Publicação: Implementação e validação de modelos de fechamento da turbulência algébricos explícitos
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Resumo
A Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) constitui uma ferramenta fundamental
para a análise de escoamentos turbulentos de interesse científico e industrial. No entanto,
a modelagem adequada da turbulência permanece como um dos principais desafios da área,
especialmente em escoamentos com forte anisotropia, separação e rotação. Neste trabalho,
foram implementados e avaliados modelos algébricos explícitos para o fechamento das
tensões turbulentas, a saber, o modelo EASM (Explicit Algebraic Stress Model) para
simulações URANS e o modelo EASSM (Explicit Algebraic Subgrid Stress Model) para as
Simulações de Grandes Estruturas (LES), no ambiente do código MFSim, desenvolvido
no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia. Os
resultados obtidos foram comparados com dados experimentais e com previsões fornecidas
pelos modelos k–ε e Smagorinsky. No caso do degrau, o modelo EASM apresentou boa
concordância qualitativa, embora discrepâncias nos perfis de velocidade tenham sido
associadas a baixos valores do coeficiente de viscosidade efetiva. Para o escoamento sobre
o prisma, o EASM mostrou melhor capacidade de representar a natureza transiente e os
momentos de segunda ordem quando comparado ao modelo k–ε. No contexto LES, o modelo
EASSM apresentou desempenho consistente, tanto no degrau quanto no prisma triangular,
reproduzindo adequadamente os perfis médios de velocidade e as principais características
do escoamento turbulento. Devido ao elevado custo computacional associado à simulação
LES do ciclone, a análise deste escoamento foi restrita a uma janela temporal relativamente
pequena, o que não foi suficiente para a convergência estatística dos momentos de segunda
ordem. Ainda assim, os campos médios e os perfis da componente tangencial da velocidade
indicaram comportamento fisicamente coerente do modelo EASSM, reforçando o potencial
da abordagem adotada. De forma geral, os resultados indicam que os modelos EASM e
EASSM foram implementados de maneira consistente e apresentam desempenho promissor
na representação de escoamentos turbulentos complexos, mesmo em malhas de resolução
moderada. O trabalho contribui para a ampliação das capacidades do código MFSim e
estabelece uma base sólida para investigações futuras.
Abstract
Computational Fluid Dynamics (CFD) constitutes a fundamental tool for the analysis
of turbulent flows of scientific and industrial interest. However, the accurate modeling
of turbulence remains one of the main challenges in the field, particularly for flows
characterized by strong anisotropy, separation, and rotation. In this work, explicit
algebraic models for turbulence closure were implemented and evaluated, namely the
Explicit Algebraic Stress Model (EASM) for Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes
(URANS) simulations and the Explicit Algebraic Subgrid Stress Model (EASSM) for
Large Eddy Simulation (LES), within the MFSim code developed at the Fluid Mechanics
Laboratory of the Federal University of Uberlândia. The results obtained were compared
with experimental data as well as with predictions from the standard k–ε and Smagorinsky
models. For the backward-facing step flow, the EASM model exhibited good qualitative
agreement, although discrepancies in the velocity profiles were associated with low values
of effective viscosity. For the flow over a triangular prism, the EASM demonstrated
an improved capability to represent the strongly unsteady nature of the flow and the
second-order moments when compared to the k–ε model. In the LES framework, the
EASSM model showed consistent performance for both the backward-facing step and the
triangular prism cases, adequately reproducing the mean velocity profiles and the main
features of the turbulent flow. Due to the high computational cost associated with the
LES simulation of the cyclone flow, the analysis of this configuration was restricted to a
relatively short temporal window, which was insufficient to achieve statistical convergence
of the second-order moments. Nevertheless, the mean fields and tangential velocity profiles
indicated physically coherent behavior of the EASSM model, reinforcing the potential
of the proposed approach. Overall, the results indicate that the EASM and EASSM
models were implemented in a consistent manner and exhibit promising performance in
the representation of complex turbulent flows, even on moderately resolved meshes. This
work contributes to the extension of the MFSim code capabilities and provides a solid
foundation for future investigations.
Palavras-chave
Modelagem da Turbulência, Turbulence Modelling, Dinâmica dos Fluidos Computacional, Computational Fluid Dynamics, Escoamentos Turbulentos, Turbulent Flows, Modelos Algébricos Explícitos, Explicit Algebraic Models, Degrau, Backwards-Facing Step, Prisma, Bluff-Body, Ciclone, Cyclone
Citação
BRITO, Danilo Ricardo de. Implementação e validação de modelos de fechamento da turbulência algébricos explícitos. 2026. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.5042.