Modelagem da interação fluido-estrutura usando o método da fronteira imersa: aplicação ao estudo do escoamento em torno de um cilindro confinado

Os métodos de fronteira imersa possibilitam a simulação numérica de escoamentos envolvendo contornos complexos e móveis utilizando-se uma malha euleriana fixa para representar o domínio fluido, associada a um conjunto de pontos lagrangianos para descrever interfaces, sem necessidade de remalhagem do domínio de cálculo. No presente trabalho, um método de fronteira imersa baseado no modelo físico virtual foi implementado em um código computacional já existente, com o objetivo de permitir a simulação do escoamento em torno de cilindros de base circular submetidos a oscilações forçadas ou induzidas pelo movimento do fluido. O programa computacional resolve as equações de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas através do método de volumes finitos, utilizando uma discretização implícita no tempo. Para testar as novas implementações, foram realizadas simulações para cilindros estacionários e em movimento oscilatório forçado, posicionados em meio infinito ou no interior de um canal. Além disso, foi resolvido um problema de interação fluido-estrutura, constituído por um cilindro móvel e indeformável posicionado dentro de um canal vertical, a jusante de uma obstrução, oscilando linearmente sob a ação de um escoamento pulsátil ascendente, tal como ocorre no funcionamento de alguns tipos de válvula automática. Em várias simulações, observou-se a reentrada de núcleos de vorticidade na saída do domínio de cálculo, interferindo na qualidade dos resultados obtidos. Uma função de amortecimento foi, então, introduzida nesta região, para evitar a ocorrência de instabilidades numéricas. Uma análise da performance global do programa de simulação indica que, embora já produza resultados satisfatórios, a modelagem empregada ainda necessita de aprimoramentos para corrigir algumas imperfeições. Além disso, o código computacional precisa...Immersed boundary methods allow numerical simulation of flows around complex bodies by using a stationary Eulerian mesh to represent the fluid domain associated to a set of Lagrangian points to describe the interfaces without global remeshing of the domain. In the present work, an immersed boundary method based on virtual physical model has been implemented in a previously available computational code in order to simulate flows around circular cylinders submitted to forced or induced oscillations. The improved computational program deploys Navier-Stokes equations in Cartesian coordinates by using with finite volume method and implicit temporal time discretization. In order to test the new code several simulations have been performed for a confined flow around a fix circular cylinder as well as submitted to forced oscillation. Additionally, a problem of fluid-structure interaction formed by a rigid oscillating circular cylinder positioned in a vertical channel after an abrupt obstruction has been analyzed. The cylinder can freely oscillate in the streamwise direction due to action of an ascendant pulsating flow. This type of flow problem is very similar to those occurring in many types of automatic valves. In some simulations spurious backflow of vorticity nucleus at the computational domain outlet has been observed, interfering in the quality of results. Therefore, a convenient damping function has been introduced in that region to suppress such numerical instabilities. A general performance analysis of the program shows very satisfactory results, however suitable changes in the code should be considered to avoid some remaining instabilities as well as minimize the overall time required for the simulation run