A study of the flowfield around axisymmetric launch vehicles in different flight conditions and configurations is performed in this work. Particularly, the VLS second stage flight configuration is analyzed considering the case with and without a propulsive jet in the vehicle base. Among the different cases considered for this configuration there are inviscid as well as viscous turbulent flows. The study is performed using a finite volume cell centered formulation on unstructured grids. Different spatial discretization schemes are compared, including a centered and an upwind scheme. The upwind scheme is a second-order version of the Liou flux vector splitting scheme and a simple scalar advection test problem is used to assess the influence of different reconstruction and limiting methods in the second-order extension of the scheme. Turbulence effects are accounted for using two one-equation turbulence closure models, namely the Baldwin and Barth and the Spalart and Allmaras models. An agglomeration multigrid algorithm is used to accelerate the convergence to steady state of the numerical solutions. Mesh refinement procedures as well as hybrid and adaptive meshes are discussed.

Simulações dos escoamentos aerodinâmicos sobre um foguete de sondagem típico são apresentadas. Freqüentemente, os foguetes de sondagem utilizam mais de um conjunto de empenas e necessitam que essas empenas possuam um tamanho razoável. A fim de lidar com esse tipo de configuração, o presente trabalho faz uso de uma nova metodologia, que combina simultaneamente malhas multibloco Chimera e justapostas na discretização do domínio computacional. Os escoamentos de interesse são modelados utilizando as equações de Euler em três dimensões e o trabalho descreve os detalhes dos procedimentos de discretização, os quais utilizam uma abordagem de diferenças finitas para malhas estruturadas multibloco que se conformam ao corpo simulado. O método é utilizado para calcular a aerodinâmica de um veículo de sondagem atualmente em desenvolvimento. Os resultados indicam que a presente metodologia pode ser uma ferramenta poderosa de análise aerodinâmica e de projeto.

Este trabalho descreve os modelos matemáticos e computacionais utilizados para a simulação numérica do comportamento de motores alternativos de combustão interna. São comparados quatro métodos de diferenças finitas, Filtering Remedy and Methodology (FRAM), MacCormack, Lax-Wendroff de um passo e Lax-Wendroff de dois passos, para a solução das equações do escoamento nos dutos dos sistemas de admissão e exaustão. É apresentada uma metodologia desenvolvida para a obtenção de estabilidade na solução da fronteira dos dutos, em face às variações adversas das propriedades do elemento ao qual o duto está acoplado. Os modelos para plenos, silenciadores, junções e turboalimentadores também são descritos. São mostrados resultados do programa de simulação computacional desenvolvido, para diversas configurações de motores e escoamentos, indicando sua precisão e sua capacidade de tratar as mais diversas configurações de motores.

O presente trabalho tem por objetivo estudar problemas de instabilidade hidrodinâmica e transição para turbulência em escoamentos sobre superfícies côncavas. Para tanto, foi desenvolvido um método computacional de simulação direta das equações de Navier-Stokes, que utiliza o método de diferenças finitas compactas de alta ordem nas direções longitudinal e normal à parede e método espectral na direção transversal ao escoamento. O método é verificado comparando-se os resultados obtidos com resultados obtidos através de análise de estabilidade linear, equações de estabilidade parabolizadas e outros métodos numéricos; e é validado comparando-se os resultados numéricos com resultados experimentais bem documentados. O método desenvolvido permite analisar os processos altamente não lineares que ocorrem nos estágios avançados da transição. São estudados os processos físicos nos estágios mais avançados de desenvolvimento de Vórtices de Görtler, característicos de instabilidade centrífuga em camada limite. Em particular a interação não linear entre Vórtices de Görtler e ondas de Tollmien-Schlichting e a instabilidade secundária em Vórtices de Görtler. As perturbações de 'alta' freqüência desestabilizam os Vórtices de Görtler causando instabilidade secundária. A instabilidade secundária do tipo varicoso, que causa a formação de estruturas do tipo ferradura, é analisada neste estudo.

