UM ESTUDO UTILIZANDO SIMULAÇÃO DE GRANDES TURBILHÕES PARA ESCOAMENTO EM CANAL ABERTO

Resumo

A Camada Limite Atmosférica (CLA) é uma região do escoamento planetário formada devido a presença da superfície da Terra, através do arrasto e também pela diferença de temperatura entre a superfície e o ar que se desloca próximo a ela. O escoamento na CLA se caracteriza pela presença da turbulência homogênea e totalmente desenvolvida. Entretanto, assim que o sol se põe, inicia a formação de uma Camada Limite Estável devido ao resfriamento da superfície, através da emissão de radiação de onda longa. No presente trabalho tem como objetivo simular numericamente o escoamento estratificado, similar ao da camada limite estável, utilizando Simulação de Grandes turbilhões (LES) em um domínio computacional formado por um canal aberto. A malha utilizada possui (88, 120, 35) divisões em (x, y, z) respectivamente, com refino em direção ao limite da superfície inferior, o que resultou em 259524 pontos onde as equações de conservação de massa, momentum e energia serão resolvidas. A integração numérica foi realizada usando um método implícito e o tempo foi ajustado para manter o Número de Courant (CO) menor que 0,5. Para o início da simulação foram decorridos 3600 s até que a turbulência se desenvolva por completa no fluxo. O gradiente térmico no canal é aplicado entre as placas inferior e superior, com uma superfície inferior resfriada. As simulações são realizadas com ar, a temperatura inicial do fluxo é a da condição de limite superior (300 K). Desenvolvido o fluxo turbulento, ocorreu o resfriamento da superfície inferior, cada simulação teve uma temperatura superficial inferior diferente: S1 = 295 K; S2 = 293 K; S3 = 290 K e S4 = 285 K. A temperatura da superfície foi escolhida arbitrariamente para dar uma visão geral do fluxo turbulento no canal sob diferentes graus de estratificação. Após introduzido o gradiente de temperatura no canal, cada simulação foi realizada por mais 1800s, chegando assim a 5400s de simulação para cada temperatura. Foram elaboradas séries temporais e estas mostraram que as simulações tem um período transitório que dura aproximadamente os primeiros 800 s. Os resultados alcançados variam de acordo com a temperatura pois quando adicionado gradiente térmico, as flutuações de velocidade são amortecidas. Logo para grandes gradientes de temperatura S3 e S4 a destruição térmica da turbulência é muito grande o que fez com que o fluxo se tornasse completamente laminar. A laminarização do fluxo também é observada nos perfis verticais de velocidade. Para os casos de 5 K e 7 K representam um perfil de temperatura de um caso turbulento, já para os casos de 10 e 15 K o comportamento gerado representa um caso laminar estável. Neste trabalho, o impacto da estratificação estável foi simulado em um fluxo turbulento de canal aberto usando LES. No entanto, também foi possível observar que a parametrização do filtro de sub-grade pode não ter sido o apropriado, pois o espectro de energia tem um pico após o sub-intervalo inercial.