A crescente demanda de energia dos dias de hoje, aliada aos graves problemas ambientais advindos da sua produção tem estimulado a procura de formas alternativas de energia. Dentre as diversas fontes de energia, as renováveis ganham expressão particularmente significativa. Neste contexto, a energia eólica revela-se uma aposta correta, a nível econômico, energético e ambiental. Por outro lado, a microprodução é apontada como uma das soluções para os problemas supracitados. Assim, a combinação de ambas as áreas tem sido alvo de especial interesse. Este trabalho visa caracterizar o vento em ambiente urbano, com particular interesse na possibilidade de seu aproveitamento energético. Um dos principais aspectos para determinar a viabilidade técnica e econômica de uma instalação eólica é a avaliação precisa da distribuição das velocidades de vento na área de aproveitamento. A instalação de turbinas eólicas em áreas urbanas tem determinado a necessidade de aprimorar a metodologia de previsão do campo de velocidades do vento visando à melhor determinação da distribuição dos equipamentos e aproveitamento do potencial existente. Neste contexto, esta dissertação apresenta um estudo sobre a aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD para avaliação do potencial eólico e o comportamento do vento sobre um modelo de área urbana. Resultados numéricos com diferentes alternativas de modelagem do problema são comparados com dados de um experimento em túnel de vento e dados obtidos com CFD publicados na literatura, visando determinar uma metodologia adequada para avaliação do problema proposto. As simulações numéricas do escoamento de ar em área urbana são realizadas com o uso do programa ANSYS Fluent 13.0, que utiliza o método de volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O estudo é dividido em dois casos. No primeiro caso, a simulação da área em questão é realizada com as médias de Reynolds de forma a validar o modelo criado. No segundo caso, a simulação é realizada com o método de grandes escalas, cujos resultados serão explorados e comparados com o método RANS. Os resultados obtidos mostram essencialmente duas realidades, a primeira diz respeito à intensidade do recurso eólico e a segunda a sua particular complexidade. / The growing demand for today’s energy, combined with the serious environmental problems of its production, has stimulated the demand for alternative forms of energy. Among the various forms of energy, those that are based on renewable sources have been gaining a particularly significant space for discussion. In this context, the wind energy has proved to be a reliable source, energetically, economically and environmentally speaking. Furthermore, the micro production has been appointed as one of the solutions for the aforementioned problems. Thus, the combination of both these areas has particular interest. This work aims to characterize the wind in the urban environment, with particular interest for the possibility to carry out its energy. In this context this work presents a study on the application of computational fluid dynamics to evaluate the wind potential and the behavior of the wind on urban area. Numerical results with different alternatives for modeling the problem are compared with data from an experiment in wind tunnel and CFD simulation to determine one appropriate methodology for evaluation of the problem. The numerical simulations of the air flow over urban area are performed using the ANSYS Fluent 13.0 which uses the finite volumes method for solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large-Eddy Simulation (LES). The study is divided in two cases. In the first one, the simulation of the area is performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes to validate the model created. In the second case, the simulation is performed with the Large-Eddy Simulation, which will be explored and compared with the results with RANS method. The results obtained show essentially two realities, the first is related to the intensity of wind resource and the second due to its high complexity. It was noted that in the urban areas turbulence intensity is significantly higher than in the rural environment. The non-horizontal flow components showed a high dependence on geometry of the building. The brief comparison of results obtained by simulation software shows an acceptable approach to the wind velocity field. In terms of turbulence intensity, it’s over estimated by the software. It is concluded from the results obtained that the energy use in urban environment provides a delicate task, due to the low wind intensity and complexity of the resource.

