Avanços em modelagem matemática e simulação numérica: Método de fronteira imersa para equações de Navier-Stokes aplicadas a cilindros isotérmicos estacionários e rotativos

Resumo

Este estudo investiga o crescente interesse científico e industrial na dinâmica dos fluidos ao redor dos corpos, com foco particular nas flutuações térmicas. Esses fenômenos são predominantes em vários cenários, como plataformas de extração de petróleo, linhas de transmissão de energia e interações fluido-estrutura, necessitando de uma compreensão abrangente da geração de vórtices, transferência de calor e forças dinâmicas de fluidos. Empregamos o Método de Fronteira Imersa (IBM) para simular fluxos bidimensionais e incompressíveis em torno de cilindros aquecidos (isotérmicos) estacionários e rotativos. Utilizando uma estrutura computacional desenvolvida em C/C++, analisamos os efeitos das variações nas taxas de rotação dos cilindros na dinâmica do fluxo e nas distribuições térmicas. Este estudo envolve múltiplas simulações para avaliar a estabilidade do método e extrair parâmetros relevantes, incluindo coeficientes de arrasto, sustentação e número de Nusselt, juntamente com campos de velocidade, pressão, vorticidade e temperatura. Através da comparação sistemática com a literatura existente, pretendemos validar os nossos resultados e contribuir para a melhoria contínua da precisão numérica neste domínio. Ao elucidar esses fenômenos complexos, nossa pesquisa visa fornecer informações valiosas para aplicações práticas em contextos industriais e de engenharia. O objetivo deste trabalho é analisar a combinação dos fenômenos de transferência de calor com rotação em cilindros isotérmicos e sua interação termofluido-estrutura. Para isso, foi desenvolvido um código C/C++ de baixo custo computacional (em termos de memória e recursos computacionais). Além disso, simulações numéricas indicaram que com o aumento do número de Reynolds, há um aumento no coeficiente de arrasto, destacando a influência significativa da distribuição de pressão a jusante do cilindro. Esta distribuição de pressão é fortemente afetada pela formação e desprendimento de vórtices, validando assim a metodologia.