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1 Resistência e Propulsão Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval Cálculo da Resistência de um Navio Resistência é obtida da soma da resistência de atrito com a resistência de pressão Variáveis a determinar: - Vector velocidade, (3) - Pressão, p (1) - Massa específica, ρ, é dada pela equação de estado ) , , ( ) , , ( z y x u u u w v u V = = r V r

Cálculo da Resistência de um Navio · z v y v x v y p z v w y v v x v u t v z u y u x u x p z u w y u v x u u t u ... escoamentos complexos. 31 Resistência e Propulsão Mestrado

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1

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Cálculo da Resistência de um Navio

• Resistência é obtida da soma da resistência

de atrito com a resistência de pressão

• Variáveis a determinar:

- Vector velocidade, (3)

- Pressão, p (1)

- Massa específica, ρ, é dada pela equação deestado

),,(),,( zyx uuuwvuV ==r

Vr

2

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Cálculo da Resistência de um Navio

• 4 equações para determinar as 4 incógnitas:

- Conservação da massa

- Balanço de quantidade movimento (Lei de Newton)

- Fluido Newtoniano, tensões de corte proporcionaisaos gradientes das componentes da velocidade

3

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Cálculo da Resistência de um Navio

• Conservação da massa

- Forma diferencial

- Forma integral

0

0

=∂

∂+

∂+

=⋅∇

z

w

y

v

x

u

Vrr

( ) 0=⋅∫oV

dSnVrr

4

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Cálculo da Resistência de um Navio

• Balanço de quantidade de movimento

(Equações de Navier-Stokes)

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

z

w

zy

w

z

v

yx

w

z

u

xz

p

z

ww

y

wv

x

wu

t

w

gy

w

z

v

zy

v

yx

v

y

u

xy

p

z

vw

y

vv

x

vu

t

v

x

w

z

u

zx

v

y

u

yx

u

xx

p

z

uw

y

uv

x

uu

t

u

νννρ

νννρ

νννρ

21

21

21

Convecção Força Difusão Peso

de pressão Forças viscosasma &r

/

5

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Cálculo da Resistência de um Navio

• Balanço de quantidade de movimento (ν=constante)(Equações de Navier-Stokes)

Convecção Força Difusão Peso

de pressão Forças viscosasma &r

/

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

z

w

y

w

x

w

z

p

z

ww

y

wv

x

wu

t

w

gz

v

y

v

x

v

y

p

z

vw

y

vv

x

vu

t

v

z

u

y

u

x

u

x

p

z

uw

y

uv

x

uu

t

u

νρ

νρ

νρ

6

Resistência e Propulsão

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Cálculo da Resistência de um Navio

• Escoamento em torno de navios tem

um número de Reynolds superior a 106 epode atingir 109

- Escoamento turbulento na maioria doscasos. Transição de laminar a turbulento depende

do número de Reynolds e da rugosidade da

superfície. A aproximação mais habitual é considerar o escoamento “todo turbulento”

(o modelo de turbulência deverá lidar também coma transição)

7

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

http://www.youtube.com/watch?v=XOLl2KeDiOg&feature=related

http://br.youtube.com/watch?v=7KKFtgx2anY

http://br.youtube.com/watch?v=vQHXIHpvcvU

8

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

9

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

10

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

11

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

12

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime Turbulento

1. Aleatório

2. Tri-dimensional

3. Grande difusão

4. Dissipativo

5. Propriedade do escoamento

6. Meio contínuo

7. Grandes números de Reynolds

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime Turbulento

Simulação Directa

(Direct Numerical Simulation, DNS)

• Equações de Navier-Stokes resolvidas

numericamente com um espaçamento típico da malha e um passo no tempo suficientemente

pequenos para resolver os turbilhões de maior frequência (menores período e comprimento de

onda)

• Precisão numérica da solução é muito importante

• Variáveis determinadas tem um carácter instantâneo

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime Turbulento

Simulação das Grandes Escalas(Large-Eddy Simulation, LES)

• Equações de Navier-Stokes filtradas no espaço.

Modelo matemático necessário para incluir o efeito

das escalas filtradas. Equações resolvidas no tempo

• Precisão numérica da solução é importante.

