Simulação Numérica da Interação de um Jato com um Escoamento Cruzado para Diferentes Configurações de Bocal

Abstract

Nesta dissertação irá ser apresentado um estudo computacional de um jato de bocal circular e quadrado através de um escoamento cruzado para três razões de velocidade. Este estudo é o primeiro estudo que se foca na configuração do bocal recorrendo ao modelo RANS, pretendendo-se avaliar o impacto que a forma do bocal tem num jato através de um escoamento cruzado, nomeadamente na mistura entre os dois fluidos e na penetração do jato no escoamento cruzado. Assim, pode-se entender alguns dos processos existentes num jato através de um escoamento cruzado que estão presentes em situações reais, tais como no arrefecimento de pás de turbinas, na injeção de combustível em queimadores, na descarga de efluentes em rios, etc. O estudo numérico foi realizado recorrendo ao software ANSYS Fluent. Este baseia-se na utili- zação da técnica de volumes finitos para a solução das equações de conservação de um fluido, utili- zando um acoplamento entre a pressão e a velocidade. Para este estudo foi utilizado o modelo de turbulência k-ε Realizable e o algoritmo SIMPLE. A abordagem inicial para este estudo consistiu na criação de um domínio computacional seme- lhante ao presente em Salewski et al. (2008) com o objetivo de validar a malha gerada para o problema. Para as simulações serem realizadas com um menor esforço computacional, modelou-se apenas me- tade do domínio, em que este foi cortado ao meio pelo plano de simetria. Em seguida, realizou-se a independência das malhas, e simulou-se para cada razão de velocidade o caso de estudo em cada bocal. No total foram simulados seis casos, com três razões de velocidade para cada bocal, e analisa- ram-se os campos de velocidade, de pressão, de escoamento através das linhas de corrente, e a trajetória. Com os resultados obtidos, concluiu-se que a penetração do jato no escoamento cruzado au- menta com o aumento da razão de velocidades, e que para uma mesma razão de velocidades é maior para o bocal circular. É verificado também que a distância entre os vórtices do CVP (Counter-Rotating Vortex Pair) é menor no bocal circular do que no bocal quadrado. Para cada configuração de bocal verifica-se que a distância entre os vórtices do CVP aumenta à medida que a razão de velocidades cresce. No que toca ao enrolamento dos vórtices do CVP, denota-se um maior enrolamento para os vórtices criados a partir do bocal circular.

In this dissertation, a computational study of a circular and square nozzle jet through a crossflow for three velocity ratios will be presented. This study is the first study that focuses on the nozzle config- uration using the RANS model, aiming to evaluate the impact that the shape of the nozzle has on a jet through a crossflow, namely on the mixing of jets and the penetration of the jet in the crossflow. Thus, it is possible to understand the existing processes in a jet through a crossflow that are presented in real situations, such as in the cooling of turbine blades, in the injection of fuel in burners, in the discharge of effluents in rivers, etc. The numerical study was performed using the ANSYS Fluent software. This is based on the use of the finite volume technique for the solution of the conservation equations of a fluid, using a coupling between pressure and velocity. For this study the k-ε Realizable turbulence model and the SIMPLE algorithm were used. The initial approach for this study consisted in the creation of a computational domain similar to one presented by Salewski et al. (2008) in order to validate the mesh generated for the problem. For the simulations to be performed with less computational effort, only half of the domain was modeled, in which it was cut in half by the symmetry plane. Then, the mesh independence was performed, and the case study was simulated for each velocity ratio in each nozzle. In total, six cases were simulated, with three velocity ratios for each nozzle, and the fields of velocity, pressure, flow through the streamlines, and the trajectory were analyzed. With the results obtained, it was concluded that the penetration of the jet in the crossflow in- creases with the increase of the velocity ratio, and that for the same velocity ratio it is greater for the circular nozzle. It is also verified that the distance between the vortices of the CVP (Counter-Rotating Vortex Pair) is smaller in the circular nozzle than in the square nozzle. For each nozzle configuration it is verified that the distance between the CVP vortices increases as the velocity ratio increases. Regard- ing the winding of the CVP vortices, there is a greater winding for the vortices created from the circular nozzle.