Simulação computacional de escoamentos com barreiras porosas artificiais

Abstract

O objetivo deste trabalho é testar as capacidades de simulação de escoamentos com barreiras porosas artificiais em Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics (CFD)), de um software comercial. O software em questão é o CFX versão 19.0, propriedade da ANSYS, que será avaliado por comparação com resultados experimentais. Os casos selecionados para avaliação são constituídos por uma vasta gama de porosidades e características inerentes, que variam entre 0 e 50% de porosidade. É também feito o estudo de influência do modelo de turbulência de modo a concluir qual dos utilizados é a melhor escolha para a simulação de escoamentos com barreiras porosas. O primeiro caso a ser estudado consiste na análise do escoamento no rasto de uma barreira sólida, em seguida, a avaliação de um escoamento com uma barreira com 50% de porosidade e por último o estudo do rasto de uma barreira em que a porosidade é variada entre 5% e 20%. Após os estudos de validação do software é feita uma caracterização experimental de várias barreiras com porosidades diferentes, de maneira a avaliar os seus parâmetros, os quais são usados para modelar a barreira no software CFD, com intuito a prever o seu comportamento em aplicações reais. No caso de estudo de uma situação real, nomeadamente de um canal de remo destinado à competição de alto nível, pretende-se caracterizar a distribuição de velocidade no rasto da barreira de modo a selecionar a configuração mais favorável à redução da velocidade.Ambos os objetivos da tese foram concretizados, verificou-se que o software era capaz de reproduzir resultados com elevado grau de confiança tendo particular atenção à definição dos parâmetros do meio poroso e à escolha do modelo de turbulência (dos testados o modelo k-ω SST foi o que apresentou melhor concordância).

The goal of this thesis is to test simulation capabilities and reliability for flows with artificial porous fences on Computational Fluid Dynamics (CFD) software. A series of experimental cases will be benchmarked in CFX version 19.0, proprietary software from ANSYS to evaluate its capabilities.The selected cases cover a wide range of fence porosities and parameters, which vary from 0% to 50% porosity. A study regarding the influence of turbulence models is also made to verify which of the used models is best for porous fence simulations. The first case to be studied consists in the analysis of the wake of a solid fence, followed by the evaluation a flow with a 50% porosity fence, and finally a study of the wake of a fence with porosity varying from 5% to 20%.After the software benchmarking tests, an experimental characterization of various porous fences was done to introduce the fences parameters in the simulation software to predict its behavior in real life applications. In the real-life case study, namely of a rowing canal destined to high level competition, with intend to characterize velocity distribution in the fence wake and select the configuration which is more favorable to reduce wind velocity.Both goals where accomplished, the software was able to replicate with a high degree of certainty, to obtain these results fences parameters need to be well-defined and the choice of the turbulence model is critical (of the models tested k-ω SST was the most reliable with good agreement with the results).