In this thesis, two dimensional, incompressible, viscous flow past bluff bodies and a bridge section, in which strong vortex shedding and unsteady attribute of flow are generally found, is simulated by means of random vortex method. The algorithm and method are described in detail. The validation and applicability of the developed numerical implementation to general wind engineering problems is illustrated by solving a number of classical problems, such as flow past circular and square cylinders. An application of the numerical implementation in the area of computational wind engineering is performed by analyzing a bridge deck section. Moreover, all results are compared with experimental and numerical studies in literature.

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.

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

O objetivo deste trabalho é estudar e desenvolver procedimentos numéricos adequados para a análise de problemas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). O escoamento é analisado a partir das equações de Navier-Stokes para um fluido Newtoniano e de uma equação de conservação de massa considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade, ambas em um processo isotérmico. Na presença de escoamentos turbulentos emprega-se a Simulação de Grandes Escalas (“LES”) com os modelos clássico e dinâmico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha. Dois modelos numéricos de Taylor-Galerkin para a análise do escoamento são estudados: o esquema explícito de dois passos e o esquema explícito-iterativo. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é empregado para a discretização do domínio espacial utilizando o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com integração reduzida das matrizes em nível de elemento. Em problemas envolvendo efeitos de interação fluido-estrutura emprega-se um esquema de acoplamento particionado com características superiores de conservação, permitindo, inclusive, o uso de subciclos entre as análises do fluido e da estrutura e de malhas não compatíveis na interface. A estrutura é considerada como um corpo deformável constituído de um material elástico linear com a presença de nãolinearidade geométrica. O MEF é também usado para a discretização da estrutura, empregando-se para tanto o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com integração reduzida e controle de modos espúrios. A equação de equilíbrio dinâmico é integrada no tempo utilizando o método implícito de Newmark no contexto do método de estabilização α- Generalizado. Na presença de estruturas deformáveis, o escoamento é descrito através de uma formulação arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE). Ao final, comparações com exemplos numéricos e experimentais são apresentadas para demonstrar a viabilidade dos algoritmos desenvolvidos, seguindo-se com as conclusões do trabalho e as sugestões para trabalhos futuros. / Analysis and development of numerical tools to simulate Computational Wind Engineering (CWE) problems is the main goal of the present work. The isothermal flow is analyzed using the Navier-Stokes equations for viscous fluids and a mass conservation equation obtained according to the pseudo-compressibility assumption. Turbulent flows are simulated employing Large Eddy Simulation (LES) with the classical and dynamic Smagorinsky’s models for subgrid scales. Two Taylor-Galerkin models for the flow analysis are investigated: the explicit two-step scheme and the explicit-iterative scheme. The Finite Element Method (MEF) is employed for spatial discretizations using the eight-node hexahedrical isoparametric element with one-point quadrature. Fluid-structure interaction problems are analyzed with a coupling model based on a conservative partitioned scheme. The Finite Element Method (MEF) is employed for spatial discretizations using the eight-node hexahedrical isoparametric element with one-point quadrature. Fluid-structure interaction problems are analyzed with a coupling model based on a conservative partitioned scheme. Subcycling and nonmatching meshes for independent discretizations of the fluid and structure domains are also available. The structure is considered as a deformable body constituted by a linear elastic material with geometrically nonlinear effects. The FEM is used for the spatial discretization of the structure as well. Eight-node hexahedrical isoparametric elements with one-point quadrature and hourglass control are adopted in this process. The implicit Newmark algorithm within the framework of the α-Generalized method is employed for the numerical integration of the dynamic equilibrium equation. An arbitrary Lagrangean-Eulerian (ALE) description is adopted for the kinematic description of the flow when deformable structures are analyzed. Numerical and experimental examples are simulated in order to demonstrate the accuracy of the developed algorithms. Concluding remarks and suggestions for future works are pointed out in the last chapter of the present work.

