Marcela Lima Santos

Título

ESTRUTURAS DE SEÇÃO CIRCULAR SOB AÇÃO DE VENTO VIA SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE ALTA FIDELIDADE

Orientador(es)

Michèle Schubert Pfeil

Alvaro Luiz Gayoso de Azeredo Coutinho

               

Resumo

Estruturas esbeltas de torres e chaminés comumente apresentam seções transversais circulares e estão, recorrentemente, submetidas a ação do vento capaz de induzir significativas vibrações à estrutura devido ao fenômeno de desprendimento de vórtices. Portanto, é de fundamental importância compreender como o escoamento se desenvolve em torno da estrutura. Nesta perspectiva, o presente estudo focaliza o desenvolvimento de simulações numéricas de alta fidelidade do escoamento em torno de estruturas de seção circular rígidas fixas. Inicialmente, é estudado um caso de estrutura troncocônica sob regime transicional, de laminar para turbulento, e os resultados são comparados com resultados numéricos disponíveis na literatura. Em sequência são desenvolvidos uma série de 8 casos considerando dois tipos de geometria, cilíndrica e troncocônica, sob diferentes condições de escoamento permanente e transiente. A configuração de perfil de velocidade de vento é admitida como uniforme e cisalhante, a elevados números de Reynolds; alguns casos são comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. A solução das equações de Navier-Stokes incompressíveis em 3D é obtida pela Dinâmica dos Fluidos Computacional 3D (CFD), via método dos elementos finitos, considerando o modelo de turbulência LES de Smagorinsky. Os resultados enfatizam os efeitos tridimensionais decorrentes da variação de velocidade do vento incidente e do diâmetro do cilindro ao longo da altura além do efeito de topo nas características do escoamento relativas ao fenômeno de desprendimento de vórtices. Estes efeitos são revelados em função de um parãmetro adimensional proposto para este fim, o qual expressa a magnitude dos citados gradientes.

Abstract

Slender structures of towers and chimneys commonly have circular cross-sections and are repeatedly subjected to wind action capable of inducing significant vibrations to the structure due to the phenomenon of vortex detachment. The cylindrical or tapered structures are more susceptible to this phenomenon than those with great cross-section variation. Therefore, it is of fundamental importance to understand how the fiow develops around the structure. In this perspective, the present study focuses on the development of high fidelity numerical simulations of the flow around rigid fixed circular structures. Initially, a case of tapered structure under a transitional regime, from laminar to turbulent, is studied, and the results are compared with numerical results available in the literature. In sequence, a series of 8 cases are developed considering two types of geometry, cylindrical and tapered, under difierent conditions of permanent and transient fiow. The wind speed profile configuration is admitted as uniform and shear, at high Reynolds numbers; some cases are compared with experimental results available in the literature. The solution of the incompressible Navier-Stokes equations in 3D is obtained by 3D Computational Fluid Dynamics (CFD), using the finite element method, considering Smagorinsky's LES turbulence model.The results emphasize the three-dimensional effects from the variation of the incident wind velocity and the diameter along the height as well as the top effect on the flow characteristics related to the vortex shedding phenomenon. These effects are revealed as a function of a dimensionless parameter proposed for this purpose, which expresses the magnitude of these gradients.

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