O presente trabalho apresenta a modelagem do escoamento de ar sobre um terreno complexo empregando, e comparando os resultados, três programas comerciais de previsão de potencial eólico, WaSP, Meteodyn WT e WindSim. Por se tratar de um modelo simplificado, o programa WaSP nem sempre é adequado para previsão de energia em terrenos muito complexos pois não é capaz de prever turbulência, separação de escoamento e efeitos de estabilidade existentes neste tipo de terreno. Para que se consiga modelar a turbulência existente de maneira mais coerente, utilizam-se programas de mecânica dos fluidos computacional como o Meteodyn WT e o WindSim que modelam o escoamento através das equações médias de Reynolds. A finalidade do estudo é identificar a capacidade de previsão das velocidades de vento por meio de cada um dos programas em um parque eólico localizado na Chapada da Diamantina, tendo em vista que a correta previsão da produção de energia depende de um entendimento correto e detalhado dos recursos disponíveis. Avaliando apenas condição atmosférica neutra e comparando os resultados obtidos, conclui-se que o programa WindSim obteve o menor erro na estimativa da velocidade do vento, -3,7% quando comparado aos outros programas WaSP e Meteodyn, -5,1% e -6,5% respectivamente. O maior erro de aproximação foi obtido pelo programa WaSP, +11% quando comparado aos outros programas Meteodyn e WindSim, +10,6% e +7,9% respectivamente. Para o programa Meteodyn foram avaliados casos com diferentes condições de estabilidade, o erro máximo e mínimo foi de +10,6% e -6,5%, respectivamente em atmosfera estável, mantendo-se elevado. O programa WindSim permite a alteração de variáveis que são fixas no Meteodyn e também a simulação dos efeitos de estabilidade através da inclusão da equação de energia inicializada através do comprimento de Monin-Obukhov o que, implicou em uma melhora significativa nos resultados obtidos e em um maior tempo computacional. O erro, menor e maior, apresentado pelo programa WindSim foi reduzido a, -1,8% e +4,4% respectivamente. Destaca-se que as conclusões obtidas se aplicam ao caso estudado. / This work studies the air flow modeling over a complex terrain using and comparing the results of three commercial programs that estimates the wind field in a site: WaSP, Meteodyn WT and WindSim. Being WAsP a simplified model, it is not always suitable to estimate the flow in complex terrain because it is not able to predict the turbulence, flow separations and stability effects present in these kind of terrains. To model the existing turbulence two computational fluid mechanics programs i.e. Meteodyn WT and WindSim, which models the flow through the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations have been used. This study aims to identify the wind speed predictive capacity of each program in a windfarm located on Chapada da Diamantina, as a correct production prediction depends on a correct estimation of the wind field. Evaluating only neutral atmospheric setup and comparing it with the measures, WindSim had the lowest wind speed estimation error, -3.7% compared with WaSP and Meteodyn programs, that provided -5.1% and -6.5% respectively. The greatest error was obtained by WaSP program, +11%, followed by Meteodyn, +10.6% and WindSim, +7.9%. WindSim enables changes in some variables that are fixed in Meteodyn and enables also the simulation of stability effects through the introduction of the energy equation with a Monin-Obukhov length initialization. For Meteodyn program different stabilities were evaluated, but the results obtained were not satisfactory. The maximum and minimum error were reduced to +10.6% and -6.5%, respectively, in stable atmosphere. Due to the specific site studied conditions the simulation of stability effects resulted in a significant improvement in the results even though a larger computational time. Enabling the energy equations setting up stable atmospheric stability, both WindSim errors are reduced to -1.8% and +4.4% respectively. It is noteworthy that the conclusions apply to the case studied.

