[pt] O presente trabalho tem como principal objetivo resolver numericamente o escoamento de líquidos e gases isotérmicos ou não, no regime transiente em tubulações industriais com área variável. Pretende-se ainda, investigar os campos de velocidade,pressão e temperatura na presença de vazamentos na tubulação. O código computacional implementado resolve as equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear e da energia na sua forma conservativa. Este enfoque permite obter resultados importantes, dentre os quais pode- se destacar a capacidade de reproduzir as perturbações nos campos de velocidade e pressão, uma vez iniciado o vazamento do fluido num determinado instante de tempo e em qualquer ponto da tubulação. Para a solução numérica do escoamento unidimensional em coordenadas retangulares utilizou-se o método de volumes finitos. A discretização espacial foi realizada baseada no método - upwind - e para a discretização temporal utilizou- se o método totalmente implícito. As equações de conservação de massa e quantidade de movimento linear são resolvidas diretamente, através da solução de uma matriz hepta-diagonal. A seguir resolvese a equação da energia por um algoritmo para matrizes tri- diagonais. Como as equações são não lineares, um processo iterativo é necessário. Para validar o metodologia empregada, são efetuados vários testes com casos registrados na literatura e resolvidos problemas que apresentam solução analítica. Uma comparação entre o enfoque conservativo e não conservativo é apresentada. Finalmente,investiga-se a resposta do campo de pressão e velocidade para a presença de vazamentos na tubulação. / [en] The main objective of the present work is to solve numerically the flow of liquid and gases isothermal or not, in the transient regime, in industrial pipes with variable area. It also has as objective to investigate the velocity, pressure and temperature field in the presence of fluid leak in the pipe. The numerical code was implemented to solve the conservation of mass, momentum, and energy in its conservative form. This approach is very convenient to study the perturbations in the velocity and temperature fields, once a leakage is detected in some point along the point, in a certain time. The numerical solution for the one-dimensional flow in rectangular coordinates is obtained by the finite volume method. The spatial discretization is based on the upwind method and totally implicit time integration is employed. The conservation of mass and linear momentum are directly solved through an hepta-diagonal matrix algorithm, followed by the solution of the energy equation by a three-diagonal algorithm. Since the conservation equations are non- linear, an iterative procedure is necessary. To validate the methodology presented, several tests of different case tests available in the literature were solved, as well as tests with analytical solution. A comparison between the conservative and non-conservative approach is presented. Finally, some test cases with leakage are examined. / [es] El presente trabajo tiene como principal objetivo resolver numéricamente el flujo de líquidos y gases isotérmicos o no, en régimen transitorio, en tuberías industriales con área variable. Se pretenden investigar los campos de velocidad, presión y temperatura en presencia de escape en la tubería. El código computacional implementado resuelve las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento lineal y de la energía en su forma conservativa. Este enfoque permite obtener resultados importantes, dentro de los cuales cabe destacar la capacidad de reproducir las perturbaciones en los campos de velocidad y presión, una vez iniciado el escape del fluido en un determinado instante de tiempo y en cualquier punto de la tubería. Para la solución numérica del flujo unidimensional en coordenadas rectangulares se utilizó el método de volúmenes finitos. La discretización espacial se realizó a través del método - upwind - y para la discretización en el tiempo, se utilizó el método totalmente implícito. Las ecuaciones de conservación de masa y de cantidad de movimiento lineal se resuelven directamente, a través de la solución de una matriz heptadiagonal. A seguir se resuelve la ecuación de la energía por un algoritmo para matrizes tri-diagonales. Como las ecuaciones son no lineales, se necesita un proceso iterativo. Para evaluar la metodología utilizada, se efectúan varios experimentos con casos registrados en la literatura y se resuelven algunos problemas que presentan solución analítica. Se presenta una comparación entre el enfoque conservativo y no conservativo. Finalmente, se investiga la respuesta del campo de presión y velocidad en presencia de escapes en la tubería.

Um problema auxiliar crucial à análise do problema de Stokes Compressível é estudado via a técnica de potenciais de camada dupla em regiões Lipschitz através de um método primeiro utilizado por Verchota e subseqüentemente estendido ao caso parabólico por Brown e Shen. Desse modo, mediante a utilização e cálculo da condição de salto na fronteira é possível estabelecer a existência e unicidade da solução em apropriados espaços funcionais via o estudo de potenciais de camada. / An auxiliary problem crucial to the analysis of the compressible Stokes problem is studied by means of the technique of double layer in Lipschitz regions through a method first used by Verchota and subsequently extended to the parabolic case by Brown and Shen. In this way through the use and calculation of the boundary jump condition it is possible to establish the existence and unicity of the solution in appropriate function spaces via the study of boundary layer potentials.

