The main aim is to understand the gas dynamic process, which occurs inside a two-stage turbine and to propose an algorithm for the simulation of a two-stage turbine at design and off-design points. The explanation of each chapter is constructed to make further works easy, which should be the main of any research work that needs to be continued. Moreover, the structure of the chapters is organized in order to expose the theory in a progressive order, avoiding confusing references to preceding topics. According to this method, the content of each chapter is showed in following topics. The Introduction explains the main goals of the Brazilian Space Agency (AEB), focusing the launching vehicle. Chapter II describes a two-stage impulse turbine designed for a liquid rocket engine and some trubopump basic design criteria. A detailed description of the main losses in two-stage axial turbines of liquid propellant rocket engine is depicted in Chapter III. The explanation are always associated with Russian experimental results showed in graphics or equations relating physical variables neasurable in experiments, and dimensionless factors of losses and efficiency. Experimental evidences have been used to produce experimental equations for the determination of the magnitude of the losses and flow angles in blade rows. Several design solution proposed in Chapter IV for improving the efficiency are based on empirical data. Then, some concepts are introduced in designing gas turbines as: power Nu' specific work Lu'load coefficient Lu.ratio and efficiency hu as function of the ratio of the tangential speed u to the adiabatic speed cad for single-stage an two-stage turbines and turbine specific work LT, turbine load coefficient LT.ratio' overall turbine efficiency hT and turbine power NT as function of the ratio of the tangential speed u to the adiabatic speed cad for two-stage turbines. The flow through nozzles and blade rows is examined in detail in Chapter V, where the process of gas expansion in cascades and features of the flow over blade surfaces are described for subsonic, transonic and supersonic conditions. In Chapter V, it is also discussed the structure of the boundary layer in order to reveal the general laws governing the flow around of blades and the methods used for designing blade profiles to lower shock waves. In the first topic of Chapter VI, the initial parameters of turbine calculations are slected and its values are defined according to initial data analysis. In the second topic, the dimensionless criteria for similarity of gas turbine are described. The basic parameters and the dimensionless criteria for similarity of gas turbine allow the definition of the mass flow and energy charactiristics of the turbines. Special attention is devoted to particular characteristics of high and low-pressure turbines. The relations explained in the preceding chapters are used for implementation of a computer program, using software "Mathcad" for simulation of the turbine working at design and off-design conditions. The algoritms for one and two axial impulse turbines are saved in the files I.mcd and II.mcd respectively in the CD-ROM. The appendix only shows the output data for two-stage axial impulse turbines. In Chapter 7, the validation of the methodology and the computer program is done using test data from Russian bipropellant (kerosene and liquid oxygen) engine RD - 0109 for the design point and using general empirical relations, obtained from linear regression of test data of actual one and two-stage axial impulse turbines for off-design points.

Univariate Statistical Process Control (SPC) has been extensively employed in industry for fault detection and product quality control. However, for complex systems, better results have been obtained by the use of more elaborate Multivariate Statistical Process Control (MSPC) techniques. This work proposes the use of MSPC techniques (Hotelling T2 and Runger U2 statistics) for health monitoring of the Embraer 190 horizontal stabilizer system. For illustration, these techniques are applied in a simulated case study representing a degradation scenario with progressive increase in friction. For comparison, Univariate SPC is also employed. The results indicate that MSPC provides earlier indications of degradation as compared to Univariate SPC. In addition, a sensitivity analysis reveals that the MSPC methods are more robust with respect to changes in the time profile of the degradation, as well as alterations in the influence of temperature on the friction coefficient. In all cases, the best results are obtained by using the Runger U2 statistic.