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 ênfase deste trabalho está voltada ao desenvolvimento de um novo sistema de limpeza para a colheitadeira de grãos visando, principalmente, a utilização de uma nova geometria. O design de um sistema com peneiras rotativas vem de encontro a todos os sistemas conhecidos até o momento, este sistema visa eliminar sistemas eletrônicos cada vez mais complexos e caros. Uma descrição sobre os sistemas de colheita e máquinas agrícolas, principalmente colheitadeiras, é apresentada neste trabalho, já que a bibliografia sobre este assunto é bastante restrita. A utilização de métodos computacionais, voltados à análise de fluídos foi utilizada com o intuito de nortear o desenvolvimento de protótipos reais. O método computacional dos fluídos dinâmicos simula diversas hipóteses de maneira mais rápida e mais barata até que sejam alcançados resultados suficientemente bons que compensem a fabricação de um protótipo real. Com o protótipo real os resultados virtuais podem ser validados e comparados com outros sistemas. Os resultados obtidos foram bons, a peneira rotativa tem um ótimo desempenho em testes realizados no plano, com perdas inferiores comparativamente às peneiras planas. Nos testes realizados com inclinação o desempenho não foi bom, devido a alguns problemas no duto de ar. Com relação à qualidade dos grãos separados, não foram detectadas quaisquer avarias que pudessem ter sido resultadas da peneira. / The emphasis of this work is dedicated to the development of a new cleaning system for grain harvester aiming mainly to use a new geometry in this part of the machine. The design of a system with rotary sieves comes against all systems known at this time; this system seeks to eliminate electronic systems increasingly complex and expensive. A description of the harvesting systems and agricultural machinery, harvesters mainly, is been presented in this work, since the literature on this subject is very limited. The use of computational methods, focused on the analysis of fluid was used in order to guide the development of prototypes. The method of computational fluid dynamic simulates scenarios faster and cheaper to achieve results that are good enough to compensate the fabrication of a real prototype. With the real prototype, virtual results can be validated and compared with other systems. The results achieved were good. The rotary sieve cleaning system shows excellent performance when testing on level ground with lower losses than a flat sieve system. In tests on slopes, the performance was not as good due to some problems in the air duct. With regard to grain quality, no mechanical damage that could have been produced by the screens was detected in either test.

O presente trabalho trata da modelagem de combustão em um queimador industrial de gás natural utilizando cadeias de reatores químicos idealizados. A partir de simulações de CFD e dados experimentais do ensaio denominado BERL 300 kW, sucessivas cadeias de reatores são propostas, baseando-se em premissas sobre as condições de temperatura e fluxo de massa entre as diversas regiões do escoamento reativo. O objetivo é obter uma cadeia de reatores que reproduza as emissões de NOx do ensaio. O erro relativo das emissões é de 98,23% na primeira cadeia, de 82,30% na segunda cadeia e de 1,54% na terceira cadeia. A partir da terceira cadeia de reatores proposta, considerada representativa do ensaio, realiza-se uma análise de sensibilidade e um estudo paramétrico, para avaliar a sensibilidade do modelo aos ajustes de segmentação de correntes e a capacidade de reproduzir os dados experimentais de emissão em condições de pré-aquecimento do ar de combustão e em operação fora do ponto de projeto. O modelo produz resultados satisfatórios para os casos de pré-aquecimento do ar até 110°C e para potências térmicas até 33% superiores ao ponto de projeto, não oferecendo bons resultados para as demais condições de operação. / This work shows the development and application of chemical reactor networks (CRN) to the modeling of a natural gas burner. The CRN development is based on experimental and CFD simulation results of the BERL 300 kW test. The CRN element arrangement, reactor volumes and flow splits are adjusted based on the best agreement with characteristic temperatures of the reactive flow, aiming to reproduce the experimental NOx emissions data. The relative error in the emissions predictions are 98,23% for the first CRN proposed, 82,30% for the second CRN and 1,54% for the third one. A sensitivity analysis and a parametric study of the third CRN are carried out to evaluate its sensitivity to the flow splits adjustments and its ability to predict emission with air preheat and turndown operation. The NOx emissions predicted by CRN are in good agreement until 110ºC preheating and for a turndown ratio of 1,33.

