[pt] No presente trabalho é realizada uma análise do desempenho de três diferentes modelos de turbulência na previsão de escoamentos que apresentam separação e recolamento. Investigou-se o escoamento turbulento através de dutos com obstruções curvilíneas. Os modelos selecionados pertencem a classe de modelos de duas equações diferenciais k-e para baixos números de Reynolds. A análise tem por objetivo verificar se estes modelos são capazes de captar as regiões de recirculação e recuperação de pressão após a obstrução, grandezas fundamentais para a avaliação da distribuição de tensões. Os campos de velocidade, energia cinética turbulenta, taxa de dissipação obtidos pelos diferentes modelos são comparados com dados numéricos e experimentais na literatura, visando identificar qual é o modelo mais adequado para esse tipo de escoamento. Para a determinação numérica do escoamento na geometria com uma obstrução curvilínea, do tipo cossenoidal, utilizou-se o método de volumes finitos com coordenadas curvilíneas não ortogonais que se adaptam à geometria. Os componentes contravariantes da velocidade foram empregadas como variáveis independentes nas equações de conservação de quantidade de movimento e o acoplamento velocidade pressão foi resolvido pelo algoritmo SIMPLEC. Dentre os modelos testados, nenhum conseguiu reproduzir exatamente todos os dados experimentais, porém concluiu-se que o modelo LSH, proposto por Launder e Sharma (1974) com a modificação proposta por Hanjalic e Launder (1980) apresentou o melhor desempenho, o qual pode ser considerado como satisfatório. / [en] In the present work an analysis of the performance of three different turbulence models in the prediction of flows that present separation and reattachment. The turbulent flow was investigated through ducts with curvilinear obstructions. The selected models belong to the class of models with two differential equations k-e for low numbers of Reynolds. The objective of the analysis is to verify if these models are capable of capturing the recirculation areas and pressure recovery after the obstruction, fundamentals for the evaluation of the distribution of tensions. The fields of velocity, turbulent kinetic energy, dissipation rate obtained by the different models are compared with numeric and experiments data found in the literature, seeking to identify which is the model more adapted for those type of flows. The numeric determination of the fluid flows in the geometry with a curvilinear obstruction, described by a sine curve, was accomplished by a finite volume method with non orthogonal curvilinear coordinates which adapt to the geometry. The countervariants velocity components was employed as independent variables in the momentum conservation equation and the velocity-pressure coupling was solved by the SIMPLEC algorithm . Among all the tested models, none was able to reproduce exactly the experimental data. However, the LSH model, proposed by Launder and Sharma (1974) with the modification proposal for Hanjalic and Launder (1980) presented the best performance, which can be considered satisfactory. / [es] En el presente trabajo se analiza el desempeño de tres modelos de turbulencia diferentes para la previsión de flujos con separación y readherencia. Se investigó el flujo turbulento a través de conductos con obstrucciones curvilíneas. Los modelos seleccionados pertenecen a la clase de modelos de dos ecuaciones diferenciales k-y para bajos números de Reynolds. El análisis tiene como objetivo verificar si estos modelos son capaces de captar regiones de recirculación y recuperación de presión después de la obstrucción, cantidades fundamentales para la evaluación de la distribución de tensiones. Se comparan los campos de velocidad, energía cinética turbulenta, tasa de disipación obtenidos por los diferentes modelos con los datos numéricos y experimentales en la literatura, identificando cuál es el modelo más adecuado para ese tipo de flujo. Para la determinación numérica del flujo en la geometría con una obstrucción curvilínea, del tipo cosenoidal, se utilizó el método de volúmenes finitos con coordenadas curvilíneas no ortogonales que se adaptan a la geometría. Los componentes contravariantes de la velocidad fueron utilizados como variables independentes en las ecuaciones de conservación de movimiento y el acoplamiento velocidad-presión fue resuelto a través del algoritmo SIMPLEC. Ninguno de modelos provados consiguió reproducir exactamente todos los datos experimentales, mas se puede concluir que el modelo LSH, propuesto por Launder y Sharma (1974) con la modificación propuesta por Hanjalic y Launder (1980) presentó el mejor desempeño, que puede ser considerado como satisfactorio.

