Fluxo de acordes atrás de uma esfera rotativa transversalmente confinada em um tubo a baixos números de Reynolds

Simulações numéricas diretas são realizadas para investigar o fluxo ao redor de uma esfera rotativa transversalmente confinada em um tubo. Três diâmetros de esfera de d=0,2D, 0,5D e 0,8D (D é o diâmetro do tubo) e números de Reynolds da esfera (baseados na velocidade média da seção transversal da esfera e d) de Res=250–500 são considerados. Os resultados da simulação destacam os efeitos combinados da razão de bloqueio (BR=d/D) e da taxa de rotação não dimensionalizada Ω na faixa de 0,2–1,2 sobre o fluxo da esteira. Para cada BR, com o aumento de Res e Ω, o fluxo da esteira sofre uma transição do padrão de fluxo de simetria estável e simetria não estável para assimetria não estável. Para BR=0,2, a variação nos comportamentos de fluxo com Ω é semelhante àquelas relatadas em estudos anteriores sobre uma esfera rotativa transversalmente sujeita a um fluxo uniforme. Com o aumento de BR de 0,2 para 0,5, o fluxo da esteira assimétrico não estável é caracterizado por anéis de vórtice distorcidos próximos à esteira e uma série de arcos de vórtice enrolados internamente em laços de vórtices duplos, resultando em uma modulação de baixa frequência do fluxo da esteira não estável. Esses arcos de vórtice enrolados estão conectados com vórtices quasi-streamwise a jusante e formam vórtices em forma de cabelo. A análise da Decomposição de Modos Dinâmicos (DMD) mostra que os anéis de vórtice distorcidos próximos à esteira estão associados ao modo DMD antissimétrico na frequência adjacente ao modo DMD primário simétrico. Com BR=0,8, há um aumento drástico nos coeficientes de força da esfera. Um comportamento de fluxo da esteira mais complexo é encontrado devido a uma forte interação entre o fluxo da esteira e o fluxo próximo à parede do tubo. Em Ω=1,2, estruturas de fluxo assimétricas dominantes são caracterizadas pela impingência dos filamentos de vórtice. A modulação de baixa frequência dessas estruturas da esteira também é analisada usando a análise de DMD.