Estudo numérico de escoamentos turbulentos com convecção forçada em cavidades cilíndricas: comparação entre LES e RANS

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo numérico comparando o emprego da Simulação de Grandes Escalas (LES) e Modelagem Clássica (RANS) com o modelo k -ε para a predição dos campos médios e estatísticos em um escoamento turbulento com convecção forçada em cavidades cilíndricas (escoamento de base cisalhante livre) a Re D = 22000 e Pr = 0.71. No âmbito da convecção forçada, o principal propósito é verificar se o uso das diferentes metodologias para abordagem da turbulência pode conduzir a diferenças consideráveis nos fluxos convectivos nas superfícies da cavidade. Além disso, as diferenças dos campos médios e estatísticos de temperatura também são importantes para futuras análises de escoamentos com mecanismos combinados de convecção e radiação térmica em meios participantes, i.e., investigando a influência das Interações Turbulência-Radiação (TRI). As equações de conservação são resolvidas através do Método de Volumes Finitos (FVM). Os resultados revelaram que o jato apresentou uma maior penetração na cavidade cilíndrica para a simulação realizada com LES, enquanto um maior espalhamento radial foi observado no caso com o modelo RANS k -ε. Apesar de apresentarem uma tendência similar, diferenças significativas foram observadas para os campos médios, estatísticos e fluxos convectivos preditos com LES e RANS. Palavras-chave: LES, RANS, turbulência.The present work presents a numerical study comparing the employment of Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) with k -ε model for prediction of time-averaged and statistics fields for a forced convective turbulent flow in cylindrical cavities (free shear flow) at Re D = 22000 and Pr = 0.71. In the forced convective framework, the main purpose is to verify whether the use of different methodologies for turbulence approach can led to large differences in convective fluxes in the cavity surfaces. Moreover, the differences between the time-averaged fields of temperature and its statistics predicted with both methods are important for future analyses of turbulent flows with combined convective and radiative transfer in participant medium, i.e., investigating the Turbulence-Radiation Interactions (TRI). The conservation equations are solved by means of Finite Volume Method (FVM). Results revealed that the jet showed a higher penetration into the cylindrical cavity for simulation with LES, while a larger scattering in the radial direction is noticed for the simulations with RANS k -ε. In spite of the qualitatively similarity, it was noticed strongly differences between time-averaged, statistics and convective fluxes predicted with LES and RANS.