Estudo sobre o fenômeno da biestabilidade de escoamentos turbulentos em bancos de tubos de arranjo triangular

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca do fenômeno da biestabilidade em bancos de tubos de arranjo triangular submetidos a escoamento cruzado turbulento. São estudados os escoamentos sobre dois tubos dispostos lado a lado, três tubos e bancos de tubos que variam de uma a cinco fileiras, com até 23 tubos em arranjo triangular. 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 em canal hidráulico utilizando injeção de tinta. 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 através de imagens obtidas das filmagens realizadas com uma câmera digital. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade para dois tubos dispostos lado a lado, que é o caso clássico apresentado na literatura e para três tubos em arranjo triangular, onde um tubo posicionado a montante e dois a jusante. Para uma fileira de tubos não é identificada a biestabilidade em canal aerodinâmico. Existe um estado estável que pode mudar entre dois experimentos consecutivos, mas sempre estável. Porém, as visualizações de escoamento em canal hidráulico mostram a ocorrência da biestabilidade para um dos modos do escoamento. Para duas fileiras de tubos a biestabilidade também é identificada, e para a terceira, quarta e quinta fileiras o escoamento que emana das fendas entre os tubos apresenta uma rápida alternância, de um lado para outro, com a presença de uma componente transversal, observada a partir das visualizações. A técnica de visualização de escoamento empregada em canal hidráulico corrobora a interpretação dos resultados obtidos através da técnica de anemometria de fio quente em canal aerodinâmico.

This work presents an experimental study concerning the bistability phenomenon in banks of tubes of triangular arrangement submitted to a turbulent cross flow. The flow through two tubes located side by side, three tubes and banks of tubes with one to five rows is studied, with a maximum of 23 tubes in triangular arrangement. The experimental techniques consists in the measurement of the fluctuating velocities in an aerodynamic channel, using hot wire anemometry technique, and in a water channel, by means of flow visualizations in using ink injection. Analysis of hot wire experimental results is made through statistical, spectral and wavelet tools and the results of the flow visualizations are presented through pictures obtained from digital movies. The results confirm the existence of the bistability phenomenon for two tubes located side by side that is the classical case presented in the literature and for three tubes in triangular arrangement, where one tube is located upstream and two downstream. For one row of tubes the bistability is not identified in aerodynamic channel. There is a stable state that can change between two consecutive experiments, but never bistable. However, the flow visualizations in water channel show the occurrence of the bistability for one of the flow modes. For two rows of tubes the bistability is also identified, and for the third, fourth and fifth rows the flow that emanates from the gaps between the tubes present a flip-flop behavior, with the presence of a transverse component, observed from the visualizations. The applied flow visualization technique in water channel supports the interpretation of the results obtained through the hot wire anemometry technique in the aerodynamic channel.