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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2012.tde-13062013-155709
Documento
Autor
Nome completo
Reinaldo Marcondes Orselli
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Meneghini, Julio Romano (Presidente)
Aranha, José Augusto Penteado
Pimenta, Marcos de Mattos
Silveira Neto, Aristeu da
Silvestrini, Jorge Hugo
Título em português
Investigação numérica de escoamento e ruído gerado em corpos rombudos prismáticos.
Palavras-chave em português
Acústica
Aerodinâmica de aeronaves
Dinâmica dos fluidos
Geometria e modelagem computacional
Resumo em português
Muitos componentes de máquinas, equipamentos e meios de transporte podem ser representados na forma de corpos rombudos cujos deslocamentos em meio fluido podem gerar ruído. Nesse contexto, a tese tem como proposta o estudo da previsão numérica do ruído gerado oriundo do escoamento em torno de corpos rombudos. Como exemplo representativo de um corpo rombudo, o som gerado do escoamento ao redor de um cilindro é estudado. O escoamento em torno de um cilindro é considerado com esteira tridimensional e turbulenta na condição do regime subcrítico, que é caracterizado pela separação da camada limite no regime laminar. O escoamento em torno de um cilindro é obtido através da simulação numérica não-estacionária considerando domínio computacional tridimensional. Para lidar com a turbulência e a tridimensionalidade, o escoamento é resolvido utilizando a metodologia de simulação de grandes escalas (LES). O domínio computacional é discretizado pelo método de volumes finitos. O ruído é calculado separadamente utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H), cuja equação de onda tem como termo fonte a solução do escoamento fornecida pela simulação numérica. Na analogia de FW-H, a flutuação de pressão acústica é obtida no campo afastado assumindo um meio quiescente entre a região das fontes sonoras (campo próximo) e o local considerado para o cálculo do ruído. Devido ao alto custo computacional da simulação tridimensional (3D), as simulações numéricas foram realizadas com comprimento de envergadura do cilindro limitado, possibilitando considerar parte dos efeitos tridimensionais da esteira. No cálculo final do ruído, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) são empregados de forma a equiparar a geração sonora obtida com cilindro de menor comprimento de envergadura ao respectivo ruído obtido experimentalmente com cilindro de maior comprimento. Esta tese contribuiu com uma investigação numérica da metodologia de cálculo de ruído utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings para um escoamento tridimensional em torno de um cilindro considerando número de Reynolds elevado de Re = 90.000 e Re = 22.000. Os resultados mostram que a metodologia é capaz de prever o som no campo afastado nos casos simulados, visto que os espectros sonoros obtidos concordam com os respectivos dados experimentais. Além disso, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) mostraram ser adequados para o cálculo do ruído adicional, que considera um cilindro de comprimento maior, porém são dependentes da correta estimativa do comprimento de coerência do escoamento ao longo da envergadura do cilindro. Por fim, o espectro sonoro obtido no campo afastado é função do resultado fornecido pela simulação numérica do escoamento, principalmente quanto à coerência entre as flutuações de pressão ao longo do comprimento de envergadura do cilindro e à amplitude de flutuação de força na direção da sustentação exercida na parede do cilindro.
Título em inglês
Numerical investigation of flow and noise generated by prismatic bluff bodies.
Palavras-chave em inglês
Acoustics
Aircraft aerodynamics
Fluid dynamics
Geometry and computational modeling
Resumo em inglês
Many components of machines, equipments and means of transport can be represented as a bluff body whose motion through a fluid can generate noise. In this context, this thesis is focused on the study of numerical prediction of noise generated by the flow around bluff bodies. As an example of bluff body, the sound generated from flow around a circular cylinder is studied. The flow over a circular cylinder is investigated by considering the wake as tridimensional and turbulent in the subcritical regime, which is characterized by a laminar boundary layer separation. The flow over a circular cylinder is obtained by time-dependent numerical simulation considering three-dimensional computational domain. In order to cope with turbulence and three-dimensionality, the flow is solved using the Large Eddy Simulation (LES) methodology. The computational domain is discretized by the finite volume method. The noise is calculated separately using the Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H) analogy, whose wave equation has as a source term the flow solution provided by the numerical simulation. With regard to the FW-H analogy, the acoustic pressure fluctuation is obtained in the far-field by assuming a quiescent medium between the sound sources region (near-field) and the location considered for acoustic computation. Due to the high computational cost of three-dimensional (3D) simulation, the numerical simulations were conducted with a cylinder span length limited in size, which allows taking into account part of the wake three-dimensionality. Regarding the final acoustic computation, the acoustic correction methods of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) are used in order to match the sound obtained by the short cylinder span to the correspondent sound obtained experimentally for a long cylinder span. This thesis contributed to investigate numerically the computational method of applying the Ffwocs Williams & Hawkings analogy for solving the noise generated from a threedimensional flow over a circular cylinder with high Reynolds number, particularly, at Re = 90,000 and Re = 22,000. The results show that this computational method is able to predict the far-field sound for the simulated cases, since the noise spectra obtained are found to be in agreement with the corresponding experimental data. In addition, the acoustic correction method of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) provided good predictions with regard to the adding noise computation, however, its results are dependent on accurate estimation of the spanwise coherence length of the flow. Finally, the sound spectrum obtained in the far-field is tied to the flow behavior provided by the numerical simulation, especially regarding the coherence between the pressure fluctuations over the spanwise length of the cylinder and the lift force fluctuation amplitude exerted on the cylinder wall.
 
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Data de Publicação
2013-06-24
 
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