Simulação numérica de Roll Waves em escoamentos turbulentos

Abstract

Roll waves são instabilidades que, em condições favoráveis, podem surgir em escoamentos com superfície livre e que se propagam como um trem de ondas com velocidade e comprimento bem definidos. Tais instabilidades podem ocorrer em fluidos newtonianos como fluidos não newtonianos, em regime laminar ou turbulento. Tal fenômeno pode surgir em canais artificiais, mas também em ambientes naturais por decorrência de desastres naturais, transporte por gasodutos e até mesmo em artérias humanas. Quando ocorrem em desastres naturais, as roll waves, devido à amplitude e velocidade de propagação, acabam potencializando os danos causados. Nesse trabalho é proposto a simulação de roll waves em fluido newtoniano em regime turbulento, usando os modelos de turbulência 𝑘������������ − 𝜀������������ e 𝑘������������ − 𝜔������������ disponíveis no software Ansys Fluent, afim de se averiguar qual modelo de turbulência fornece resultados mais condizentes com os experimentos realizados por Brock (1969). É realizado também um estudo sobre o perfil de velocidade ao longo de um comprimento de onda, assim como da tensão de cisalhamento no fundo do canal, na presença de roll waves. No contexto numérico, verificou-se que o método do Courant fixo se mostrou vantajoso (30% mais rápido) em relação ao passo de tempo fixo. O modelo de turbulência 𝑘������������ − ω foi o que mais se ajustou aos dados experimentais, no cenário dos modelos testados. Por fim, um estudo de caso para verificar a geração de instabilidades naturais (sem a inserção de uma frequência de perturbação) em um vertedouro de barragem é simulado utilizando-se o modelo de turbulência 𝑘������������ − 𝜔������������. Verificou-se que as instabilidades são geradas, mas não formaram um trem de ondas típico de roll waves forçadas estabilizadas.

Roll waves are instabilities which, in favorable conditions, may appear in free surface flows as a train of waves with well defined velocity and length. Such instabilities may occur in Newtonian fluids as well as in non Newtonian fluids and in both laminar and turbulent flows. Such phenomenon may appear in artificial channels, but also in nature after natural disasters, pipeline transportation and even human arteries. When they happen in natural disasters the roll waves end up amplifying the damage caused, due to their amplitude and velocity of propagation. In this case a roll waves simulation in a Newtonian fluid in turbulent flow is proposed, using different models of turbulence available on the software Ansys Fluent, to verify which turbulence model provides results closer to Brock's experiment (1969). The velocity profile in the wave length is also studied, as well as the shear stress at the bottom of the channel in the presence of roll waves. In the numerical context, the fixed Courant method was proven to be more advantageous, in relation to the fixed time step (30% faster). The turbulence model 𝑘����������� − ω was the method that was closest to the experimental data in the tested models.. A case of study for roll waves generation in a dam spillway was also simulated using the 𝑘����������� − 𝜔����������� turbulence model. Finally, a case study to verify the generation of natural instabilities (without inserting a disturbance frequency) in a dam spillway is simulated using the k-ω turbulence model. It was found that instabilities are generated, but did not form a wave train typical of stabilized forced roll waves.