Um desafio constante no projeto aerodinâmico de uma superfície é obter a forma geométrica que permite, baseado em uma determinada medida de mérito, o melhor desempenho possível. No contexto de projeto de aeronaves de transporte, o desempenho ótimo em cruzeiro é a principal meta do projetista. Nesse cenário, o uso da Dinâmica do Fluidos Computacional como não só uma ferramenta de análise mas também de síntese torna-se uma forma atrativa para melhorar o projeto de aeronaves que é uma atividade dispendiosa em termos de tempo e recursos financeiros. O método adotado para projeto aerodinâmico é baseado na teoria de controle ótimo. Essa abordagem para o problema de otimização aerodinâmica foi inicialmente proposta por Jameson (1997) e é chamada de método adjunto. Esse método apresenta uma grande diminuição de custo computacional se comparado com a abordagem de diferenças finitas para a otimização baseada em gradiente. Essa dissertação apresenta o método adjunto contínuo aplicado às equações de Euler. Tal método está inserido no contexto de um ciclo de projeto inverso aerodinâmico. Nesse ciclo, tanto o código computacional de solução das equações do escoamento quanto o código de solução das equações adjuntas foram desenvolvidos ao longo desse trabalho. Além disso, foi adotada uma metodologia de redução do gradiente da função de mérito em relação às variáveis de projeto. O algorítmo utilizado para a busca do mínimo da função de mérito é o steepest descent. Os binômios de Bernstein foram escolhidos para representar a geometria do aerofólio de acordo com a parametrização proposta por Kulfan e Bussoletti (2006). Apresenta-se um estudo dessa parametrização mostrando suas características relevantes para a otimização aerodinâmica. Os resultados apresentados estão divididos em dois grupos: validação do ciclo de projeto inverso e aplicações práticas. O primeiro grupo consiste em exercícios de projeto inverso nos quais são estabelecidas distribuições de pressão desejadas obtidas a partir de geometrias conhecidas, desta forma garante-se que tais distribuições são realizáveis. No segundo grupo, porém, as distribuições desejadas são propostas pelo projetista baseado em sua experiência e, portanto, não sendo garantida a realizabilidade dessas distribuições. Em ambos os grupos, incluem-se resultados nos regimes de escoamento transônico e subsônico incompressível. / A constant endeavor in aerodynamic design is to find the shape that yields optimum performance, according to some context-dependent measure of merit. In particular for transport aircrafts, an optimum cruise performance is usually the designers main goal. In this scenario the use of the Computational Fluid Dynamics (CFD) technique as not only an analysis tool but as a design tool becomes an attractive aid to the time and financial resource consuming activity that is aircraft design. The method adopted for aerodynamic design is based on optimal control theory. This approach to the design problem was first proposed by Jameson (1997) and it is called adjoint method. It shows a great computational cost advantage over the finite difference approach to gradient-based optimization. This dissertation presents an Euler adjoint method implemented in context of an inverse aerodynamic design loop. In this loop both the flow solver and the adjoint solver were developed during the course of this work and their formulation are presented. Further on, a gradient reduction methodology is used to obtain the gradient of the cost function with respect to the design variables. The method chosen to drive the cost function to its minimum is the steepest descent. Bernstein binomials were chosen to represent the airfoil geometry as proposed by Kulfan and Bussoletti (2006). A study of such geometric representation method is carried on showing its relevant properties for aerodynamic optimization. Results are presented in two groups: inverse design loop validation and practical application. The first group consists of inverse design exercises in which the target pressure distribution is from a known geometry, this way such distribution is guaranteed to be realizable. On the second group however, the target distribution is proposed based on the designers knowledge and its not necessarily realizable. In both groups the results include transonic and subsonic incompressible conditions.

