Um modelo numérico para a simulação de ensaios aeroelásticos em túneis de vento

Abstract

No presente trabalho se propõe desenvolver uma ferramenta numérica para a simulação de ensaios aeroelásticos em modelos de edifícios altos e modelos seccionais de pontes utilizados em túneis de vento. Para este fim, será implementada uma formulação baseada em técnicas de interação fluido-estrutura com abordagem tridimensional de corpo rígido para o movimento das estruturas aqui analisadas. O acoplamento fluido-estrutura é realizado aplicando as condições de compatibilidade e equilíbrio na interface. A análise dinâmica da estrutura é efetuada através do método clássico de Newmark. Escoamentos de vento foram simulados usando-se o modelo explícito de dois passos de Taylor-Galerkin no contexto do Método dos Elementos Finitos, onde hexaedros lineares com integração reduzida são empregados na discretização espacial. A turbulência foi tratada numericamente empregando-se a Simulação de Grandes Vórtices (LES – Large Eddy Simulation) juntamente com os modelos sub-malha de Smagorinsky e dinâmico. Para uma melhor eficiência computacional do código numérico, técnicas de paralelização OPENMP foram utilizadas. Conclui-se que o código numérico implementado nesse trabalho obteve sucesso para o estudo de seção de pontes, com resultados de velocidade crítica de drapejamento próximos aos das referências, assim como para edifícios altos, onde os deslocamentos no topo do edifício estão de acordo com os apresentados nas referências, validando o código para casos com escoamentos tridimensionais.

The present work proposes to develop a numerical tool for the simulation of aeroelastic tests in high-rise building models and sectional models of bridges used in wind tunnel tests. For this purpose, a formulation based on fluid-structure interaction techniques with a three-dimensional rigid body approach was implemented to describe the structural motion of the structures that area analyzed here. The fluid-structure coupling is performed by applying the conditions of compatibility and equilibrium at the interface. The structure dynamic analysis is solved by using the implicit Newmark method. Wind flows were simulated using an explicit two-step Taylor-Galerkin scheme in the context of the Finite Element Method, in which linear hexahedral elements with reduced integration are employed for spatial discretization. Turbulence was numerically treated using Large Eddy Simulation (LES), with sub-grid scale modeling being executed with the use of the dynamic and Smagorinsky turbulence models. For better computational efficiency, OPENMP parallelization techniques were used. It is concluded that the numerical code implemented in this work successfully reproduced the results obtained in wind tunnel tests for tall building and bridge sectional models, validating the code for cases with three-dimensional flows.