O avanço no estudo da simulação numérica somado ao crescimento da capacidade computacional tem possibilitado a solução numérica de problemas de engenharia cada vez mais complexos. Modelos numéricos mais acurados e robustos têm sido desenvolvidos, aproximando os resultados numéricos dos experimentais. Neste caminho, o presente trabalho tem como objetivo a análise numérica comparada a dados experimentais de ondas de pressão na admissão de ar de um motor de combustão interna, se utilizando do método dos volumes finitos. Para isso, utilizou-se a pressão colhida experimentalmente na porta da válvula como condição de contorno e obteve-se a pressão nos pontos de monitoramento ao longo do domínio. Esta situação física trouxe diversos problemas a serem solucionados ao longo da história, sendo então resolvido no presente trabalho se utilizando do esquema de Runge-Kutta para integração explícita no tempo fictício e do esquema Three-Point Backward Difference (BDF2) para integração implícita no tempo físico. Isto é, se utiliza do Dual Time-Stepping (DTS) na integração temporal, pois usa a matriz de pré-condicionamento para condicionar a solução do problema para escoamentos compressíveis e incompressíveis em todas as velocidades, e esta matriz deteriora a acuracidade temporal que é devolvida pelo DTS. O tratamento dos fluxos invíscidos foi baseado no método da separação dos fluxos de Roe, através do pacote computacional Star CCM+. Percebeu-se que o método se encaixa muito bem na situação estudada, modelando o comportamento físico realisticamente. A velocidade de propagação das ondas de pressão e suas amplitudes são muito próximas dos valores experimentais, tendo os gráficos de seu comportamento em todos os pontos de monitoramento, boa concordância com os gráficos gerados experimentalmente. / The advance in the field of numerical simulation added to the growth of computational capability has enabled the numerical solution of engineering problems become more and more complex. More accurate and robust numerical models have been developed, approximating the numerical and experimental results. In this way, this work aims at the numerical analysis compared to experimental data of pressure waves in the air intake of an internal combustion engine, using the Finite Volumes Method. The pressure is experimentally measured in the valve port and inserted as a boundary condition to obtain the pressure in the monitoring points along the domain. This physical situation has brought many problems to be solved throughout history. The present work applied the Runge-Kutta explicit integration in pseudo-time and Three-Point Backward Difference (BDF2) for implicit integration in physical-time. It is used the Dual-Time Stepping (DTS) for temporal integration, and the preconditioning for incompressible and compressible flows at all speeds deteriorates the temporal accuracy which is returned by DTS. The treatment of inviscid flows was based on the Flux Difference Splitting scheme of Roe, through the computational package Star CCM+. The method fits very well the situation under study, modeling the physical behavior realistically. The speed of propagation of pressure waves and their amplitudes are very close to the experimental values, and the graphs of their behavior present at all monitoring points, good agreement with the experimentally generated graphics.