Together with the world economic growth is the increasing of energy generation demand. However, the upgrade of world power production capability could affect the environment negatively. Even the clean and renewable sources, such as hydroelectricity and wind powers have socio-economic and environmental disadvantages. For example, the required flooded area for a hydro power plant construction could devastate entire forests, and the installation of a wind farm power plant could affect migratory rotes of birds and generate high levels of noise. Hence, for the balancing of advantages and disadvantages of each power generation source, it is necessary to diversify, which requires investments in new power sources. In this context, the energy generation in the ocean is highlighted. The first point concerning the ocean energy is that there is no need of population removal from the installation area, such as the onshore based methods and the second point is that most of the population is concentrated in coastal areas. Therefore the production occurs near to the demand, decreasing the costs with energy distribution. The two main methodologies for harassing energy from oceans are based on gravity waves and in tides. And since the tidal cycles are governed mainly by the gravitational interaction between oceans, Moon and Sun, they are easily predictable, which increases the reliability of such systems. These works explores methodologies to analyse the power generation from a single axial tidal current turbine through a Steady State RANS methodology. Are discussed the effects of flow directionality, inlet velocity profile and turbulence levels and the results are compared with an experimental scheme. It is proposed an alternative methodology for free surface modelling in the CFD analysis. The usual methodology, VOF, it is based on a homogeneous, biphasic approach which requires an additional mesh refinement and is computationally expensive. This new methodology introduces an elastic wall approach in the free surface region in which the stiffness is calculated to provide the same restoring effect as gravity. In general, the results for open domain matched with the experimental results, validating the numerical model and the confined domain has shown a higher power and thrust coefficients if compared with the open domain, which is in accordance with the actuator disk theory approach. The elastic free surface presented convergence problems related to high Froude numbers and therefore to high deformations. However, a simulation with 10% of the original inlet velocity was performed, achieving reasonable results for both power and thrust coefficients evaluation. / O crescimento econômico mundial e o aumento na demanda pela geração de energia andam juntos. No entanto, uma maior capacidade de produção de energia poderia afetar negativamente o meio ambiente. Mesmo as fontes limpas e renováveis, como a hidrelétrica e a eólica acarretam em impactos socioeconômicos e ambientais. Por exemplo, a construção de uma usina hidrelétrica demanda uma imensa área alagada que pode devastar florestas inteiras e a instalação de uma usina eólica pode afetar a migração de certas espécies de pássaros e produzir altos níveis de barulho. Portanto, para equilibrar as vantagens e desvantagens devidas a cada meio de produção de energia, é necessária a diversificação, que demanda de investimentos em novas fontes. Neste contexto, a geração de energia nos oceanos é destacada. O primeiro ponto a respeito desta fonte é de que não há a necessidade de remoção da população na área de instalação, tal como os métodos de geração dentro do continente. O segundo principal ponto é a respeito da distribuição de energia. A maior parte da população mundial vive em regiões costeiras, diminuindo, portanto, a distância entre a produção e demanda, reduzindo assim, seus custos. As duas principais metodologias para se explorar a energia proveniente dos oceanos são: Energia de Ondas e Energia de Marés. E considerando que os ciclos de mare são governados principalmente pela interação gravitacional entre os oceanos, lua e sol, eles são facilmente previsíveis, o que aumenta a confiabilidade dos sistemas de geração de energia baseados em marés. Este trabalho explora as metodologias para analisar a geração de energia a partir de uma única turbina axial de corrente de maré através de uma metodologia baseada nas equações de Navier-Stokes com a média de Reynolds, analisadas em regime permanente. São discutidos efeitos da direção do escoamento, perfil de velocidades na entrada e nos níveis de turbulência. Os resultados são comparados com experimentos. É proposta uma metodologia alternativa para a modelagem da superfície livre com CFD uma vez que a metodologia atual é baseada em um escoamento bifásico que demanda de um refinamento adicional da malha e é computacionalmente caro. A nova metodologia usa uma parede elástica na região da superfície livre com a rigidez ajustada para se obter o mesmo efeito de restauração que a gravidade. De maneira geral, os resultados para o domínio aberto se aproximaram dos resultados experimentais, validando o modelo numérico e além disso, o modelo considerando confinamento da turbine mostrou maiores valores para os coeficientes de potência e empuxo, estando portanto, de acordo com a teoria do disco atuador. O modelo com a superfície livre elástica apresentou problemas de convergência, relacionados com números de Froude elevados, uma vez que isto se relaciona com maiores deformações na região da superfície livre. Uma simulação com 10% da velocidade original foi realizada, obtendo-se resultados coerentes para ambos coeficientes de potência e empuxo.

