Estudo experimental do escoamento em cavidades retangulares: padrões de escoamento e instabilidades hidrodinâmicas na camada cisalhante

Abstract

Este trabalho traz uma investigação experimental do escoamento em cavidades retangulares com razões de aspectos de 1⁄2 a 10 para números de Reynolds na faixa de 103 a 104. Os experimentos foram conduzidos em um canal de superfície livre em circuito fechado, projetado e construído no âmbito de um trabalho anterior, inserido dentro desta mesma linha de pesquisa. Antes do início da presente campanha experimental, este aparato foi inteiramente reestruturado, efetuando-se os ajustes e reparos necessários à correção dos problemas de funcionamento identificados no trabalho precedente. Após esta etapa, testes preliminares foram executados, incluindo o levantamento do envelope operacional do aparato e a medição dos níveis de vibração na seção de testes, com o propósito de qualificação do equipamento para a realização deste estudo. No que concerne aos ensaios das cavidades, visualizações de escoamento foram efetuadas, utilizando-se três diferentes tipos de traçadores: corante líquido, bolhas de hidrogênio e partículas sólidas. Com o auxílio de uma iluminação adequada, todas as técnicas se mostraram capazes de fornecer elementos importantes para a observação das mudanças nos padrões de escoamento produzidas por alterações nos parâmetros que governam este tipo de escoamento – o número de Reynolds e a razão de aspecto. Especial atenção foi dada à obtenção de informações quantitativas e qualitativas do escoamento na camada cisalhante das cavidades, cujas características intrínsecas favorecem a formação e a propagação de instabilidades de Kelvin-Helmholtz. Medições de velocidade por anemometria de filme quente também foram efetuadas, visando a obtenção do comportamento característico St x Re para cada cavidade ensaiada. Curvas do tipo St = A Re–b, onde A e b são constantes...

This work is concerned with an experimental investigation of the flow in rectangular cavities with aspect ratios from 1⁄2 to10, for Reynolds number between 10 3 and 104. Experiments have been conducted in a free surface water channel developed in a previous work inserted in the same field of research. Before beginning the experimental runs, that apparatus has been fully redesigned. Adjustments and repairs have been performed in order to correct some operation problems previously identified. After that phase, preliminary tests have been done to obtain the operating envelope and qualify the apparatus in terms of vibration level. With regard to tests of cavities, different methods of flow visualization have been employed – liquid dye injection, hydrogen bubbles generation, and seeding of solid particles. By using a proper lighting, all these techniques have allowed to observe flow patterns changes as a function of aspect ratio and Reynolds number. Particular attention has been dispensed to obtain quantitative and qualitative information about the periodic behavior of the shear layer, where Kelvin-Helmholtz instabilities are produced. Hot film measurements have also been performed to obtain St x Re curves for each cavity tested. Correlations of the form St = A Re–b have been fitted to experimental data, where A and b are constants for each case investigated. As possible, results have been compared with numerical and experimental data from the literature and a good agreement has been reached. The results presented here... (Complete abstract click electronic access below)