Estudo numérico do modelo de geração de vórtices em cilindros fixos

Abstract

As geometrias cilíndricas estão presentes em diversas estruturas como plataformas, prédios e torres. O escoamento de fluído sobre estas geometrias pode resultar em sistemas complexos de desprendimento de vórtices, causando vibrações e movimentos indesejados, conhecidos como fenômenos de Vortex Induction Vibration (VIV) e Vortex Induction Motion (VIM). Estes fenômenos são objeto de estudo nas fases de projeto de muitas estruturas, como as plataformas monocolunas e spar, a partir de cilindros de seção transversal circular. Portanto, é de interesse o entendimento do modelo de geração de vórtices que originam os fenômenos de VIV e VIM nas estruturas cilíndricas como forma de compreensão de sua origem física. Neste cenário, o presente trabalho tem o objetivo de estudar o modelo de emissão de vórtices em um cilindro engastado utilizando o programa OpenFOAM, que é gratuito e de código aberto, com uma abordagem didática e de fácil reprodução. Primeiramente procede-se a um estudo qualitativo e quantitativo de um cilindro bidimensional engastado com Re = 10000, validando e verificando os resultados obtidos. Posteriormente é estudado qualitativamente a simulação de um cilindro tridimensional com razão de aspecto, comprimento sobre diâmetro (L/D) igual a cinco, também com Re = 10000 e engastado. Este último é conduzido de forma preliminar e dentro dos recursos computacionais disponíveis. A abordagem do estudo é eminentemente baseada em simulações numéricas, a partir da metodologia Computational Fluid Dynamics (CFD), utilizando o método Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes (URANS), aplicando processos de verificação e validação. O modelo bidimensional reproduziu o desprendimentos dos vórtices principais presentes em dados experimentais e também apresentou vórtices secundários próximo à parede do cilindro, este último reportado em estudos numéricos na literatura. Quando analisado quantitativamente em seus coeficientes de arrasto, sustentação e número de Strouhal o modelo não foi completamente validado, devido a erros associados ao modelo de turbulência k ??? ! SST. No estudo do modelo tridimensional recuperou-se algumas estruturas típicas do modelo de emissão de vórtices em cilindros finitos enquanto outras estruturas foram insinuadas. Por fim, verificou-se possíveis melhoras para simulações futuras.

Cylindrical geometries are frequently present in structures such as oil platforms, buildings and towers. The flow around these type of geometries may result in complex vortex shedding systems, hence resulting in undesirable motion and vibration known as Vortex Induction Vibration (VIV) and Vortex Induction Motion (VIM) phenomena. These phenomena are studied in the early project’s stages of many structures, such as monoculumns and spar oil platforms, using circular cylinders. Therefore, there is interest to understand the vortex system that initiate the VIV and VIM phenomena in cylindrical geometries, in order to identify their physical source. The goal of this paper is to study flow model in circular clamped cylinder using the software OpenFOAM, which is freeware and open source, approaching the problem in a didactic way and easily reproducible. Firstly, a qualitative and quantitative study is performed in a two-dimensional clamped circular cylinder for Re = 10000, verifying and validating the results. Secondly, a threedimensional simulation is performed and qualitatively analyzed. This simulation is conducted in a three-dimensional clamped circular cylinder with an aspect ratio length per diameter (L/D) equal to five, also for Re = 10000. This study is based on numerical simulations, using the Computer Fluid Dynamics (CFD) and the Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes (URANS) method, verified and validated. The two-dimensional simulation recovers the main vortex shedding presented in experiments. Also finds secondary vortex presented in the near wall behind the cylinder, the last reported in others numerical studies. When analyzed quantitatively upon the drag and lift coefficients and the Strouhal number, the simulation could not be completely validated because of turbulence modeling errors from the turbulence model k - ! SST. The three-dimensional study could not be deeply analyzed with the computational resources available, however some typical structures of vortex in finite cylinders were recovered meanwhile, some structures were indicated but not developed. Finally, improve for future simulations in finite cylinders have been identified.