This study addressed the numerical modelling of flow and diffusion in packed beds of mono-sized spheres. Comprehensive research was conducted in order to implement various numerical approaches in explicit1 and implicit2 simulations of flow through packed beds of uniform spheres. It was noted from literature that the characterization of a packed bed using porosity as the only geometrical parameter is inadequate (Van Antwerpen, 2009) and is still under much deliberation due to the lack of understanding of different flow phenomena through packed beds. Explicit simulations are not only able to give insight into this lack of understanding in fluid mechanics, but can also be used to develop different flow correlations that can be implemented in implicit type simulations. The investigation into the modelling approach using STAR-CCM+®, presented a sound modelling methodology, capable of producing accurate numerical results. A new contact treatment was developed in this study that is able to model all the aspects of the contact geometry without compromising the computational resources. This study also showed, for the first time, that the LES (large eddy simulation) turbulence model was the only model capable of accurately predicting the pressure drop for low Reynolds numbers in the transition regime. The adopted modelling approach was partly validated in an extensive mesh independency test that showed an excellent agreement between the simulation and the KTA (1981) and Eisfeld and Schnitzlein (2001) correlations' predicted pressure drop values, deviating by between 0.54% and 3.45% respectively. This study also showed that explicit simulations are able to accurately model enhanced diffusion due to turbulent mixing, through packed beds. In the tortuosity study it was found that the tortuosity calculations were independent of the Reynolds number, and that the newly developed tortuosity tests were in good agreement with techniques used by Kim en Chen (2006), deviating by between 2.65% and 0.64%. The results from the TMD (thermal mixing degree) tests showed that there appears to be no explicit link between the porosity and mixing abilities of the packed beds tested, but this could be attributed to relatively small bed sizes used and the positioning and size of the warm inlet. A multi-velocity test showed that the TMD criterion is also independent of the Reynolds number. It was concluded that the results from the TMD tests indicated that more elaborate packed beds were needed to derive applicable conclusions from these type of mixing tests. The explicit BETS (braiding effect test section) simulation results confirmed the seemingly irregular temperature trends that were observed in the experimental data, deviating by between 5.44% and 2.29%. From the detail computational fluid dynamics (CFD) results it was possible to attribute these irregularities to the positioning of the thermocouples in high temperature gradient areas. The validation results obtained in the effective thermal conductivity study were in good agreement with the results of Kgame (2011) when the same fitting techniques were used, deviating by 5.1%. The results also showed that this fitting technique is highly sensitive for values of the square of the Pearson product moment correlation coefficient (RSQ) parameter and that the exclusion of the symmetry planes improved the RSQ results. It was concluded that the introduction of the new combined coefficient (CC) parameter is more suited for this type of fitting technique than using only the RSQ parameter. / Thesis (M.Ing. (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012

[pt] Os modelos mais populares para solucionar escoamentos turbulentos são baseados no esquema RANS (Reynolds Average Navier Stokes) que necessita de fechamento para relacionar o tensor de tensões de Reynolds com os tensores médios cinemáticos. A solução clássica é a aproximação por Bussinesq que assume uma relação linear entre a parte deviatórica do Tensor de Reynolds e o tensor das taxas de deformação. Trabalhos anteriores mostraram que uma relação não linear entre o tensor das taxas de deformação pode melhorar a predição do modelo. No presente trabalho, primeiramente é realizada uma avaliação entre modelos lineares presentes na literatura seguido de uma análise de três modelos de ordem elevada que expandem a base tensorial para incluir tensores ortogonais. Duas adimensionalizações, uma com a energia cinética turbulenta e taxa de dissipação e outra com energia cinética turbulenta e intensidade do tensor de deformação, haviam sido propostas. As previsões dos modelos são comparados com dados DNS para um canal e para uma gama variada de número de Reynolds. Todos os modelos são implementados na plataforma aberta OpenFoam. Predições razoáveis para a componente cisalhante de todos os modelos foram obtidas quando comparadas com os dados DNS. Entretanto, modelos não lineares provaram superioridade na predição das outras componentes. Também foi observado que o modelo não linearmente dependente do tensor taxa de deformação e o tensor não persistencia das deformações foi o que melhor representou os campos providos por DNS. / [en] The most popular models to solve turbulent flows are based on the Reynolds Average Navier Stokes approach (RANS), which needs closure equations to relate the Reynolds stress tensor to the mean kinematic tensors. The classical approach is the Boussinesq approximation that assumes a linear relation between the deviatoric part of the Reynolds stress tensor, and the rate of strain tensor. Previous works have shown, that