SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM ESCOAMENTO TURBULENTO SOBRE UM DEGRAU

  • Vinicius Weiler
  • Felipe Denardin Costa
  • Ronald Wiliam Assunção da Silva
  • Thiago Ferreira Gomes
  • Adrián Caresani da Cruz
  • Rafael Maroneze
Rótulo Simulações, numéricas, Degrau, PALM, Vórtice

Resumo

Em geral, áreas urbanas apresentam temperaturas mais elevadas em relação a zonas rurais, uma vez que as propriedades térmicas dos materiais e a geometria das cidades possuem um papel fundamental nos processos de troca de energia na forma de calor, impactando as condições térmicas do ambiente. Nos últimos anos, a verticalização das grandes cidades tornou-se uma tendência mundial. Além da verticalização das cidades, a emissão de gases poluentes está acelerando com o aumento da população mundial, resultando em impactos negativos na qualidade do ar. As características de um escoamento e dispersão de poluentes em cânions urbanos não dependem apenas das condições meteorológicas, mas também da geometria da cidade. As simulações numéricas de escoamentos sobre, ou em torno de, geometrias simples/idealizadas nos fornecem conceitos básicos, fundamentais para o entendimento dos escoamentos mais complexos como um escoamento sobre uma área urbana real. Escoamentos a jusante de um edifício, ou em vertedores em degraus ("skimming flow), são complexos e apresentam regiões de descolamento da camada limite, recirculação e recolamento da camada limite devido a mudança brusca na geometria. O escoamento em um degrau, como os descritos anteriormente, é vastamente abordado na literatura, e são conhecidos como Backward-Facing Step (BFS) O presente trabalho tem como objetivo analisar um escoamento neutro a jusante de um edifício de 13 andares, cuja sua altura(h) em relação a rua é de 40 m. A simulação numérica foi realizada com o modelo atmosférico PALM, que utiliza um modelo de turbulência de simulação de grandes turbilhões (Large Eddy Simulation LES). O domínio computacional é constituído por um paralelepípedo cuja as arestas são xd=360 m, yd=60 m e zd = 80 m, onde o edifício (degrau) ocupa as posições entre x= 0 m e x= 38 m, sendo 180 o número de células ao longo do eixo x, 30 ao longo do eixo y e 40 ao longo do eixo, a distância entre duas células vizinhas é de 2 m, em ambas as direções. Foi assumido como condição inicial e de contorno um perfil de velocidade do vento constante e igual a 5 m s-1, condições de contorno não cíclicas foram adotadas ao longo dos eixos x e y, e uma condição de free-slip no topo do domínio. Após atingir a estacionariedade, o escoamento simulado, cujo o número de Reynolds é da ordem de 106, apresentou à jusante do degrau um grande vórtice de recirculação, provocado por um gradiente adverso de pressão ocasionado por uma mudança súbita na geometria do canal aberto. A distância entre o ponto de recolamento e o degrau, chamada de comprimento de recolamento, é de aproximadamente 5,8 vezes maior que a altura do degrau (altura h do edifício) de acordo com os valores apresentados na literatura. Simulações DNS apresentam um segundo vórtice de recirculação próximo a borda do degrau, que não é observado neste trabalho. Esse fato pode estar associado a grade grosseira utilizada na presente simulação uma vez que ela é homogênea ao longo de todo domínio, e não possui um maior refinamento próximo ao degrau. Ambos os resultados obtidos no presente trabalho estão de acordo com a literatura, um fato importante a ser destacado é que o presente trabalho se encontra em fase inicial de desenvolvimento e como perspectivas futuras para sua continuidade, simulações com diferentes geometrias, que se aproximem de um cânion urbano, serão realizadas. Nas próximas simulações pretende-se se considerar os mecanismos de transferência de energia na forma de calor sensível entre as superfícies e o fluído, de modo que seja possível analisar os efeitos da estratificação térmica sobre o escoamento, de modo que a simulação possa cada vez mais se aproximar de uma situação real.

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Publicado
2022-11-23
Como Citar
WEILER, V.; DENARDIN COSTA, F.; WILIAM ASSUNÇÃO DA SILVA, R.; FERREIRA GOMES, T.; CARESANI DA CRUZ, A.; MARONEZE, R. SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM ESCOAMENTO TURBULENTO SOBRE UM DEGRAU. Anais do Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, v. 2, n. 14, 23 nov. 2022.