Resultados com rede

Figura 4.16: Contorno de Vx na secção de saída: a) do túnel; b) conduta retangular de secção constante.

Figura 4.17: Correspondência entre K e a porosidade. Os pontos marcados definem as redes testadas.

Validação da UDF

As UDF foram aplicadas de modo a modelar a queda de pressão sofrida pelo escoamento, ao atravessar a rede. A figura 4.18 apresenta a evolução da pressão estática ao longo do domínio, para as três redes modeladas, e ainda para o caso sem rede.

Para os três valores de K, a evolução da pressão estática é semelhante. É visível, um aumento progressivo da pressão a montante da rede, próximo das suas imediações (x/L=1). Após a passagem do escoamento pela rede, também é notório para os três casos uma queda abrupta da pressão estática. Deste modo, a evolução da pressão nas imediações da rede, nos casos onde esta é simulada, encontram-se em conformidade com a evolução prevista, tendo por base a bibliografia consultada e que se encontra no capítulo 2.6.3. Adicionalmente, considerando que no caso sem rede, a variação da pressão nessa região é praticamente nula, é, portanto, possível aferir como positiva a eficácia das UDF utilizadas.

Também como era espectável, quanto maior o coeficiente de perda de carga, maior é o aumento de pressão a montante da rede. O mesmo acontece relativamente à queda de pressão após a passagem do escoamento, onde esta também é superior com um coeficiente também ele superior. No entanto, as curvas para as redes com K=3 e K=4, são bastante semelhantes, não só nas imediações da rede, mas ao longo de todo o domínio. Por isso será espectável que o escoamento em ambos os casos, não seja muito díspar.

Figura 4.18: Evolução de pressão estática ao longo do túnel: K=1,5; K=3; K=4; sem rede.

0 50 100 150 200 250 300

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

Pressão estática [Pa]

x/L

sem rede K=1,5 K=3 K=4

𝛽

Velocidade axial

As figuras 4.19, 4.20 e 4.21, permitem visualizar o contorno da velocidade axial, em planos transversais à direção principal do escoamento, distribuídos ao longo do domínio, para os três valores de K testados. Desde logo é observável para as três redes simuladas, valores negativos da velocidade axial, evidenciando assim a presença da bolha de recirculação. Deste modo, e contrariamente ao espe-rado, a sua presença não é evitada para os valores de K usados. De facto, o seu início é em todos os casos semelhante ao caso sem rede, ou seja, a separação do escoamento começa imediatamente no início do difusor.

Todavia, as figuras sugerem que quanto maior o coeficiente de queda de pressão, menor é a extensão da zona de recirculação. Isto permite um maior desenvolvimento do escoamento até ao fim do túnel, e um maior aproveitamento das vantagens do convergente, em comparação com a ausência da rede. De facto, na secção de saída do túnel, os três casos apresentam uma velocidade axial uniforme em praticamente toda a secção, contrastando com os resultados obtidos sem rede, e evidenciando desta forma uma vantagem significativa da sua implementação.

Figura 4.19: Contorno de Vx em planos compreendidos entre a secção de entrada e de saída do túnel, K=1,5.

Figura 4.20: Contorno de Vx em planos compreendidos entre a secção de entrada e de saída do túnel, K=3.

Figura 4.21: Contorno de Vx em planos compreendidos entre a secção de entrada e de saída do túnel, K=4.

Bolha de recirculação

As figuras 4.22 e 4.23, revelam a evolução da velocidade axial média no escoamento principal, adimensionalisada pela velocidade média esperada sem bolha de recirculação (Uteórico), e a área trans-versal ocupada pela bolha de recirculação também ao longo do domínio, respetivamente, para os três valores de K.

Os dados recolhidos evidenciam que em todos os casos estudados, a evolução da bolha de re-circulação é semelhante, até sensivelmente meio do troço do difusor (x/L=0,56). É comum para todos, o curto circuito do escoamento na transição para o difusor, corroborando os dados anteriormente apre-sentados. Para além disso, a distribuição da velocidade axial no escoamento principal é correspondente em todas as simulações. (figuras 4.24, 4.25 e 4.26).

Figura 4.22: Evolução da Vx média na área não ocupada pela bolha de recirculação, adimensionalizada por Uteórico: K=1,5; K=3; K=4; sem rede.

Figura 4.23: Evolução da área ocupada pela bolha de recirculação: K=1,5; K=3; K=4; sem rede.