the non-linear dependence on the rate of strain tensor can improve the model predictions. At the present work, first an evaluation of linear models available in the literature is performed, followed by the analysis of three higher order methods, that expands the tensorial basis to include other objective orthogonal tensors. Two different nondimensionalization, one with the turbulent kinetic energy and dissipation rate and the other one with turbulent kinetic energy and the intensity of the rate of strain, had also been proposed for the models. The performance of the new models is assessed by comparing their numerical predictions to available channel flow and for a broad range of Reynolds Numbers. All models are implemented in the open source platform OpenFOAM. Reasonable predictions of the Reynolds shear component of all models were obtained when compared with the DNS data. However, the non-linear models proved superior in the prediction of the other components. It was also observed that the model which depends nonlinearly with the rate of strain and linearly with the non-persistence of strain was the one that best represented the DNS data field.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-11-06Bitstream added on 2014-06-13T18:26:31Z : No. of bitstreams: 1 fogal_mlf_me_bauru.pdf: 1973940 bytes, checksum: 7fa4d89826d2cfb9214807f1ec353036 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho apresenta-se uma análise teórica e experimental dos resultados comparativos entre as curvas características de um ventilador axial utilizado em um sistema de pulverização agrícola para um ângulo de ataque da pá em 32 graus nas rotações de 1500, 1750, 2600 e 3000 rpm e resultados numéricos da influência da variação do ângulo de ataque da pá em 28, 32 e 36 graus e da otimização do sistema de pulverização ambos para uma rotaç]ao de 2600 rpm. O campo médio turbulento foi obtido com a aplicação da média temporal sendo que o modelo de turbulência exigido para o fechamento do conjunto de equações foi o modelo k-ε de duas equações. A resolução de todos os fenômenos acoplados foi alcançada com o auxílio do código de fluidodinâmica computacional CFX que utiliza a técnica dos volumes finitos como método numérico. Para validação da análise teórica, realizaram-se experimentos em um túnel de vento horizontal de seção circular com diâmetro de 622 mm, usando um tubo de Pitot para as tomadas de pressão de acordo com a norma para ensaios em laboratório. Apresentam-se resultados qualitativos na forma de vetores e mapas de gradiente de velocidade e, quantitativos na forma de tabelas e gráficos para as curvas características. / This paper presents a theoretical and experimental analysis of comparative results the characteristic curves of an axial fan used in an agricultural spraying system for a blade attack angle of 32 degrees at rotations of 1500, 1750, 2600 and 3000 rpm and numerical results for the influence of blade attack angle variation at 28, 32 and 36 degrees and optimization of the spraying system, both for a rotation of 2600 rpm. The average turbulent field was obtained from the application of time average where the turbulence model required for closing the set of equations was the k-ε model for two equations. Resolution of all connected phenomena was achieved with the help of the fluid dynamics computacional, CFX, which uses the finite volumes technique as a numerical method. In order to validate the theoretical analysis, an experiment was conducted in a circular section of a horizontal wind tunnel, 622 mm in diameter and 6220 mm in length, using a Pitot tube for pressure readings according to the norm for laboratory assays. Qualitative results are shown as vectors and gradient maps for speed and quantitative results are shown in tables and graphics for characteristic curves.

Le but de ce travail est d'étudier une couche limite soumise à un gradient de pression et de la comparer avec une couche limite de plaque plane à grands nombres de Reynolds. Dans ce cadre, l’accent est mis sur le comportement des structures cohérentes à grande échelle. En raison de leur grande longueur, ces structures ne sont pas faciles à extraire et à caractériser en utilisant des techniques de mesure standard. Pour cette raison, des dispositifs expérimentaux spécifiques utilisant la PIV dans les plans longitudinaux et parallèles à la paroi ont été conçus pour capturer les structures à grande échelle et pour mieux comprendre les mécanismes régissant la dynamique de ces écoulements. La première partie revisite les résultats obtenus sur une couche limite plaque plane en sondant l'origine d'une décroissance spectrale en dans la couche limite turbulente. Dans cette perspective, un modèle simpliste basé sur le modèle de Townsend-Perry est proposé. Ce modèle peut, en principe, être appliqué à n'importe quel écoulement turbulent de paroi. La deuxième partie se concentre sur l'amélioration de la compréhension de la turbulence en gradient de pression adverse en effectuant une caractérisation complète d’un écoulement académique au dessus d’une géométrie. L’accent est mis sur les caractéristiques des structures (longueur, scaling, contribution énergétique et distribution selon la normale à la paroi) ainsi que sur l'influence du gradient de pression adverse sur les structures des grandes échelles. L'analyse permet de comparer le comportement d'une couche limite en présence de gradient de pression adverse avec le cas d’une plaque plane à grands nombres de Reynolds / The aim of the present work is to study a boundary layer subjected to a pressure