[pt] Utiliza-se a variável de similaridade proposta por L. Crocco para transformar as equações da camada limite, hidrodinâmica e térmica no escoamento laminar bi-dimensional de um fluido com propriedades fisicas constantes em um canal convergente. As equações de conservação de massa, momentum e energia, que formam um sistema de três equações diferenciais parciais não lineares são modificadas num novo sistema composto de equações diferenciais ordinárias. Estes escoamentos, que admitem soluções similares são resolvidos e apresentam-se soluções para várias combinações dos parâmetros envolvidos. Na solução destes casos considera-se inclusive o efeito da função dissipação. Para alguns dos resultados obtidos no presente trabalho foi possível comparar com soluções existentes na literatura especializada, e uma excelente concordância foi observada. Entre os resultados apresentados, destacam-se expressões para o número de Nusselt local como função dos números de Prandtl e de Reynolds. / [en] The similarity variable proposed by L.Crocco is employed in this work to transform the boundary layer equations for the constant-property, two dimensional, laminar flow in a convergent channel. The governing equations (conservation of mass, momentum and energy) constitute a set of three non-linear partial differential equations. These equations are transformed into a simpler set of ordinary differential equations. Solutions of this transformed set are presented for several combinations of the relevant parameters. Among the effects studied in the heat generation due to viscous forces. When possible, comparisions with available results were made, and an excellent agreement was observed. Among the results presented, are of special practical interest the expressions for the local Nusselt number as a function of the Prandtl and Reynolds numbers.

[pt] O estudo fundamental de estruturas turbulentas próximas a paredes é de significativa importância devido ao seu papel dominante em inúmeras aplicações de engenharia. Em escoamentos turbulentos, estruturas de diferentes escalas interagem entre si através de um fenômeno complexo caracterizado por um processo contínuo e auto-sustentável. Embora a presença de padrões de movimento coerente pareça ser responsável pela manutenção da turbulência, a evolução e a interação destas estruturas ainda não são completamente entendidas. Para investigar tais fenômenos, foram realizados estudos de escoamentos turbulentos próximos a paredes sobre uma placa plana em um túnel de vento e dentro de um canal de água quadrado. O presente trabalho empregou uma técnica tomográfica de velocimetria por imagem de partícula de alta taxa de medição de campos de velocidade tridimensionais. O processamento da técnica tomo-PIV foi otimizado a fim de melhorar o desempenho do algoritmo e a exatidão dos campos vetoriais medidos. As medições realizadas permitiram a obtenção de estatísticas condicionais das estruturas coerentes típicas da camada limite turbulenta, tais como regiões de baixa e de alta velocidades, varreduras (sweeps), ejeções (ejections) e vórtices. Os resultados quantitativos mostraram vórtices distribuídos por todo o escoamento, entretanto, concentrados na vizinhança das regiões de baixa velocidade e ejeções. Os resultados indicaram que os vórtices estavam indiretamente correlacionados com o processo de produção de turbulência, apesar de serem os principais responsáveis pela dissipação da energia turbulenta. / [en] The fundamental study of turbulent structures near a wall is of significant importance due to its dominant role in innumerous engineering applications. In turbulent flows, eddies of different scales interact with each other in a complex phenomenon of a continuous self-sustaining process. Although the presence of patterns of coherent motion seem to be responsible for the maintenance of turbulence, the evolution and the interaction of these structures are still not completely understood. To investigate such phenomena, near-wall turbulent flows over a smooth at plate in a wind tunnel and inside a square water channel were conducted. The present work employed a high-repetition tomographic PIV technique to measure three dimensional, time-resolved velocity fields. The tomo-PIV processing was optimized in order to improve the algorithm performance and the vector fields accuracy. Conditional statistics of coherent structures, namely, lowand high-speed regions, sweeps, ejections and vortices, were computed. Quantitative results showed vortical structures spread all over the flow, nevertheless, concentrated close to low-speed regions and ejections. Results indicated that vortical structures were indirectly correlated with the process of turbulence production, although they were the main responsible for the turbulent energy dissipation. / [fr] L étude fondamentale des structures turbulentes proche d une paroi est d une significative importance en raison de son rôle dominant dans nombreuses applications d ingênierie. Dans les écoulements turbulents, des structures d échelles différentes interagissent dans un phénomène complexe caractérisé par un processus autonome et continu. Bien que la présence de modéles de mouvements cohérents semble entretenir la turbulence, l évolution et l interaction de ces structures ne sont pas encore complétement compris. Pour analyser ces phénomènes, l étude d écoulements turbulents à proximité de paróis a été effectuées sur une plaque plane dans une soufflerie et à l intérieur d un canal hydraulique de section carrée. Une technique tomographique de vélocimétrie par images de particules pour mesurer de champs de vitesse tridimensionnel a été employée. Le traitement des données a été optimisé afin d améliorer la précision des champs de vecteurs mesurés. Les mesures realisés ont permis d obtenir des statistiques conditionnelles des structures cohérentes, à savoir, les régions à faible et à grande vitesse, les sweeps, les ejections et les tourbillons. Les résultats quantitatives ont montré des structures tourbillonnaires distribués sur tout le ux, cependant, concentrée au voisinage des régions à faible vitesse et des ejections. Les rèsultats ont indiqué que les structures tourbillonnaires étaient indirectement corrélés avec le processus de production de la turbulence, bien qu ils ont été les principaux responsables de la dissipation d énergie turbulente.

[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.