Autor: Filipe Branco Teixeira (Currículo Lattes)
Resumo
Este trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, transiente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada que incide sobre um arranjo triangular de corpos rombudos quadrados de aresta D. A geometria do problema é avaliada com o método Design Construtal. O problema possui duas restrições, a primeira dada pela soma das áreas dos corpos rombudos e a segunda referente à área de ocupação máxima do arranjo, que neste caso é 6D × 6D, além de dois graus de liberdade: SL/D (razão da distância longitudinal entre o centro do corpo rombudo frontal e o centro dos corpos rombudos posteriores, e a dimensão de suas arestas) e ST/D (razão da distância transversal entre o centro dos corpos rombudos posteriores e a dimensão de suas arestas). Em todas as simulações serão considerados números de Reynolds e Prandtl iguais à ReD = 22.000 e Pr = 0,71 respectivamente. As equações temporais médias de conservação da massa, quantidade de movimento e energia são solucionadas através do Método dos Volumes Finitos, pelo software de CFD Ansys® Fluent® e a turbulência é resolvida através da modelagem clássica da turbulência (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes) com fechamento através do modelo SST -k-w. O objetivo do estudo é avaliar como a variação da geometria influencia o coeficiente de arrasto (CD) e o número de Nusselt (NuD) entre os corpos rombudos e o escoamento circundante. Também se avalia o coeficiente de sustentação (CL) e o número de Strouhal (St) para análise do desprendimento de vórtices no escoamento. Foi realizada uma avaliação da modelagem matemática e um estudo de estratégias de geração de malha capaz de validar/verificar o modelo numérico. Observou-se que o estudo da turbulência, mesmo de forma bidimensional, com a modelagem SST - k-w, é capaz de representar os fenômenos associados ao problema proposto de forma consistente, desde que um grande refinamento local nas regiões de parede seja implementado. Uma malha não estruturada com refinamento local totalmente estruturado foi utilizada para verificar/validar parâmetros médios em um escoamento turbulento com convecção forçada sobre um corpo rombudo. A comparação com a literatura para CD, NuD e St médios no espaço e tempo quando o escoamento atinge um regime estabilizado apresentaram desvios tão baixos quanto 0,43%, 0,79% e 0,56% respectivamente. Na avaliação geométrica do arranjo, constatou-se que o melhor caso fluidodinâmico reduziu o CD em até 73,5% comparado ao pior caso, já no estudo térmico, o caso ótimo aumentou o NuD em 29,0%. Devido a isto, a análise multiobjetivo apontou para SL/D = 5,0 e ST/D = 2,0 como as razões ótimas do arranjo, coincidindo com o caso ótimo para o objetivo fluidodinâmico.