O método de Lattice-Boltzmann (MLB) vem ganhando destaque nas últimas décadas pela sua capacidade de solução de escoamentos complexos como escoamentos multifásicos e multicomponentes, meios porosos e magnetohidrodinâmicos. Também existem extensões do método para a solução de problemas de advecção-difusão, que permitem acoplamento dessa metodologia para a solução numérica do conjunto de equação Navier-Stokes-Fourier. No trabalho presente, os objetivos iniciais podem ser resumidos no estudo dos conceitos básicos necessários para entender a derivação do método a partir da teoria cinética e estudo do método de Lattice Boltzmann, com operador de colisão mais simples conhecido como operador BGK, para problemas bidimensionais térmicos e fluidodinâmicos. A implementação numérica do método foi realizada em linguagem C, Matlab e CUDA C, com foco na solução de cinco problemas incompressíveis e laminares em regime permanente, conhecidos na literatura: equação viscosa de Burgers, escoamento de Poiseuille com transferência de calor, convecção natural em uma cavidade quadrada, regimes de convecção natural, forçada e mista em uma cavidade com uma das fronteiras móvel, e por fim, convecção forçada em uma cavidade ventilada, com uma entrada e uma saída. Além disso, um pequeno estudo no tempo computacional utilizando três implementações distintas foram testadas: implementação em série, uso de interpolações entre malhas grosseiras como condição inicial para malhas mais refinadas, e por fim, a adição da implementação do código em paralelo. Os ganhos de tempo entre a primeira e segunda estratégia ficaram entre 1.5 e 6, ao passo que o código paralelizado mostrou-se entre 20 e 25 vezes mais rápido que a segunda estratégia testada, comprovando o benefício de utilizar o processamento em paralelo em unidades gráficas. Os resultados obtidos para os problemas foram comparados com outros trabalhos da literatura, mostrando boa concordância para os primeiros quatro problemas estudados. Para a cavidade ventilada, diferenças relativas de até 15.7% no coeficiente de troca de calor e de até 28.38% para o coeficiente de queda de pressão adimensional foram observadas. Análises a respeito dos termos de erros do método apresentado, e a utilização de outras metodologias com método de Lattice Boltzmann, como por exemplo, o emprego de outros operadores de colisão, para trazerem mais estabilidade e precisão, podem elucidar melhor as divergências observados entre o trabalho presente e outros trabalhos da literatura. / Lattice-Boltzmann Method (LBM) has gained attention over last decades due to its performance in solving complex flows such as multiphase and multicomponent flow, porous media and magnetohydrodynamics. There are also further techniques which makes LBM able to solve advection-difussion problems, which allows coupling this methodology to solve Navier-Stokes-Fourier equations. In this work, initial goals are, in a few words, studying main concepts required to understand numerical method origins from kinectic thery, and studying the method implemetantion to solve 2D fluid dynamic and thermal problems. Numerical implemetation was written in C, CUDA C and Matlab languages, keeping in focus five different cases of laminar incompressible flows in steady state: viscous Burgers\' equation, thermal Poiseuille, natural convection in square cavities, natural, forced and mixed convection in a lid driven cavity, and, finally, forced convection in a ventilated cavity, with one inlet and outlet ports. Besides that, a quick study regarding impact in simulation time of three distinct approaches was conducted. First approach consists in implementing a serial code, the second in using interpolation for coarser grids results as initial condition for finer meshes, and the last one is adding parallelized code implementation. Time gains between first and second approach range from 1.5 to 6, while parallelized code was able to converge from 20 to 25 times faster than second approach, confirming great benefits in using graphics processing units. Results obtained from numerical solutions of problems were compared with other works from literature, and a good agreement among them was observed, specially in the first four problems studied. In ventilated cavity problem, relative differences up to 15.7% in heat transfer coefficient and up to 28.38% in dimensionless pressure drop coefficient were observed. A further error terms analysis of method used in this work, and use of distinct approaches, such as different collision operators, in order to increase numerical solution stability and accurarcy, may shed a light on results divergences observed between this work and others from literature.

Este trabalho teve como motivação experimental problemas surgidos nos laboratórios de biofísica do IF-USP em medidas com vesículas carregadas, que podem ser usadas para estudar membranas biológicas. As propriedades destes sistemas, e, em particular, como função da temperatura, só podem ser investigadas indiretamente. A interpretação dos resultados depende de uma modelagem coerente. Entre as exigências de coerência, estariam a justificativa para a discrepância entre resultados para as medidas de raio dos macroíons lipídicos, no intervalo de temperaturas próximas à transição gelfluido, obtidas por técnicas experimentais diferentes (Static Light Scattering (SLS) e Dynamic Light Scattering (DLS)) e as anomalias no calor específico, na condutividade e na mobilidade eletroforética da solução coloidal iônica, no mesmo intervalo de temperatura. Estudos anteriores a este trabalho sugeriam a formação de poros em tais vesículas, como tentativa de explicar diferenças nos resultados das técnicas de espalhamento, bem como o papel da análise do equilíbrio termodinâmico da dissociação sobre as propriedades térmicas e termoelétricas. Para interpretar e dar coerência aos diversos resultados experimentais existentes, é necessário desenvolver modelos teóricos. É objetivo deste trabalho desenvolver técnicas de tratamento de modelos teóricos quanto às propriedades de transporte. Assim, neste estudo utilizamos o método computacional conhecido como ``Lattice Boltzmann\'\' (LBM) procurando focar no estudo de propriedades de meios porosos e de coloides carregados. Para melhor compreensão dos limites e justificativas do modelo, realizamos um breve estudo sobre a equação de Boltzmann e suas propriedades. Assim, depois de desenvolver um código em linguagem C para o LBM, e testá-lo com resultados conhecidos, utilizamos o ``Lattice Boltzmann\'\' para determinar o coeficiente de arrasto de esferas e cascas esféricas porosas, comparando com resultados analíticos e experimentais conhecidos. Para o estudo de sistemas coloidais carregados, acoplamos o ``Lattice Boltzmann`` a outra técnica computacional, ``Fast Multipole Method\'\' (FMM), para poder estudar efeitos elétricos e hidrodinâmicos associados aos coloides com carga. Foram feitas simulações de fluxo eletrosmótico e eletrólitos entre placas carregadas que apresentaram resultados animadores ao comparar com resultados analíticos, constatando que FMM pode ser uma alternativa à resolução da equação de Laplace para determinar o potencial eletrostático em simulações com LBM. Além disso foram feitas simulações de mobilidade eletroforética em meios sem sal, que mostram que o código pode ser utilizado como ferramenta na busca da solução para as dúvidas surgidas no estudo de vesículas carregadas. / This study was inspired by the problem of interpreting experimental results arising in the Biophysics Laboratory of the Institute of Physics - USP. Different techniques are used to investigate charged vesicles that are used as an experimental model for biological membranes. Careful measurements of vesicle radius, in the range of gel-fluid transition temperature, through different experimental techniques, namely Static and Dynamic Light Scattering (SLS and DLS) led to very different results. Previous studies of the same system suggested the formation of pores in such vesicles. In addition, specific heat and conductivity measurements on charged vesicles displayed an anomalous region, in the range of gel-fluid transition temperature, as compared to neutral vesicles. In an attempt to make progress in the understanding of the above problems, we use the computational method known as Lattice Boltzmann Method (LBM) seeking to focus on the study of transport properties of porous and charged colloids. To better understand the limits of the model and justifications, we make a brief study of the Boltzmann equation and its properties. Thus, after developing a code in $C$ language for LBM, and testing it with known results, we use the Lattice Boltzmann method to obtain the drag coefficient of spheres and porous spherical shells. We compare our results with analytical and experimental results from the literature and obtain good fitting. For the study of charged colloidal systems, we associate the Lattice Boltzmann method with a computational technique for the calculation of the eletrostatic potential: the Fast Multipole Method (FMM), which enables us to study electrical and hydrodynamic effects on charged colloids. We simulate electroosmotic flow and electrolytes between charged plates, with encouraging results in the comparison with known analytical result. This suggests that FMM may be a good alternative to resolution of the Laplace equation to determine the electrostatic potential simulations with LBM. Moreover we have obtained the electrophoretic mobility for charged colloids in saltless solutions, which makes our code a possible instrument for the interpretation of experimental results on charged vesicles.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertationDRGolbert_versao_final.pdf: 9706339 bytes, checksum: 45a86747e8469ad89e82dc19d8322037 (MD5) Previous issue date: 2009-03-25 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The goal of this work is to study de modeling of incompressible fluid flows through the Lattice-Boltzmann method (LBM). In this class of methods the equations based on mesoscopic kinetics allow us to model the macro-continuum behavior of the fluid dynamics. Therefore, a theoretical study of the LBM is performed including the analyses of different equilibrium distributions, lattice models, its relationships with the Boltzmann equation as well as its asymptotic approximation to the Navier-Stokes equations. On the other hand, aspects related to the imposition of boundary conditions are also studied, identifying adequate procedures to the problems here presented. Posteriorly, a detailed study of numerical nature about the performance of the LBM in the computational simulation of fluid flows is developed, involving stationary and transient problems, for cases in 2D and 3D. Once we have insight on the main characteristics of the model, techniques for the tuning of LBM's parameters are introduced with the purpose of attaining consistent and reliable results, according to the physical conditions of the problems under consideration. These techniques are employed with emphasis in 3D time dependent problems, whose characteristics are similar to those found in the blood flow modeling in arteries. / O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

<p>Lattice Boltzmann-based (LB) simulations are well suited to the simulation of fluid flows in complex structures encountered in chemical engineering like porous media or structured packing used in distillation and reactive distillation columns. These simulations require large amounts of memory (around 10 gigabytes) and would require very long execution times (around 2 years) if executed on a single powerful desktop computer.</p> <p>The execution of LB simulations in a distributed way (for example, using cluster computing) can decrease the execution time and reduces the memory requirements for each computer. Dynamic Heterogeneous Clusters (DHC) is a class of clusters involving computers inter-connected by a local area network; these computers are potentially unreliable and do not share the same architecture, operating system, computational power, etc. However, DHCs are easy to setup and extend, and are made of affordable computers.</p> <p>The design and development of a software system which organizes large scale DHCs in an efficient, scalable and robust way for implementing very large scale LB simulations is challenging. In order to avoid that some computers are overloaded and slow down the overall execution, the heterogeneity of computational power should be taken into account. In addition, the failure of one or several computers during the execution of a simulation should not prevent its completion.</p> <p>In the context of this thesis, a simulation tool called LaBoGrid was designed. It uses existing static load balancing tools and implements an original dynamic load balancing method in order to distribute the simulation in a way that minimizes its execution time. In addition, a distributed and scalable fault-tolerance mechanism based on the regular saving of simulation's state is proposed. Finally, LaBoGrid is based on a distributed master-slave model that is robust and potentially scalable.</p> <br/> <p>Les simulations basées sur les méthodes de Lattice Boltzmann sont bien adaptées aux simulations d'écoulements de fluides à l'intérieur de structures complexes rencontrées en génie chimique, telles que les milieux poreux ou les empilements structurés utilisés dans des colonnes de distillation et de distillation réactive. Elles requièrent toutefois de grandes quantités de mémoire (environ 10 gigaoctets). Par ailleurs, leur exécution sur un seul ordinateur de bureau puissant nécessiterait un temps très long (environ deux ans).</p> <p>Il est possible de réduire à la fois le temps d'exécution et la quantité de mémoire requise par ordinateur en exécutant les simulations LB de manière distribuée, par exemple en utilisant un cluster. Un Cluster Hétérogène Dynamique (CHD) est une classe de clusters impliquant des ordinateurs qui sont interconnectés au moyen d'un réseau local, qui ne sont pas nécessairement fiables et qui ne partagent pas la même architecture, le même système d'exploitation, la même puissance de calcul, etc. En revanche, les CHD sont faciles à installer, à étendre et peu coûteux.</p> <p>Concevoir et développer un logiciel capable de gérer des CHD à grande échelle de façon efficace, extensible et robuste et capable d'effectuer des simulations LB à très grande échelle constitue un défi. L'hétérogénéité de la puissance de calcul doit être prise en compte afin d'éviter que certains ordinateurs soient débordés et ralentissent le temps global d'exécution. En outre, une panne d'un ou de plusieurs ordinateurs pendant l'exécution d'une simulation ne devrait pas empêcher son achèvement.</p> <p>Dans le contexte de cette thèse, un outil de simulation appelé LaBoGrid a été conçu. LaBoGrid utilise des outils existants de répartition statique de la charge et implémente une méthode originale de répartition dynamique de la charge, ce qui lui permet de distribuer une simulation LB de manière à minimiser son temps d'exécution. De plus, un mécanisme distribué et extensible de tolérance aux pannes, fondé sur une sauvegarde régulière de l'état de simulation, est proposé. Enfin, LaBoGrid se base sur un modèle distribué de type « maître-esclaves » qui est robuste et potentiellement extensible.</p>

This thesis focuses on the lattice-Boltzmann method (LBM) and its ability to simulate immiscible two-phase flow. We introduce the main lattice-Boltzmann-based approaches for analyzing two-phase flow: the color-fluid model by Gunstensen, the interparticle-potential model by Shan and Chen, the free-energy model by Swift and Orlandini, and the mean-field model by He. The first objective is to assess the ability of these methods to maintain continuity at the interface of two fluids, especially when the two fluids have different viscosities or densities. Continuity issues have been mentioned in the literature but have never been quantified. This study presents a critical comparison of the four lattice-Boltzmann-based approaches for analyzing two-phase flow by analyzing the results of the two-phase Poiseuille flow for different viscosity ratios and density ratios. The second objective is to present the capability of the most recent version of the color-fluid model for simulating 3D flows. This model allows direct control over the surface tension at the interface. We demonstrate the ability of this model to simulate surface tension effects at the interface (Laplace bubble test), stratified two-phase flows Poiseuille two-phase flow), and bubble dynamics (the free rise of a bubble in a quiescent viscous fluid).

O objetivo deste trabalho é estudar a modelagem do escoamento de fluidos incompressíveis mediante o método de Lattice-Boltzmann (LBM). Nesta classe de métodos as equações baseadas na cinética mesoscópica nos permitem modelar o comportamento macro-contínuo da dinâmica de fluidos. Desta forma, realiza-se um estudo teórico do LBM incluindo a análise de diferentes distribuições de equilíbrio, modelos de lattice, suas relações com a equação de Boltzmann assim como sua aproximação assintótica às equações de Navier-Stokes. Por outro lado, estudam-se os aspectos relacionados à imposição de condições de contorno identificando procedimentos adequados para os problemas aqui tratados. Posteriormente, realiza-se um estudo detalhado de caráter numérico sobre o desempenho do LBM na simulação computacional de escoamentos de fluidos, envolvendo problemas estacionários e transientes, para casos em 2D e 3D. A partir do conhecimento das características do modelo, desenvolvem-se técnicas para efetuar a calibração dos parâmetros do LBM visando à obtenção de resultados coerentes e confiáveis de acordo às condições físicas do problema. Estas técnicas são empregadas com ênfase em problemas 3D dependentes do tempo, e cujas características são similares às encontradas na modelagem do escoamento sanguíneo em artérias.

Este trabalho teve como motivação experimental problemas surgidos nos laboratórios de biofísica do IF-USP em medidas com vesículas carregadas, que podem ser usadas para estudar membranas biológicas. As propriedades destes sistemas, e, em particular, como função da temperatura, só podem ser investigadas indiretamente. A interpretação dos resultados depende de uma modelagem coerente. Entre as exigências de coerência, estariam a justificativa para a discrepância entre resultados para as medidas de raio dos macroíons lipídicos, no intervalo de temperaturas próximas à transição gelfluido, obtidas por técnicas experimentais diferentes (Static Light Scattering (SLS) e Dynamic Light Scattering (DLS)) e as anomalias no calor específico, na condutividade e na mobilidade eletroforética da solução coloidal iônica, no mesmo intervalo de temperatura. Estudos anteriores a este trabalho sugeriam a formação de poros em tais vesículas, como tentativa de explicar diferenças nos resultados das técnicas de espalhamento, bem como o papel da análise do equilíbrio termodinâmico da dissociação sobre as propriedades térmicas e termoelétricas. Para interpretar e dar coerência aos diversos resultados experimentais existentes, é necessário desenvolver modelos teóricos. É objetivo deste trabalho desenvolver técnicas de tratamento de modelos teóricos quanto às propriedades de transporte. Assim, neste estudo utilizamos o método computacional conhecido como ``Lattice Boltzmann\'\' (LBM) procurando focar no estudo de propriedades de meios porosos e de coloides carregados. Para melhor compreensão dos limites e justificativas do modelo, realizamos um breve estudo sobre a equação de Boltzmann e suas propriedades. Assim, depois de desenvolver um código em linguagem C para o LBM, e testá-lo com resultados conhecidos, utilizamos o ``Lattice Boltzmann\'\' para determinar o coeficiente de arrasto de esferas e cascas esféricas porosas, comparando com resultados analíticos e experimentais conhecidos. Para o estudo de sistemas coloidais carregados, acoplamos o ``Lattice Boltzmann`` a outra técnica computacional, ``Fast Multipole Method\'\' (FMM), para poder estudar efeitos elétricos e hidrodinâmicos associados aos coloides com carga. Foram feitas simulações de fluxo eletrosmótico e eletrólitos entre placas carregadas que apresentaram resultados animadores ao comparar com resultados analíticos, constatando que FMM pode ser uma alternativa à resolução da equação de Laplace para determinar o potencial eletrostático em simulações com LBM. Além disso foram feitas simulações de mobilidade eletroforética em meios sem sal, que mostram que o código pode ser utilizado como ferramenta na busca da solução para as dúvidas surgidas no estudo de vesículas carregadas. / This study was inspired by the problem of interpreting experimental results arising in the Biophysics Laboratory of the Institute of Physics - USP. Different techniques are used to investigate charged vesicles that are used as an experimental model for biological membranes. Careful measurements of vesicle radius, in the range of gel-fluid transition temperature, through different experimental techniques, namely Static and Dynamic Light Scattering (SLS and DLS) led to very different results. Previous studies of the same system suggested the formation of pores in such vesicles. In addition, specific heat and conductivity measurements on charged vesicles displayed an anomalous region, in the range of gel-fluid transition temperature, as compared to neutral vesicles. In an attempt to make progress in the understanding of the above problems, we use the computational method known as Lattice Boltzmann Method (LBM) seeking to focus on the study of transport properties of porous and charged colloids. To better understand the limits of the model and justifications, we make a brief study of the Boltzmann equation and its properties. Thus, after developing a code in $C$ language for LBM, and testing it with known results, we use the Lattice Boltzmann method to obtain the drag coefficient of spheres and porous spherical shells. We compare our results with analytical and experimental results from the literature and obtain good fitting. For the study of charged colloidal systems, we associate the Lattice Boltzmann method with a computational technique for the calculation of the eletrostatic potential: the Fast Multipole Method (FMM), which enables us to study electrical and hydrodynamic effects on charged colloids. We simulate electroosmotic flow and electrolytes between charged plates, with encouraging results in the comparison with known analytical result. This suggests that FMM may be a good alternative to resolution of the Laplace equation to determine the electrostatic potential simulations with LBM. Moreover we have obtained the electrophoretic mobility for charged colloids in saltless solutions, which makes our code a possible instrument for the interpretation of experimental results on charged vesicles.

[pt] Neste trabalho aplicamos o método Lattice Boltzmann (LBM) para simular os processos de reações químicas que ocorrem na interação entre o fluido e a fase sólida, modificando o meio poroso. Para isso apresentaremos como o método LBM aborda a simulação do escoamento de fluido em um meio poroso irregular para os casos de um ou mais fluidos incluindo o processo de dissolução química. A partir dos processos anteriores, propomos uma modificação onde a dissolução possa ocorrer como uma característica do fluido que interage com a fase sólida. Ao abordar a dissolução como característica da interação do fluido com a fase sólida, é possível ter uma maior compreensão de como o fluido pode modificar a geometria do meio poroso e impactar nas mudanças de fluxo. A proposta de modificação foi avaliada em alguns casos em que o fluxo no meio poroso é bem definido: o canal aberto, canal com cilindros e em um meio poroso de geometria complexa. A proposta foi estendida para a simulação em um meio poroso 3D, onde analisamos como a dissolução foi impactada pela presença de forças externas como a gravidade. / [en] In this work, we apply the Lattice Boltzmann (LBM) method to simulate the chemical reaction processes that occur in the interaction between the fluid and the solid phase, modifying the porous medium. For this, we will present how the LBM method approaches fluid flow simulation in an irregular porous medium for cases of one or more fluids, including the chemical dissolution process. Based on the previous processes, we propose a modification where dissolution can occur as a characteristic of the fluid that interacts with the solid phase. By approaching dissolution as a characteristic of the interaction of the fluid with the solid phase, it is possible to better understand how the fluid can modify the geometry of the porous medium and impact the flow changes. The modification proposal was evaluated in some cases where the flow in the porous medium is well defined: the open channel, a channel with cylinders, and a porous medium with complex geometry. The proposal was extended to the simulation in a 3D porous medium, where we analyzed how the dissolution was impacted by external forces such as gravity.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e otimização de uma metodologia baseada em código comercial para previsão de ruído em um eslate, além do estudo da dependência do ruído ao variar a camada limite do aerofólio. Com a contínua redução do ruído produzido por motores em aeronaves e as sucessivas restrições nos níveis de certificação, o ruído produzido por dispositivos aerodinâmicos tem ganhado importância no projeto de uma aeronave. Durante o pouso, o ruído gerado pelos dispositivos hiper-sustentadores é classificado dentre os mais relevantes, sendo o eslate um de seus componentes. Este trabalho busca criar e otimizar uma metodologia baseada no código PowerFLOW, assim como estudar a influência das camadas limite do aerofólio na geração de ruído. Tal código é baseado na formulação de Lattice- Boltzmann. As fontes acústicas simuladas são propagadas utilizando uma analogia acústica de Ffowcs-Williams e Hawkings e, então, analisadas utilizando métodos estatísticos de análise de sinais. Estudos de validação e verificação do código baseados em soluções analíticas são apresentados, tais como uma camada de mistura periódica no espaço e a solução dos vórtices de Taylor-Green. A seguir, o aerofólio 30P30N é utilizado em todo o estudo relacionado a eslates, analisando primeiramente a independência da solução em relação ao nível de refinamento da malha e do tamanho do domínio empregados. Baseado nas recomendações de tal estudo, o resultado é comparado com simulações disponíveis na literatura. Com uma maior confiança na metodologia, o trabalho então apresenta estudos variando a camada limite em regiões do eslate, assim como removendo-a completamente em certas regiões do aerofólio ao empregar condições de contorno de livre-escorregamento. O trabalho mostra que a influência das camadas limite do aerofólio é desprezível em relação ao erro do método. Isso é causado pela aparente independência do ruído do eslate em relação ao escoamento perto de sua cúspide. Tal independência permite que a malha computacional seja otimizada, reduzindo o custo da simulação em até 60%. / This dissertation presents the development and optimization of a methodology based on a commercial software to predict slat noise, also studying noise dependency when varying airfoil boundary layers. Due to continuous reduction on aircraft engine noise and successive restrictions on noise certification levels, airframe noise has been gaining importance on aircraft design. During landing, high-lift noise is ranked as one of the most relevant ones, being slat noise one of its components. This work focuses on creating and optimizing a noise prediction methodology based on the software PowerFLOW, and also on studying the influence of airfoil boundary layers on noise generation. Such software is based on Lattice-Boltzmann formulation. The simulated sound sources are propagated using Ffowcs-Williams and Hawkings acoustic analogy and then analyzed by signal analysis methods. Code validation and verification studies based on analytical solutions are presented, such as the spacially-periodic mixing layer and the Taylor-Green vortices solutions. Following, the 30P30N airfoil is employed through the rest of this work, firstly studying the solution independency related to mesh refinement level and computational domain size. Based on recommendations from this study, the results are compared to simulations from the literature. With higher confidence levels on this methodology, the work then presents studies varying the slat boundary layer and also removing it completely by employing free-slip boundary conditions on certain airfoil regions. This work presents that the airfoil boundary layer influence is neglectable when compared to the method error. This is caused by the apparent slat noise independency related to the flowfield near the slat cusp. Such independency allows the computational mesh to be optimized, reducing the simulation cost by up to 60%.

Com o desenvolvimento para aeronaves de propulsores turbo-fan com elevada razão de derivação, componentes da estrutura do avião passaram a ter relevância na geração de ruído aerodinâmico, principalmente durante a aproximação e o pouso. Dentre esses componentes, o eslate se destaca por ser uma fonte que se estende ao longo de praticamente toda a envergadura da asa. Neste trabalho, simulações numéricas foram feitas no intuito de considerar configurações práticas nas análises do ruído aeroacústico gerado pelo eslate. Um código comercial baseado no Método Lattice-Boltzmann foi usado no cálculo do escoamento transiente em torno do aerofólio MD30P30N. O domínio computacional simulado imitou a configuração geométrica de um túnel de vento. Foi levado em consideração o efeito da presença de duas formas de excrescência que são comuns na cova do eslate de aeronaves comerciais. Uma delas foi um selo que fica posicionado na parede da cova e a outra, um tubo do sistema anti-gelo. Tanto o escoamento transiente na região da cova quanto as características do ruído aeroacústico propagado para o campo distante foram analisados. Uma metodologia que impõe condição de parede com escorregamento livre no es- late e elemento principal, permitindo assim uma redução do custo computacional, foi usada. A abordagem foi ainda testada para a condição de um aerofólio submetido a escoamento cruzado, simulando uma asa infinita com enflechamento. Também uma modificação na metodologia, para que ela possa ser empregada em aerofólios com elevados ângulos de ataque, foi proposta e testada. O código híbrido MSES foi usado para o cálculo da espessura de deslocamento na camada limite do aerofólio. A modificação na geometria baseada em \'delta\'* causou uma melhora da solução aeroacústica de uma simulação empregando paredes com escorregamento livre, tomando como base de comparação a solução com paredes sem escorregamento. Simulações com selo dentro da cova, perto do recolamento, mostraram que, em certas circunstâncias, há um bloqueio dos vórtices da camada de mistura, intensificando picos tonais no espectro do ruído. A variação da posição do selo mostrou um efeito significativo no ruído do eslate, de forma que um selo suficientemente afastado do recolamento modificou o espectro do ruído do eslate. Os resultados com o aerofólio enflechado indicam que, também neste caso, o ruído do eslate não depende diretamente da camada limite na cúspide, mas da circulação do aerofólio. Por sua vez, a presença do tubo na cova aumenta significativamente a intensidade do ruído de banda larga produzido pelo eslate. Em uma asa sem enflechamento, o tubo causa também um aumento substancial na intensidade de picos tonais de baixa frequência. / The development of high by-pass ratio turbo-fan engine turned the airframe noise into an important component in a commercial airplanes\' noise characteristics. Between the airframe noise sources the slat can be highlighted as it extends almost along the whole wing span. Numerical simulation was carried out in order to consider practical configuration in the aeroacoutic noise generated by the slat. The effects of two different excrescences, which are normally present in commercial airplanes\' slat cove, were taken into account. One of them was a seal attached to the cove wall and the outher one was a tube that compose the anti-icing system. Both unsteady flow in cove region and far-field noise characteristics were analysed. A methodology that impose free-slip wall boundary condition on slat and main element surfaces was employed, which allowed the reduction of computational requirements. This approach was also tested for airfoil with crossflow, which simulates an infinite swept wing. Also a modification of the methodology was proposed and tested to extend its application in high-lift airfoils under higher angle of attack. A commercial code based on the Lattice-Boltzmann Method was used to compute the unsteady flow over the MD30P30N airfoil. The simulated computational domain imitates the geometry of a wind tunnel. The hybrid Euler/IBL code MSES was employed to calculate the displacement thickness of the airfoil\'s boundary layers. The geometry modification based on \'delta\'* caused a improvement on the aeroacoustic solution of a free-slip simulation, the no-slip simulation results being taken as reference. Simulations of geometries with relatively small seal close to the reattachment point showed that a blockage of the mixing layer vortices hapens and tonal peaks are intensified in the far-field noise spectrum. The variation of the seal position showed a significant effect on the slat noise, so that a seal farther from the reattachment modified affected both the shape and intensity of the noise spectrum. Results with the swept airfoil indicates that, even in the presence of crossflow, the slat noise does not depend on the cusp boundary layer, namely it is more sensitive to the airfoil circulation. The tube crossing the slat cove augmented significantly the broadband noise generated by the slat. In an unswept wing it also caused a substantial increase in the low-frequency tonal peaks.