Publicação: Estudo fluidodinâmico em regime laminar de escoamentos em uma região anular cilíndrica com movimento angular
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::AERODINAMICA
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Resumo
Dentro do cenário de expansão tecnológica, com as novas possibilidades de tratativas geradas
com os avanços computacionais, o estudo de casos particulares de fenômenos físicos se fez
cada vez mais viável. A área de Mecânica dos Fluidos é uma das que mais necessita de estudos
para entendimentos destes fenômenos pela necessidade de, didaticamente, analisar e prever
consequências e causas de comportamentos físicos entre fluido estrutura. Dessa forma, o
presente trabalho apresentou uma análise de Fluidodinâmica Computacional (CFD) de um caso
particular de escoamento laminar, sendo este confinado, com movimento angular, preenchido
com um fluido isotérmico e incompressível em uma região anular cilíndrica. Foram feitos
quatro estudos de casos com a variação das velocidades angulares aplicadas às paredes dos
cilindros. O primeiro caso tratou da parede externa rotacionando e a interna estacionária, o
segundo da parede externa estacionária e a interna rotacionando, o terceiro das paredes
rotacionando em mesmo sentido e o quarto das paredes rotacionando em sentidos opostos. Para
a análise do caso, foi feita uma comparação da solução analítica, encontrada pelas equações de
conservação de quantidade de movimento, com a solução numérica, obtida utilizando de um
software Fluent. A solução análitica aplicou as condições de contorno impostas às paredes,
sendo possível então encontrar as soluções que representassem o perfil de velocidade dentro
da região anular e comparar com as soluções numéricas. Nesse sentido, o estudo principal deste
trabalho foi voltado para o desenvolvimento do método utilizado para representar o escoamento
dentro da região anular cilíndrica, sendo constituido por etapas de construção de geometria,
preenchimento de malha, inserção das condições de contorno e a simulação propriamente dita.
O trabalho apresentou satisfatórios resultados encontrados pela simulação dos casos quando
comparados a solução analítica. Nesse sentido, a utilização de uma malha que gerasse pouco
esforço computacional fez com que o perfil de velocidade fosse muito semelhante ao perfil
analítico, com desvios médios menores que 2%. Dessa maneira, o principal ganho obtido com
este trabalho se dá pelo aproveitamento das ferramentas gráficas do Fluent para ajudar a
representar soluções de um ponto didático dos que são utilizados na graduação.
Abstract
Within the scenario of technological expansion, new possibilities for dealings generated with
computational advances, the study of particular cases of physical phenomena has become
increasingly viable. The Fluid Mechanics area is one of the areas that most needs studies to
understand these phenomena, due to the need to didactically analyze and predict the
consequences and causes of physical behavior between fluid and structures. Thus, the present
work presented a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a particular case of laminar
flow, which is confined, with angular movement, filled with an isothermal and incompressible
fluid in an annular cylindrical region. Four case studies were carried out with the variation of
angular velocities applied to the cylinder walls. The first case dealt with the external wall
rotating and the internal stationary, the second with the external wall stationary and the internal
rotating, the third of the walls rotating in the same direction and the fourth of the walls rotating
in opposite directions. For the analysis of the case, a comparison of the analytical solution,
found by the mass and momentum conservation equations, with the numerical solution,
obtained using a Fluent software, was made. The analytical solution applied the boundary
conditions imposed on the walls, and it was then possible to find the solutions that represented
the velocity profile within the annular region and compare with the numerical solutions. In this
sense, the main study of this work was focused on the development of the method used to
represent the flow within the annular cylindrical region, consisting of steps of geometry
construction, mesh filling, insertion of boundary conditions and the simulation itself. The work
presented satisfactory results found by simulating the cases. In this sense, the use of a mesh
that generated little computational effort made the velocity profile very similar to the analytical
profile, with deviations of less than two percent. Thus, the main gain obtained with this work
is due to the use of Fluent's graphic tools to help represent solutions from a didactic point of
those used in graduation.
Palavras-chave
Computacional dinâmica dos fluidos, Computational fluid dynamics, Mecânica dos fluidos, Fluid mechanics, Escoamento laminar, Laminar flow, Escoamento anular, Annular flow, Fenômenos de transporte, Transport phenomena
Citação
SOUSA, Igor Matheus Moreira da Silva. Estudo fluidodinâmico em regime laminar de escoamentos
em uma região anular cilíndrica com movimento angular. 2021. 59 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Aeronáutica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022.