A metodologia LES (Large Eddy Simulation) é uma alternativa viável para a solução numérica de escoamentos de interesse prático em virtude da limitação computacional imposta pela resolução direta de todas as escalas presentes em escoamentos turbulentos. Entretanto, a compreensão detalhada do fenômeno da turbulência é ainda uma tarefa desafiadora em consequência do seu comportamento não linear e alta sensibilidade às condições iniciais e de contorno. Dessa forma, o sucesso de simulações LES está associado à utilização de um código computacional eficiente, com modelagem submalha que represente corretamente a dinâmica do escoamento, juntamente com a especificação de condições iniciais turbulentas fisicamente consistentes. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um código LES de alta ordem aliado a um método de geração de perturbações para o estudo de escoamentos turbulentos em camada limite sobre superfície plana. Foi adotada a formulação vorticidadevelocidade. A metodologia numérica baseia-se no método de diferenças finitas em malhas colocalizadas, onde as derivadas nas direções longitudinal e normal ao escoamento são aproximadas usando diferenças compactas de alta ordem. Esse estudo assume periodicidade na direção transversal do escoamento e então um método espectral é adotado nessa direção. A integração temporal é feita através do método Runge-Kutta de 4a ordem e a solução da equação de Poisson se dá por meio de um método multigrid. Para a modelagem submalha é adotado o modelo WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). O método RFG (Random Flow Generation) foi responsável pela geração das flutuações de velocidade. Os resultados obtidos mostraram-se em boa concordância com os dados DNS (Direct Numerical Simulation) e LES presentes na literatura. / LES methodology is a viable alternative for the numerical solution of practical interest flows due to the computational limitations imposed by the direct resolution of all scales presented in turbulent flow. However, the detailed understanding of the turbulence phenomenon is still a challenging task as a result of its non-linear behavior and high sensitivity to initial and boundary conditions. Thus, the success of LES simulations is associated with the use of an efficient computational code, wherein the subgrid scale modeling accurately represents the flow dynamics, together with the specification of realistic inicial boundary conditions. In this context, this study aims to develop a high-order LES code combined with a method for generating velocity fluctuations to compute turbulent boundary layer flows over a flat plate. The vorticity-velocity formulation was adopted. The numerical scheme is based on the finite difference method in collocated grid, where the derivatives in the streamwise and wall-normal are approximated using high order compact finite difference schemes. We also assume periodicity in spanwise direction therefore it is adopted a spectral method in this direction. The method chosen for the temporal evolution is the 4th order Runge-Kutta method and the solution of Poisson equation solution is accessed via a multigrid algorithm. For subgrid modelling it is adopted the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model. The RFG (Random Flow Generation) method was responsible for the generation of unsteady turbulent velocity signal. The results obtained were in good agreement with DNS (Direct Numerical Simulation) and LES from the literature.

A metodologia LES (Large Eddy Simulation) é uma alternativa viável para a solução numérica de escoamentos de interesse prático em virtude da limitação computacional imposta pela resolução direta de todas as escalas presentes em escoamentos turbulentos. Entretanto, a compreensão detalhada do fenômeno da turbulência é ainda uma tarefa desafiadora em consequência do seu comportamento não linear e alta sensibilidade às condições iniciais e de contorno. Dessa forma, o sucesso de simulações LES está associado à utilização de um código computacional eficiente, com modelagem submalha que represente corretamente a dinâmica do escoamento, juntamente com a especificação de condições iniciais turbulentas fisicamente consistentes. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um código LES de alta ordem aliado a um método de geração de perturbações para o estudo de escoamentos turbulentos em camada limite sobre superfície plana. Foi adotada a formulação vorticidadevelocidade. A metodologia numérica baseia-se no método de diferenças finitas em malhas colocalizadas, onde as derivadas nas direções longitudinal e normal ao escoamento são aproximadas usando diferenças compactas de alta ordem. Esse estudo assume periodicidade na direção transversal do escoamento e então um método espectral é adotado nessa direção. A integração temporal é feita através do método Runge-Kutta de 4a ordem e a solução da equação de Poisson se dá por meio de um método multigrid. Para a modelagem submalha é adotado o modelo WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). O método RFG (Random Flow Generation) foi responsável pela geração das flutuações de velocidade. Os resultados obtidos mostraram-se em boa concordância com os dados DNS (Direct Numerical Simulation) e LES presentes na literatura. / LES methodology is a viable alternative for the numerical solution of practical interest flows due to the computational limitations imposed by the direct resolution of all scales presented in turbulent flow. However, the detailed understanding of the turbulence phenomenon is still a challenging task as a result of its non-linear behavior and high sensitivity to initial and boundary conditions. Thus, the success of LES simulations is associated with the use of an efficient computational code, wherein the subgrid scale modeling accurately represents the flow dynamics, together with the specification of realistic inicial boundary conditions. In this context, this study aims to develop a high-order LES code combined with a method for generating velocity fluctuations to compute turbulent boundary layer flows over a flat plate. The vorticity-velocity formulation was adopted. The numerical scheme is based on the finite difference method in collocated grid, where the derivatives in the streamwise and wall-normal are approximated using high order compact finite difference schemes. We also assume periodicity in spanwise direction therefore it is adopted a spectral method in this direction. The method chosen for the temporal evolution is the 4th order Runge-Kutta method and the solution of Poisson equation solution is accessed via a multigrid algorithm. For subgrid modelling it is adopted the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model. The RFG (Random Flow Generation) method was responsible for the generation of unsteady turbulent velocity signal. The results obtained were in good agreement with DNS (Direct Numerical Simulation) and LES from the literature.