Simulação de grandes escalas de escoamentos incompressíveis com transferência de calor e massa por um método de elementos finitos de subdomínio

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é a simulação numérica de escoamentos viscosos, incompressíveis e transientes, com transferência de calor e massa; através do método de elementos finitos de subdomínio; usando a metodologia de simulação de grandes escalas para a modelagem da turbulência. Algumas aplicações de interesse são as simulações de escoamentos com transporte de um escalar, como nos casos de dispersão de poluentes induzida pelo movimento do ar atmosférico. O domínio é discretizado usando elementos finitos quadrilaterais de nove nós e as equações são integradas em volumes de controle ao redor dos nós dos elementos finitos. As equações governantes passam por um processo de filtragem, devido à metodologia aplicada, Simulação de Grandes Escalas (LES - Large-Eddy Simulation), e desta forma as maiores escalas são resolvidas diretamente através da solução das equações de Navier-Stokes filtradas, enquanto que as menores escalas ou escalas submalhas são modeladas, pelo modelo de viscosidade turbulenta de Smagorisnky. Alguns casos testes bidimensionais clássicos são resolvidos para validação do código e os resultados são apresentados e comparados com resultados disponíveis na literatura. Alguns poucos casos de dispersão de poluentes em geometrias que simulam cânions de ruas (urban street canyons) foram também simulados.

The main purpose of this work is the numerical simulation of viscous, incompressible and unsteady fluid flows by a sub-domain finite element method, using the methodology of large-eddy simulation (LES) for turbulence modeling. Some applications of interest are isothermal and thermal flows with transport of scalar variable such as the pollutant dispersion in the atmosphere by airflow. The domain is discretized using nine-nodes quadrilateral finite elements and the equations are integrated into control volumes around the nodes of the finite elements. The government equations are submitted to a filtering process for application of LES methodology, in which the large scales are directly solved using the filtered Navier-Stokes equations, while the small or sub-grid scales are modeled by the eddy viscosity model of Smagorinsky. Two-dimensional benchmark problems are solved to validate the numerical code and the results are presented and compared with available results from the literature. Some cases of pollutant dispersion in geometries that simulate urban street canyons have been also simulated.