O conhecimento fisico e a possibilidade de calculo do escoamento transonico turbulento em torno de aerofólios é de grandeimportancia para projetos aeronauticos. O trabalho aqui representadoe uma proposta de ferramenta numerica para analise desse tipo de escoamento. A modelagem matematica do problema fisico corresponde a versao tipo camada fina das equacoes de Navier-Stokes com media de Reynolds. A integracao numerica e implementada por meio do algoritmode Beam e Warming, o qual incorpora um esquema centrado de diferencas finitas, com aplicacao de fatoracao aproximada. A marcha no tempo e efetuada segundo o metodo de Euler implicito, com passo no tempo variavel para acelerar a convergencia ate o estado estacionario. Cuidados especiais sao dedicados a implementacao numerica das condicoes de contorno. A malha de calculo e obtida atraves de geradores algebricos. Os efeitos de turbulencia sao simulados atraves da aplicacao de dois modelos tipo viscosidade de vortice: um modelo algebrico devido a Baldwin-Lomax e outro de transporte devido a Johnson-King. Esses dois modelos sao os mais utilizados atualmente em Dinamica dos Fluidos Computacional. Inicialmente, o codigo desenvolvido e validado, utilizando-se para isso escoamentos tipicos de referencia. Posteriormente sao apresentados resultados para escoamentos sobre perfis, comparando-seos valores obtidos entre si e com resultados experimentais e numericos conhecidos. Os desempenhos dos dois modelos sao analisdos e é estudada a influencia de fatores numericos e fisicos sobre as solucoes obtidas.

No presente trabalho, sao discutidos certos aspectos doescoamento em maquinas de fluxo axiais, com enfase no problema dedimensionamento. Na primeira parte, e feita uma analise simplificadados parametros otimos de funcionamento de um estagio rotor-estator. Introduz-se os conceitos de "potenciais de perdas" hidraulicas e pordifusao, cuja minimizacao indica tendencias de se obter faixasperdas hidraulicas e de pressao, respectivamente. Verifica-se que aminimizacao do potencial de perdas hidraulicas nem sempre conduz aestagios efetivos na producao de pressao estatica, o que nao ocorrecom a minimizacao do potencial de perdas por difusao. Essa ultima,alem disso, possibilita uma reproducao analítica dos Diagramas deCordier em boa concordancia com dados nominais de bombas eventiladores bem projetados. Na segunda parte, apresenta-se umametodologia para analise do escoamento em grades lineares de perfisaerodinamicos. Com base no metodo dos paineis, desenvolve-se umatecnica numerica efetiva para analise do escoamento potencial. A tecnica e aferida para se obter bons resultados com numeromoderado de paineis. Em seguida, ela e aplicada sistematicamente nocaso de grades de perfis da serie NACA 65, para as quais estaodisponiveis dados experimentais confiaveis. Em funcao disso, ehproposta uma correlacao empirica, permitindo definir um ajuste nadistribuicao de pressoes (conforme Gostelow) e no angulo de deflexaodo escoamento, com resultados mais realistas que os potenciais(segundo a condicao de Kutta). Finalmente, a metodologia e aplicada em casos de projeto de rotores de maquinas de fluxo axiais, visandoatender ao criterio de coeficiente de pressao minimo prescrito sobreas pas.

O processo de condensação de vapor no interior de turbinas danifica sua superfície interna e as palhetas dos rotores, além de diminuir a eficiência termodinâmica nessa região. Para estudar o processo de condensação de vapor em estágios de turbinas, foi proposto neste trabalho uma simplificação da geometria, estabelecendo o escoamento de vapor úmido em uma grade de bocais baseado no modelo de rotor de uma turbina a vapor real. Um estudo preliminar do bocal supersônico de Laval 2D (convergente-divergente) foi realizado devido à possibilidade de validar o procedimento de uso do código CFD com base em dados experimentais adequados. O objetivo desta tese é avaliar o escoamento e investigar como a variação dos parâmetros térmicos, como temperatura e pressão, alteram o ponto de início da condensação, analisando a região de nucleação e crescimento das gotículas entre as palhetas da grade. O fenômeno da condensação foi modelado com base na teoria da nucleação clássica. Nesse trabalho, o modelo matemático deste escoamento compressível multifásico foi resolvido numericamente usando o método dos volumes finitos com uma abordagem baseada na densidade com os modelos de turbulência realizável e SST. Os resultados das simulações mostraram que, tanto para o bocal de Laval quanto para a grade de bocais, o fenômeno da mudança de fase é responsável por perdas termodinâmicas significativas no escoamento e que a fração de massa líquida é influenciada diretamente pela temperatura de admissão do vapor e pela diferença de pressão estabelecida entre a entrada e a saída do domínio, atingindo valores elevados em regiões próximas às superfícies das palhetas.

