Made available in DSpace on 2014-06-12T17:35:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2200_1.pdf: 3483266 bytes, checksum: 0d472243920d1475cdaf087ecf5baea4 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para simulação numérica de problemas de escoamentos fluidos compressíveis para três dimensões, utilizando como ponto de partida a ferramenta computacional desenvolvida por LYRA (1994) que, no caso, tratava problemas de escoamentos fluidos em domínios bidimensionais. Para o desenvolvimento desta ferramenta foi adotada uma discretização espacial utilizando o método dos elementos finitos com estrutura de dados baseada nas arestas dos elementos, e com o domínio sendo discretizado por uma malha de tetraedros. As equações de Euler são as equações que regem os fenômenos estudados neste trabalho. Para o desenvolvimento desta ferramenta foi utilizado o método de elementos finitos do tipo Galerkin, e este leva a soluções oscilatórias e instáveis em problemas hiperbólicos, por tratar-se de uma aproximação centrada do termo convectivo. Assim, herdando as técnicas de discretização tipo Upwind originadas do método das diferenças finitas e amplamente utilizadas no método dos volumes finitos, utilizou-se para estabilização a discretização tipo Upwind de primeira ordem de Roe, e posteriormente de MUSCL/LED (Monotonic Upstream-centered Schemes for Conservations Laws Local Extremum Diminishing) com funções limitadoras para estabilização de ordem superior e captura de choques sem oscilações e de forma acurada. É importante frisar que para a geração das malhas tetraédricas adotadas nas simulações utilizou-se o programa Gmsh. A estrutura de dados baseada em arestas demanda o cálculo de alguns coeficientes, que não são fornecidos por geradores de malhas convencionais. Assim, foi necessário desenvolver um pré-processador utilizando a linguagem C++, baseado no pacote de gerenciamento de malhas FMDB (Flexible Distributed Mesh Database) e programas em Matlab ou Octave para finalização do cálculo destes coeficientes. Este préprocessador foi desenvolvido separadamente do programa principal pelo motivo de que os coeficientes dependem apenas da geometria da malha e sendo assim, é executado uma única vez para cada malha. A linguagem computacional utilizada para o desenvolvimento do programa principal foi FORTRAN 90, a qual possibilitou uma melhor estruturação e modularidade quando comparados com o FORTRAN 77. Para a visualização dos resultados obtidos utilizaram-se os programas VisIt e ParaView. Por fim, alguns testes numéricos foram realizados e confrontados com resultados encontrados na literatura

Ao longo da última década o método adjunto tem sido consolidado como uma das mais versáteis e bem sucedidas ferramentas de otimização aerodinâmica e projeto inverso na Dinâmica dos Fluidos Computacional. Ele se tornou uma área de pesquisa por si só, criando uma grande variedade de aplicações e uma literatura prolífica. Entretanto, alguns aspectos relevantes do método permanecem ainda relativamente pouco explorados na literatura. Como é o caso das condições de contorno adjuntas e, mais especificamente, com respeito a fronteiras permeáveis. Esta dissertação discute detalhadamente uma nova forma de tratar o problema de contorno, que tem como objetivo assegurar que as equações adjuntas sejam bem-postas. O principal objetivo da otimização aerodinâmica consiste na tentativa de minimizar (ou maximizar) uma determinada medida de mérito. As aplicações de projeto inverso são desenvolvidas para escoamentos Euler 2-D ao redor de aerofólios, representados com a parametrização CST (Class-Shape function Transformation) proposta por Kulfan e Bussoletti (2006), em regime de vôo transônico e com domínio discretizado por malhas não-estruturadas de triângulos através de um ciclo de projeto, que utiliza o método steepest descent como algoritmo de busca da direção que minimiza (ou maximiza) a função de mérito. As equações adjuntas são derivadas na sua formulação contínua e suas condições de contorno são determinadas por equações diferenciais características adjuntas e relações de compatibilidade compatíveis com as variações realizáveis da física do escoamento. As variáveis adjuntas são, então, vistas como forças de vínculo generalizadas, que asseguram a realizabilidade de variações do escoamento. / Over the last decade the adjoint method has been consolidated as one of the most versatile and successful tools of aerodynamic optimization and inverse design in Computational Fluid Dynamics. It has become a research area of its own, spawning a large variety of applications and a prolific literature. Yet, some relevant aspects of the method remain relatively less explored in the literature. Such is the case with the adjoint boundary conditions and, more specifically, with regard to permeable boundaries. This dissertation discusses at length a novel approach to the boundary problem, which aims at ensuring the well-posedness of the adjoint equations. The main goal of aerodynamic optimization consists in attempting to minimize (or maximize) a certain mesure of merit. The inverse design applications are developed for 2-D Euler flows around airfoils, represented with the CST (Class-Shape function Transformation) parameterization proposed by Kulfan and Bussoletti (2006), in the transonic flight regime and domain discretized by triangle unstructured meshes in a design loop which makes use of the steepest descent method as search direction that minimizes (or maximizes) the mesure of merit. Adjoint equations are derived in the continuous formulation and their boundary conditions are determined by adjoint characteristic differential equations and compatibility relations. The latter are derived so as to be compatible with the realizable variations of physical quantities. The adjoint variables are seen as generalized constraint forces, which ensure the realizability of flow variations.

