Análise por simulação numérica direta do escoamento ao redor de um cilindro submetido a vibração induzida por vórtices

Abstract

O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco atual de muitas pesquisas. Em especial, escoamentos ao redor de obstáculos rombudos constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências como, por exemplo, na engenharia automobilística, na concepção de edificações submetidas à ação do vento, no estudo de correntes fluviais e marítimas sobre pilares de pontes, em risers, cabos de ancoragem e plataformas de captação de petróleo. O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo por Simulação Numérica Direta do escoamento ao redor de um cilindro com dois graus de liberdade, submetido a Vibração Induzida por Vórtices (VIV), buscando o esclarecimento a cerca dos fenômenos tridimensionais de formação e evolução do escoamento em função da interação fluido-cilindro. As equações de Navier-Stokes e da continuidade são resolvidas numericamente usando esquemas de diferenças finitas compacto de sexta ordem na discretização espacial, em associação com um método de representação das fronteiras do cilindro, denominado Método de Fronteiras Imersas. Inicialmente foram realizadas simulações para os casos de cilindro fixo e em movimento forçado, onde os resultados mostraram que o código computacional consegue modelar satisfatoriamente os fenômenos físicos de acordo com os resultados encontrados na literatura. Para as simulações com cilindro fixo, em movimento forçado e em VIV, nota-se que as estruturas do escoamento tridimensional apresentam modos com comprimentos de onda alterados em função do movimento imposto. Os resultados das simulações em VIV com dois graus de liberdade, para Re = 1250 mostraram que as estruturas tridimensionais do escoamento sofrem significativas alterações espaciais e temporais em função dos parâmetros do modelo dinâmico. Foram identificados diferentes fenômenos de formação e emparelhamento dos vórtices que são modificados em função das condições impostas ao modelo massa-mola amortecimento.

The study of flow around submerged bodies has been the focus of many researches. In special, the flow around bluff bodies are systems of great practical interest in many fields of engineering and other sciences, e.g., the flow around vehicles, buildings submitted to the action of the wind, river and sea currents over pillars of the bridges, risers and cables in the oil platforms. The present work aims to study through Direct Numerical Simulation (DNS) the flow dynamics around a circular cylinder under Vortex-Induced Vibration with two degrees of freedom, searching for identify the changes in the three-dimensional structures of the street wake imposed by the interactions between the flow and the immersed cylinder. The simulations were performed using a sixth-order compact finite differences scheme associated to a Immersed Boundary Method (IBM) to represent the cylinder surface. Firstly, simulations of the flow around fixed and forced movement were accomplished. The computational code Incompact3d presented results in agreement with the literature. The validation of the code shown that is possible to obtain satisfactory results relate to the street wake behind cylinder and the force coefficients are in agreement with others experimental and numerical works. In case of free oscillating cylinder, several changes in the three-dimensional vortex shedding modes are observed as the parameters of the oscillating dynamic model was changed. It was observed that different three-dimensional structures are formed in the wake depending on the initial conditions of the mass-stiffness damping model. The results of the simulations at Reynolds numbers equal to 1250 presenting some hydrodynamic phenomena as paring and turbulent structures in the flow that are modifying during the time and in the computational domain.