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2017-02-09T14:07:38Z No. of bitstreams: 1 hivyqueirozpereira.pdf: 733279 bytes, checksum: dc66de0bd1d5374dc4c99682044ef5ea (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-02-10T10:38:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 hivyqueirozpereira.pdf: 733279 bytes, checksum: dc66de0bd1d5374dc4c99682044ef5ea (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-10T10:38:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 hivyqueirozpereira.pdf: 733279 bytes, checksum: dc66de0bd1d5374dc4c99682044ef5ea (MD5) Previous issue date: 2006-02-22 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo comparativo das características de convergência das formulações convencional polar, convencional retangular e injeção de corrente na solução do fluxo de potência trifásico. As metodologias polar e retangular utilizam as equações de potência injetada nas barras expressas em função das coordenadas polares e retangulares da tensão, respectivamente. A formulação de injeção de corrente utiliza as equações de corrente injetada nas barras expressas em termos das coordenadas retangulares da tensão. As equações não lineares referentes a cada um dos métodos são resolvidas através do processo iterativo de Newton-Raphson. Além disto, a manutenção da matriz Jacobiana constante durante o processo iterativo é também investigada. Por outro lado, este trabalho também propõe uma metodologia para a solução do fluxo de potência trifásico sujeito a condições iniciais desfavoráveis. Este método baseia se numa característica particular inerente à formulação de injeção de corrente. O método é simples e rápido, garantindo a convergência do processo iterativo. Os resultados são bastante satisfatórios, demonstrando a eficácia do método proposto em situações nas quais as formulações convencionais de solução do fluxo de potência falham na convergência do processo iterativo. / This work presents a comparative study on convergence characteristics of some three-phase power flow methods, namely, conventional polar, conventional rectangular and current injection formulations. The polar and rectangular methodologies use the injected power equations written in terms of voltage polar and voltage rectangular coordinates, respectively. The current injection method employs the injected current equations expressed in function of voltage rectangular coordinates. The nonlinear equations associated with each method are solved iteratively through Newton-Raphson approach. Moreover, the strategy of keeping the Jacobian matrix constant throughout the iterative process is also investigated. On the other hand, this work also proposes a new methodology for solving threephase power flow problems subjected to poor initial conditions. This method is based on a particular convergence feature inherent in the power flow current injection formulation. It is simple and fast, ensuring the convergence of the iterative process. The results are quite satisfactory and demonstrate the effectiveness of the proposed approach on problems where standard three-phase power flow formulations fail to converge.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-14T11:21:59Z No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-16T13:00:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-16T13:00:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) Previous issue date: 2016-09-12 / Este trabalho objetiva explorar a generalização e flexibilização da modelagem matemáticaparasimulaçãonuméricadasdinâmicasdecurtoelongoprazodoscomponentes dos sistemas elétricos de potência. Para isto, é apresentada uma metodologia que busca explicitar os elementos integradores mostrando como estes podem ser manipulados visando tornar a solução das dinâmicas em sistemas de potência mais flexível. Ao explicitar o elemento integrador é possível flexibilizar a escolha do método de integração, o cálculo das condições iniciais para as variáveis de estado e, inclusive, a estratégia para eliminação de dinâmicas dependendo do estudo a ser realizado. O método empregado para a solução do conjunto de equações algébrico-diferenciais é o simultâneo, ou seja, a rede é solucionada juntamente com as equações que modelam os equipamentos. Este conjunto é obtido através da conversão das equações diferenciais em equações das diferenças, empregando o método de integração trapezoidal, formando um único conjunto algébrico e não linear, que é resolvido pelo método de Newton-Raphson. Todos os aspectos discutidos neste trabalho referentes a modelagem matemática são empregados no desenvolvimento de uma ferramenta de simulação flexível utilizando a linguagem de programação Python. Por fim, a metodologia proposta e a ferramenta são avaliadas através do estudo de três sistemas teste. Os resultados obtidos são comparados aos do programa ANATEM e, na sequência, é realizada uma análise do desempenho computacional. / This work aims to explore the generalisation and flexibility of mathematical modelling to numerical simulation of dynamic short and long-term components of electric power systems. Thus, it is presented a methodology that seeks to clarify the integrating elements showing how these can be manipulated in order to make the solution of dynamics in power systems more flexible. After the integrating element be explained, it is possible to make the choice of integration method flexible, the calculation of initial conditions for the state variables and even the strategy for eliminating dynamics depending on the study to be performed. It was used the simultaneous method to solve the set of algebraic-differential equations. In other words, the network and the equations that model the equipment are solved in a single set of equations and simultaneously. It was used the trapezoidal integration method to convert the differential equations into difference equations. This process generates a non-linear algebraic set, which is solved by the Newton-Raphson method. Every aspect discussed in this work regarding the mathematical modelling are employed in the development of a flexible simulation tool using the Python programming language. Finally, the proposed methodology and the tool are evaluated by studying three different test systems. The obtained results are compared to the ANATEM program, following a computational efficiency analysis.