[pt] Uma investigação da capacidade de previsão de modelos de turbulência baseados na modelagem estatística clássica e de grandes escalas é apresentada. A modelagem estatística clássica de turbulência (média de Reynolds) foi analisada, através da solução de escoamentos complexos, como, por exemplo, o escoamento turbulento em degrau (backstep). Especial atenção foi dada aos modelos kapa-epsilon de baixo Reynolds e as variantes renormalizadas (RNG). O comportamento dos vários termos da equação da energia cinética turbulenta na região da parede foram analisados em detalhes, especialmente o termo de difusão de pressão. Avaliou-se a importância da correta modelagem do termo de difusão de pressão sobre as predições dos modelos de baixo número de Reynolds, nas regiões de recirculação. Alguns modelos, propostos na literatura para o termo de difusão de pressão, foram também avaliados teórica e numericamente. A capacidade de previsão da metodologia de simulação de grandes escalas (LES por Large Eddy Simulation) também foi realizada. O desempenho do modelo de Smagorinsky para prever escoamentos limitados por fronteiras sólidas foi avaliado do ponto de vista computacional. Utilizou-se o método de volumes finitos para integrar tanto as equações médias de Reynolds quanto as equações LES. O escoamento turbulento em canal foi resolvido de modo bidimensional e tridimensional. Já o escoamento em degrau (backstep) foi resolvido exclusivamente de modo bidimensional, enquanto o escoamento em um duto de seção quadrada foi simulado de modo tridimensional. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos pelos modelos de baixo Reynolds, analisando-se a relação custo-benefício. / [en] An investigation of turbulence models prediction capacity based on classical statistical modeling and large eddy simulation (LES) is presented. The classical statistical modeling (average of Reynolds) was analyzed, by investigating the solution of complex flows, as, for example, the turbulent flow past a backwardfacing- step (backstep). Special attention was given to low Reynolds number k-e models and models derived by renormalization group theory (RNG). The behavior of the different terms in the turbulent kinetic energy equation in the near wall region was examined in details, specially the pressure diffusion term. It was evaluated the importance of the correct modeling of the pressure diffusion term on the predictions of the low Reynolds number models, in recirculating flows. A few models, proposed in the literature for the pressure diffusion term, were also evaluated theoretically and numerically. The prediction capacity of large eddy simulation (LES) technique was also investigated. The ability of Smagorinsky model to predict complex limited wall flows was analyzed from a computational standpoint. The finite-volume method was employed to integrate both the Reynolds average and LES equations. The fully developed turbulent channel flow was solved in two- dimensional and three-dimensional numerical simulations. The turbulent flow over a backward-facing-step was computed exclusively in a twodimensional manner, while the fully developed turbulent flow in a straight square duct was simulated in a three-dimensional manner. The results were compared with those obtained by the low Reynolds models, analyzing the cost-benefit relation.

[pt] Elementos combustíveis de reatores nucleares são, em geral, constituídos por feixes de barras, através dos quais o refrigerante escoa axialmente. A confiabilidade do projeto termohidráulico destes elementos está ligada a um conhecimento detalhado do campo (principal e secundário) de velocidades. Um modelo estatístico de turbulência (K-E) é aplicado na determinação dos escoamentos principal e secundário, tensões de cisalhamento na parede e coeficiente de atrito para regime turbulento desenvolvido permanente, com fluido incompressível escoando axialmente através de feixes de barras em arranjo triangular ou quadrado. O método numérico emprega a vorticidade e a função corrente na descrição do campo de velocidades. Os resultados ovtidos estão, para diferentes números de Reynolds e diferentes razões de aspecto (P/D) de acordo com os resultados experimentais e analíticos de diversos investigadores. / [en] Reactor fuel elements generally consist of rod bundles with the coolant flowing axially through the region between the rods. The confiability of the thermohydraulic design of such elements is related to a detailed description of the velocity field. A two-equation statistical model (K-E) of turbulence is applied to compute main and secondary flow fields, wall shear stress distributions and friction factors of steady, fully developed turbulent flows, with incompressible, temperature independent fluid flowing axially through triangular or square arrays of rod bundles. The numerical procedure uses the vorticity and the stream function to describe the velocity field. Comparison with experimental and analytical data of several investigations is presented. Results are in good agreement.