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This study focuses on numerical modeling of fluid flow and solute transport in rough-walled rock fractures and fracture-matrix systems, with the main aim to investigate the impacts of fracture surface roughness on flow and transport processes in rock fractures. Both 2D and 3D fracture models were built from laser-scanned surface tomography of a real granite rock sample, to consider realistic features of surface tomography and potential asperity contacts. The flow was simulated by directly solving the Navier-Stokes equations (NSE) and the transport was modeled by solving the advection-dispersion equation (ADE) in the entire domain of fracture-matrix system, including matrix diffusion process. Such direct simulations provided detailed flow and concentration fields for quantitatively analysis of flow and transport behavior. The detailed analysis of surface roughness decomposition, complex flow patterns (i.e., channeling, transverse and eddy flows), effective advective flow apertures, effective transmissivity, effective dispersivity, residence time, transport resistance and specific surface area demonstrated significant impacts of realistic fracture surface roughness on fluid flow and solute transport processes in rock fractures. The results show that the surface roughness and shear displacement caused asperity contacts significantly enhance nonlinearity and complexity of flow and transport processes in rough-walled fractures and fracture-matrix systems. The surface roughness also causes invasion flows in intersected fractures which enhance solute mixing at fracture intersections. Therefore, the fracture surface roughness is an important source of uncertainty in application of such simplified models like cubic law (CL) for fluid flow and analytical solutions for solute transport in rock fractures. The research conducted advances our understanding of realistic flow and transport processes in natural fractured rocks. The results are useful for model validation/extension, uncertainty analysis/quantification and laboratory experiments design in the context of various applications related to fracture flow and transport. / Denna studie fokuserar på numerisk modellering av vätskeflöde och transport av lösta ämnen i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem, med det huvudsakliga syftet att undersöka effekterna av frakturernas ytjämnhet på flödes- och transportprocesser i bergsfrakturer. Både 2D och 3D modeller skapades utifrån laser skannad tomografi av ett verkligt bergartsprov av granit, för att överväga de realistiska egenskaperna hos ytan och potentiell skrovlighet. Flödet simulerades genom att lösa Navier-Stokes ekvationer (NSE) och transporten modellerades genom att lösa advektion-dispersion ekvation (ADE) i hela domänen av fraktur-matrissystemet, inklusive diffusions process i matrisen. Sådana direkta simuleringar resulterade i detaljerade flödes- och koncentrationsfält för att kvantitativt kunna analysera flödet och transportbeteendet. En detaljerad analys av upplösningen av ytjämnhet, komplexa flödesmönster (dvs kanalisering, tvärgående och virvelströmmar), effektiv advektiv flödesöppning, effektiv transmissivitet, effektiv dispersivitet, uppehållstid, transport motstånd och specifik yta visade signifikanta effekter av realistiska ojämna frakturväggar på vätskeflöde och lösta transportprocesser i bergssprickor. Resultaten visar att ytjämnhet och skjuvningssystemsorsakade asperitetskontakter avsevärt förbättrar olinjäritet och komplexitet av flödes- och transportprocesser i frakturer med ojämna väggar samt fraktur-matrissystem. Ytråheten orsakar också intrång av flöde i tvärgående frakturer vilket ökar blandingen av lösta ämnen i korsningarna. Därför är ytjämnhet av frakturerna en viktig källa till osäkerhet i tillämpningen av sådana förenklade modeller som kubisk lag (CL) för vätskeflöde och analytiska lösningar för transport av lösta ämnen i bergsfrakturer. Studien har ökat förståelsen för realistiska flödes- och transportprocesser i naturligt sprucket berg. Resultaten är användbara för modellvalidering/förlängning, osäkerhetsanalys/kvantifiering och design av laboratorieexperiment i samband med olika tillämpningar av flöde och transport i bergsfrakturer. / <p>QC 20161010</p>