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

Ao longo da última década o método adjunto tem sido consolidado como uma das mais versáteis e bem sucedidas ferramentas de otimização aerodinâmica e projeto inverso na Dinâmica dos Fluidos Computacional. Ele se tornou uma área de pesquisa por si só, criando uma grande variedade de aplicações e uma literatura prolífica. Entretanto, alguns aspectos relevantes do método permanecem ainda relativamente pouco explorados na literatura. Como é o caso das condições de contorno adjuntas e, mais especificamente, com respeito a fronteiras permeáveis. Esta dissertação discute detalhadamente uma nova forma de tratar o problema de contorno, que tem como objetivo assegurar que as equações adjuntas sejam bem-postas. O principal objetivo da otimização aerodinâmica consiste na tentativa de minimizar (ou maximizar) uma determinada medida de mérito. As aplicações de projeto inverso são desenvolvidas para escoamentos Euler 2-D ao redor de aerofólios, representados com a parametrização CST (Class-Shape function Transformation) proposta por Kulfan e Bussoletti (2006), em regime de vôo transônico e com domínio discretizado por malhas não-estruturadas de triângulos através de um ciclo de projeto, que utiliza o método steepest descent como algoritmo de busca da direção que minimiza (ou maximiza) a função de mérito. As equações adjuntas são derivadas na sua formulação contínua e suas condições de contorno são determinadas por equações diferenciais características adjuntas e relações de compatibilidade compatíveis com as variações realizáveis da física do escoamento. As variáveis adjuntas são, então, vistas como forças de vínculo generalizadas, que asseguram a realizabilidade de variações do escoamento. / Over the last decade the adjoint method has been consolidated as one of the most versatile and successful tools of aerodynamic optimization and inverse design in Computational Fluid Dynamics. It has become a research area of its own, spawning a large variety of applications and a prolific literature. Yet, some relevant aspects of the method remain relatively less explored in the literature. Such is the case with the adjoint boundary conditions and, more specifically, with regard to permeable boundaries. This dissertation discusses at length a novel approach to the boundary problem, which aims at ensuring the well-posedness of the adjoint equations. The main goal of aerodynamic optimization consists in attempting to minimize (or maximize) a certain mesure of merit. The inverse design applications are developed for 2-D Euler flows around airfoils, represented with the CST (Class-Shape function Transformation) parameterization proposed by Kulfan and Bussoletti (2006), in the transonic flight regime and domain discretized by triangle unstructured meshes in a design loop which makes use of the steepest descent method as search direction that minimizes (or maximizes) the mesure of merit. Adjoint equations are derived in the continuous formulation and their boundary conditions are determined by adjoint characteristic differential equations and compatibility relations. The latter are derived so as to be compatible with the realizable variations of physical quantities. The adjoint variables are seen as generalized constraint forces, which ensure the realizability of flow variations.

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

O presente trabalho consiste em uma extensão do sistema FreeFlow-2D para simular escoamentos de fluidos não newtonianos bidimensionais com superfí cies livres, onde o fluido é descrito pelos modelos de Cross ou o modelo ``power-law\'\'. O método numérico empregado é o método GENSMAC. As equações governantes são aproximadas pelo método de diferenças finitas em uma malha deslocada e partículas marcadoras são utilizadas para a visualização do escoamento e localização da superfície livre. Resultados numéricos são apresentados. Em particular, a presente implementação é validada comparando-se a solução numérica com uma solução analítica / This work presents an extention of the Freeflow-2D system to non-Newtonian free surface flows. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. Marker particles are used to describe the fluid providing the location and the visualization of the free surface. The methodology employed is based on the GENSMAC method. The fluid is modelled by the Cross and power-law models. Numerical examples are presented. The code is validated by making a comparison between analytical and numerical solutions

O presente trabalho consiste em uma extensão do sistema FreeFlow-2D para simular escoamentos de fluidos não newtonianos bidimensionais com superfí cies livres, onde o fluido é descrito pelos modelos de Cross ou o modelo ``power-law\'\'. O método numérico empregado é o método GENSMAC. As equações governantes são aproximadas pelo método de diferenças finitas em uma malha deslocada e partículas marcadoras são utilizadas para a visualização do escoamento e localização da superfície livre. Resultados numéricos são apresentados. Em particular, a presente implementação é validada comparando-se a solução numérica com uma solução analítica / This work presents an extention of the Freeflow-2D system to non-Newtonian free surface flows. The governing equations are solved by the finite difference method on a staggered grid. Marker particles are used to describe the fluid providing the location and the visualization of the free surface. The methodology employed is based on the GENSMAC method. The fluid is modelled by the Cross and power-law models. Numerical examples are presented. The code is validated by making a comparison between analytical and numerical solutions