Simulação numérica direta de camada cisalhante compressível com fonte de calor

• Main Author: Sandro Fonseca Quirino
• Other Authors: Marcio Teixeira de Mendonça
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2006
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/MTC-m13@80/2007/01.16.12.05

No presente trabalho são feitas uma simulação numérica direta (SND) de camada de mistura em regime compressível com fonte de calor em seu interior, numa análise temporal bidimensional para um escoamento em regime subsonico. A fonte de calor apresenta-se como um modelo simplificado de um escoamento reativo. A simulação parte de um escoamento laminar acrescido de uma perturbação. A simulação calcula a evolução temporal das condições iniciais onde as perturbações são amplificadas, formando os vórtices característicos da instabilidade de Kelvin-Helmholtz. O escoamento instantaneo é periódico na direção longitudinal e na direção normal aplicam-se condições de contorno de Dirichlet e Neumann. Para pontos dentro do domínio a discretização espacial é feita pelo método de diferenças finitas de 6a ordem nas duas direções. Para pontos próximo da fronteira e na fronteira, na direção normal, usou-se extencil de diferenças finitas de 5a ordem. A integração temporal foi feita usando um método de Runge-Kutta de 4a ordem. A simulação numérica direta permite resolver as equações com todos os termos, convectivos e viscosos, sem qualquer simplificação das equações. Os métodos de alta ordem possibilitam trabalhar numa faixa de número de onda maior que os métodos de baixa ordem, com pouca dissipação e dispersao numérica. A fonte de calor é somada na equação da energia, representando o calor liberado por uma reação química de combustão. A camada cisalhante com fonte de calor permite estudar o efeito do calor na formação do vórtice de Kelvin-Helmholtz, permitindo ter informações a respeito do processo de transição à turbulencia. Os resultados mostram que a combinação de geração de calor e compressibilidade reduz significativamente a taxa de amplificação da perturbação retardando o processo de transição à turbulência e consequentemente contribuindo negativamente para o processo de mistura dos fluidos que constituem a camada de mistura. === In this work a Direct Numerical Simulation of a compressible and subsonic mixing layer with heat source is performed in a two-dimensional temporal analysis. The heat source is a simplified model of a reacting flow. The simulation starts from a initial condition given by a disturbance superposed on a laminar flow. The simulation considers the temporal evolution of the given initial conditions, where the disturbances are amplified forming the characteristic vortices of a Kelvin-Helmholtz instability. The instantaneous flow is limited in the streamwise direction by periodic conditions and by Dirichlet and Neumann boundary conditions in the normal direction. For interior points the discretization is done using 6th finite dierences. For points near the boundaries and on the boundaries 5th order finite dierences are used. The temporal integration uses a 4th Runge-Kutta scheme. The Direct Numerical Simulation allows the solution of all terms in the Navier-Stokes equation, including convective and viscous terms, without any additional simplification. The high order methods allow the correct representation of a larger number of spatial scales with low dispersion and dissipation errors. The heat source is added to the energy equation and represents the hear released by a combustion chemical reaction. The shear layer with a heat source allows the study of head addition to the Kelvin-Helmholtz vortices and the transition to turbulence. The results show that the combination of heat addition and compressibility reduces significantly the amplification of disturbances, delaying the transition to a turbulent regime end contributing negativelly for the process of mixture of fluids in the mixing layer.