A recurring problem in high-order simulation of compressible flows is the appearance of spurious oscillations near regions which display abrupt changes of flow properties such as shock waves. If the amplitude of these oscillations is sufficiently high, this phenomenon, known as Gibbs phenomenon, can lead simulation to diverging due to the appearance of non-physical states (negative pressure or density, for example). Among the techniques available to address this problem, it is highlighted the use of limiters. Such methodology was taken to the high-order context by inheriting from Finite Volume methods and tend to be of easier implementation when compared with other possibilities. However, classical limiters have the disadvantage of reducing the local accuracy order to first order even when applied to smooth regions. This thesis proposes itself to study the ENO(Essentially Non-Oscillatory)-based limiting procedure first proposed by Qiu and Shu in 2003. Such schemes have the property of maintain the high-order accuracy on smooth regions while still providing sharp shock transitions. As part of this work, such limiter was implemented in a computer code based on the Discontinuous Galerkin (DG) methodology in order to simulate the gas dynamics Euler equations in two dimensions on unstructured triangular meshes. Tests and simulations were then performed in order to demonstrate that the capacities proposed.

Atualmente, normas regulamentadoras cada vez mais restritivas são impostas com o intuito de reduzir a poluição do ar, o que impulsionou a busca dos fabricantes de motores diesel por novas abordagens e soluções tecnológicas capazes de reduzir os níveis de emissões de seus produtos. Neste contexto, o desenvolvimento de um sistema de arrefecimento automotivo mais eficiente é benéfico na redução de emissões e na melhora da economia de combustível. Dentre os componentes que compõem o sistema de arrefecimento, a bomba de água contribui em grande parte para as perdas do sistema como um todo. Assim, o presente trabalho visa investigar o desempenho de uma bomba de arrefecimento automotivo utilizando uma ferramenta de Computational Fluid Dynamics (CFD). Um modelo CAD da bomba de água foi construído com todos os detalhes requeridos para a simulação confiável. O escoamento através da bomba foi numericamente simulado empregando a técnica de volumes-finitos para resolver as equações que modelam o escoamento para um referencial não-inercial. Geralmente, partes móveis geram problemas transitórios, no entanto, visto de um referencial rotativo o escoamento através das partes móveis pode ser simulado como em regime permanente. O sistema de equações discretizadas para a pressão e as componentes de velocidade foram resolvidas utilizando o algoritmo SIMPLE. Resultados numéricos e dados experimentais foram comparados para diferentes vazões volumétricas. Após a solução numérica, o pós-processamento foi utilizado para averiguar o escoamento através da bomba e os mecanismos que influenciam em seu desempenho. Os resultados sugerem que o escoamento através da bomba pode ser representado através da ferramenta CFD, possibilitando verificar qualitativamente e quantitativamente o comportamento do escoamento e os mecanismos que afetam o desempenho da bomba de arrefecimento.

Este trabalho apresenta um estudo da influência dos componentes de um modelo de fuselagem, nas freqüências de vibração livre da estrutura e do fluído interno, possibilitando uma otimização do seu isolamento acústico. Foram feitas alterações nas dimensões dos componentes da estrutura, e através de um modelo feito com a técnica de Elementos Finitos, determinados os modos e freqüências de vibração livre da estrutura e do fluído interno, e seu possível acoplamento. Os resultados foram apresentados em tabelas e gráficos e discutidos.

Este trabalho investiga o tratamento numérico da interface entre uma região porosa e uma região limpa, levando em consideração a influência do coeficiente de salto da tensão cisalhante para a equação da quantidade de movimento, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. As equações que governam o escoamento são discretizadas pelo método de volumes finitos e o sistema de equações algébricas é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedure], sendo que para o acoplamento pressão-velocidade é utilizado o método SIMPLE. Inicialmente é analisado o escoamento laminar e, posteriormente o escoamento turbulento em canais parcialmente preenchido com um material poroso e, com um obstáculo poroso, utilizando para o caso turbulento o modelo k - e de Alto-Reynolds. Os resultados para o escoamento laminar em um canal parcialmente preenchido com material poroso sem a presença do termo não-linear de Forchheimer ou com a presença corroboram os resultados analíticos encontrados na literatura. Observa-se, ainda que, os resultados para escoamento em um canal parcialmente preenchido e com um obstáculo poroso, tanto laminar quanto turbulento, representaram satisfatoriamente os fenômenos físicos. A partir desses fatos conclui-se que a implementação numérica foi realizada de forma correta, sendo possível representar de forma adequada os efeitos do coeficiente, b , na vazão mássica global.