Por anos o voo dos insetos intrigou os seres humanos. Em alguns aspectos não encontra par entre os voos de outros animais, especialmente nas questões de desempenho e manobrabilidade. Devido a estas características e às deficiências de configurações convencionais de aeronaves em regime de baixo número de Reynolds, têm sido desenvolvidas configurações de micro veículos aéreos (MAVs) baseadas em insetos. Entretanto, ainda há muitos desafios que envolvem o estudo dos mecanismos relacionados com o voo dos insetos. Um entendimento maior destes mecanismos possibilitaria o desenvolvimento de MAVs mais eficientes e eficazes. Neste contexto, a eficiência do movimento periódico inspirado no voo dos insetos foi investigada utilizando duas metodologias: o modelo quase-estacionário e simulação numérica bidimensional. Verificou-se a influência do desvio em relação ao plano de batimento (stroke deviation) horizontal em uma situação de voo pairado, modelando a asa da mosca Drosophila melanogaster por um perfil elíptico bidimensional executando um movimento formando a "figura-de-oito". Novas equações cinemáticas foram propostas para representar a trajetória da asa de modo a permitir uma variação maior de parâmetros do movimento no eixo vertical, o que permitiu obter, por meio de otimização utilizando o modelo quase-estacionário, os limites teóricos da eficiência aerodinâmica. Com base nestas otimizações e em variação dos parâmetros cinemáticos, resultados obtidos por estudos anteriores foram explicados e verificou-se a possibilidade de redução de gasto energético no voo pairado por meio da implementação do desvio do plano horizontal. Simulações numéricas por dinâmica dos fluidos computacional foram realizadas para investigar esta possibilidade e notou-se que a potência do momento aerodinâmico adiciona uma parcela significativa à potência total, o que não é contabilizado no modelo quase-estacionário devido a simplificações. Posteriormente, concluiu-se que, nos casos estudados, as diferenças na eficiência não foram significativas e que, em razão de efeitos não estacionários, em especial a interação entre asa e esteira, a força vertical média se comporta de maneira contrária à prevista pelo modelo quase-estacionário. Finalmente, o mecanismo de captura de esteira foi analisado e foram identificadas mudanças significativas em seus efeitos, induzidas pelo desvio do plano horizontal, as quais puderam ser explicadas devido às alterações na cinemática do perfil.

Um dos componentes principais de uma turbina a gás é a turbina, pois produzem potência para o acionamento do compressor assim como de outras cargas externas. A turbina trabalha em um ambiente hostil, recebendo gases quentes de alta pressão da câmara de combustão, tornando-a um componente crítico em usinas de geração de energia. A turbina afeta o desempenho e o custo total do motor, sendo necessário realizar no início do programa de desenvolvimento do motor a predição de desempenho para garantir que o motor possa satisfazer todos os requisitos de operação de forma eficiente. Com a dinâmica do fluido computacional é possível obter informações do desempenho da turbina axial através da simulação do escoamento entre pás. Para avaliar o desempenho de um estágio de turbina em toda faixa de operação são utilizados mapas de desempenho que serão construídos através das simulações numéricas. A simulação do escoamento viscoso em regime permanente foi realizada no primeiro estágio de uma turbina axial. Adotou-se abordagens bidimensional e tridimensional para resolver as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds que utiliza o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras. A simulação em vários pontos de operação possibilitou a construção do mapa de desempenho do primeiro estágio da turbina. O mapa foi comparado com uma metodologia de predição de desempenho que contabiliza as perdas por meio do modelo de perdas de Denton.