O aumento do uso de códigos numéricos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD) atrelado a problemas de engenharia naval e a necessidade de se estabelecer a proximidade dos resultados obtidos nas simulações com os experimentos físicos serviu de motivação para execução deste trabalho. O tema do presente trabalho é pertinente uma vez que o número de trabalhos publicados que simulam com precisão ensaios de embarcações em condição de manobra e obtêm as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam o movimento é muito pequeno, atendendo assim a uma demanda existente por novas confrontações numérico/experimentais. Com isso, um conjunto de ensaios de PMM (Planar Motion Mechanism), mais especificamente os ensaios de sway e yaw puros e yaw com drift, e arrasto oblíquo foram executados na embarcação KVLCC2, nas condições de manobra, similares aos ensaios realizados pelo laboratório italiano ISEAN que tinha por objetivo fornecer uma base de comparação para trabalhos em CFD. Os resultados das forças e momentos das simulações foram comparados com os obtidos nos ensaios, bem como as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam a embarcação estudada. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações mostraram-se muito próximos aos obtidos a partir do ensaio, fornecendo assim um bom resultado nas derivadas hidrodinâmica, principalmente com relação às derivadas em função das velocidades de translação e rotação. Na expectativa de ampliar a aplicação do método de solução proposto, um novo conjunto de simulações foi realizado na escala real da embarcação. As dificuldades encontradas devido às incompatibilidades nos números de Reynolds mostraram-se presentes, de maneira similar às encontradas nos ensaios físicos evidenciando inclusive que o fator de forma está diretamente atrelado ao número de Reynolds, contrariando a hipótese clássica e alinhando-se com trabalhos mais recentes publicados sobre o tema. Os resultados encontrados a partir da aplicação da metodologia mostram coerência em relação às respostas encontradas nos ensaios, fornecendo uma alternativa ao método clássico de obtenção das características hidrodinâmicas de uma embarcação de superfície em condição de manobra. Ainda fornece uma opção de cálculos, que ainda necessita de melhorias e validação mais elaborada, nas condições da escala real, fato impossível sem o uso de simulações. / The growing use of numerical codes based on computational fluid dynamics (CFD) in problems related with marine engineering and the need to establish the reliability of the results from the simulations with those derived from physical tests served as the motivation for performing the work. The subject of this work is relevant since the number of published works that accurately simulate and test the conditions of vessels in maneuvering and obtains the hydrodynamic derivatives that characterize the movement is very small, thus meeting an existing demand for the new numeric confrontations / experimental. Therefore, a set of PMM tests (Planar Motion Mechanism), more specifically: pure sway, pure yaw and yaw whit drift, and static drift, were performed on the vessel KVLCC2 under conditions of maneuver, similar to tests conducted by the Italian laboratory ISEAN which was intended to provide a basis of comparison for work with CFD. The results of the forces and moments of simulations were compared with those from the tests, as well as the hydrodynamic derivatives which characterize the vessel studied. In general, the results from simulations were very close to those from the experiment, thus providing a good result in hydrodynamic, derived primarily related to derivatives, depending on the speed of translation and rotation. Expecting to expand the application of the proposed method, a new solution set of simulations was carried out in a full-scale vessel. The difficulties encountered due to incompatibilities in the Reynolds numbers were similarly found in the physical testing. This included demonstrating the form factor directly linked to the Reynolds number, contrary to the classical hypothesis and aligning with the latest publications on the subject. The results from the application of the methodology show consistency with the solutions found in the tests, providing an alternative to the classical method of obtaining the hydrodynamic characteristics of a surface vessel in a condition of maneuver. We also provide an option of calculations, which still needs improvement and a more elaborate validation under full-scale conditions, which would be impossible without the use of simulations.