Dans cette thèse, on s'intéresse au caractère bien posé et à la contrôlabilité de quelques systèmes d'interaction fluide-structure. Plus précisément, on considère le système constitué de structures déformables ou indéformables et d'un fluide visqueux incompressible. On suppose que le fluide satisfait les équations non linéaires de Navier-Stokes en dimension 2 ou 3 et de Burgers visqueux en dimension 1. Les équations du mouvement des structures sont obtenues en minimisant une énergie du système (principe de D'Alembert) ou en appliquant le principe fondamental de la dynamique (lois de Newton). Les principaux résultats de cette thèse concernent l?existence des solutions (faibles ou fortes) dans le cas déformable, et la contrôlabilité à zéro dans le cas indéformable / In this thesis, we consider the well-posedness and controllability of some systems of fluid-structure interaction. More precisely, we consider the system consisted of deformable or non-deformable structure and of a viscous incompressible fluid. We suppose that the fluid satisfy the Navier-Stokes equation in 2 or 3 dimensions and the viscous Burger equation in 1-d. The equations for the structures are obtained by minimizing certain energy of the system (D?Alembert principle) or by applying the fundamental principle of dynamics (Newton?s laws). The principal results of this thesis are: the existence of solutions (strong or weak) in the deformable case and the null-controllability in the non-deformable case

Um problema relevante na modelagem de escoamentos com movimento de corpo rígido consiste na consideração de forças externas bem como forças que o fluido exerce sobre o próprio corpo rígido. Um outro problema importante refere-se à descrição da trajetória dos corpos rígidos. Essas duas questões são o objeto de estudo deste trabalho. No sentido de solucioná-las, foram implementadas duas extensões ao modelador de movimentos do sistema Freeflow-3D. A primeira incorpora um tipo de movimento definido por forças externas e a segunda um tipo de movimento definido por interpolação linear por partes. / A relevant problem in the modeling of the flow of fluids with rigid body movements consists in the consideration of externai forces, as well as forces that the fluids apply in the rigid body. Another important problem in this domain refers to the description of the path of the rigid bodies. Studying these two issues was the goal of this work. Towards solving these problems, two extensions were implemented in the movement modeler of the Freeflow-3D system. The first one, adds to the modeler a new type of movement, defined by externai forces. The second, adds another type of movement defined by piecewise linear interpolation.

Este trabalho trata do modelamento do escoamento na região do flape de reentrada de um túnel transônico. A partir da solução numérica das equaçõesde Navier-Stokes com média de Reynolds e aproximação de camada fina, o fator de perda de carga total no flape, assim como a influência do flape no desempenho do difusor de alta velocidade, são quantificados e analisados. As equações são implementadas por diferenças finitas utilizando-se o algoritmo implícito de Beam e Warming. O transporte turbulento é levado em conta através de um modelo algébrico de viscosidade de vórtice, de duas camadas, devido a Baldwin e Lomax. A fim de se conseguir uma maior acurácia e robustez do modelo numérico, as condições de contorno são implementadas, onde apropriado, lançando-se mão do conceito de relações características. Os resultados deste estudo são, indubitavelmente, de grande importância para os projetistas e analistas de túneis de vento.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre três ferramentas computacionais diferentes na determinação do coeficiente de pressão em um caso típico de aerofólio supercrítico, em particular o Boeing A4, com sua conseqüente comparação com os dados experimentais obtidos em túnel de vento para este aerofólio. Esta comparação contribui para o processo de validação de uma ferramenta de mecânica dos fluidos computacional (CFD) que vem sendo desenvolvida no presente grupo de trabalho. Os códigos de CFD empregados resolvem uma formulação de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) ou uma formulação de Euler acoplada a soluções de camada limite. Neste último caso, tem-se a opção de fixar a transição sobre a superfície do aerofólio ou deixá-la livre. Todos os códigos utilizam modelos de turbulência do tipo viscosidade de vórtice para levar em consideração os efeitos de transporte de turbulência. Em particular, o modelo de uma equação de Spalart-Allmaras e o modelo de duas equações k-e RT são empregados nos códigos com formulação RANS. O código de camada limite utiliza o modelo algébrico de Cebeci-Smith. O trabalho apresenta os aspectos da integração no tempo e a integração espacial, bem como os procedimentos de aceleração de convergência usados no código que está sendo desenvolvido, o que possibilita numa análise posterior estabelecer relações de tendências de resultados de acordo com os modelamentos e equações que estão sendo utilizados. Foram utilizados onze casos teste diferentes, todos utilizando a configuração do aerofólio Boeing A4. Os resultados obtidos permitiram analisar a qualidade e a confiabilidade dos resultados dos códigos no que se diz respeito à correta identificação de possíveis ondas de choque, valores de coeficientes de pressão, posicionamento da transição de escoamento laminar para turbulento e tendências que os códigos possam apresentar de oscilações numéricas na solução. Estes resultados e análises realizadas dão subsídios importantes no processo de validação do código em desenvolvimento.