Os motores do tipo turbinas a gás são utilizados em aplicação onde altas potências são requeridas. Para ambas as aplicações, industrial ou aeronáutica, a busca por alta eficiência e desempenho é constante, procurando melhorar o processo de transferência de energia. Nesse ponto, torna-se importante a pesquisa e o estudo de componentes mais sofisticados. É nesse contexto, que o presente trabalho foi desenvolvido para avaliar um dos itens de grande influência no desempenho de turbomáquinas, conhecido como perdas de alto desempenho devido ao escoamento interno sobre o topo do rotor. O escoamento que passa do lado de pressão para o lado de sucção da pá através do topo do rotor é chamado de escoamento de vazamento, este não participa do processo de transferência de energia, sendo uma fonte de perda interna que causa queda na eficiência da turbomáquina. Neste estudo, diferentes tecnologias para a geometria do topo das pás do rotor são utilizadas para analisar a influência destas geometrias em uma turbina axial de alta pressão (HPT) de único estágio. O estudo dessas diferentes configurações no topo do rotor da turbina foi baseado nos cálculos do escoamento utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) com equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), utilizando o programa comercial ANSYS CFX v. 13.0. A configuração de topo padrão (topo plano) foi modificada e as seguintes configurações foram utilizadas: sem folga, com topo plano, com squealer, com winglet e com squealer-winglet. Os resultados mostraram que os métodos de dessensibilização aplicados no topo do rotor possuem melhor desempenho que o caso com topo plano. A configuração winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para a turbina na rotação de projeto. E a configuração squealer-winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para 80% da rotação de projeto. As três configurações de dessensibilização estudadas comprovaram serem superiores ao rotor de topo plano, justificando seu uso para aplicações em turbina de alta pressão.

O sistema de ar secundário em turbinas a gás é responsável pela distribuição de ar para o resfriamento das partes quentes do motor, balanceamento de eixo e vedação das folgas formadas entre componentes rotativos e estáticos. Este sistema, geralmente contém selos do tipo labirinto para realizar um controle de ar através de perdas de carga. Para realizar todas as funções supracitadas, o sistema secundário de ar pode consumir cerca de 20% do fluxo de massa total do motor, tendo um impacto significante sobre a eficiência do mesmo. Desta maneira, fica claro que o controle adequado de ar é essencial para um bom desempenho da turbina a gás. O presente trabalho visa comparar diferentes configurações de selos labirintos, a fim de encontrar uma configuração mais adequada para o controle de ar no escoamento secundário. Para tal, simulações numéricas foram realizadas utilizando o software livre de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações gerais de mecânica dos fluidos com média de Favre bi e tridimensionais. Resultados baseados na análise dos parâmetros coeficiente de descarga (Cd) e função fluxo de massa (?) mostram que uma determinação adequada dos parâmetros geométricos do labirinto, juntamente com a adição de ranhuras reduzem o fluxo de massa no labirinto em até 9%.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

Centrifugal is the main compressor type used in process industries and pipelines. This work presents the design of a centrifugal compressor in three steps. The first step is the preliminary design that has an unidimensional treatment and is heavily based on empirical data. Then, using the quasi-ortogonals method, the flow in the meridional plane of the impeller channel is analysed and the blade geometry improved. The last step consists of the compressor flow analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques using a commercial software in order to verify any deficiencies in the methodology applied in the preliminary design.

The present thesis discuss in a didactic and detailed way the high-order scheme known as the Discontinuous Galerkin (DG) method, with special focus on applications in aerodynamics. The theoretical formulation of the method is presented in one and two dimensions with great depth, being properly discussed issues of convergence, basis functions, interelement communication, boundary conditions, shock treatment, as well as inviscid and viscous numerical fluxes. As part of this effort, a parallel computer code was developed to simulate the Euler equations of gas dynamics in two dimensions with general boundary conditions over unstructured meshes of triangles. Numerical simulations are addressed in order to demonstrate the characteristics of the Discontinuous Galerkin scheme, as well as to validate the developed solver. It is worth mentioning that the present work can be regarded as new within the Brazilian scientific community and, as such, may be of great importance concerning the introduction of the DG method for Brazilian CFD researchers and practitioners.