gradient and to compare it with a zero pressure gradient (ZPG) boundary layer at high Reynolds numbers. Within this framework, focus is laid on the behaviour of large-scale coherent structures. Due to their large streamwise extent, these structures are not easy to extract and characterize using standard measurement techniques. For this reason, specific experimental set-ups using PIV in the streamwise/wall-normal planes was designed to capture the large-scale structures and to gain more insight into the mechanisms governing the dynamics of these flows. The achievements of the present investigation can be divided into two parts. The first part revisits the results obtained on a ZPG turbulent boundary layer by probing the origin of a spectral range in a turbulent boundary layer. To this end, a simple model which can in principle be applied to various wall-bounded turbulent flows is proposed from a new perspective based on the work of Townsend-Perry. The second part focuses on improving the understanding of turbulence under an adverse pressure gradient (APG) by performing a complete flow characterisation of an academic test case on a large scale geometry. Emphasis is laid on the characteristics of the structures (length, scaling, energetic contribution and their wall normal distribution) along with the influence of the APG on the large-scale structures. The analysis is also extended to compare the behaviour of APG with the ZPG case at high Reynolds numbers

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

A crescente preocupação ambiental e a necessidade de se criar produtos mais eficientes têm impulsionado os pesquisadores a realizarem estudos acerca da aerodinâmica veicular. Estes dois fatores constituem os principais motivos, pelos quais existe uma grande procura por conhecimento nesta área. Esta ciência pode ser considerada relativamente nova e ainda carece de uma base de dados. Entender como a aerodinâmica se relaciona com o consumo de combustível nos automóveis, à medida que o arrasto impõe resistência ao deslocamento dos mesmos, é algo que tem estimulado as indústrias automotivas a investirem grandes esforços na obtenção de ferramentas, que possam representar as condições de tráfego normais e, assim conseguir prever o desempenho do produto em desenvolvimento. Os túneis de vento e a simulação computacional surgem neste ambiente como as principais ferramentas de análise e predição do escoamento ao redor do veículo. Por isso seu entendimento faz-se de extrema necessidade. Ter conhecimento sobre a concepção do seu projeto, como funcionam, seus pontos fortes e suas fraquezas, são requisitos necessários para a pessoa que deseja estudar esta ciência. O presente trabalho traz uma contextualização histórica da aerodinâmica veicular nas indústrias automotiva e automobilística, além de apresentar aspectos técnicos relacionados aos túneis de vento e simulação computacional. Abordando as vantagens e desvantagens de cada ferramenta, expõe-se o fato de que estas ferramentas são complementares no estudo aerodinâmico. Para exemplificar a utilização dessas ferramentas, foi realizado um estudo aerodinâmico sobre uma geometria básica, que representa com similaridade os veículos tipo hatchback, denominada Modelo SAE em ambiente computacional. Os conceitos acerca do arrasto veicular e estabilidade veicular foram expostos para embasar este estudo. Este modelo foi submetido a diferentes geometrias traseiras e condições de escoamento simétricas e assimétricas. Este estudo demonstrou que o arrasto e a estabilidade veicular compreendem conceitos distintos e, dessa forma, é possível diminuir o arrasto de um veículo sem haver perda de estabilidade. / The growing environmental concern and the necessity to create more efficient products have motivated researchers to conduct studies about the aerodynamic vehicle. These two aspects are the main reasons which are promoting a great demand for knowledge in this theme. This science may be considered relatively new and still lacks more databases. Understand how aerodynamics is related to automobiles fuel consumption such as drag resistance imposed to their displacement, is something that has made the automotive industries invest considerable effort in obtaining tools which may represent the normal traffic conditions and thus, able to predict the performance of the product in development stage. The wind tunnels and computer simulations appear in this environment as the main tools for analysis and prediction of the flow around vehicle. The understanding about them is so of utmost necessity. Knowing how it was designed, how they work, their strengths and weaknesses are essential requirements for the person who wants to study this science. This material presents a historical development of vehicle aerodynamics in automotive and motor-racing industries, indeed technical aspects related to wind tunnels and computational fluid dynamics. Exposing the advantages and disadvantages of both tools, it is evidenced these tools complement each other during an aerodynamic study. To exemplify these tools utility an aerodynamic research was conducted using a basic form geometry known as SAE Model that represents with similarity the hatchback vehicles in the market. Drag and vehicle stability concepts were exposed to build a solid basis for this study. This model was submitted to different rear geometries, symmetric and asymmetric flow conditions. It could be demonstrated that drag and vehicle stability have distinct concepts and therefore it is possible diminish the first without damaging the later.