Com a crescente competitividade no setor aeronáutico, todo ganho, por menor que seja, em desempenho de aeronave é extremamente importante para seu sucesso comercial. O correto dimensionamento de entradas e saídas de ar leva a um ganho competitivo de uma aeronave em relação à outra. Isto se deve a grande presença de entradas e saídas de ar, como grelhas, scoops e as desenvolvidas pela NACA (National Advisory Committee for Aeronautics posteriormente todos os recursos foram transferidos para National Aeronautics and Space Administration - NASA) presentes em cada aeronave. Buscando obter o dimensionamento otimizado de grelhas utilizadas em sistemas aeronáuticos, alguns parâmetros de dimensionamento para grelhas de exaustão de ar foram obtidos via CFD (sigla do inglês para Computational Fluid Dynamics) para três tipos de grelhas: flush (altura da grelha nivelada com seu plano de instalação) com defletor reto, flush com defletor curvo e não flush com defletor curvo. Os parâmetros de dimensionamento das três grelhas analisadas no presente trabalho foram: coeficiente de descarga, razão de vazão mássica e coeficiente de pressão. Os resultados são apresentados para cada grelha analisada em função do número de Mach, altitude e vazão mássica. Um estudo de comparação com resultados experimentais, disponíveis na literatura, é também apresentado no presente trabalho. Os resultados apresentados nesta dissertação têm potencial para serem utilizados em um melhor dimensionamento de grelhas aeronáuticas em geral. Deve-se ressaltar que o presente trabalho não define o melhor tipo de grelha que deve ser utilizado para todas as funções, e sim apresenta alguns parâmetros que devem ser utilizados para o dimensionamento otimizado de uma grelha de exaustão de ar para o cumprimento de sua função.

O presente trabalho apresenta uma metodologia para simular, numericamente, o comportamento de um corpo flexível quando exposto a um determinado escoamento. Assim, objetiva-se criar a capacidade de efetuar análises aeroelásticas em ambientes industriais, em especial na indústria aeronáutica, através de procedimentos eficientes para o acoplamento de programas computacionais comerciais de dinâmica dos fluidos e de análise estrutural. O acoplamento pretendido é do tipo "transferência nos dois sentidos", em que o fluido gera cargas para a estrutura e esta, por sua vez, responde deformando-se; sendo que a nova geometria deformada fornece novas condições de contorno para a análise aerodinâmica. O ciclo de solução concomitante dos dois conjuntos de equações é repetido até que se possa caracterizar o comportamento aeroelástico da aeronave, ou da configuração de uma maneira geral, para dada condição de voo. Alguns dos fenômenos aeroelásticos que se tem interesse em analisar incluem divergência aeroelástica e flutter. Nos casos de aeroelasticidade estática, basta a utilização de simulações em regime permanente, devidamente acopladas ao modelo estrutural. O estudo de flutter consiste, por sua vez, em problemas de caracterização dinâmica do sistema aeroelástico, sendo necessário simular o regime transitório do sistema. Devido à existência de dados disponíveis na literatura, é utilizada a configuração da asa AGARD 445.6 para comparação de resultados. Os resultados obtidos demonstram que a metodologia proposta neste trabalho é válida para realizar análises aeroelásticas em um ambiente industrial.

O presente trabalho trata da interferência aerodinâmica asa-fuselagem sem geometrias de integração (por exemplo, carenagens). Os autores dos resultados experimentais, utilizados como base para o presente estudo, apontaram o efeito de convergência-divergência como sendo o principal fator do aumento de arrasto em configurações asa-baixa, por induzir um gradiente adverso de pressão na região divergente e promover um descolamento prematuro de camada limite. Assim, adotou-se o método dos painéis como ferramenta de análise de interferência asa-fuselagem, para que o efeito de convergência-divergência pudesse ser mais bem compreendido. Para concluir se o efeito de convergência-divergência é o efeito dominante no aumento de arrasto em configurações asa-baixa, cálculos de camada limite foram feitos em linhas de corrente nas proximidades da junção asa-fuselagem de configurações asa-baixa, utilizando o método integral de cálculo de camada limite no qual, por meio de parâmetros empíricos, o descolamento é estimado. Concluiu-se, com a análise de camada limite, que o efeito de convergência-divergência, por si só, não é capaz de causar um descolamento de camada limite que justifique o aumento de arrasto observado experimentalmente. Consequentemente, acredita-se que a migração de partículas fluido da fuselagem para a asa, não considerada no presente trabalho, pode ser o efeito dominante no aumento de arrasto em configurações asa-baixa, comparadas com as configurações asa-média.

