Análise numérica da interação entre escoamentos a baixos números de reynolds e cilindros apoiados em base elástica

Abstract

Neste trabalho são apresentadas análises numéricas do fenômeno de Vibração Induzida por Vórtices (VIV) que ocorrem na interação entre escoamentos uniformes e cilindros apoiados em base elástica a baixos números de Reynolds. As simulações são realizadas através do modelo numérico Ifeinco, que usa o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos para discretizar as equações de Navier-Stokes e uma formulação Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). O movimento de corpo rígido do cilindro é descrito pelo uso do método de Newmark. Primeiramente, foram realizadas

análises de convergência em relação ao tamanho do domínio computacional, adotando- se um tamanho de 100D (onde D é o diâmetro do cilindro). Após, é analisado o

comportamento do escoamento para o cilindro fixo na faixa de número de Reynolds entre 90 e 140, onde é estudada a formação de vórtices e analisada a distribuição de pressão e tensão na superfície do cilindro, o ângulo de separação, as forças de arrasto e de sustentação e o número de Strouhal. Em todos os casos, os resultados obtidos pelo Ifeinco ficaram muito próximos aos obtidos experimentalmente e numericamente por outros autores. As diferenças observadas nas comparações de números de Strouhal, forças de arrasto e sustentação foram respectivamente de 0,16%, 0,32% e 0,51%. Posteriormente é realizada a análise do cilindro apoiado em base elástica (com uma mola e um amortecedor) na direção transversal ao escoamento para os mesmos Reynolds já mencionados. São estudados os campos de pressão e velocidade ao redor do cilindro, as forças de sustentação e arrasto e as amplitudes e frequências de vibração. Foram analisadas a amplitude e a frequência de vibração na zona de ressonância ou de sincronização (lock-in), comparando-se os resultados obtidos com os de outros autores. Observaram-se comportamentos muito semelhantes entre os resultados obtidos pelo Ifeinco e os experimentais e numéricos.

Numerical analyses of the vortex-induced vibration (VIV) phenomenon which occurs in the interaction among uniform flows and elastically mounted cylinders at low Reynolds numbers are presented in this study. The simulations are carried out by using the Ifeinco numerical model that employs a semi-implicit two-step Taylor-Galerkin method to discretize the Navier-Stokes equations and an arbitrary lagrangean-eulerian formulation (ALE). The rigid body motion is described by using the Newmark method. Firstly, a convergence analysis is carried out in relation to the size of the computational domain, by adopting a size of 100D (where D is the diameter of the cylinder), and to the mesh discretization, by choosing 200 divisions on the cylinder boundary. Afterwards, the flow behavior of the fixed cylinder and Reynolds numbers between 90 and 140 is analyzed. The vortex formation is studied and the pressure and stress distributions on the cylinder surface, the angle of separation, the drag and the lift forces and the Strouhal number are analyzed and compared with other experimental and numerical results. In all cases, the results obtained by Ifeinco are very similar to those obtained by other authors. The differences among numerical and experimental results in terms of Strouhal numbers and drag and lift forces are 0.16%, 0.32% and 0.51%, respectively. Then, analyses of a flexible supported cylinder (with a spring and a damper) in transverse direction subject to flows with Reynolds numbers ranging from 90 to 140 are carried out. The pressure and the velocity fields around the cylinder, the lift and the drag forces and the amplitudes and the frequencies of vibrations are studied. Amplitude and frequency of vibration in the resonance zone (lock-in) are analyzed. Similar behavior of the results obtained by Ifeinco, experiments and other numerical simulations is observed.