O objetivo desta dissertação de mestrado é estudar técnicas numéricas para simular escoamentos incompressíveis multifásicos e implementar uma ferramenta computacional utilizando malhas hierárquicas e discretizações por diferenças finitas. São apresentados a formulação matemática e o desenvolvimento do método numérico, levando em consideração o caráter multifásico do escoamento. Foi adotado o modelo de força superficial contínua e a representação da interface foi feita pelo método de acompanhamento de fronteira. São expostos todos os testes realizados durante o desenvolvimento da ferramenta para checar cada etapa do método. Finalmente, testes visando verificar o código foram feitos e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios para a verificação da ferramenta aqui desenvolvida. / The objective of this masters degree essay is to study numerical techniques to simulate incompressible multiphase flows and to implement a computational tool using hierachical meshes and discretizations by finite diferences. We introduce the mathematical formulation and the development of the numerical method, for the multiphase flow problem. A continuum surface force model is employed with the interface representation by the front tracking method. We show all tests performed to verify each stage of the methods development. Finally, results obtained in classical benchmark flow tests show good agreement with previous published results, corroborating the validity of this newly developed numerical tool.

A parallel GPU compatible Lagrangian mesh free particle solver for multiphase fluid flow based on SPH scheme is developed and used to capture the interface evolution during droplet impact. Surface tension is modeled employing the multiphase scheme of Hu et al. (2006). In order to precisely simulate the wetting phenomena, a method based on the work of Šikalo et al. (2005) is jointly used with the model proposed by Afkhami et al. (2009) to ensure accurate dynamic contact angle calculations. Accurate predictions were obtained for droplet contact angle during spreading. A two-dimensional analytical model is developed as an expansion to the work of Chandra et al. (1991). Results obtain from the solver agrees well to this analytical results. Effects of memory management techniques along with a variety of task assigning algorithms on GPU are studied. GPU speedups of up to 120 times faster than a single processor CPU were obtained.

A parallel GPU compatible Lagrangian mesh free particle solver for multiphase fluid flow based on SPH scheme is developed and used to capture the interface evolution during droplet impact. Surface tension is modeled employing the multiphase scheme of Hu et al. (2006). In order to precisely simulate the wetting phenomena, a method based on the work of Šikalo et al. (2005) is jointly used with the model proposed by Afkhami et al. (2009) to ensure accurate dynamic contact angle calculations. Accurate predictions were obtained for droplet contact angle during spreading. A two-dimensional analytical model is developed as an expansion to the work of Chandra et al. (1991). Results obtain from the solver agrees well to this analytical results. Effects of memory management techniques along with a variety of task assigning algorithms on GPU are studied. GPU speedups of up to 120 times faster than a single processor CPU were obtained.

O objetivo desta dissertação de mestrado é estudar técnicas numéricas para simular escoamentos incompressíveis multifásicos e implementar uma ferramenta computacional utilizando malhas hierárquicas e discretizações por diferenças finitas. São apresentados a formulação matemática e o desenvolvimento do método numérico, levando em consideração o caráter multifásico do escoamento. Foi adotado o modelo de força superficial contínua e a representação da interface foi feita pelo método de acompanhamento de fronteira. São expostos todos os testes realizados durante o desenvolvimento da ferramenta para checar cada etapa do método. Finalmente, testes visando verificar o código foram feitos e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios para a verificação da ferramenta aqui desenvolvida. / The objective of this masters degree essay is to study numerical techniques to simulate incompressible multiphase flows and to implement a computational tool using hierachical meshes and discretizations by finite diferences. We introduce the mathematical formulation and the development of the numerical method, for the multiphase flow problem. A continuum surface force model is employed with the interface representation by the front tracking method. We show all tests performed to verify each stage of the methods development. Finally, results obtained in classical benchmark flow tests show good agreement with previous published results, corroborating the validity of this newly developed numerical tool.

Práce komplexně popisuje vodní a vodovzdušné chlazení pomocí metod CFD (Computational Fluid Dynamics) konkrétně s využitím software ANSYS FLUENT. Skládá se ze dvou hlavních částí, z nichž první se zabývá numerickým popisem jediné vodní kapky a druhá popisem směsí kapek představující paprsek válcové a ploché trysky. Je založena převážně na vícefázových modelech proudění a vlastních uživatelsky definovaných funkcí (User Defined Functions, UDF) představujících stěžejní část práce. Uvedené výpočtové modely jsou ve většině případů verifikovány pomocí experimentálních dat nebo jiných numerických modelů. V první části práce jsou teoreticky postupně rozebrány všechny tři použité vícefázové modely proudění. První z nich, Volume Of Fluid model (VOF), byl použit pro modelování jediné kapky (mikromodel). Zatímco zbývající dva, Euler-Euler model a Euler-Lagrange model, byly aplikovány v modelu celého paprsku trysky (makromodel). Mikromodel popisuje dynamiku volného pádu vodní kapky. Pro malé průměry kapek (~100µm) standardní model povrchového napětí (Continuum Surface Force, CSF) způsoboval tzv. parazitní proudy. Z toho důvodu je v práci rozebrána problematika výpočtu normál, křivostí volných povrchů a povrchového napětí jako zdroje objemových sil v pohybových rovnicích. Makromodel se zabývá studiem dynamiky celého paprsku tj. oblastí od ústí trysky po dopad na horký povrch, bere v úvahu kompletní geometrii, tzn. např. podpůrné válečky, bramu, spodní část krystalizátoru apod. V práci je rozebrána 2D simulace dopadu paprsku válcové trysky pomocí VOF modelu Euler-Lagrange modelu na horký povrch. Pro případ s VOF modelem byl navržen model blánového varu. Euler-Euler model a Euler-Lagrange model byly využity pro simulaci paprsku ploché trysky horizontálně ostřikující horkou bramu přímo pod krystalizátorem nad první řadou válečků. Pro Euler-Euler model byl navržen model sekundárního rozpadu paprsku založený na teorii nejstabilnější vlnové délky (Blob jet model). Jelikož diskrétní Lagrangeovy částice tvořily v určitých místech spíše kontinuální fázi, byl navržen a otestován model pro konverzi těchto částic do VOF.