Este trabalho tem como objetivo a comparação de metodologias normalmente empregadas pelas EMBRAER (Empresa Brasileira de Aeronáutica) na determinação do arrasto de onda de asas operando em regime transônico. Os métodos avaliados neste trabalho são métodos que, devido à sua boa precisão e rápida velocidade de processamentos, são bastante adequados para serem utilizados no desenvolvimento de uma aeronave, principalmente durante seu projeto preliminar. A parcela do arrasto de onda é bastante significativa para aeronaves voando com velocidade acima de Mach 0.6 e sua importância é cada vez maior à medida que sua velocidade aumenta. No entanto, devido ao grande número de configurações possíveis para a aeronave em fase inicial de concepção, torna-se bastante difícil e custoso a determinação do arrasto de onda através de cálculos computacionais complexos ou ensaios em túnel. Técnicas que permitam uma estimativa rápida, porém confiável, da importância deste tipo de arrasto devem então ser empregadas. A metodologia utilizada deve ser de fácil aplicação, de modo a se avaliar, em um curto espaço de tempo, diversas configurações possíveis e, deste modo, auxiliar na escolha da melhor configuração. Tendo isso em mente, neste trabalho foi analisada a metodologia descrita pelo ESDU, cuja formulação remete a resultados já consagrados na indústria aeronáutica e/ou baseados em procedimentos experimentais, e uma metodologia numérica, BLWF, que utiliza-se de malhas computacionais e do cálculo do escoamento potencial. Inicialmente será apresentada uma breve descrição dos tipos de arrasto que se fazem presentes durante o vôo, bem como a importância de cada uma dessas parcelas. Em seguida, com finalidade ilustrativa, serão apresentados os cálculos e a distribuição do arrasto total em uma aeronave teórica voando na faixa transônica. As descrições dos métodos empregados são apresentada nos capítulos 5 e 6, que é seguido por uma confrontação e análise dos resultados obtidos utilizando-se as duas metodologias apresentadas. Os resultados obtidos pelo ESDU, embora extremamente rápidos, apresentam boa precisão para cálculos preliminares. No entanto, para asas que utilizam perfis supercríticos, a metodologia ESDU tende a sub-avaliar a contribuição do arrasto de onda. O BLWF, por exigir um maior número de parâmetros de entrada e tempo de simulação, é recomendado para uma fase já mais avançada do projeto. Deve-se levam em consideração que, apesar de importante, o arrasto da aeronave não é o único fator relevante na escolha de uma determinada configuração. Parâmetros como qualidade de vôo e até mesmo custos de fabricação jamais devem ser negligenciados.

O acúmulo de gelo nas superfícies é uma preocupação, pois pode causar deterioração considerável na performance aerodinâmica e no controle da aeronave, comprometendo a segurança da mesma. A forma e localização do gelo dependem das condições meteorológicas e de fatores específicos do avião. A operação segura de aeronaves em condição de gelo requer o uso de sistemas de proteção contra gelo que são tipicamente instalados nas superfícies aerodinâmicas críticas como asas, empenagem e entrada do motor. Para prevenir a formação do gelo, geralmente, os sistemas de degelo usam meios mecânicos ou térmicos enquanto que sistemas de antigelo utilizam fontes térmicas. O estudo para o conhecimento do fenômeno físico da formação de gelo e possíveis soluções para o mesmo, pode ser feito através de técnicas experimentais e também através de modelos computacionais. Em se tratando deste último, a resolução de problemas de escoamentos pode ser feito através da dinâmica dos fluidos computacional, do inglês CFD Computational Fluid Dynamics. Os benefícios do método estão na possibilidade de se modelar os fenômenos físicos fluidos que não podem ser facilmente simulados ou medidos com um experimento e também a possibiliade de se investigar o problema de forma mais rápida do que com os procedimentos experimentais, reduzindo os custos de projeto. Neste contexto o objetivo do presente trabalho é estudar o fenômeno físico de um sistema de proteção contra gelo com ar quente para assim obter a temperatura na superfície de um perfil com um tubo piccolo via mecânica dos fluidos computacional e estudar a viabilidade de adaptação de malha sem considerar a presença de camadas de prisma na superfície. Os resultados da simulação com a malha refinada apresentam boa concordância com os resultados experimentais, o que demonstra a confiabilidade dos modelos computacionais. O critério de adaptação de malha empregado neste trabalho, e especificamente para as condições aqui simuladas, não se mostrou favorável para a resolução do problema.

