Análise de estruturas coerentes em escoamentos turbulentos com presença de paredes através de decomposição ortogonal própria

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Decomposição Ortogonal Própria é aplicada para identificar estruturas coerentes em escoamentos turbulentos sobre um perfil NACA0012. A base de dados numérica é formada por um escoamento a M?= 0.115 e 5 graus de ângulo de ataque, um a M? = 0.4 e 5 graus de ângulo de ataque e um a M? = 0.115 e 0 graus de ângulo de ataque. São apresentadas análises de diferentes técnicas de POD usando o método de snapshots. O método espectral (SPOD) e a combinação Fourier-POD com SPOD também são apresentadas. Esta é possível devido à direção homogênea na envergadura. É realizada uma avaliação de diferentes normas vetoriais e funções filtro na matriz de correlação. SPOD é aplicado assumindo sinais temporais periódicos e não-periódicos. Resultados mostram que o SPOD melhora o acoplamento dos modos, redistribuindo a energia ao longo dos autovalores e levando à uma melhor identificação das estruturas coerentes. Aplicação dp filtro gaussiano permite melhor controle na resposta do SPOD comparado ao filtro quadrado. A hipótese de sinais temporais periódicos na matriz de correlação melhora o acoplamento dos modos e limpa seu conteúdo espectral. Normas de pressão e energia cinética são usadas. Para ambas, o primeiro par de modos é relacionado a estruturas coerentes responsáveis pela geração de ruído tonal. Entretanto, a norma de energia cinética tende a capturar estruturas de baixa frequência nos modos subsequentes, enquanto a norma de pressão captura estruturas de alta frequência. A combinação Fourier-POD permite uma melhor identificação das estruturas coerentes para cada modo de Fourier ao longo da envergadura. O conteúdo espectral dos modos de POD pode ser desacoplado para cada modo de Fourier. Foi possível identificar a interação entre modos em diferentes frequências nos dados numéricos. Vórtices alinhados com a envergadura são relacionados ao ruído tonal na análise acústica, identificando as fontes sonoras. Vórtices alinhados com o escoamento ou na diagonal são formados em todos os dados devido à curvatura do perfil e ao gradiente de pressão adverso após a transição turbulenta. Para os casos a 5 graus de ângulo de ataque, apenas vórtices diagonais de alta frequência estão presentes. Afetados pelo gradiente de pressão mais fraco, vórtices diagonais de baixa frequência estão presentes no perfil a 0 graus de ângulo de ataque Abstract: he numerical database is formed by a flow at M? = 0.115 and 5 degs. angle of attack, one at M? = 0.4 and 5 degs. angle of attack and another at M? = 0.115 and 0 degs. angle of attack. Analysis of different POD techniques is presented using the snapshot method. Also, the spectral POD method (SPOD) and a Fourier-POD implementation combined with the SPOD. The latter technique is viable once the present turbulent flow has a homogeneous direction along the airfoil span. An assessment of different vector norms and filter functions employed in the correlation matrix is presented. The spectral POD technique is applied assuming periodic and non-periodic temporal signals. Results show that the SPOD method provides a better coupling of the modes, redistributing the energy among the POD eigenvalues and leading to an improved identification of coherent structures. The application of a Gaussian filter allows an enhanced control in the response of the SPOD when compared to a square-box filter. The assumption of periodic temporal signals in the construction of the correlation matrix provides further improvement in the coupling of POD modes and cleans their spectral content. Pressure based on kinetic energy norms are used. For both norms, the first pair of POD modes are related to coherent structures responsible for airfoil tonal noise generation. However, the kinetic energy norm tends to reconstruct low-frequency structures in the flow field for higher POD modes while the pressure norm reconstructs high-frequency structures. The combination of Fourier decomposition with the SPOD method allows a clear identification of coherent structures for the specific Fourier modes along the airfoil span. The spectral content of the POD modes can be decoupled to each spanwise Fourier mode. For the coherent structures identified in the numerical database, the interaction between modes at different ranges of frequencies were identified. Coherent structures aligned with the span are shown to be related to tonal peaks in the acoustic scattering analysis, making possible to identify the main aeroacoustic sources. Coherent structures aligned with the stream and diagonally aligned are formed for all flow configurations due to the curvature of the airfoil and the adverse pressure gradient after the forced turbulence transition. For flows at 5 degs. angle of attack, only diagonal structures at high frequencies are present. At 0 degs. angle of attack, diagonal coherent structures at low frequencies are present affected by the weaker adverse pressure gradient Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017 CNPQ