No entanto, os efeitos da presença da rede tornam-se evidentes nas suas imediações. Quanto maior o coeficiente de queda de pressão, menor é o crescimento da diferença entre Vx média do escoa-mento principal e Uteórico. Ao mesmo tempo verifica-se uma redução do crescimento (K=1,5 e K=3) ou mesmo decréscimo (K=4) da percentagem de área ocupada pela bolha de recirculação. Este fenómeno

0 1 2 3 4 5 6 7

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Vx/Uteórico

x/L

sem rede K=1,5 K=3 K=4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Abolha/Asecção

x/L

sem rede K=1,5 K=3 K=4

bolha, a montante da rede. Assim, para K=4, a área ocupada pela bolha de recirculação junto à rede (x/L=1) é de 76%, comparativamente aos 84% ocupados pela bolha, sem a sua presença.

A jusante da rede a evolução do escoamento é bastante díspar para os diferentes casos. Ao con-trário do caso sem rede, onde a área ocupada da bolha mantem-se relativamente estável ao longo da câmara de tranquilização, e apenas diminui significativamente a sua presença ao longo do convergente.

Com a inclusão da rede, é visível uma queda significativa e relativamente constante da área ocupada pela bolha, imediatamente após a passagem do fluido pela rede. De facto, quanto maior o K, maior é o ritmo de diminuição da bolha, o que leva a que no caso K=4, a bolha de recirculação termine ainda dentro da câmara de tranquilização (x/L=1,45), levando assim a que o troço desta, seja consideravel-mente inferior quando comparado com o caso sem rede (termina a x/L=2,46).

Como espectável, para os três casos, as curvas relativas à velocidade axial adimensionalida por Uteórico acompanham a evolução da presença da bolha. Assim estas tendem para o valor de 1 mais cedo, quanto maior for o valor de K.

Figura 4.24: Contorno de Vx na área não ocupada pela bolha de recirculação, adimensionalizada por Uteórico em planos compreendidos entre o início e o fim da bolha de recirculação, K=1,5.

Figura 4.25: Contorno de Vx na área não ocupada pela bolha de recirculação, adimensionalizada por Uteórico em planos compreendidos entre o início e o fim da bolha de recirculação, K=3.

Figura 4.26: Contorno de Vx na área não ocupada pela bolha de recirculação, adimensionalizada por Uteórico em planos compreendidos entre o início e o fim da bolha de recirculação, K=4.

Pressão

Relativamente à evolução da pressão, adicionalmente à figura 4.18, o contorno da pressão está-tica no plano de simetria do domínio (figura 4.27), revela o efeito provocado pela inserção de redes,

Corroborando os dados anteriores (figura 4.18), é visível um aumento de pressão a montante da rede. O contorno evidencia que para os três casos, na região central do difusor, o aumento de pressão é mais precoce, assemelhando-se assim a um perfil côncavo (apenas representada na figura 4.27), a me-tade superior do perfil). De facto, é expectável que nessa região, a obstrução criada pela rede leve a uma desaceleração do fluido, junto à sua periferia. Isto permite um aumento de pressão nessa região, e in-centive assim a expansão do escoamento principal através do gradiente de pressão criado. Esta expansão a montante da rede, revela-se, no entanto, insuficiente na eliminação da bolha de recirculação, dado que o aumento de pressão nos três casos, não é transversal a toda a secção onde está localizada a rede.

Posteriormente à passagem do fluido pela rede, a pressão diminui significativamente, resultante da perda de carga sofrida de forma a ultrapassar a obstrução criada pela mesma.

Quanto maior o valor de K, maior é a obstrução criada pela rede, dado a diminuição da sua porosidade, criando assim, um aumento superior da pressão a montante da rede, e uma queda também ela superior a jusante.

A evolução da pressão no resto do domínio é similar nas três simulações realizadas, comparati-vamente ao caso sem rede. Nomeadamente no convergente, onde com a aceleração sofrida pelo fluido, surge uma queda progressiva da pressão até 0 Pa na secção de saída, ou seja, iguala a pressão do exterior.

Figura 4.27: Contorno da pressão estática no plano de simetria (alçado principal): a) K=1,5; b) K=3; c) K=4;

Intensidade turbulenta

Já em relação à intensidade turbulenta, a figura 4.28 revela como esta é influenciada pela utili-zação da rede.

A evolução da intensidade turbulenta, até próximo das imediações da câmara de tranquilização (x/L=1) é semelhante para todos os casos. Como referido anteriormente no subcapítulo 4.4.2.4, a bolha

de recirculação e a percentagem de área por esta ocupada, são fatores relevantes para a produção de turbulência. Assim, a queda precoce da área ocupada pela bolha de recirculação verificada sobretudo para as redes com K=3 e K=4, (dentro da câmara de tranquilização onde a percentagem de área ocupada pela bolha é mais elevada para o caso sem rede), leva a que o pico dos valores obtidos para a intensidade turbulenta seja inferior com a utilização da rede. Nos casos K=3 e K=4 esse pico verifica-se ainda dentro do difusor ao invés da câmara de tranquilização.