A inserção de ar em escoamentos de altas velocidades ao longo de estruturas hidráulicas é uma técnica bastante eficiente para prevenir a cavitação. A sua importância é majorada quando se considera os custos econômicos e as questões de segurança que estão associadas à estabilidade de uma barragem. No presente trabalho são apresentados equacionamentos para quantificar a entrada de ar em vertedores através de aeradores de fundo. Essas equações foram obtidas utilizando princípios físicos de conservação de massa, energia e quantidade de movimento nos escoamentos de ar e água que ocorrem no aerador, permitindo organizar informações advindas de cada fase. Ressalta-se que buscou-se tornar o equacionamento independente da subpressão do jato, uma vez que esta subpressão é um parâmetro de difícil determinação a priori pelo projetista. Entretanto, toda formulação é direcionada justamente para melhor representar este parâmetro utilizando os princípios físicos clássicos e as variáveis decorrentes da sua utilização. Buscou-se a validação de modelos teóricos obtidos por meio de formulações baseadas nas leis de conservação de massa, quantidade de movimento e energia para aeradores de fundo. Neste contexto, comparam-se os resultados dos equacionamentos propostos e os dados experimentais encontrados na literatura, tendo se verificado boas correlações. Este tipo de quantificação essencialmente teórica de incorporação do ar em aeradores de fundo ainda é raro e o presente trabalho visa contribuir na validação de modelos com estas características. Adicionalmente, efetua-se a comparação com as equações empíricas e semi-empíricas encontradas na literatura. A experiência adquirida na área mostra que esta é a forma mais adequada de abordar o problema. / The introduction of air in flows around bottom aerators in spillways of dams is an efficient technique to prevent cavitation. Its importance is increased when one considers the costs involved and the safety issues that are associated with the stability of a large dam. Equations are presented in this study to quantify the air inlet through bed aerators in flows along spillways. The equations were obtained using the physical principles of conservation of mass, energy and momentum in both the flows of air and water in the aerator, allowing to organize the information obtained from each phase. It was possible to show the parameters that are relevant for quantifying the induced air flow in bed aerators. In addition, a comparison was conducted between the equations resulting from this analysis and empirical and semi-empirical expressions found in the literature. It is noteworthy to mention that one of the objectives of this study was to obtain a final equation independent of the relative pressure under the jet, since this low pressure is a parameter difficult to determine a priori by the designer. However, the entire formulation was directed precisely to better represent this parameter using the principles of classical physics and the variables arising from their use. The experience acquired in this area shows that this is the most appropriate way to address this problem.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

[pt] Modelos RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) estão entre os modelos mais empregados para resolver escoamentos turbulentos, devido a seu baixo custo computacional. A maioria dos modelos RANS usa a aproximação de Boussinesq, baseada em uma relação linear entre a parte deviatórica do tensor de Reynolds e o tensor taxa de deformação, com a viscosidade turbulenta sendo o parâmetro positivo de proporcionalidade. Contudo, esses modelos falham em várias situações, e um grande esforço tem sido feito pela comunidade científica com intuito de melhorar a previsibilidade do modelo desenvolvendo modelos não lineares. Análises de modelos de ordem superior empregando tensores ortogonais objetivos têm mostrado que estes são muito promissores para melhorar a previsão dos componentes normais do tensor de Reynolds. No presente trabalho, modelos não lineares baseados no quadrado do tensor taxa de deformação e no tensor não persistência de deformação foram avaliados para uma faixa de número de Reynolds baseados na velocidade de atrito, variando de 395 até 5200. Novas funções de parede foram desenvolvidas, utilizando energia cinética turbulenta e o módulo do tensor taxa de deformação para determinar a velocidade e comprimento característicos. Além disso, um novo modelo turbulento de uma-equação baseado somente na equação de transporte da energia cinética turbulenta foi proposto juntamente com uma equação de fechamento algébrica para modelar a dissipação da energia cinética turbulenta. Os resultados dos modelos para escoamento em canal foram comparados com os dados DNS, apresentando uma melhor aderência aos dados DNS em comparação com os resultados de outros modelos RANS encontrados na literatura. / [en] Reynolds Average Navier Stokes (RANS) models are among the most employed models to solve turbulent flows, due to their low computational cost. The majority of RANS models use the Boussinesq approximation, based on a linear relation between the deviatoric part of Reynolds stress tensor and the rate of strain tensor, with the turbulent viscosity as the positive proportionality parameter. However, these models fail in several situations, and a great deal of effort has been made by the scientific community aiming to improve model prediction through the development of non-linear models. Analysis of higher-order models employing objective orthogonal tensors has shown that these are very promising to improve the prediction of the normal components of the Reynolds stress. In this work, non-linear models based on the square of the rate-strain tensor and non-persistence tensor were examined for a range of friction Reynolds number from 395 to 5200. New wall damping functions were developed, employing the turbulent kinetic energy and intensity of the rate of strain tensor to determine the turbulent characteristic velocity and length. Further, a new one-equation turbulent model based only on the turbulent kinetic energy transport equation was proposed coupled with an algebraic closure equation to model the turbulent kinetic energy dissipation. The models prediction for a channel flow were compared with DNS data and presented a better adherence to the DNS data, than the results of other RANS models available in the literature.