This work investigates transition to turbulence using laminar kinetic energy modeling based in single-point RANS approach. The transport equations are discretized using the cell centered control-volume method and the system of algebraic equations is relaxed using SIMPLE algorithm. A modified version of the most known laminar kinetic energy model is proposed and compared with the original version and with an experimental correlation transition model. The numerical results show that the laminar kinetic energy approach has reasonable experimental correlation. The modified version presents improvements in prediction of skin friction coefficient in pressure gradients flows. Laminar kinetic energy model showed weakness when dealing with detached induced transition. Probably the cause of that is the lack of physical modeling of this phenomenon. Laminar kinetic energy modeling is in continuous evolution and is a good alternative to deal with engineering simulation that needs a good prediction of wall shear stress in transitional flows.

Bombas de alta velocidade, i.e., bombas com velocidade angular entre 300 a 6000 rad/s, são largamente empregadas na aviação, mísseis, área naval, indústria petroquímica, plantas de geração de energia como turbinas a gás ou vapor. Por causa das altas velocidades angulares, elas podem ser aplicadas sem a aplicação de redutores em motores foguetes a propelente líquido. O uso de bombas de elevada rotação se deve ao fato das necessidades de obter elevadas pressões (50 a 60 MPa) com pequenas dimensões, reduzida massa e poucos estágios. O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia de dimensionamento dos principais parâmetros e características de uma bomba utilizada em Motores Foguetes a Propelente Líquido. A partir das dimensões e características energéticas da bomba de oxigênio líquido, é determinado os parâmetros de desempenho, através da dinâmica dos fluidos computacional. A partir dos resultados numéricos gerados pela simulação são propostos melhorias no projeto a fim de melhorar e otimizar a eficiência da bomba através da análise do comportamento do escoamento no interior da mesma. Para geração da malha do volume foi utilizado o programa Gambit. Para simular o escoamento na bomba centrífuga, as equações de Navier-Stokes com condições de contorno adequadas são resolvidas para a geometria tridimensional através do programa comercial de volumes finitos Fluent, assumindo o escoamento permanente, incompressível e sem a presença de gases dissolvidos no líquido. O modelo ?-? foi utilizado para simular a turbulência no escoamento. Baseado nos resultados obtidos como campo de velocidade, distribuição de pressão para diferentes fluxos mássicos foram analisados.

A crescente preocupação com a qualidade de vida nos centros urbanos aliada ao aumento da densidade demográfica nas regiões próximas de aeroportos tem chamado a atenção das autoridades de aviação civil para a poluição sonora provocada por aeronaves. Nesse contexto, os limites de ruído externo para homologação de aeronaves tornaram-se muito restritivos nos últimos anos, com o claro objetivo de confinar o ruído no interior dos aeroportos. Com a evolução tecnológica dos motores aeronáuticos, diminuir o ruído aerodinâmico gerado por trens de pouso e hipersustentadores tornou-se uma competência fundamental para manter a competitividade da aeronave no requisito ruído. Esse trabalho estuda o mecanismo de geração de ruído aerodinâmico pelo \"slat\" através de simulações numéricas nas seguintes condições de túnel de vento: número de Mach 0,1, número de Reynolds \'Aproximadamente\' 10\'POT.6\' e ângulos de ataque 4°, 6° e 8°. As estimativas de ruído foram comparadas com medições experimentais baseadas da técnica de beamforming, tendo sido observada diferença máxima de 2:5 dB no nível global de ruído. A variação de ruído com o ângulo de ataque foi superestimada em 0:8 dB pelas simulações. O recolamento da camada cisalhante foi identificado através dos contornos de flutuação de pressão na superfície do \"slat\" como a principal fonte de ruído do \"slat\". Para explicar a diminuição do ruído com o aumento do ângulo de ataque foi proposto que as flutuações na camada cisalhante seriam intensificadas através de realimentação de energia dos vórtices capturados pela zona de recirculação na cova. A existência desse mecanismo foi testada comparando os perfis de vorticidade na cúspide e bordo de fuga do \"slat\" e espectros ao longo da trajetória da camada cisalhante para os ângulos de ataque 4° e 8°. Embora o perfil inicial da camada cisalhante seja o mesmo nas duas condições, a esteira no bordo de fuga indica que maior parcela dos vórtices é capturada na condição 4°. Como consequência, as flutuações da camada cisalhante nas proximidades do recolamento são maiores nessa condição, consistente com os maiores níveis de ruído. / The growing concern about the life quality in urban centers coupled with increasing population density in near airports areas has drawn the attention of civil aviation authorities for aircraft noise pollution. In this context, external noise limits for approval of aircraft have become very restrictive in recent years, with the clear objective to confine aircraft noise inside airports. With the technological evolution of aircraft engines, reducing noise generated by aerodynamic landing gear and highlift devices have become a core competency to keep the aircraft competitive regarding noise requirements. This work studies