RECOMENDAÇÕES NO USO DA DFC NA ENGENHARIA DO VENTO

RECOMENDAÇÕES NO USO DA DFC NA ENGENHARIA DO VENTO

Jonatan Alves dos Santosa

a Laboratório de Engenharia Computacional (LECOM) / Núcleo de Tecnologia (NT) / Centro Acadêmico do Agreste (CAA), Caruaru, Pernambuco, Brasil.

Palavras-chave: Dinâmica dos Fluidos Computacional, Engenharia do Vento, Simulações numéricas.

Resumo. A dinâmica dos fluidos computacional (DFC) desfruta de uma ampla utilização na área da engenharia do vento. As aplicações estão crescendo apesar do fato de muitos parâmetros que influenciam os resultados da simulação não serem ainda totalmente conhecidos, mesmo em um “simples” caso de um escoamento turbulento incompressível. Quando processos físicos mais complexos vão sendo estudados a simulação é ainda pior. Mesmo assim, muita coisa pode ser aprendida dos resultados de trabalhos anteriores, a respeito de melhores ações na área da engenharia do vento. Este artigo resume o estudo publicado no artigo “Recommendations on the use of CDF in Wind Engineering” (J. Franke), tentando dar um panorama geral de recomendações para o uso da DFC em questões da engenharia do vento.

1 INTRODUÇÃO

As aplicações da DFC na engenharia do vento, chamadas de engenharia do vento computacional (EVC), tem aumentado significativamente nas últimas duas décadas. Apesar do seu uso disseminado, a apreciação geral das aproximações para predições quantitativas e às vezes até mesmo qualitativas é expressa com falta de confiança. Há basicamente dois tipos de parâmetros que agem como fonte de erros nos resultados da DFC. Em primeiro lugar, há erros de modelagem que surgem do modelo de turbulência usado e das condições físicas de contorno aplicadas. Os outros erros vêm das aproximações numéricas. Aqui, a forma da malha, o erro de truncamento do esquema de discretização e o erro de uma incompleta convergência das iterações influenciam a solução. Vários estudos comparativos têm sido conduzidos nos últimos anos para estudar a influência dos diferentes parâmetros na solução. Embora muitas lições possam ser aprendidas através desses estudos nenhum conjunto de recomendações gerais ainda foi criado para aumentar a confiabilidade na EVC. Mas há muitas iniciativas para estabelecer orientações para melhores ações neste campo. Este artigo visa ilustrar algumas dessas orientações, baseado na análise feita por J.Franke e outros pesquisadores no artigo “Recommendations on the use of CDF in Wind Engineering”. Essas orientações se restringem à predição das velocidades médias e a intensidade da turbulência em áreas urbanas, já que elas são necessárias para avaliar o conforto para os pedestres.

2 TÓPICOS RELACIONADOS AO USO DA DFC

Dinâmica dos fluidos computacional (DFC) é, em geral, uma técnica numérica em que equações que descrevem o escoamento do fluido são resolvidas pelo computador. No caso da engenharia do vento computacional o fluxo ocorre normalmente no limite da camada atmosférica. Esta é uma camada limite de turbulência em que no contexto do escoamento em áreas urbanas uma variação nas propriedades do fluido normalmente pode ser negligenciada. Escoamentos turbulentos são descritos pelas tão bem conhecidas equações de continuidade e momento chamadas de Navier-Stokes.

Quando uma simulação numérica é realizada vários aspectos tem que serem levados em conta. Primeiro há o modelo físico do escoamento, que define o sistema de equações que será resolvido. Então o espaço onde o escoamento será computacionalmente definido. Isto é chamado de domínio computacional. Este domínio terá que ser discretizado por uma malha computacional que definirá uma resolução espacial para a solução numérica. Para a discretização das equações nesta malha aproximações numéricas apropriadas tem de ser usadas. Para a solução das equações discretizadas um critério de parada tem que ser incluído no esquema de iterações, uma vez que o sistema de equações na mecânica dos fluidos é não linear. Os resultados devem então ser analisados e se for necessário, algumas das etapas acima deverá ser repetida com adaptações para a solução. Estas etapas serão discutidas a seguir com enfoque em problemas da engenharia do vento.

2.1 Definindo o modelo físico

Aqui as equações básicas para as diferentes aproximações simuladas são brevemente revisadas. Além dos modelos de turbulência que são necessários para parametrizar as escalas irresolutas do escoamento.

2.1.1 Equações básicas

As equações mencionadas acima de Navier-Stokes são conhecidas por serem válidas para a descrição de escoamentos turbulentos. Para resolver diretamente as equações é requerida uma malha muita fina para capturar todas as escalas relativas ao escoamento, até a escala de Kolmogorov (menores escalas em fluxo turbulento. Fisicamente é a menor escala que pode existir sem que seja a transmissão de energia perturbada pela viscosidade), e uma solução que depende de um tempo suficientemente grande para obterem-se médias estáveis das variáveis do fluxo. Esta aproximação é chamada de simulação numérica direta (SND). Como ela demanda um custo computacional muito grande para número de Reynolds tipicamente encontrados na engenharia do vento ela não é aplicável para problemas complexos na área.

A demanda computacional pode ser reduzida substancialmente quando as equações dependentes do tempo são resolvidas numa malha que é mais grosseira para capturar as pequenas escalas do escoamento. Esta aproximação é chamada de simulação de grandes escalas (SGE). As pequenas escalas são removidas das variáveis do fluxo por um filtro espacial das equações de Navier-Stokes. A influência das pequenas escalas então aparece como subfiltros, como tensões nas equações do momento e como termos de contorno. Todos estes termos devem ser modelados em termos da quantidade das grandes escalas computadas.

O método geralmente utilizado para os escoamentos turbulentos na engenharia do vento computacional é a aproximação das Médias de Reynolds e Navier-Stokes (MRNS). Com esta aproximação as equações são médias no tempo sobre todas as escalas de turbulência, para se obter diretamente a solução estatisticamente estável das variáveis do fluxo. Esse método também leva a termos adicionais nas equações do momento conhecidos como tensões de Reynolds que representam os efeitos da variação da turbulência no escoamento, que tem que ser modelados.

2.1.2 Modelos