[pt] Neste trabalho é apresentado o estudo da interação entre um jato supersônico e uma superfície plana, com o objetivo de analisar o comportamento do campo de velocidade, pressão e temperatura do escoamento. Este estudo encontra sua motivação no processo de descamação térmica de rochas duras, a qual pode resultar da iteração entre um jato a alta pressão e temperatura e a rocha. Este processo, que pode ser útil na perfuração de rochas duras e profundas, ocorre devido ao acúmulo de tensões térmicas na rocha, o qual pode acarretar sua fratura. Este tipo de processo também envolve diversos mecanismos aerodinâmicos e termodinâmicos, que são isoladamente fenômenos abertos. No desenvolvimento deste trabalho o escoamento foi modelado pelas equações de Navier - Stokes bidimensionais para uma mistura de gases perfeitos em um sistema de coordenadas cilíndrico. O modelo considerado para descrever o transporte turbulento é o modelo de uma equação de Spalart - Allmaras, o qual envolve a solução de uma equação diferencial para a viscosidade turbulenta. Estas equações são resolvidas utilizando-se uma metodologia de volumes finitos adaptada a escoamentos compressíveis. A descrição dos escoamentos transientes obtidos necessitou de diversas modificações ao código computacional existente. Estas modificações trataram, em particular, das condições de contorno, que utilizam a noção de características, e do modelo de turbulência. A estrutura do escoamento resultante da interação entre o jato supersônico e a parede é estudada, avaliando-se a influência (i) da distância entre a saída do jato e a parede, (ii) da razão de pressões entre o jato e o ambiente. Além disso, é examinada a evolução transiente do escoamento. Os resultados obtidos são analisados com vista a obter as melhores condições aerodinâmicas para o processo de descamação térmica. / [en] I in this work a study of the interaction between a supersonic jet and a planar surface is presented, with the aim to analyze the behavior of the velocity, pressure and temperature flowfield. This study finds its motivation in the process of thermal spallation of hard rocks, which may result from the interaction between a high pressure and high temperature jet and the rock. This process, that can be used in the drilling of hard and deep rocks, occurs due to the accumulation of thermal stresses in the rock, which can cause its fracture. This type of process also involves several aerodynamic and thermodynamic mechanisms, which are still open phenomena. In the development of this work the flow was modeled by the two-dimensional Navier-Stokes equation for a mixture of perfect gases in a cylindrical coordinates system. The model considered to describe the turbulent transport is the one equation of Spalart - Allmaras model, which involves the solution of a differential equation for the turbulent viscosity. These equations are solved using a finite volumes methodology which is adapted to compressible flows. The description of the obtained transient flow required several modifications in the existing computational code. These modifications involved, in particular, the choice of boundary conditions, that use the notion of characteristics, and the turbulence model. The structure of the flow resulting from the interaction between the supersonic jet and the wall is studied. In particular, are examined the influence (i) the distance between the jet and wall, (II) of the pressures ratio between the jet and the environment. Moreover, the transient evolution of the flow is examined. The obtained results are examined to determine the best aerodynamic conditions for the process of thermal spallation to occur.

Um problema auxiliar crucial à análise do problema de Stokes Compressível é estudado via a técnica de potenciais de camada dupla em regiões Lipschitz através de um método primeiro utilizado por Verchota e subseqüentemente estendido ao caso parabólico por Brown e Shen. Desse modo, mediante a utilização e cálculo da condição de salto na fronteira é possível estabelecer a existência e unicidade da solução em apropriados espaços funcionais via o estudo de potenciais de camada. / An auxiliary problem crucial to the analysis of the compressible Stokes problem is studied by means of the technique of double layer in Lipschitz regions through a method first used by Verchota and subsequently extended to the parabolic case by Brown and Shen. In this way through the use and calculation of the boundary jump condition it is possible to establish the existence and unicity of the solution in appropriate function spaces via the study of boundary layer potentials.

O avanço no estudo da simulação numérica somado ao crescimento da capacidade computacional tem possibilitado a solução numérica de problemas de engenharia cada vez mais complexos. Modelos numéricos mais acurados e robustos têm sido desenvolvidos, aproximando os resultados numéricos dos experimentais. Neste caminho, o presente trabalho tem como objetivo a análise numérica comparada a dados experimentais de ondas de pressão na admissão de ar de um motor de combustão interna, se utilizando do método dos volumes finitos. Para isso, utilizou-se a pressão colhida experimentalmente na porta da válvula como condição de contorno e obteve-se a pressão nos pontos de monitoramento ao longo do domínio. Esta situação física trouxe diversos problemas a serem solucionados ao longo da história, sendo então resolvido no presente trabalho se utilizando do esquema de Runge-Kutta para integração explícita no tempo fictício e do esquema Three-Point Backward Difference (BDF2) para integração implícita no tempo físico. Isto é, se utiliza do Dual Time-Stepping (DTS) na integração temporal, pois usa a matriz de pré-condicionamento para condicionar a solução do problema para escoamentos compressíveis e incompressíveis em todas as velocidades, e esta matriz deteriora a acuracidade temporal que é devolvida pelo DTS. O tratamento dos fluxos invíscidos foi baseado no método da separação dos fluxos de Roe, através do pacote computacional Star CCM+. Percebeu-se que o método se encaixa muito bem na situação estudada, modelando o comportamento físico realisticamente. A velocidade de propagação das ondas de pressão e suas amplitudes são muito próximas dos valores experimentais, tendo os gráficos de seu comportamento em todos os pontos de monitoramento, boa concordância com os gráficos gerados experimentalmente. / The advance in the field of numerical simulation added to the growth of computational capability has enabled the numerical solution of engineering problems become more and more complex. More accurate and robust numerical models have been developed, approximating the numerical and experimental results. In this way, this work aims at the numerical analysis compared to experimental data of pressure waves in the air intake of an internal combustion engine, using the Finite Volumes Method. The pressure is experimentally measured in the valve port and inserted as a boundary condition to obtain the pressure in the monitoring points along the domain. This physical situation has brought many problems to be solved throughout history. The present work applied the Runge-Kutta explicit integration in pseudo-time and Three-Point Backward Difference (BDF2) for implicit integration in physical-time. It is used the Dual-Time Stepping (DTS) for temporal integration, and the preconditioning for incompressible and compressible flows at all speeds deteriorates the temporal accuracy which is returned by DTS. The treatment of inviscid flows was based on the Flux Difference Splitting scheme of Roe, through the computational package Star CCM+. The method fits very well the situation under study, modeling the physical behavior realistically. The speed of propagation of pressure waves and their amplitudes are very close to the experimental values, and the graphs of their behavior present at all monitoring points, good agreement with the experimentally generated graphics.

