom surfaces of water bodies are subjected to external flow, which can change the flow pressure and velocity fields in their vicinity, therefore leading to potential damages to these pipes. The effects of fluid flow around a tube with a circular section have been known in engineering for over a century, but the effects arising from the proximity of a flat contour only began to be clarified around the 1970s. Since then, the idealized model of a cylinder next to a flat plate and submitted to the flow generated inside a test tunnel has become usual for the study of this type of flow. From the first researches with this experimental arrangement, it is known that, in addition to the Reynolds number, the distance between the plate and the cylinder and the thickness of the boundary layer of the incident flow have a fundamental role in the behavior of the physical phenomena arising from this modified flow. The present work aimed to study the pressure and velocity fields of the mentioned flow. To achieve this goal, an experimental program was undertaken at the boundary layer wind tunnel of the Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC) of UFRGS. In the tests, some of the main physical phenomena generated by the flow were investigated, such as the alternating vortex shedding (characterized by the shedding frequency and the Strouhal number) and the mean external pressures (from which the drag and lift coefficients are determined) acting on the cylinder. The analysis of these phenomena increased the amount of information about the influence that the proximity of a flat plate has in relation to the disappearance of the alternating vortex shedding in the cylinder´s wake, the maintenance of the Strouhal number value and the behavior of the drag coefficient before and immediately after its pronounced drop due to the decrease in the distance between the plate and the cylinder from a critical distance.