Simulações em laboratório de escoamentos em meios estratificados

• Main Author: Demarco, Giuliano
• Other Authors: Acevedo, Otávio Costa
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Santa Maria 2017
• Subjects: Experimental; Microexplosão; Túnel de vento; Camada limite; Turbulência; Microburst; Wind tunnel; Boundary layer; Turbulence; CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
• Online Access: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/3916

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico === In the present thesis, two distinct scientific problem in fluid mechanics are studied using laboratory observation techniques. In the first of them, a tank was used to simulate microburst propagation. In the experimental set-up, the flow was driven by combined impinging jet and density perturbations forcing with the aim of determining their relative influence on the overall microburst behaviour and, in particular, the initiation and structural evolution of the resulting vortex. These results were compared with those reported in previous simulation works. Such comparisons showed that the laboratory model may satisfactorily reproduce relevant aspects of a microburst. An expression for the characteristic microburst propagation velocity was derived, accounting for the combined effects of forced velocity and flotation forces generated by the density difference. The vortex structure is largely affected by the forcing type. The succession of vortex is best defined when a large density perturbation is combined with a weak jet impingement. The opposite configuration causes a main vortex to be succeeded by a wake where vortex structures are not clearly defined. In the second part, experiments were conducted in a wind tunnel above a cooled surface with the aim of determining the influence of the thermal stratification on turbulence-related quantities. The experimental apparatus consists of an aluminum plate inserted at the bottom surface of the test section, which is then cooled until 5ºC, so that a stably stratified surface is formed. As wind speeds increase, such a stable layer is soon destroyed. Data show that quantities such as temperature, variances, dissipation rates and turbulent fluxes are substantially reduced when a stratification is present. On the other hand, third and fourth order statistical moments, as well as the mean wind speed are very slightly affected by the stratification. === Neste trabalho, dois problemas científicos distintos de mecânica dos fluídos são estudados utilizando-se técnicas de observação em laboratório. no primeiro deles, utilizou-se observações em tanque para simular microbursts. O escoamento foi induzido através da combinação de dois processos definidos como jato incidente e perturbações de densidade, com o objetivo de determinar a sua influência sobre o comportamento de forma geral do microbursts e, em particular, o começo e a evolução estrutural dos vórtices resultantes. Estes resultados foram comparados com trabalhos anteriores. Uma expressão para a velocidade característica de propagação do microburst foi obtida, representando os efeitos combinados de velocidade forçada e as forças de perturbação gerados pela diferença de densidade, cujas previsões estão em boa concordância com os dados experimentais. A estrutura do vórtice é em grande parte afetada pelo tipo de forçante. A sucessão de vórtices é melhor definida quando a influência da perturbação de densidade se destaca sobre a de jato incidente. A configuração oposta provoca um vórtice principal a ser sucedido por uma esteira, no qual as estruturas dos vórtices não são claramente definidas. Em uma segunda etapa, experimentos foram realizados em túnel de vento sobre uma superfície resfriada para verificar- se a influência da estratificação térmica sobre quantidades associadas a um escoamento turbulento. No aparato experimental, uma placa de alumínio foi inserida na superfície inferior da seção de testes e resfriada até atingir uma temperatura de 5ºC, com o objetivo de verificar a formação de uma camada limite térmica estável e a influência da mesma sobre as grandezas analisadas. É possível observar a formação de uma camada estratificada, e logo destruída conforme os valores de vento aumentam. Os dados analisados, mostram uma redução substancial nos casos de vento mais fraco para as grandezas como temperatura, variâncias, taxas de dissipação e fluxos turbulentos. Por outro lado, momentos estatísticos de terceira e quarta ordem, assim como a velocidade média do vento foram pouco afetados pela estratificação.