the generation mechanism of aerodynamic noise by slats through numerical simulations in the following wind tunnel conditions: Mach number 0.1, Reynolds number \'Approximately\' 10\'POT.6\' and angles of attack 4°, 6° and 8°. The noise estimates were compared with experimental measurements based on beamforming technique, and it was observed the maximum difference of 2:5 dB in the overall noise level. The noise variation with angle of attack was over-estimated at 0.8 dB by the simulations. The reattachment of the shear layer was identified by the contours of pressure fluctuation on the surface of the slat as the key noise generation mechanism. To explain the noise reduction when the angle of attack is increased it has been proposed that fluctuations in the shear layer would be enhanced through feedback of energy captured by the vortex recirculation zone in the slat cove. The existence of this mechanism was tested by comparing the vorticity profiles at both the cusp and trailing edge, as well as velocity fluctuation spectra along the trajectory of the shear layer for angles of attack 4° and 8 degree. Although the initial profile of the shear layer is the same in both conditions, the wake at the trailing edge indicates that a higher percentage of the vortices is trapped in the recirculation for the condition 4°. Consequently, fluctuations in the shear layer near the reattachment are greater in this condition, which is consistent with the higher noise levels.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma formulação numérica baseada em Análise Isogeométrica para o estudo de escoamentos incompressíveis isotérmicos de fluidos newtonianos. Com o emprego desta metodologia, os procedimentos de pré-processamento e análise são unificados, melhorando as condições de continuidade das funções de base empregadas tanto na discretização espacial do problema como na aproximação das variáveis do sistema de equações. O sistema de equações fundamentais do escoamento é formado pelas equações de Navier-Stokes e pela equação de conservação de massa, descrita segundo a hipótese de pseudo-compressibilidade, além de uma equação constitutiva para fluidos viscosos de acordo com a hipótese de Stokes. Para problemas com escoamentos turbulentos emprega-se a Simulação de Grandes Escalas - LES (Large Eddy Simulation), na qual o modelo clássico de Smagorinsky é utilizado para a representação das escalas inferiores à resolução da malha. O esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin é aplicado no contexto da Análise Isogeométrica para a discretização das equações governantes, sendo que a discretização espacial é realizada empregando-se funções NURBS (Non Uniform Rational Basis B-Splines). Essas funções base apresentam vantagens em relação às tradicionais funções utilizadas no MEF (Método dos Elementos Finitos), principalmente no que diz respeito à facilidade de obtenção de continuidade superior a C0 entre os elementos e representação precisa das geometrias. Propõe-se também o desenvolvimento de ferramentas de pré e pós-processamento baseadas na estrutura de dados da Análise Isogeométrica para a geração de malhas e visualização de resultados. Alguns problemas clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são analisados para a validação da metodologia apresentada. Os resultados apresentados demonstram boa aproximação da formulação em relação a dados de referência, além de maior versatilidade quanto à discretização espacial dos problemas em comparação com as tradicionais formulações baseadas em elementos finitos. / This work aims to develop a numerical formulation based on Isogeometric Analysis for the study of incompressible flows of Newtonian fluids under isothermal conditions. By using this methodology, pre-processing and analysis procedures are unified, improving the conditions of continuity of the basis functions utilized in the approximations of the equation variables and spatial discretization of the problem. The system of fundamental equations of the fluid flow is constituted by the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, which is described according to the pseudo-compressibility hypothesis. In addition, a constitutive equation for viscous fluids according to Stokes' hypothesis is also provided. Turbulent flows are analyzed using LES (Large Eddy Simulation), where the Smagorinsky’s model is adopted for sub-grid scales. The explicit two-step Taylor-Galerkin method is applied into the context of Isogeometric Analysis for the discretization of the flow equations, where spatial discretization is carried out taking into account Non Uniform Rational Basis B-Splines (NURBS) basis functions. These basis functions have advantages over traditional functions employed in the FEM (Finite Element Method). Particularly, it is easier to obtain continuity order higher than C0 between adjacent elements and geometry representation is more accurate. Pre and post-processing tools for mesh generation and results visualization are also proposed considering the data structure inherent to Isogeometric Analysis. Some classic problems of Computational Fluid Dynamics are analyzed in order to validate the proposed methodology. Results obtained here show that the present formulation has good approximation when compared with predictions obtained by reference authors. Moreover, Isogeometric Analysis is more versatile than traditional finite element formulations when spatial discretization procedures are considered.