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We present a novel dimensionally split Cartesian cut cell method to compute inviscid, viscous and turbulent flows around rigid geometries. On a cut cell mesh, the existence of arbitrarily small boundary cells severely restricts the stable time step for an explicit numerical scheme. We solve this `small cell problem' when computing solutions for hyperbolic conservation laws by combining wave speed and geometric information to develop a novel stabilised cut cell flux. The convergence and stability of the developed technique are proved for the one-dimensional linear advection equation, while its multi-dimensional numerical performance is investigated through the computation of solutions to a number of test problems for the linear advection and Euler equations. This work was recently published in the Journal of Computational Physics (Gokhale et al., 2018). Subsequently, we develop the method further to be able to compute solutions for the compressible Navier-Stokes equations. The method is globally second order accurate in the L1 norm, fully conservative, and allows the use of time steps determined by the regular grid spacing. We provide a full description of the three-dimensional implementation of the method and evaluate its numerical performance by computing solutions to a wide range of test problems ranging from the nearly incompressible to the highly compressible flow regimes. This work was recently published in the Journal of Computational Physics (Gokhale et al., 2018). It is the first presentation of a dimensionally split cut cell method for the compressible Navier-Stokes equations in the literature. Finally, we also present an extension of the cut cell method to solve high Reynolds number turbulent automotive flows using a wall-modelled Large Eddy Simulation (WMLES) approach. A full description is provided of the coupling between the (implicit) LES solution and an equilibrium wall function on the cut cell mesh. The combined methodology is used to compute results for the turbulent flow over a square cylinder, and for flow over the SAE Notchback and DrivAer reference automotive geometries. We intend to publish the promising results as part of a future publication, which would be the first assessment of a WMLES Cartesian cut cell approach for computing automotive flows to be presented in the literature.

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Wang Jing. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2005. / Includes bibliographical references (leaves 55-59). / Abstracts in English and Chinese. / Acknowledgments --- p.i / Abstract --- p.ii / Introduction --- p.3 / Chapter 1 --- Formulation of the Problem --- p.10 / Chapter 1.1 --- Reformulated Navier-Stokes Equations --- p.10 / Chapter 1.2 --- Linearized Problems --- p.15 / Chapter 2 --- Construction of the Approximate Solution --- p.19 / Chapter 2.1 --- Two-scale Asymptotic Expansions --- p.19 / Chapter 2.2 --- Determination of Each Inner and Boundary Terms --- p.22 / Chapter 2.3 --- Truncation Terms --- p.31 / Chapter 3 --- Estimates of the Error Term of the Approximate Solution and Main Results --- p.33 / Chapter 3.1 --- Error Equations --- p.33 / Chapter 3.2 --- Energy Estimates --- p.36 / Chapter 3.2.1 --- BasicL2 Estimates --- p.36 / Chapter 3.2.2 --- Tangential Derivatives Estimates --- p.38 / Chapter 3.2.3 --- Normal Derivatives Estimates --- p.49 / Chapter 3.3 --- Pointwise Estimates --- p.52 / Bibliography --- p.55