Simulação numérica do escoamento de jatos impingentes axissimétricos confinados

Abstract

O jato impingente constitui um problema clássico da mecânica dos fluidos, cuja dinâmica é fortemente dependente do número de Reynolds, do grau de confinamento e de outros parâmetros que caracterizam geometricamente o problema. No presente trabalho, jatos impingentes com diferentes níveis de confinamento foram investigados numericamente. Para tanto, utilizou-se um código computacional baseado no método dos volumes finitos, que resolve as equações de Navier-Stokes escritas em coordenadas cilíndricas bidimensionais. Com a finalidade de diminuir custos computacionais, a simetria azimutal do problema foi considerada na definição do domínio de cálculo. O disco frontal, sobre o qual incide o jato, foi modelado de duas formas distintas: a) com o auxílio do método da fronteira imersa baseado no modelo físico virtual ou b) mediante a imposição de viscosidade infinita na região por ele ocupada. A comparação entre resultados destas simulações permitiram avaliar a eficiência do método da fronteira imersa, no que diz respeito ao tempo de cálculo e à sua capacidade para representar fisicamente o problema abordado. Além disso, testes de performance do código foram também realizados utilizando-se diferentes esquemas de transporte advectivo - power law, upwind, central difference e híbrido. Simulações foram realizadas variando-se o diâmetro de ambos os discos (impingente e confinante), o afastamento entre eles e o número de Reynolds do escoamento. Para a representação de escoamentos com números de Reynolds elevados, a metodologia de simulação de grandes escalas foi implementada, com o uso da modelagem clássica de Smagorinsky e da função de amortecimento de van Driest

The impingent jet is a classical problem of fluid mechanics, whose dynamics is strongly dependent on the Reynolds number, the confinement level and other parameters that characterize the geometrically problem. In this study impingent jets with different confinement levels have been numerically investigated. For this purpose, an in-house computational code based on finite volume method, which solves the Navier-Stokes equations written in two-dimensional cylindrical coordinates has been used. To save computational costs the problem has been treated as azimuthally symmetrical. The frontal disc was modeled in two different ways: a) by means of an immersed boundary method based on the virtual physical model b) by imposing infinite viscosity in the region occupied by the disc. Comparison among results has allowed to evaluate the performance of the immersed boundary method in terms of computational costs and ability to represent the physical features of the flow. Besides, tests of the code performance have also been carried out employing different advective schemes, i.e. power law, upwind, central difference, and hybrid. Simulations have been performed by varying the diameter of both disks (impingent and confining), the gap between them, and the Reynolds number. To represent turbulent flows, Large Eddy Simulation has been implemented in the code, using the classical Smagorinsky model and the damping function of van Driest