Posteriormente à passagem do escoamento pela rede, a diminuição da área da bolha é acompa-nhada pela diminuição da intensidade turbulenta, sendo por isso esta mais precoce, quanto mais elevado o valor de K. Em todos os casos a diminuição da intensidade turbulenta, é acentuada pelo fim da bolha.

No entanto, já na secção de saída do domínio, apesar das simulações com rede apresentarem valores de intensidade mais baixos, continuam acima dos valores desejados para um túnel aerodinâmico (aproxi-madamente 5% para as 3 redes testadas).

Figura 4.28: Evolução de 𝐼𝑡𝑢𝑟𝑏 ao longo do túnel para: K=1,5; K=3; K=4 e sem rede.

Escoamentos secundários

No que diz respeito à evolução dos escoamentos secundários ao longo do domínio, as linhas de corrente ao longo de planos transversais à direção principal, para as três redes testadas (figuras 4.29, 4.30 e 4.31), mostram que esta é similar em todos os casos estudados. A influência da incorporação da rede é notória sobretudo no fim precoce de vórtices de grande escala, algo esperado com o fim da bolha de recirculação como já referido anteriormente. Naturalmente quanto maior o valor de K, mais preco-cemente desaparecem os vórtices de grande escala, como indicam os três casos comparados entre si.

Com o fim da bolha de recirculação, as linhas de escoamento revelam para todas as redes testa-das, a reorganização do escoamento na procura de uma maior uniformização da velocidade em x. Isto decorre da assimetria de valores da velocidade axial do escoamento, logo após o fim da bolha de recir-culação, fenómeno também observado para o caso sem rede como anteriormente referenciado. Este fe-nómeno decorre até às imediações da secção de saída do túnel (x/L=3,24).

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Intensidade turbulenta

x/L

sem rede K=1,5 K=3 K=4

Figura 4.29: Linhas de corrente em planos compreendidos entre a entrada e saída do túnel, K=1,5.

Figura 4.30: Linhas de corrente em planos compreendidos entre a entrada e saída do túnel: K=3.

Figura 4.31: Linhas de corrente em planos compreendidos entre a entrada e saída do túnel: K=4.

Sobre o parâmetro α na secção de saída, a figura 4.32 mostra que a utilização da rede diminui o seu valor máximo. Para além disso, as simulações evidenciam um decréscimo do pico atingido, com o aumento de K. Para K=4, o valor máximo de α é de 38 %, contrastando com o valor de 69 % sem rede.

No entanto, para K=4, a secção de saída do túnel apresenta valores mais uniformes de α em toda a secção ao contrário dos restantes casos (incluindo sem rede). Apesar da magnitude dos valores ser semelhante em todos os casos na metade superior à bissetriz de canto da secção, na outra metade, K=4 apresenta valores de α da mesma ordem, ao contrário dos restantes casos, onde estes são significa-tivamente inferiores.

Figura 4.32: Contorno de α na secção de saída do túnel: a) K=1,5; b) K=3; c) K=4.

A figura 4.33 revela o contorno da vorticidade, na secção de saída do domínio, para as três redes simuladas. Em todos os casos o padrão de vorticidade é díspar relativamente ao padrão apresentado para o escoamento turbulento numa conduta não circular. No entanto, são visíveis duas regiões significativas da secção, onde o escoamento apresenta rotação, estando estas a rodar em sentido contrário entre si.

Todavia, não é bissetriz do canto que divide esta duas regiões. Sugere-se assim, que os dois vórtices de grande escala se encontram em formação, em virtude do atraso causado pela presença da bolha de re-circulação no escoamento como já referido.

Figura 4.33: Campo de vorticidade em x na secção de saída para: a) K=1,5; b) K=3; c) K=4.

Velocidade axial na secção de saída

Com o recurso à rede, o escoamento apresenta um contorno de Vx bastante mais homogéneo na secção de saída do domínio (figura 4.34). Principalmente para as redes com K=3 e K=4. Nestes dois casos o contorno de Vx é praticamente uniforme em toda a secção, apenas não o sendo junto às paredes, decorrente da presença da camada limite. No entanto a sua espessura é reduzida, quando comparada com a espessura da camada limite que o escoamento apresentaria numa conduta de secção constante.

Isto acontece devido à presença do convergente, e da aceleração sofrida pelo escoamento.

Deste modo, o contorno de Vx apresentado para K=3 e K=4, é próximo do contorno esperado num túnel aerodinâmico, na sua secção de saída. Tornam-se assim notórios, os benefícios da incorpora-ção do convergente na instalaincorpora-ção, bem como da utilidade da rede, apesar do insucesso na eliminaincorpora-ção da bolha de recirculação.

Figura 4.34: Contorno de Vx na secção de saída do túnel para: a) K=1,5; b) K=3; c) K=4.