Um problema auxiliar crucial à análise do problema de Stokes Compressível é estudado via a técnica de potenciais de camada dupla em regiões Lipschitz através de um método primeiro utilizado por Verchota e subseqüentemente estendido ao caso parabólico por Brown e Shen. Desse modo, mediante a utilização e cálculo da condição de salto na fronteira é possível estabelecer a existência e unicidade da solução em apropriados espaços funcionais via o estudo de potenciais de camada. / An auxiliary problem crucial to the analysis of the compressible Stokes problem is studied by means of the technique of double layer in Lipschitz regions through a method first used by Verchota and subsequently extended to the parabolic case by Brown and Shen. In this way through the use and calculation of the boundary jump condition it is possible to establish the existence and unicity of the solution in appropriate function spaces via the study of boundary layer potentials.

O avanço no estudo da simulação numérica somado ao crescimento da capacidade computacional tem possibilitado a solução numérica de problemas de engenharia cada vez mais complexos. Modelos numéricos mais acurados e robustos têm sido desenvolvidos, aproximando os resultados numéricos dos experimentais. Neste caminho, o presente trabalho tem como objetivo a análise numérica comparada a dados experimentais de ondas de pressão na admissão de ar de um motor de combustão interna, se utilizando do método dos volumes finitos. Para isso, utilizou-se a pressão colhida experimentalmente na porta da válvula como condição de contorno e obteve-se a pressão nos pontos de monitoramento ao longo do domínio. Esta situação física trouxe diversos problemas a serem solucionados ao longo da história, sendo então resolvido no presente trabalho se utilizando do esquema de Runge-Kutta para integração explícita no tempo fictício e do esquema Three-Point Backward Difference (BDF2) para integração implícita no tempo físico. Isto é, se utiliza do Dual Time-Stepping (DTS) na integração temporal, pois usa a matriz de pré-condicionamento para condicionar a solução do problema para escoamentos compressíveis e incompressíveis em todas as velocidades, e esta matriz deteriora a acuracidade temporal que é devolvida pelo DTS. O tratamento dos fluxos invíscidos foi baseado no método da separação dos fluxos de Roe, através do pacote computacional Star CCM+. Percebeu-se que o método se encaixa muito bem na situação estudada, modelando o comportamento físico realisticamente. A velocidade de propagação das ondas de pressão e suas amplitudes são muito próximas dos valores experimentais, tendo os gráficos de seu comportamento em todos os pontos de monitoramento, boa concordância com os gráficos gerados experimentalmente. / The advance in the field of numerical simulation added to the growth of computational capability has enabled the numerical solution of engineering problems become more and more complex. More accurate and robust numerical models have been developed, approximating the numerical and experimental results. In this way, this work aims at the numerical analysis compared to experimental data of pressure waves in the air intake of an internal combustion engine, using the Finite Volumes Method. The pressure is experimentally measured in the valve port and inserted as a boundary condition to obtain the pressure in the monitoring points along the domain. This physical situation has brought many problems to be solved throughout history. The present work applied the Runge-Kutta explicit integration in pseudo-time and Three-Point Backward Difference (BDF2) for implicit integration in physical-time. It is used the Dual-Time Stepping (DTS) for temporal integration, and the preconditioning for incompressible and compressible flows at all speeds deteriorates the temporal accuracy which is returned by DTS. The treatment of inviscid flows was based on the Flux Difference Splitting scheme of Roe, through the computational package Star CCM+. The method fits very well the situation under study, modeling the physical behavior realistically. The speed of propagation of pressure waves and their amplitudes are very close to the experimental values, and the graphs of their behavior present at all monitoring points, good agreement with the experimentally generated graphics.