A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.

Correntes de densidade são fluxos gravitacionais gerados pela diferença de densidade entre dois fluidos. Correntes de turbidez fazem parte de uma sub-classificação das correntes de densidade, na qual o fluido mais denso tem, na sua composição, partículas em suspensão. Muitos trabalhos numéricos já estudaram a dinâmica das correntes de turbidez, mas, nenhum dos encontrados aplicou mudanças de relevo concomitantes com a simulação, causadas pela sedimentação das próprias partículas da corrente e nem alterou o relevo após a passagem de cada evento em um domínio tridimensional. O presente trabalho pretende analisar a alteração no relevo de fundo causada por uma corrente de turbidez. No código Incompact3d, as equações de Navier-Stokes, Continuidade e Transporte e Difusão são resolvidas em uma malha cartesiana tridimensional. A condição inicial adotada é a de Lock-Exchange. As simulações realizadas utilizaram Simulação Numérica Direta (DNS). O código utiliza um esquema compacto centrado de sexta ordem, em diferenças finitas, para o esquema espacial, e Adams-Bashfort de terceira ordem para o esquema temporal. A validação do código foi realizada comparando-se com trabalhos experimental e numéricos. A análise das diferentes proporções granulométricas mostrou que quanto maior é a quantidade de material grosso na condição inicial, maior será seu depósito para um dado tempo. Em consequência, mais relevante se torna a consideração da alteração do relevo de fundo. Além disso, quanto maior o fator de compactação do sedimento, maior será o erro de não considerar a atualização de fundo. Os resultados também apontaram que os erros médios ao não considerar a atualização do fundo são da ordem de 4% da massa de depósito em 20 tempos adimensionais, para os parâmetros utilizados. Ao se propagar uma corrente de turbidez sobre o depósito de outra, os erros se mostram menores. / Gravity currents are gravitational fluxes triggered by density di erence between two fluids. A sub-classification of those are turbidity currents, in which the denser fluid is composed by the lighter fluid plus suspended particles. Many papers had shown turbidity currents dynamics, although none of the papers found had applied changes in the simulated topography due to deposit during the own simulation, neither they had altered a 3D domain topography after each flux, applying the changes caused by the previous current. The present dissertation aims to analyse the turbidity current dynamics alteration caused by the influence of its own deposit, altering the topography during the very simulation. The analysis is conducted in a polidispersed turbidity current. The Incompact3d code solves Navier-Stokes, continuity and transport-di usion equation, in a tridimensional cartesian mesh. Lock-exchange was chosen to be the initial condition. Direct Numerical Simulations (DNS) are performed. Sixth order compact finite-di erence schemes are used on the spatial domain, while third order Adams-Bashfort is applied for the temporal evaluation. Comparisons with numerical and experimental papers were performed for code verification. Results showed the coarser the particles on the starting lock-exchange, the higher its deposit is, and the more the terrain will be altered. Nevertheless, the bigger the compacting factor, the bigger the error of not considering bathymetry alteration. Results also point that the average errors of not considering the update are in order of 4% on the mass deposit, after 20 dimensionless times, for the used parameters. When a current propagates over the deposit of a previous one, these errors are smaller.