Galeria de exemplos de Mecânica Computacional

A maior parte das aplicações de mecânica de fluidos em problemas de engenharia pode ser classificada em uma de duas grandes áreas: escoamentos compressíveis ou escoamentos incompressíveis. Em alguns problemas importantes, no entanto, o escoamento apresenta os comportamentos compressível e quase-incompressível em regiões diferentes do mesmo domínio de análise. Este é o caso, por exemplo, do vazamento de vapor à partir de um vaso contendo água pressurizada. Além disso, mesmo os velozes escoamentos da indústria aeronáutica apresentam o comportamento quase-incompressível em regiões onde a velocidade local aproxima-se de zero, como no interior de camadas-limite e junto a pontos de estagnação.

Foi desenvolvida uma nova formulação de elementos finitos para análise de escoamentos compressíveis e quase-incompressíveis. O método apresenta bom desempenho na solução de escoamentos internos e externos, desde o regime subsônico até o regime supersônico de escoamento. Em particular, a formulação permite simular escoamentos a números de Mach extremamente pequenos, sem a necessidade de adotar o modelo incompressível. Note que isto permite manter a equação de estado do fluido na modelagem do problema, sendo esta uma condição necessária para tornar a metodologia aplicável a escoamentos bifásicos com mudança de fase entre água e vapor e vice-versa.

As figuras a seguir ilustram aplicações da formulação desenvolvida, tanto para escoamentos de gás perfeito, quanto para escoamentos bifásicos modelados como misturas localmente homogêneas.

Referências:

P.A.B. de Sampaio & M.L. Moreira, A New Finite Element Formulation for Both Compressible and Nearly Incompressible Fluid Dynamics, International Journal for Numerical Methods in Fluids , Vol. 32, pp. 43-67, 2000.

M.L. Moreira & P.A.B. de Sampaio, Simulation of All Speed Two-Phase Flow. In: Proceedings of the International Conference on the New Frontiers of Nuclear Technology: Reactor Physiscs, Safety and High Performance Computing (PHYSOR 2002), Seoul, Korea, 2002.

Escoamento termicamente estratificado em uma cavidade simulado como quase-incompressível (Número de Mach menor que 1.35E-4): isolinhas de temperatura e número de Nusselt local junto à parede fria.

Escoamento compressível/quase-incompressivel ao redor de um aerofólio NACA0012 com ângulo de ataque de 10 graus: O número de Mach da corrente livre é Mach = 2.0, indicando escoamento compressível. No entanto, a velocidade vai a zero junto à superfície do aerofólio, de modo que o escoamento tem comportamento quase-incompressível no interior da camada limite. Da esquerda para a direita: malha adaptativa, densidade e número de Mach local indicando a camada limite e o choque na frente do aerofólio.

Mudança de fase por efeitos de compressibilidade: injeção de vapor saturado a alta velocidade em canal contendo vapor inicialmente nas mesmas condições termodinâmicas. De cima para baixo: número de Mach local e título do vapor.

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