Turbulent combustion has a profound effect on the way we live our lives; homes and businesses predominantly rely on power generated by burning some form of fuel, and the vast majority of transport of passengers and cargo are driven by combustion. Fossil fuels remain readily available and relatively cheap, and so will continue to power the modern world for the foreseeable future. Combustion of fossil fuels produces emissions that detrimentally affect air quality, particularly in highly-populated cities, and are also widely believed to be contributing to global climate change. Consequently, increasing attention is being focused on alternative fuels, increased efficiency and reduced emissions. One alternative fuel is hydrogen, which introduces challenges in end-usage, storage and safety that are not encountered with more conventional fuels. Advances in computational power and software technology means that numerical simulation has a growing role in the development of combustors and safety evaluation. Despite these advances, many challenges remain; the broad range of time and length scales involved are coupled with complex thermodynamics and chemistry on top of turbulent fluid mechanics, which means that detailed simulations of even relatively-simple burners are still prohibitively expensive. Engineering turbulent flame models are required to reduce computational expense, and the challenge is to retain as much of the flow physics as possible. Furthermore, the choice of numerical approach has a significant effect on the quality of simulation, and different target applications place different demands on the numerical scheme. In the case of hydrogen explosion, the approach needs to be able to capture a range of physical behaviours including turbulence, low-speed deflagration, high-speed shock waves and potentially detonations. One such numerical approach that has enjoyed widespread success is finite volumes schemes based on the Godunov method. These methods perform well at all speeds, and have positive shock-capturing capability, but recent studies have demonstrated difficulties with numerical stability for more complex thermodynamics, specifically in the case of fully-conservative methods for multi-component fluids with varying thermodynamic properties. A recent development is the so-called double-flux method, which retains many of the positive properties of the fully-conservative approaches and does not suffer from the same numerical instabilities, but is quasi-conservative and involves additional computational expense. The present work consolidates the state-of-the-art in the literature, and considers two equation sets, based on mass fraction and volume fraction, respectively, along with fully-conservative and quasiconservative schemes. Comprehensive validation and evaluation of the different approaches is presented. It was found that both quasi-conservative approaches performed well, with a better conservative behaviour for the quasi-conservative volume fraction, but a better stability for the quasi-conservative mass fraction. Finally, the numerical tool developed is applied to turbulent combustion of premixed hydrogen in the context of the semi-confined experiments from the University of Sydney. The LES results showed an good overall agreement with the experimental data, and the critical parameters such as overpressure and flame speed where globally well captured, highlighting the large potential of LES for safety analysis.

The requirement for reduced jet noise in order to meet stringent noise legislation (civil aviation), and low infra-red observability and the use of unconventional exhaust nozzle configurations to improve aircraft survivability and performance (military aviation) is driving research to develop a better understanding of jet development and mixing mechanisms. One option open to the engineer is the use of small-scale model testing to investigate jets flows and provide valuable data for the validation of numerical models. Although more economical than large/full scale testing, additional factors that influence jet development may be present which would not be present at full scale and whose influence needs to be fully understood in order to allow small scale–large scale read-across. One such factor is the nozzle exit boundary layer. Although considerable data exist on the influence of nozzle exit boundary layers on low speed jet flows, current information on high speed jet flows is limited. It was, therefore, the aim of this thesis to extend the current understanding of nozzle exit boundary layers and their influence on the jet development for high speed jet flows through a combination of experimental and computational techniques. A combination of pneumatic probe measurements and Laser Doppler Anemometry (LDA) was used to investigate nozzle inlet and exit boundary layers of simple conical nozzles and the influence of adding a parallel extension piece. The measurements showed that the rapid acceleration of the boundary layer within the nozzle significantly reduced its momentum thickness Reynolds number and changed the state of the boundary layer from turbulent to laminar-like. The addition of a parallel extension to the nozzle exit returned the boundary layer to a fully turbulent state. A low Reynolds number RANS CFD approach was used to investigate the flow within the nozzle. Simulations using the Launder-Sharma low Reynolds number k–ε model revealed that the magnitude of the acceleration within the conical nozzles resulted in the boundary layer beginning to relaminarise. Full relaminarisation was not achieved due to the short axial distance over which the acceleration was sustained. The addition of a parallel extension provided a relaxation region in which the boundary layer could recover from the acceleration to become fully turbulent. Measurements of the jet plume originating from nozzles with laminar-like and turbulent boundary layers showed little influence of the boundary layer shape and thickness on shear layer spreading and jet centreline development.