Presented here is the effort concerning the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) as a swirl injector analysis tool. A literature review of the major inviscid swirl models is provided along with the viscous correction procedure. The bi-propellant atomizer design process is described and the features of previous designs are also detailed. The study was undertaken by focusing on the 5-[kN]-thrust rocket engine currently in development. Theoretical predictions of the discharge coefficient, spray angle and liquid film thickness were obtained for both the inner and outer swirlers of the core injection elements. The governing equations are solved based on the laminar volume of fluid (VOF) interface capturing method. Results from cold flow experiments and particle image velocimetry (PIV) are compared to the predictions of the swirl models and the numerical results. The laminar VOF model was able to predict the spray angle with reasonable confidence, however, a deviation of 25 % was observed in the mass flow rate and discharge coefficient. Although the laminar VOF model has proven inadequate, it constitutes a good starting point in the procedure needed to assess swirl injector performance.

O difusor de seção anular é frequentemente empregado em turbinas a gás de motores aeronáuticos, dada sua característica de alcançar elevada pressão em espaço físico limitado. Guias e normas que auxiliem no projeto otimizado desse tipo de difusor não contemplam as diversas condições de contorno e regimes de escoamento nos quais o dispositivo pode operar. Para tanto, técnicas de modelagem numérica têm sido aplicadas para predizer o comportamento do escoamento nesse dispositivo e o seu desempenho. Este trabalho propõe a aplicação de ferramenta CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) para análise dos efeitos no desempenho do difusor tipo anular de núcleo paralelo devido às variações do seu ângulo de divergência e dos números de Reynolds e de Mach do escoamento. O programa FLUENT 13.0 é utilizado para execução das simulações de escoamentos em regimes incompressível e compressível, empregando-se o modelo de turbulência - realizável e tratamento de parede melhorado. As equações de conservação de massa, de quantidade de movimento e de energia são resolvidas pelo emprego do Método dos Volumes Finitos (MVF). Adotou-se a formulação bidimensional axissimétrica para o domínio computacional, assim como as hipóteses de escoamento de ar turbulento, subsônico, em regime permanente, ausência de swirl e ação gravitacional desprezível. Nas simulações de escoamento incompressível, as propriedades do ar são constantes e condição de contorno de velocidade é atribuída na entrada do domínio. Em regime compressível, o fluido é tratado como gás ideal e condição de vazão mássica e temperatura total são impostas na entrada. Na saída da geometria é especificada condição da atmosfera padrão. As paredes são tratadas como adiabáticas, não-deslizantes e não-rugosas. Estudo de refinamento de malha é realizado para garantir a independência da malha nos resultados. O método numérico é validado pela comparação dos resultados obtidos para o coeficiente de recuperação de pressão estática ( ) com dados de estudos experimentais disponíveis na literatura. Os resultados são apresentados para os difusores com ângulos de divergência de , e . Dos resultados, percebe-se que as recirculações se acentuam com o aumento do ângulo e que o fenômeno de separação de escoamento pode ocorrer de forma cada vez mais precoce, seguido de perda acentuada de pressão estática. Além disso, variações nas propriedades do fluido próximo à parede do difusor, quando sujeito a escoamento compressível, contribuem com o melhor desempenho do mesmo se comparado aos resultados do difusor sob regime incompressível.

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional baseado no método dos elementos finitos (MEF), para análise bidimensional de interação fluido-estrutura. Desenvolve-se um código bidimensional para dinâmica de fluidos compressíveis, viscosos ou não, em formulação Euleriana, com base no algoritmo CBS – characteristic based split. Então o código desenvolvido é adaptado para poder ser acoplado a um programa de formulação Lagrangeana para análise dinâmica de estruturas, o que é feito através do emprego da descrição Lagrangeana - Euleriana arbitrária (ALE). Por fim procede-se o acoplamento com um código para análise de estruturas, de formulação posicional e não linear geométrica, baseado no método dos elementos finitos. / The present work consists of the development of a computational code based on the element finite method for fluid-structure interaction analysis. A two-dimensional fluid dynamic Eulerian code is developed based on the CBS algorithm – characteristic based split. Then, the computational code is modified to be coupled with a Lagrangean structures dynamical code by using the arbitrary Lagrangean – Eulerian description (ALE). At the end, the coupling is made with a positional nonlinear geometrical structural dynamics code based on the finite element method.