O objetivo deste trabalho é estudar, dentro da Engenharia do Vento Computacional (EVC), a dispersão de poluentes em zonas urbanas, empregando-se um modelo numérico baseado em técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional para escoamentos incompressíveis, não isotérmicos e com transporte de massa. Um esquema explícito de dois passos é usado para a discretização temporal das equações governantes, considerando expansões em séries de Taylor de segunda ordem para as derivadas no tempo. O processo de discretização espacial é realizado através da aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF), onde hexaedros de oito nós com um ponto de integração são utilizados. A turbulência é tratada numericamente através da Simulação de Grandes Escalas (LES) e os modelos clássico e dinâmico de Smagorinsky são empregados na modelagem das escalas inferiores à resolução da malha. Efeitos de temperatura sobre o escoamento são considerados na forma de forças de flutuação presentes na equação de balanço de momentum, as quais são calculadas a partir da aproximação de Boussinesq. Técnicas de paralelização em memória compartilhada (OpenMP) são também usadas a fim de melhorar a eficiência computacional do presente modelo para problemas com grande número de elementos. Exemplos clássicos de Dinâmica de Fluidos e Fenômenos de Transporte são inicialmente analisados para teste das ferramentas numéricas implementadas. Problemas de dispersão de poluentes com e sem a inclusão dos efeitos de temperatura são abordados para configurações geométricas bi e tridimensionais de street canyons, representando a unidade geométrica básica encontrada em centros urbanos de grandes cidades. / The main goal of the present work is to study the pollutant dispersion in urban areas using a numerical model based on techniques developed by Computational Fluid Dynamics, where applications of Computational Wind Engineering (CWE) are analyzed considering incompressible flows with heat and mass transport. A two-step explicit scheme is adopted for the time discretization of the governing equations considering second order Taylor series expansions of the time derivative terms. Spatial discretization is performed by applying the Finite Element Method (FEM), where eight-node hexahedral elements with one-point quadrature are utilized. Turbulence is numerically analyzed by using Large Eddy Simulation (LES) with the classical and dynamic Smagorinsky’s models for subgrid scale modeling. Thermal effects on the flow field are taken into account through buoyancy forces acting on the momentum balance equation, which are calculated considering the Boussinesq approximation. Shared memory parallelization techniques (OpenMP) are also employed in order to improve computational efficiency for problems with large number of elements. Classic examples of Fluid Dynamics and Transport Phenomena are first analyzed to verify the numerical tools implemented. Problems involving pollutant dispersion with and without the inclusion of thermal effects are investigated for two and three-dimensional geometric configurations of street canyons, which represent the basic geometric unit observed in urban centers of large cities.

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

O objetivo deste trabalho é estudar, dentro da Engenharia do Vento Computacional (EVC), a dispersão de poluentes em zonas urbanas, empregando-se um modelo numérico baseado em técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional para escoamentos incompressíveis, não isotérmicos e com transporte de massa. Um esquema explícito de dois passos é usado para a discretização temporal das equações governantes, considerando expansões em séries de Taylor de segunda ordem para as derivadas no tempo. O processo de discretização espacial é realizado através da aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF), onde hexaedros de oito nós com um ponto de integração são utilizados. A turbulência é tratada numericamente através da Simulação de Grandes Escalas (LES) e os modelos clássico e dinâmico de Smagorinsky são empregados na modelagem das escalas inferiores à resolução da malha. Efeitos de temperatura sobre o escoamento são considerados na forma de forças de flutuação presentes na equação de balanço de momentum, as quais são calculadas a partir da aproximação de Boussinesq. Técnicas de paralelização em memória compartilhada (OpenMP) são também usadas a fim de melhorar a eficiência computacional do presente modelo para problemas com grande número de elementos. Exemplos clássicos de Dinâmica de Fluidos e Fenômenos de Transporte são inicialmente analisados para teste das ferramentas numéricas implementadas. Problemas de dispersão de poluentes com e sem a inclusão dos efeitos de temperatura são abordados para configurações geométricas bi e tridimensionais de street canyons, representando a unidade geométrica básica encontrada em centros urbanos de grandes cidades. / The main goal of the present work is to study the pollutant dispersion in urban areas using a numerical model based on techniques developed by Computational Fluid Dynamics, where applications of Computational Wind Engineering (CWE) are analyzed considering incompressible flows with heat and mass transport. A two-step explicit scheme is adopted for the time discretization of the governing equations considering second order Taylor series expansions of the time derivative terms. Spatial discretization is performed by applying the Finite Element Method (FEM), where eight-node hexahedral elements with one-point quadrature are utilized. Turbulence is numerically analyzed by using Large Eddy Simulation (LES) with the classical and dynamic Smagorinsky’s models for subgrid scale modeling. Thermal effects on the flow field are taken into account through buoyancy forces acting on the momentum balance equation, which are calculated considering the Boussinesq approximation. Shared memory parallelization techniques (OpenMP) are also employed in order to improve computational efficiency for problems with large number of elements. Classic examples of Fluid Dynamics and Transport Phenomena are first analyzed to verify the numerical tools implemented. Problems involving pollutant dispersion with and without the inclusion of thermal effects are investigated for two and three-dimensional geometric configurations of street canyons, which represent the basic geometric unit observed in urban centers of large cities.