Análise numérica sobre a redução de arrasto pela aplicação de microcanais em superfícies visando a aplicações aerodinâmicas

Esta tese apresenta os resultados da utilização de superfícies com microcanais como método de controle passivo de escoamento visando à redução do arrasto turbulento. Obtém-se essa redução pelo aumento da anisotropia das tensões de Reynolds junto à parede, situação em que o estado da turbulência se torna localmente axissimétrico e a uma componente. Utilizam-se as equações de Navier-Stokes para formular os escoamentos e o modelo de transporte de Tensões de Reynolds para computar as quantidades turbulentas. Aproximam-se essas equações pelo Método dos Volumes Finitos e a solução numérica é computada com o solucionador Star-CCM+ v. 8.06. Propõe-se um modelo de predição de redução de arrasto para uma placa plana com microcanais de seção retangular e dimensões geométricas variáveis, aplicando a formulação e o método numérico para calcular a anisotropia das tensões de Reynolds, o estado da turbulência e a redução de arrasto relativamente a uma placa de superfície lisa e de mesma área molhada. No capítulo de análise e discussão emprega-se o triângulo de Lumley-Pope para determinar o estado da turbulência e a trajetória de retorno à isotropia do escoamento, após verificar a incerteza numérica e validar o resultado com o modelo de predição e o da teoria da placa plana. Conduzem-se as análises quantitativas examinando as tensões de cisalhamento, as tensões de Reynolds e a morfologia do escoamento em pontos do interior e em superfícies lisas e adjacentes aos microcanais. Conclui-se apresentando uma visão geral dos resultados e propondo alternativas de desdobramento e continuidade deste trabalho.The potential reduction of turbulent drag is investigated for flows over a flat plate with streamwise aligned microgrooves. For this purpose, the connection between the anisotropy of the Reynolds stresses and drag reduction effect is presented, and a model is developed in order to estimate the drag reduction potential according to flow and geometrical settings. The Navier-Stokes transport equations particularized for incompressible flows are used to describe the fluid motion, and the turbulence quantities are evaluated using the linear pressure-strain Reynolds stress transport model. The quantities are estimated using the Finite-Volume Method, which is applied to a set of grids with different refinement levels and groove topologies. After validating the numerical results against the predictions of the proposed model, and the theoretical estimates available in the literature, the author discusses the drag reducing effect by examining the state of turbulence in the microgrooves, also providing an assessment on the anisotropy of the Reynolds Stresses inside, near and outside the grooves. In the final chapter, conclusions are drawn, and outlooks of possible extensions to this work are suggested