Aplicação junto a paredes é complicada

• Variáveis determinadas variam com o tempo,

mas estão filtradas no espaço

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime Turbulento

Aproximações de Reynolds

(Reynolds-averaged equations)

• Equações e variáveis são tratadas estatisticamente. Diferentes tipos de estatística podem ser utilizados:

1. Média espacial (Spatial averaging)

2. Média temporal (Time averaging)

3. Média de conjunto (Ensemble averaging)

• Decomposição da velocidade(variáveis

dependentes) instantânea, , em valor “médio”, ,

e flutuação em torno do valor “médio”, iu~

iii uUu +=~

iU

iu

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime Turbulento

Aproximações de Reynolds(Reynolds-averaged equations)

1. Média espacial (Spatial averaging)

Turbulência homogénea(Homogeneous turbulence)

( )

n

zyxu

U

n

i

iiij

nj

∑=

∞→= 1

,,~

lim

18

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

Aproximações de Reynolds(Reynolds-averaged equations)

2. Média temporal (Time averaging)

T

dtuU

To

o

t

ti

Ti

∫+

∞→=

~

lim

Escoamento éestatisticamente

permanente/estacionário

19

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime Turbulento

Aproximações de Reynolds(Reynolds-averaged equations)

3. Média de conjunto (Ensemble averaging)

( )

n

tu

U

n

iij

nj

∑=

∞→= 1

)(~

lim

Propriedades médiasvariam com o tempo.

Estatística requer

soluções periódicas

20

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Média temporal aplicada às variáveis

dependentes e aos princípios de “conservação”

representa qualquer uma das variáveis dependentes(escoamento incompressível u,v,w,p)

i

t

ti

Ti

T

dtTo

o Φ==∫

+

∞→

φφ

~

lim~

__

iφ~

21

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Decomposição das variáveis instantâneas

→Φ

+Φ=

i

i

ii

φ

φ

φφ

~

~

Variável instantânea

Valor médio

Flutuação em torno do valor médio

22

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

0

0

=∂

∂+

∂+

=∂

∂+

∂+

z

w

y

v

x

u

z

W

y

V

x

U

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Equação da continuidade

- Flutuações de velocidade também satisfazem

23

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

wwz

W

xwv

y

W

ywu

x

W

xz

P

z

WW

y

WV

x

WU

gvwz

W

zvv

y

V

yvu

x

V

xy

P

z

VW

y

VV

x

VU

uwz

U

xuv

y

U

yuu

x

U

xx

P

z

UW

y

UV

x

UU

νννρ

νννρ

νννρ

1

1

1

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Equações de transporte de quantidade de movimento

__ __ __

__ __ __

__ __

• Tensões de Reynolds• O número de equações é inferior ao número de

incógnitas

jiuuρ−

__

__

24

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

jiuuρ−

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Equações de transporte de

__ __ ____

___________

____ __ __

__ ____

• Sistema continua com menos equações do que

incógnitas

__

( )

k

j

k

i

i

ji

j

i

i

j

kji

k

i

j

j

i

k

j

ki

k

iji

k

ji

k

jiji

x

u

x

u

x

uu

x

pu

x

puuuu

x

x

u

x

up

x

Uuu

x

Uuu

x

uuU

t

uu

Dt

uDu

∂−

∂+

∂+

∂−

∂−

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂=

νν

ρ

ρ

2

1

2

2

25

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de tensões de Reynolds

- 6 equações de transporte adicionais

- A maioria dos termos das equações de transporte

das tensões de Reynolds tem de ser modelado,

incluindo as flutuações de pressão

- Existem modelos que determinam as tensões de

Reynolds a partir de equações algébricas

- Anisotropia da turbulência está incluida no modelo

26

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Hipótese de Boussinesq: as tensões de Reynoldssão proporcionais aos gradientes de velocidade

média

- A constante de proporcionalidade é designadapor viscosidade turbulenta

- Anisotropia da turbulência é dífícil de modelar.

Maioria dos modelos são isotrópicos

27

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Equações de Reynolds

tef

efefef

efefef

efefef

z

W

zy

W

z

V

yx

W

z

U

xz

P

z

WW

y

WV

x

WU

gy

W

z

V

zy

V

yx

V

y

U

xy

P

z

VW

y

VV

x

VU

x

W

z

U

zx

V

y

U

yx

U

xx

P

z

UW

y

UV

x

UU

ννν

νννρ

νννρ

νννρ

+=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂+

∂−=

∂+

∂+

21

21

21

28

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Equações de Reynolds

−νt é a viscosidade turbulenta

- Escala de velocidade vezes escala de comprimentoda turbulência

- Diferentes tipos de modelos disponíveis

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelos algébricos

- Escala de comprimento da turbulência

- Escala de velocidade da turbulência

ωωrr

→l

Comprimento de mistura

é o vector vorticidade

→= yl κ

ωνr2

lt =

30

Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelos algébricos

- Escala de comprimento da turbulência é multiplicadapor uma função de amortecimento na vizinhança

da parede. Tem também de ser alterado para a

região exterior da camada limite e para jactos

-Modelo simples, mas com muitas limitações. Implementação numérica pode ser complicada em

escoamentos complexos

31

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelos de 1 equação (antigos)

