Análise por simulação numérica do desprendimento de vórtices de um cilindro circular em movimento forçado

Abstract

O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco de muitas pesquisas. Escoamentos ao redor de cilindros constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências. Neste trabalho procurou-se estudar a dinâmica do escoamento ao redor de um cilindro circular submetido a um movimento forçado analisando as alterações ocorridas na formação da esteira de vórtices. Para a realização das simulações foi utilizada a técnica de Simulação Numérica Direta (DNS), com um esquema de diferenças finitas compacto de sexta ordem, em associação com um método de representação virtual das fronteiras do cilindro. Quatro tipos de trajetória foram estudadas: uma trajetória com oscilação transversal, onde o cilindro é forçado a mover-se na direção transversal em relação ao escoamento, uma trajetória elíptica, uma trajetória em arco e uma trajetória em oito. Buscou-se identificar as principais características destes escoamentos, como os modos e freqüências de desprendimento de vórtices na esteira formada, coeficientes hidrodinâmicos e parâmetros estatísticos pertinentes ao fenômeno estudado. As simulações foram realizadas com diferentes amplitudes longitudinais de movimento sendo que a freqüência de movimento do cilindro foi mantida constante para as trajetórias elíptica, em arco e em oito. Os resultados para o caso do cilindro com oscilação transversal representaram bem os fenômenos físicos ocorridos neste tipo de escoamento. Foi possível identificar as fronteiras da região de lock-in primário através das variações bruscas nos coeficientes hidrodinâmicos e do ângulo de fase entre o deslocamento do cilindro e a força de sustentação. No caso das simulações com trajetória elíptica e número de Reynolds Re = 140, alterações significativas foram identificadas na esteira de vórtices à medida que a amplitude longitudinal do movimento era modificada. Nas simulações com Re = 400 e trajetória transversal, notou-se a formação de uma esteira com dois vórtices e duas camadas cisalhantes. Comparando esta simulação com os resultados das simulações em trajetória elíptica, foram observadas alterações no padrão de desprendimento, sendo formado um par de vórtices na região superior da esteira e um vórtice simples na região inferior (padrão assimétrico P+S). Comparando as simulações com trajetória elíptica e sentidos de movimento opostos, notou-se que o escoamento se inverte, evidenciando um efeito de memória deste escoamento que é função do sentido adotado para a trajetória. Tanto a amplitude de deslocamento longitudinal quanto o tipo de trajetória imposta ao cilindro influenciam significativamente os padrões da esteira de vórtices formada.

The study of flow around submerged bodies has been the focus of many researches. Flow around cylinders are systems of great practical interest in many fields of engineering and other sciences. This work aims to study the flow dynamics around a circular cylinder under a forced movement by analysing changes in the patterns of the wake. The simulations were performed through the Direct Numerical Simulation technique (DNS), with a sixth-order compact finite differences scheme associated to a virtual boundary method to represent the cylinder surface. Four trajectories were studied: a trajectory with transversal oscillation; a trajectory on elliptical curve; a trajectory in arc curve and a trajectory in eight curve. The main features of these flows were identified, e.g. modes and vortex shedding frequencies, hydrodynamic coefficients and statistical parameters. The simulations were performed with different streamwise movement amplitude, where the movement frequency was held constant for the elliptical, arc and eight trajectories. The results for the cylinder in transversal oscillation successfully represented the physical phenomena. It was possible to identify the boundaries of the primary lock-in region through jumps in the hydrodynamical coefficients and the phase angle between the cylinder displacement and the lift force. For the simulations with elliptical trajectory and Reynolds number Re = 140, significant changes were identified in the wake as the streamwise displacement of the cylinder was modified. In simulations with Re = 400 and transversal trajectory, two vortex and two shear layers could be observed. Comparing this simulation with simulations in elliptical trajectory, changes in the vortex shedding pattern were observed. A vortex pair was formed in the top of the wake and a single vortex in the lower wake ( asymmetrical mode P+S). Comparing the simulations with elliptical trajectory and opposite directions of movement, it was noted that the flow is reversed showing some effect of memory due to the direction of the trajectory. Both the amplitude of streamwise displacement and the trajectory type may result in different patterns in the wake.