Muitos componentes de máquinas, equipamentos e meios de transporte podem ser representados na forma de corpos rombudos cujos deslocamentos em meio fluido podem gerar ruído. Nesse contexto, a tese tem como proposta o estudo da previsão numérica do ruído gerado oriundo do escoamento em torno de corpos rombudos. Como exemplo representativo de um corpo rombudo, o som gerado do escoamento ao redor de um cilindro é estudado. O escoamento em torno de um cilindro é considerado com esteira tridimensional e turbulenta na condição do regime subcrítico, que é caracterizado pela separação da camada limite no regime laminar. O escoamento em torno de um cilindro é obtido através da simulação numérica não-estacionária considerando domínio computacional tridimensional. Para lidar com a turbulência e a tridimensionalidade, o escoamento é resolvido utilizando a metodologia de simulação de grandes escalas (LES). O domínio computacional é discretizado pelo método de volumes finitos. O ruído é calculado separadamente utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H), cuja equação de onda tem como termo fonte a solução do escoamento fornecida pela simulação numérica. Na analogia de FW-H, a flutuação de pressão acústica é obtida no campo afastado assumindo um meio quiescente entre a região das fontes sonoras (campo próximo) e o local considerado para o cálculo do ruído. Devido ao alto custo computacional da simulação tridimensional (3D), as simulações numéricas foram realizadas com comprimento de envergadura do cilindro limitado, possibilitando considerar parte dos efeitos tridimensionais da esteira. No cálculo final do ruído, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) são empregados de forma a equiparar a geração sonora obtida com cilindro de menor comprimento de envergadura ao respectivo ruído obtido experimentalmente com cilindro de maior comprimento. Esta tese contribuiu com uma investigação numérica da metodologia de cálculo de ruído utilizando a analogia de Ffwocs Williams & Hawkings para um escoamento tridimensional em torno de um cilindro considerando número de Reynolds elevado de Re = 90.000 e Re = 22.000. Os resultados mostram que a metodologia é capaz de prever o som no campo afastado nos casos simulados, visto que os espectros sonoros obtidos concordam com os respectivos dados experimentais. Além disso, os métodos de correção acústica de Kato et al. (1993) e Seo & Moon (2007) mostraram ser adequados para o cálculo do ruído adicional, que considera um cilindro de comprimento maior, porém são dependentes da correta estimativa do comprimento de coerência do escoamento ao longo da envergadura do cilindro. Por fim, o espectro sonoro obtido no campo afastado é função do resultado fornecido pela simulação numérica do escoamento, principalmente quanto à coerência entre as flutuações de pressão ao longo do comprimento de envergadura do cilindro e à amplitude de flutuação de força na direção da sustentação exercida na parede do cilindro. / Many components of machines, equipments and means of transport can be represented as a bluff body whose motion through a fluid can generate noise. In this context, this thesis is focused on the study of numerical prediction of noise generated by the flow around bluff bodies. As an example of bluff body, the sound generated from flow around a circular cylinder is studied. The flow over a circular cylinder is investigated by considering the wake as tridimensional and turbulent in the subcritical regime, which is characterized by a laminar boundary layer separation. The flow over a circular cylinder is obtained by time-dependent numerical simulation considering three-dimensional computational domain. In order to cope with turbulence and three-dimensionality, the flow is solved using the Large Eddy Simulation (LES) methodology. The computational domain is discretized by the finite volume method. The noise is calculated separately using the Ffwocs Williams & Hawkings (FW-H) analogy, whose wave equation has as a source term the flow solution provided by the numerical simulation. With regard to the FW-H analogy, the acoustic pressure fluctuation is obtained in the far-field by assuming a quiescent medium between the sound sources region (near-field) and the location considered for acoustic computation. Due to the high computational cost of three-dimensional (3D) simulation, the numerical simulations were conducted with a cylinder span length limited in size, which allows taking into account part of the wake three-dimensionality. Regarding the final acoustic computation, the acoustic correction methods of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) are used in order to match the sound obtained by the short cylinder span to the correspondent sound obtained experimentally for a long cylinder span. This thesis contributed to investigate numerically the computational method of applying the Ffwocs Williams & Hawkings analogy for solving the noise generated from a threedimensional flow over a circular cylinder with high Reynolds number, particularly, at Re = 90,000 and Re = 22,000. The results show that this computational method is able to predict the far-field sound for the simulated cases, since the noise spectra obtained are found to be in agreement with the corresponding experimental data. In addition, the acoustic correction method of Kato et al. (1993) and Seo & Moon (2007) provided good predictions with regard to the adding noise computation, however, its results are dependent on accurate estimation of the spanwise coherence length of the flow. Finally, the sound spectrum obtained in the far-field is tied to the flow behavior provided by the numerical simulation, especially regarding the coherence between the pressure fluctuations over the spanwise length of the cylinder and the lift force fluctuation amplitude exerted on the cylinder wall.

