Modelagem Física e Computacional de um Escoamento Fluvial

3 TURBULÊNCIA
3.1 NOÇÕES FUNDAMENTAIS
A principal característica dos escoamentos turbulentos é a presença de uma
miríade de vórtices, numa vasta gama de escalas espaciais e temporais, fluindo simul-
taneamente.
O resultado da presença desses vórtices é um escoamento tão complexo em seus
detalhes que parece inacessível a um tratamento matemático, mas é preciso considerar
que o movimento de mistura resultante é muito importante para o desenvolvimento do
escoamento e para o equilíbrio das forças. Os efeitos causados pela turbulência são como
se a viscosidade do fluido fosse multiplicada por mil, dez mil ou mais (SCHLICHTING,
1968). Em números de Reynolds elevados existe uma transferência contínua de energia
do movimento principal para os vórtices de maior tamanho. Tais vórtices geram outros
menores, e estes outros menores ainda, num processo de transferência de energia formando
uma cascata contínua de escalas decrescentes, em direção a uma gama de tamanhos onde
a energia é dissipada pelas tensões viscosas, atingindo-se um estado de equilíbrio. Em-
bora exista dissipação de energia em todo o processo, a maior parcela é dissipada quando
os vórtices atingem as menores escalas. Esse processo é conhecido por cascata de Kol-
mogoroff, recebendo o nome do pesquisador que o descreveu pela primeira vez, em 1941
(SCHLICHTING, 1968; ROSMAN, 1989). A figura 3.1 mostra um típico espectro de
potência para escoamentos turbulentos, isto é, um gráfico representando a distribuição da
energia cinética turbulenta ao longo das escalas espaciais do escoamento.
Os maiores vórtices são bastante anisotrópicos uma vez que dependem fortemente
da geometria do corpo d’água e do modo de formação. Quando se observa os grandes
vórtices, apesar de um comportamento algo flutuante, eles demonstram ter componentes
bem determinísticas. Em corpos d’água rasos, 1 o comprimento característico dos maiores
vórtices é geralmente muito maior do que as escalas de profundidade.
1 Para escoamento em águas rasas ver item 4.3.
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