Simulação CFD de jatos em espaços confinados

Abstract

A presente tese tem por objetivo o estudo da interação de um jato num escoamento livre. Com este objetivo efetuou-se a modelação do escoamento usando o software de Computação em Dinâmica dos Fluidos – CFD – ANSYS FLUENT. Este baseia-se na utilização da técnica de volumes finitos para a solução das equações de conservação de um fluido: massa, momentum e energia. Neste estudo foram consideradas três situações: interação de um jato com um fluido em repouso; interação de um jato com um fluxo perpendicular e a interação de 13 jatos com um fluxo perpendicular. Neste estudo foram avaliados vários modelos de turbulência e a influência de gradientes térmicos entre os dois fluxos. Os dados obtidos foram comparados com resultados experimentais obtidos por Nunes (2003) num túnel de vento subsónico. De entre os vários modelos de turbulência o k-e mostrou ser o mais adequado. A convergência da solução exigiu um elevado refinamento da malha na região de interação dos fluxos. Os resultados mostram que a injeção cruzada de caudais relativamente pequenos pode provocar o estabelecimento de extensas regiões de interação com a corrente principal, acompanhadas da criação de vórtices, os quais contribuem, eficazmente, para a rápida mistura das duas correntes. A simulação CFD de temperatura para um jato mostrou que a 30D ocorre um alargamento da pluma que abrange quase metade da secção transversal e uma boa homogeneização, então a 120D ocorre o alargamento da pluma que abrange quase a totalidade da secção transversal e uma óptima homogeneização. A simulação CFD de temperatura para 13 jatos mostrou que já a partir de 30D, ocorre um alargamento toroidal da pluma e uma boa homogeneização. Verifica-se que quer para 1 e 13 jatos, quanto menor a temperatura do jato, mais alta é a posição da pluma a 120D a jusante da injeção, tal situação deve-se ao fenómeno da conveção natural.

This thesis aims to study the interaction of a jet in a free-flowing. With this aim was carried out by modeling the flow field using the software on Computational Fluid Dynamics - CFD – ANSYS FLUENT. This is based on the use of the finite volume technique for solving the conservation equations of fluid: mass, momentum and energy. In this study, three cases were considered: interaction with a jet of a fluid at rest; interaction of a single jet with a cross-flow and the interaction of 13 jets in cross flow. In this study, various turbulence models and the influence of thermal gradients between the two streams were evaluated. The data obtained were compared with experimental results obtained by Nunes (2003) in a subsonic wind tunnel. Amongst the various turbulence models the k-e proved to be the most suitable. The convergence of the solution required a high mesh refinement in the region of interaction flows. The results show that the injection of relatively small cross-flow rates can cause the establishment of large regions of interaction with the main flux, accompanied by the creation of eddies, which contribute effectively to rapid mixing of the two streams. A CFD simulation of temperature showed that a jet 30D is an extension of the plume covering almost half of the cross section and a good homogeneity, then the extension of the plume 120D which covers almost the entire cross section and an optimum mixing occurs. The CFD simulation temperature to 13 jets showed that a toroidal extension of the plume and a good homogenization starting 30D downstream of the injection point, occurs.