Estudo CFD do Convergente de um Túnel Aerodinâmico - Pereira, Gonçalo Miguel Domingos Espada (2017)
O Laboratório de Mecânica de Fluidos e Termodinâmica Aplicada (LMFTA) encontra-se equipado com um túnel aerodinâmico de circuito fechado, utilizado para investigação científica e para estudos encomendados. Devido ao cuidado e aos custos que a sua operação requer, não se encontra disponível para utilização não supervisionada por parte dos estudantes. Existe a necessidade de dotar o LMFTA com um túnel aerodinâmico de pequenas dimensões para fins didáticos. Este trabalho visa ser um estudo inicial para o seu projeto. Para este trabalho, tomou-se como objetivo identificar a melhor geometria para o convergente do túnel aerodinâmico, recorrendo à ferramenta dos fluidos computacional, FLUENT®, tomando como ponto de partida um ábaco disponível na literatura, desenvolvido para redução da área da secção circular de condutas, definindo o contorno do convergente por dois ramos de parábola cúbica, coincidentes no ponto de inflexão (PI) do convergente. São estudadas diversas posições para este ponto ao longo do comprimento do convergente, com vista a identificar eventuais formas do convergente que conduzam a perturbações indesejáveis no escoamento. Os objetivos do estudo CFD são: analisar o escoamento em convergentes de secção circular, quer na região interdita, quer na permitida do ábaco e determinar a geometria do convergente que apresenta os melhores resultados para o escoamento à entrada da secção de teste; determinar a melhor razão de áreas, entre a entrada e a saída do convergente, 4:1 ou 9:1; compreender qual a melhor forma de estender as indicações do ábaco a convergentes de secção não circular. Identificam-se modelos de turbulência, disponibilizados pela ferramenta computacional, para o estudo do escoamento no interior do túnel aerodinâmico. Foi ainda objetivo do trabalho, modelar a queda de pressão na rede a jusante do divergente do túnel, recorrendo a User Defined Function escrita propositadamente, atuando numa zona delimitada do domínio, em que a pressão decresce com a velocidade do escoamento. O escoamento dos diferentes convergentes estudados é comparado através de diversos critérios: variação do Cp, do Cf e parâmetros que permitem determinar se a camada limite se encontra prestes a separar – a espessura da quantidade de movimento longitudinalmente (θ), a espessura de deslocamento (*) e o fator de forma (H) são obtidos através de medições num pequeno número de secções antes, depois e no PI do contorno. Para avaliar estas medidas é necessário obter primeiro uma espessura da camada limite (). A definição habitual de u=0,99U mostra-se inadequada para os perfis de velocidades que apresentam deformações em relação ao escoamento completamente desenvolvido. Foi desenvolvido um processo robusto para obter valores de delta com mais significado. Concluiu-se que a ferramenta computacional identificou com sucesso a zona do ábaco onde ocorre separação do escoamento, para os convergentes mais curtos. O contorno do convergente associado a c/L=0,3 apresenta o melhor compromisso entre um escoamento de qualidade e o menor comprimento. A melhor razão de áreas a aplicar entre a entrada e a saída do convergente é a 9:1. Para condutas de secção retangular, deve ser utilizado o seu diâmetro hidráulico para a interpretação do ábaco. Foi criada com sucesso a UDF que permite modelar numericamente os elementos de redução de turbulência do escoamento.