- Escala de comprimento da turbulência é o comprimento de mistura dos modelos algébricos

- Escala de velocidade é obtida da equação dede transporte de energia cinética da turbulência

222

2

1wvuk ++=

________

32

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Energia cinética da turbulência, k

- Equação de transporte(balanço)

2

2

2

2

11

∂−

∂+

+

∂−

∂−=

∂+

∂=

j

i

j

jiij

jj

iji

j

j

x

u

x

k

uuupuxx

Uuu

x

kU

t

k

Dt

Dk

νν

ρ

_____

__

__

33

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

+

∂−

∂−

→∂

jiij

j

j

iji

j

j

uuupux

x

Uuu

x

kU

2

11

ρ

___

__

__

Convecção

Produção de k

Difusão turbulenta

34

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

∂−

→∂

2

2

2

j

i

j

x

u

x

k

ν

ν

__Difusão viscosa

Taxa de dissipação, ε

• Maioria dos termos tem de ser modelada como veremos à frente para os modelos de 2 equações

35

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelos de uma equação

Spalart & Allmaras

( ) ( )[ ]

→→

−∇⋅∇+∇+⋅∇+=

∂+

wvwbb

wwb

s

b

ffccc

dfccSc

yV

xU

,,,

~~~~~1~~

~~

1121

2

121

νννννν

σν

νν

νν ~1vt f=

FunçõesConstantes

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo de uma equação de Spalart & Allmaras

- Aplicável junto à parede

- Viscosidade turbulenta proporcional à variável

dependente

- Necessita da distância à parede,d, e na versão original da localização da transição

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelos de 2 equações: escala de velocidade é k

- Modelo k-ε

+⋅∇+=

∂+

+⋅∇+=

∂+

εµ

ε

σσ

εε

σ

ννν

εεε

εσ

ννν

,,,, 21

2

2

2

1

2

k

tt

k

tt

CCC

kCS

kC

yV

xU

kSy

kV

x

kU

εν µ

2k

Ct =

Constantes

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Resistência e Propulsão

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Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo k-ε

- Muito popular no cálculo de jactos e em escoamentoscom transmissão de calor

- Pouco adaptado a escoamentos com gradiente de pressão adverso

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo k-ε

- Não é válido junto a paredes

- Pode ser combinado com um modelo de 1 equação

junto a paredes (modelo de 2 camadas)

- Existem variadas formulações de baixos números deReynolds para se poder aplicar junto a paredes

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo k-ω

( )

→→

−∇⋅∇−

+⋅∇+=

∂+

+⋅∇+=

∂+

ωω

ω

ω

σσαββ

βωωω

ωσ

ννα

ωω

ωβσ

ννν

F

kF

Sy

Vx

U

kkSy

kV

x

kU

k

t

k

tt

,,,,*

22

*2

ων

kt =

Constantes Função

41

Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo k-ω

- Pode-se aplicar junto a paredes

- ω tende para infinito na parede

- Existem várias formulações sendo a mais popular

a SST (shear-stress transport) que inclui um limitadorpara a viscosidade turbulenta

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Modelos de viscosidade turbulenta

- Modelo k-ω

- Muito popular no cálculo de escoamentos em gradiente de pressão adverso

- Implementação numérica não é trivial e em algumasversões (SST por exemplo) requer a distância à

parede

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Condições de fronteira

- Paredes sólidas

a) Condição de não escorregamento aplicada directamente

b) Leis da paredeρ

τ

ντ

τ wuyu

yy ==< ++ ,,1

?,5030 <−> ++yy

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Condições de fronteira

- Fronteira “exterior”

a) Escoamento não perturbado

b) Escoamento potencial

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Resistência e Propulsão

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

Escoamento em Regime TurbulentoEquações de Reynolds

• Condições de fronteira

- Superfície livre

a) “Surface tracking”: domínio ajusta-se à forma dasuperfície livre onde a pressão iguala a pressão

atmosférica. Velocidade normal à superfície é nula

e tensão de corte dos dois lados é idêntica

b) “Surface capturing”: domínio inclui ar e água

“Volume of fluid” ou “Level Set”