Simulação numérica do escoamento em difusores radiais usando o método da fronteira imersa

Abstract

Nesse trabalho resolve-se numericamente o escoamento em difusores radiais, os quais têm sido utilizados como modelo para o estudo do escoamento em válvulas automáticas de compressores de refrigeração. As equações governantes do escoamento, escritas no sistema de coordenadas cilíndricas, são resolvidas utilizando um código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos. O Método da Fronteira Imersa, em conjunto com o Modelo Físico Virtual, foi implementado no código numérico e utilizado para representar a região sólida imersa no escoamento. Inicialmente, o código numérico foi utilizado para resolver o problema do escoamento em torno de um cilindro de base quadrada, como parte do processo de validação do código. O confronto dos resultados numéricos com dados da literatura indicou a validação parcial do código. Posteriormente, realizou-se um estudo preliminar do comportamento da solução do escoamento no difusor radial em relação a diversos parâmetros geométricos e de simulação numérica, com o objetivo de identificar a configuração numérica capaz de fornecer, simultaneamente, resultados satisfatórios com o menor custo computacional. Usando esta configuração, o código numérico foi validado através da comparação dos resultados da distribuição de pressão sobre o disco frontal (palheta) do difusor com dados experimentais da literatura, para duas distâncias entre disco frontal e disco inferior (assento), s=0,02 e 0,025 cm, e números de Reynolds variando entre 1500 e 2500. As comparações entre esses resultados mostraram que a metodologia utilizada é adequada para estudar o problema. Finalmente, a geometria do disco inferior foi modificada através da inserção de um chanfro com três ângulos de inclinação (30, 45 e 60º), com o objetivo de avaliar sua influência sobre o comportamento da distribuição de pressão sobre o disco frontal...

In this work the flow in radial diffusers, which have been used as a model to study the flow in refrigeration compressors valves, is solved numerically. The governing equations, written in cylindrical coordinates, are solved using a numerical code based on the Finite Volume Method. The Immersed Boundary Method, with the Virtual Physical Method, was implemented in the numerical code and used to represent the solid region immersed in the flow. Initially, the numerical code was used to solve the flow around a square base cylinder, as part of the code validation. The comparison of the numerical results with literature data indicated the partial validation of the code. Afterwards it was performed a preliminary study of the behavior of the flow solution in the radial diffuser relating to several geometrical and numerical parameters, with the objective of identifying a configuration capable of providing, simultaneously, satisfactory results with the smaller computational cost. Using this configuration, the numerical code was validated through the comparison with experimental pressure distribution on the frontal disk (reed) for two gaps between the frontal disk and inferior disk (seat), s=0.020 and 0.025 cm, and Reynolds numbers varying between 1500 and 2500. These comparisons have shown that the implemented methodology is suitable to study this problem. Finally, the inferior disk geometry was modified by inserting a chamfer with three inclination angles (30, 45 e 60º), with the objective of evaluating its influence on the pressure distribution on the frontal disk. The decreasing of the total pressure gradient through the flow for increasing inclination angles indicates less amount of energy to drive the flow. This is an important result that can be used to design refrigeration compressors with lower compression power