Estudo computacional da estabilidade hidrodinâmica de cavidades em uma camada limite compressível subsônica

Autor(es)

Marlon Sproesser Mathias

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/SBD)
• Data de defesa: 2021-12-07

Membros da banca

Marcello Augusto Faraco de Medeiros; André Valdetaro Gomes Cavalieri; Ardeshir Hanifi; Gherhardt Ribatski; Theofilis Vassilios

• Orientador: Marcello Augusto Faraco de Medeiros

Resumo

Estudamos o efeito de pequenas cavidades, ou outras descontinuidades, na transição de um escoamento do regime laminar para o turbulento sobre uma placa plana. Entender o mecanismo de transição para turbulência é de grande importância para a redução de arrasto em um projeto aerodinâmico, o que impacta, por exemplo, o consumo de combustível de um avião. Prever corretamente a região da transição para turbulência ainda é um desafio, especialmente ao considerar parâmetros como imperfeições da superfície ou tolerâncias de manufatura. Idealmente, os projetistas de um avião devem balancear os custos de fabricar superfícies mais lisas com seus benefícios. Duas ferramentas computacionais são usadas. Primeiro, um código de Simulação Numérica Direta (DNS) é usado para simular e escoamento, tanto sozinho quanto somado de perturbações criadas para simular a transição natural. A segunda ferramenta é um código de estabilidade linear (LST) que calcula os modos do escoamento, este algoritmo é do tipo time-stepping e analisamos suas fontes de erros e desenvolvemos diretrizes para obtenção resultados ótimos. Ambas as ferramentas foram projetadas para capturar um amplo espectro de oscilações, mesmo com amplitudes baixas, o que é essencial para tal modelagem pois a transição natural depende da interação de múltiplos modos com diferentes frequências e de amplitudes muitas ordens de grandeza menores que o escoamento. Existem muitos trabalhos anteriores que estudam a transição natural em uma placa plana ou os distúrbios causados por descontinuidades na superfície, mas a interação entre esses dois fenômenos ainda está aberta para investigação. Estudamos dois cenários diferentes: quando a cavidade é muito maior do que a camada limite; e quando são de magnitudes comparáveis, chegando a conclusões semelhantes. O aumento do número de Mach tem um efeito geralmente desestabilizador nos modos 2D da cavidade. Razões maiores entre o tamanho da cavidade e a espessura da camada limite também aumentam a instabilidade. Em seguida, comparamos os resultados de estabilidade linear com simulações não lineares. Também concluímos que, embora os modos 2D sejam geralmente mais linearmente instáveis, a presença de modos 3D é essencial para uma simulação precisa do escoamento. Por fim, comparamos nossos resultados com trabalhos experimentais e concluímos que quando modos 2D e 3D são instáveis em uma pequena cavidade aberta, ela pode causar uma transição de by-pass na camada limite. (AU)

• Processo FAPESP: 18/04584-0 - Estudo computacional do efeito de uma pequena cavidade sobre a transição de uma camada limite compressível
• Beneficiário: Marlon Sproesser Mathias
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado