A presente pesquisa apresenta um estudo do escoamento turbulento ocasionado pela interação entre “bluff-bodies” - corpos geométricos que podem ser instalados em turbinas aeronaves como estabilizadores de chamas que geram zonas de recirculação e, consequentemente, aumentam a eficácia da queima do combustível. Este trabalho utilizou o software livre de Computational Fluid Dynamics (CFD) OpenFoam para realizar simulações computacionais que permitiram a análise do comportamento do ar em relação às zonas de recirculação geradas pela inserção dos corpos em forma de cone e disco. Foram realizadas simulações envolvendo diferentes valores de espessura (em mm) destes corpos e velocidades do escoamento (em m/s). Para analisar o comportamento do escoamento turbulento foram utilizados alguns dos modelos matemáticos mais comuns em estudos envolvendo o fenômeno da turbulência, k-E, k-W, k-ERN G, k-WS ST , fato que permitiu que fosse feita a comparação entre os dados obtidos computacionalmente e os experimentais previamente obtidos na literatura. Pode-se dizer que, entre os modelos estudados, o que mostrou maior conformidade com os dados experimentais foi o k-W SST. / 85 f.

The wake behind a rectangular forebody with variable inlet conditions is investigated. The perforated surface of the two-dimensional rectangular forebody, with a smooth leading edge and a blunt trailing edge, allows for boundary layer modification by means of wall suction. The test section, of which the rectangular forebody is the main part, is experimentally evaluated with a series of hot-wire and Prandtl tube measurements in the boundary layer and the wake. For a suction coefficient of Γ&gt;9, corresponding to 0.9% suction of the free stream velocity, the asymptotic suction boundary layer (ASBL) is obtained at the trailing edge of the forebody for laminar boundary layers (Rex=1.6×105−3.8×105). The key feature of the ASBL, a spatially invariant boundary thickness which can be modified independent of the Reynolds number, is used to perform a unique parametrical study. Turbulent boundary layers (Rex=4.5×105−3.0×106) subject to wall suction are also investigated. For a critical suction coefficient Γcrit, which depends on Rex, the boundary layer relaminarizes. Strong evidence is found to support the hypothesis that turbulent boundary layers will ultimately attain the ASBL as well, provided that the wall suction is strong enough. The effect of the modulated laminar and turbulent boundary layers on the wake characteristics is studied. The shape of the mean wake velocity profile, scaled with the velocity deficit U0and the wake half width ∆y1/2, is found tobe independent of x/h, for x/h&gt; 6 and Reh &gt;6.7×103. The wake width is shown to scale with the effective thickness of the body h+2δ1, where the ratio is expected to vary with the downstream location. A decrease of the displacement thickness leads to a decrease of the base pressure, with Cp,b = −0.36 in the ASBL limit. The Strouhal number based on the effective thickness becomes Sth+2δ1 ≈ 0.29 in the ASBL limit and independent of the plate thickness (h) Reynolds number, in the range Reh = 2.9×103 − 6.7×103. For the turbulent boundary Sth+2δ1 is found to be 25% lower, which shows that the wake characteristics depend on the state of the boundary layer at the trailing edge. The total drag is found to be reduced by as much as 30% for Reh = 2.7×104 when a wall normal velocity of only 3.5% of the free stream velocity is applied. Wall suction successively reduces the total drag with increasing wall suction, at least in the Reynolds number rangeReh = 8.0×103−5.5×104. / <p>QC 20140312</p>

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema voltado à solução de problemas relacionados à Engenharia do Vento Computacional. Para o tratamento das estruturas turbulentas, a Simulação das Grandes Escalas é empregada. Esta metodologia resolve diretamente as estruturas que governam a dinâmica local do escoamento (grandes escalas) e utiliza modelos para resolver as escalas com características mais universais (pequenas escalas). Neste estudo, os efeitos sub-malha são obtidos a partir do modelo clássico de Smagorinsky. Na análise numérica, o método dos elementos finitos é avaliado a partir da utilização de elementos hexaédricos e uma formulação baseada nas equações governantes de escoamentos quase-incompressíveis. Para reduzir o requerimento de memória computacional, esquemas explícitos para solução de sistemas de equações são empregados. O primeiro aspecto a ser abordado para o desenvolvimento do sistema proposto é a redução do tempo de processamento. Partindo do algoritmo desenvolvido por [Petry, 2002], desenvolvese um estudo a cerca de técnicas computacionais de alto desempenho visando acelerar o processamento dos problemas. Assim, apresenta-se um comparativo entre alocações estática e dinâmica de vetores e matrizes, juntamente a implementação do paralelismo de memória compartilhada utilizando diretivas OpenMP. A verificação do aumento da velocidade de processamento é desenvolvida simulando o escoamento em um domínio contendo um corpo imerso aerodinamicamente rombudo. As técnicas utilizadas permitiram a obtenção de um aumento de aproximadamente cinco vezes em relação ao código originalmente avaliado. Uma importante dificuldade na avaliação de escoamentos externos está na solução numérica de problemas advectivo-dominantes. O esquema de Taylor-Galerkin explícito-iterativo, originalmente presente no código e validado para escoamentos internos, mostrou-se inadequado para avaliação do escoamento externo proposto, apresentando perturbações no campo de pressões e não convergindo para a solução correta do problema. Estas instabilidades persistiram em uma versão alternativa desenvolvida, a qual utilizava funções de interpolação de igual ordem para solução da pressão e velocidade. Para uma análise de escoamentos não confinados, é implementado o esquema temporal de dois passos utilizando funções de interpolação para velocidade e pressão de mesma ordem. Esta configuração apresentou resultados físicos de boa qualidade e importante redução no tempo de processamento. Após a identificação da alternativa que permitiu a avaliação dos resultados sem a presença de perturbações, apresenta-se a análise do escoamento sobre um prisma quadrado bidimensional, privilegiando o monitoramento da velocidade, pressão e energia cinética total da turbulência na linha central do domínio e nas proximidades do obstáculo. Esta avaliação é efetuada em malhas com configurações uniformes e irregulares para um número de Reynolds igual a 22000. / Development of a system to solve problems related to Computational Wind Engineering is the main aim of this work. In order to treat turbulent structures, Large Eddy Simulation is employed. This methodology compute directly scales governing local flow dynamics (large eddies) and it use models to solve those with universal character (small eddies). In this study, the sub-grid effects are considered using the standard Smagorinsky model. In the numerical analysis, hexahedral finite elements are used and a formulation based on the governing equations of quasi-compressible flows. To reduce the computational memory request, explicit schemes to solve the equations system are used. In order to reduce CPU time, an algorithm developed by [Petry, 2002] is evaluated and high-performance techniques aiming to accelerate the problem solution are studied. Thus, it is showed a comparison between dynamic and static allocations of vectors and matrices associated to the implementation of shared-memory parallelization using OpenMP directives. The speed up verification is developed simulating the flow around an immersed bluff body. As a consequence of the techniques employed here, an acceleration of approximately five times with respect of the original computational code is obtained. An important difficulty in the external flow evaluation is the numerical solution of convection dominated flows. The Taylor-Galerkin explicit-iterative scheme, (originally used by the program), which was validated for confined flows, did not present good results for external flows simulations and pressure field perturbations were observed. These instabilities were persevered even in an alternative version, where interpolations functions with the same order were used to compute velocity and pressure (in the original version, constant pressure field at element level were employed). To analyze unbounded flows accurately, a two-step explicit scheme using velocity and pressure interpolation functions with the same order was implemented. This configuration presented physical results with good quality and achieve an important reduction in the processing time. After identification of the best alternative without perturbations of the pressure field, the numerical simulation of the flow around a two-dimensional square cylinder was investigated favoring velocity, pressure and total kinetic energy evaluations along the mid line of the domain and in the obstacle vicinity. These evaluations were effectuated with uniform and stretched meshes for a Reynolds number equal to 22000.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema voltado à solução de problemas relacionados à Engenharia do Vento Computacional. Para o tratamento das estruturas turbulentas, a Simulação das Grandes Escalas é empregada. Esta metodologia resolve diretamente as estruturas que governam a dinâmica local do escoamento (grandes escalas) e utiliza modelos para resolver as escalas com características mais universais (pequenas escalas). Neste estudo, os efeitos sub-malha são obtidos a partir do modelo clássico de Smagorinsky. Na análise numérica, o método dos elementos finitos é avaliado a partir da utilização de elementos hexaédricos e uma formulação baseada nas equações governantes de escoamentos quase-incompressíveis. Para reduzir o requerimento de memória computacional, esquemas explícitos para solução de sistemas de equações são empregados. O primeiro aspecto a ser abordado para o desenvolvimento do sistema proposto é a redução do tempo de processamento. Partindo do algoritmo desenvolvido por [Petry, 2002], desenvolvese um estudo a cerca de técnicas computacionais de alto desempenho visando acelerar o processamento dos problemas. Assim, apresenta-se um comparativo entre alocações estática e dinâmica de vetores e matrizes, juntamente a implementação do paralelismo de memória compartilhada utilizando diretivas OpenMP. A verificação do aumento da velocidade de processamento é desenvolvida simulando o escoamento em um domínio contendo um corpo imerso aerodinamicamente rombudo. As técnicas utilizadas permitiram a obtenção de um aumento de aproximadamente cinco vezes em relação ao código originalmente avaliado. Uma importante dificuldade na avaliação de escoamentos externos está na solução numérica de problemas advectivo-dominantes. O esquema de Taylor-Galerkin explícito-iterativo, originalmente presente no código e validado para escoamentos internos, mostrou-se inadequado para avaliação do escoamento externo proposto, apresentando perturbações no campo de pressões e não convergindo para a solução correta do problema. Estas instabilidades persistiram em uma versão alternativa desenvolvida, a qual utilizava funções de interpolação de igual ordem para solução da pressão e velocidade. Para uma análise de escoamentos não confinados, é implementado o esquema temporal de dois passos utilizando funções de interpolação para velocidade e pressão de mesma ordem. Esta configuração apresentou resultados físicos de boa qualidade e importante redução no tempo de processamento. Após a identificação da alternativa que permitiu a avaliação dos resultados sem a presença de perturbações, apresenta-se a análise do escoamento sobre um prisma quadrado bidimensional, privilegiando o monitoramento da velocidade, pressão e energia cinética total da turbulência na linha central do domínio e nas proximidades do obstáculo. Esta avaliação é efetuada em malhas com configurações uniformes e irregulares para um número de Reynolds igual a 22000. / Development of a system to solve problems related to Computational Wind Engineering is the main aim of this work. In order to treat turbulent structures, Large Eddy Simulation is employed. This methodology compute directly scales governing local flow dynamics (large eddies) and it use models to solve those with universal character (small eddies). In this study, the sub-grid effects are considered using the standard Smagorinsky model. In the numerical analysis, hexahedral finite elements are used and a formulation based on the governing equations of quasi-compressible flows. To reduce the computational memory request, explicit schemes to solve the equations system are used. In order to reduce CPU time, an algorithm developed by [Petry, 2002] is evaluated and high-performance techniques aiming to accelerate the problem solution are studied. Thus, it is showed a comparison between dynamic and static allocations of vectors and matrices associated to the implementation of shared-memory parallelization using OpenMP directives. The speed up verification is developed simulating the flow around an immersed bluff body. As a consequence of the techniques employed here, an acceleration of approximately five times with respect of the original computational code is obtained. An important difficulty in the external flow evaluation is the numerical solution of convection dominated flows. The Taylor-Galerkin explicit-iterative scheme, (originally used by the program), which was validated for confined flows, did not present good results for external flows simulations and pressure field perturbations were observed. These instabilities were persevered even in an alternative version, where interpolations functions with the same order were used to compute velocity and pressure (in the original version, constant pressure field at element level were employed). To analyze unbounded flows accurately, a two-step explicit scheme using velocity and pressure interpolation functions with the same order was implemented. This configuration presented physical results with good quality and achieve an important reduction in the processing time. After identification of the best alternative without perturbations of the pressure field, the numerical simulation of the flow around a two-dimensional square cylinder was investigated favoring velocity, pressure and total kinetic energy evaluations along the mid line of the domain and in the obstacle vicinity. These evaluations were effectuated with uniform and stretched meshes for a Reynolds number equal to 22000.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema voltado à solução de problemas relacionados à Engenharia do Vento Computacional. Para o tratamento das estruturas turbulentas, a Simulação das Grandes Escalas é empregada. Esta metodologia resolve diretamente as estruturas que governam a dinâmica local do escoamento (grandes escalas) e utiliza modelos para resolver as escalas com características mais universais (pequenas escalas). Neste estudo, os efeitos sub-malha são obtidos a partir do modelo clássico de Smagorinsky. Na análise numérica, o método dos elementos finitos é avaliado a partir da utilização de elementos hexaédricos e uma formulação baseada nas equações governantes de escoamentos quase-incompressíveis. Para reduzir o requerimento de memória computacional, esquemas explícitos para solução de sistemas de equações são empregados. O primeiro aspecto a ser abordado para o desenvolvimento do sistema proposto é a redução do tempo de processamento. Partindo do algoritmo desenvolvido por [Petry, 2002], desenvolvese um estudo a cerca de técnicas computacionais de alto desempenho visando acelerar o processamento dos problemas. Assim, apresenta-se um comparativo entre alocações estática e dinâmica de vetores e matrizes, juntamente a implementação do paralelismo de memória compartilhada utilizando diretivas OpenMP. A verificação do aumento da velocidade de processamento é desenvolvida simulando o escoamento em um domínio contendo um corpo imerso aerodinamicamente rombudo. As técnicas utilizadas permitiram a obtenção de um aumento de aproximadamente cinco vezes em relação ao código originalmente avaliado. Uma importante dificuldade na avaliação de escoamentos externos está na solução numérica de problemas advectivo-dominantes. O esquema de Taylor-Galerkin explícito-iterativo, originalmente presente no código e validado para escoamentos internos, mostrou-se inadequado para avaliação do escoamento externo proposto, apresentando perturbações no campo de pressões e não convergindo para a solução correta do problema. Estas instabilidades persistiram em uma versão alternativa desenvolvida, a qual utilizava funções de interpolação de igual ordem para solução da pressão e velocidade. Para uma análise de escoamentos não confinados, é implementado o esquema temporal de dois passos utilizando funções de interpolação para velocidade e pressão de mesma ordem. Esta configuração apresentou resultados físicos de boa qualidade e importante redução no tempo de processamento. Após a identificação da alternativa que permitiu a avaliação dos resultados sem a presença de perturbações, apresenta-se a análise do escoamento sobre um prisma quadrado bidimensional, privilegiando o monitoramento da velocidade, pressão e energia cinética total da turbulência na linha central do domínio e nas proximidades do obstáculo. Esta avaliação é efetuada em malhas com configurações uniformes e irregulares para um número de Reynolds igual a 22000. / Development of a system to solve problems related to Computational Wind Engineering is the main aim of this work. In order to treat turbulent structures, Large Eddy Simulation is employed. This methodology compute directly scales governing local flow dynamics (large eddies) and it use models to solve those with universal character (small eddies). In this study, the sub-grid effects are considered using the standard Smagorinsky model. In the numerical analysis, hexahedral finite elements are used and a formulation based on the governing equations of quasi-compressible flows. To reduce the computational memory request, explicit schemes to solve the equations system are used. In order to reduce CPU time, an algorithm developed by [Petry, 2002] is evaluated and high-performance techniques aiming to accelerate the problem solution are studied. Thus, it is showed a comparison between dynamic and static allocations of vectors and matrices associated to the implementation of shared-memory parallelization using OpenMP directives. The speed up verification is developed simulating the flow around an immersed bluff body. As a consequence of the techniques employed here, an acceleration of approximately five times with respect of the original computational code is obtained. An important difficulty in the external flow evaluation is the numerical solution of convection dominated flows. The Taylor-Galerkin explicit-iterative scheme, (originally used by the program), which was validated for confined flows, did not present good results for external flows simulations and pressure field perturbations were observed. These instabilities were persevered even in an alternative version, where interpolations functions with the same order were used to compute velocity and pressure (in the original version, constant pressure field at element level were employed). To analyze unbounded flows accurately, a two-step explicit scheme using velocity and pressure interpolation functions with the same order was implemented. This configuration presented physical results with good quality and achieve an important reduction in the processing time. After identification of the best alternative without perturbations of the pressure field, the numerical simulation of the flow around a two-dimensional square cylinder was investigated favoring velocity, pressure and total kinetic energy evaluations along the mid line of the domain and in the obstacle vicinity. These evaluations were effectuated with uniform and stretched meshes for a Reynolds number equal to 22000.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2008. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-19T22:08:47Z No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2013-06-03T19:29:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-06-03T19:29:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) Previous issue date: 2008 / O estudo experimental de problemas de interação fluido-estrutura é de fundamental importância para o entendimento dos processos dinâmicos envolvidos. Esses processos podem ser bastante complexos em função da alta não-linearidade do problema, especialmente para os casos em que o acoplamento entre a dinâmica do fluido e a dinâmica da estrutura é forte, ou para casos em que ocorram instabilidades dinâmica tanto no fluido quanto na estrutura. O estudo experimental de fenômenosde interação fluido-estrutura necessita de instalações de laboratório capazes de impor movimento relativo entre o fluido e a estrutura. Neste contexto, nesta dissertação apresentam-se o projeto, a construção e a avaliação de um canal de reboque otimizado para o estudo da interação fluido-estrutura em corpos rombudos cilíndricos de alta razão de aspecto. A instalação consiste de um canal de 16 m de comprimento com seção transversal 0,71m de largura por 0,79 m de altura e de uma plataforma de reboque para movimento da estrutura sobre o fluido. Além do movimento retilíneo, a plataforma de reboque é capaz de impor, simultaneamente, movimentos oscilatórios em até dois grupos de estruturas de forma independente. Esta capacidade permite o estudo da influência da amplitude, da freqüência e da fase do movimento oscilatório na interação entre o fluido e as estruturas. A dissertação contém uma discussão sobre a formulação geral dos problemas de interação fluido-estrutura e os principais parâmetros adimensionais relevantes. São tratados os problemas específicos da instalação experimental tais como especificação dos parâmetros hidrodinâmicos, projeto das estruturas de suporte do canal e da plataforma de reboque, o projeto mecânico da plataforma de reboque e uma breve descrição do sistema de controle dos movimentos da plataforma, bem como apresentam-se a descrição dos ensaios de avaliação de desempenho do sistema e a discussão dos resultados. Finalmente, a dissertação apresenta as conclusõesdos aspectos construtivos e capacidade da instalação em uma faixa do número de Reynolds, bem como as sugestões para trabalhos futuros. / The experimental study of fluid-structure interaction problems is of fundamental importance for the understanding of the dynamic phenomena involved. The dynamics of these phenomena can be very complex as a result of the high non-linearity of the problem, in particular for the cases with strong coupling between the dynamic of the fluid and the dynamic of the structure, or in cases in which instabilities in the fluid or in the structure are present. The experimental study of fluid-structure interaction requires laboratory facilities capable of impose relative motion between the fluid and the structure. In this context, that work presents the design, the construction and the evaluation of a towing canal optimized for the study of the interaction fluid-structure in cylindrical bluff bodies of high aspect ratio. The facility consists of 16 m long canal with cross section 0.71 m of width by 0.79 m of height and a towing platform for the motion of the structure in the fluid. In addition to the linear motion, the towing platform is capable of impose simultaneously independent transverse oscillatory motion in up to two structure groups. This capacityallows the study of the influence of the amplitude, of the frequency and of the phase of the oscillatory motion in the interaction between the fluid and the structure. This work presents a discussion on the general formulation of the fluid-structure interaction problems and on the main dimensionless parameters that are relevant to the problem. Next, it deals with the specification of the experimental facility such as hydrodynamic parameters, design of structures for supporting the canal itself and the towing platform, the mechanical design of the towing platform and a brief description of the system of control of the towing platformmotions. Next, it presents the description of the evaluation tests for the platform performance and the discussion of the results. Finally, the work presents the conclusions of the aspects of capacity building and installation on a range of Reynolds number, as well as suggestions for future work.

Possible areas of improving the efficiencies of the Lincoln University flame weeder are identified and investigated. The Hoffmann burner initially used in the Lincoln University flame weeder was found not to entrain sufficient air to allow complete combustion of the LPG used. A new burner, the Modified Lincoln University burner, was designed to improve the entrainment of air. Results show that the new design entrained sufficient air to theoretically allow complete combustion of the LPG, and this resulted in a 22.7% increase in heat output per Kg of LPG used over the Hoffmann burner. Temperature x time exposure constants required to kill weeds 0 - 15, 15 - 30, and 30 - 45 mm in size, were found to be respectively 750, 882, and 989 degrees Celsius.Seconds. These constants can be used to calculate the maximum speed of travel an operator can use a flame weeder at, once the temperature profile underneath its shields are established at various travel speeds, and therefore ensure that the flame weeder is used at its maximum efficiency. The constants can also be used to establish the cost efficiency of any flame weeder (in $/Ha), depending on the size of the weeds to be treated. The materials and methods used in establishing the temperature x time exposure constants can be used to establish the temperature x time exposure constant of any weed species at any size.

In the flow past bluff bodies for a certain range of velocity a periodical vortex shedding emerges which is known as von Kármán vortex street. This phenomenon causes the periodical alteration of pressure field which affects the body. Should the vortex shedding frequency be similar to the body natural frequency, the amplitude of vibration significantly increases which can lead to fatigue cracking. In the case of water turbines, this phenomenon often affects the stay vanes. Both the vortex shedding frequency and the lift force amplitude can be influenced by the modification of the trailing edge geometry. The aim of this thesis is to use CFD computation in order to find the optimal geometry of the stay vane trailing edge for the specific Francis turbine unit.