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T00:06:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marini_Fabio_M.pdf: 5333553 bytes, checksum: 72ac631f4271ce7c21408f1eb72ddb1c (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Os leitos fluidizados são amplamente utilizados em muitas operações nas indústrias químicas, agrícolas, bioquímicas, de geração de energia e em especial petroquímicas. Com o aumento na disponibilidade de computadores, a aplicação de modelos matemáticos para predizer o comportamento de um leito fluidizado segue a mesma tendência, e vários modelos têm sido propostos. Neste trabalho foi abordada a modelagem matemática de simulação de um leito fluidizado. O modelo empregado é baseado na descrição euleriana (contínuo) de ambas as fases, e consiste num conjunto de equações de conservação de massa e momento para cada uma destas. Neste modelo estão contempladas a turbulência (modelo k-epsilon) e mistura multifásica. Para descrever o comportamento das muitas partículas em um contínuo foi utilizada a teoria cinética do escoamento granular, que vem se tornando uma aproximação típica para executar simulações eulerianas. A teoria cinética do escoamento granular é baseada na teoria cinética dos gases. Na teoria cinética do escoamento granular, as interações na fase particulada são levadas em conta, pela contribuição das colisões entre as partículas. Nesta teoria, as colisões são o principal mecanismo de transporte nas propriedades da fase particulada. A geometria e a malha numérica foram geradas utilizando o software ANSYS ICEM CFD. O conjunto de equações diferenciais parciais foi discretizado e resolvido utilizando o software ANSYS CFX 10. A KTGF foi implementada em subrotinas Fortran externas ao código comercial. Os resultados obtidos com as simulações foram por fim validados com os dados experimentais encontrados em SAMUELSBERG e HJERTAGER (1996) / Abstract: Fluidized beds are widely used in many operations in chemical, metallurgical, energy generation and specially in petrochemical industries. With the increase in the availability of computers, the application of mathematical models to predict the behavior of a fluidized bed follows the same trend, and several models have been proposed. In this work, it has been studied mathematical modelling for the fluidized bed simulation. The model utilized is based in the Eulerian (continuum) description for both phases, and is composed of a set of mass conservation and momentum equations, for each phase. In this model are contemplated turbulence (k-epsilon model) and multifasic mixture. To describe the behavior of the several particles in a continuum, it has been used the kinetic theory of granular flow, that is becoming a typical approach to perform eulerian simulations. The kinetic theory of granular flow is based in the kinetic theory of gases. In the kinetic theory of granular flow, the interactions in the particulate phase are taking in account, by the contribution of the colisions between the particles. In this theory, collisions are the main mecanism of transport in the properties of the particulate phase. The geometry and numerical mesh were generated usins ANSYS ICEM CFD software. The set of partial differential equations was discretized and solved using ANSYS CFX 10 software. The KTGF was implemented by Fortran subroutines apart from the commercial code. The results achieved with simulations were validated with experimental data found in SAMUELSBERG and HJERTAGER (1996) / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química