The main objective of the present research work consists of studying turbulent flows over typical aerospace configurations. In order to accomplish such goal, a numerical tool to simulate 3-D compressible flows is validated and improved. A finite difference method for structured grids, written for general curvilinear coordinates, is used. A centred spatial discretisation, which requires explicit addition of artificial dissipation terms, is chosen, and the time marching procedure is explicit. In the validation process, comparative analysis of systematic mesh refinement and grid topology is considered. Subsequently, adequate turbulence models for the applications of interest are implemented. This implementation must be carefully performed in order to robustly and consistently include the turbulence model subroutines into the numerical code. Convergence acceleration techniques such as multigrid and implicit residual smoothing are required in order to avoid the slower convergence rates associated with the more refined and stretched grids that are necessary for turbulent simulations. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is done by comparison of numerical results with experimental or theoretical data. Thereafter, flows about the VLS central body configuration are simulated in order to obtain aerodynamic results necessary for the development phase of the vehicle. In general, good agreement between numerical and experimental results are obtained within engineering error margins. Some limitations of the turbulence models could be observed. These limitations could be addressed with a careful study of the numerical results and previous knowledge of the capabilities of these models. Nevertheless, the conclusions that could be drawn are very positive for this initial effort on advanced turbulence modelling, and these conclusions are important for future development of the numerical code.

Os métodos de separação isotópica que utilizam lasers baseiam-se na capacidade diferenciada, apresentada pelas variedades isotópicas, em absorverem radiação eletromagnética em determinadas freqüências. Portanto, se uma mistura de 235U e 238U for irradiada por um laser cuja freqüência seja ressonante com uma linha de absorção do 235U e que tenha uma linha de emissão suficientemente estreita, a radiação será absorvida preferencialmente por este isótopo. A determinação das freqüências de absorção é, portanto, de fundamental importância para o desenvolvimento do processo de separação isotópica via lasers. Foram investidos esforços neste trabalho, na obtenção de uma ferramenta espectroscópica que forneça os comprimentos de onda que, através de absorção a múltiplos passos, ionize o átomo de urânio. Para isto, utilizou-se uma lâmpada de catodo oco (LCO) para obter as transições do urânio e estudar alguns processos físicos que ocorrem neste tipo de descarga por meio das técnicas de espectroscopia optogalvânica e de fotoionização a múltiplos passos. Pela técnica optogalvânica, e utilizando uma LCO com descarga contínua (DC), foi realizada espectroscopia de absorção de até duas freqüências distintas para o urânio. Através desta técnica foi possível determinar o tempo de vida efetivo do nível 7M7 do urânio, bem como as taxas de colisão entre os átomos de urânio e o gás tampão argônio e com os elétrons da descarga. Com esta mesma lâmpada, porém, com descarga pulsada, e realizando espectroscopia na pós-descarga, através da medida de corrente de íons, foi possível fazer espectroscopia de três freqüências pela absorção sucessiva de até três comprimentos de onda distintos. Com esta técnica de espectroscopia dá-se um importante avanço para o processo de separação isotópica via lasers. Os vários estudos realizados possibilitaram observar que existe a formação de aglomerados de urânio na pós-descarga, bem como medir o tempo de veida efetivo do nível 7M7 do urânio por esta técnica. Com o objetivo de tentar entender alguns dos processos físicos que ocorrem numa descarga de catodo oco, foi possível medir o tempo de difusão ambipolar do plasma de urânio, produzido por fotoionização na pós-descarga e, por meio deste, determinar a seção de choque de colisão elástica entre os íons de urânio e os átomos de argônio. De posse destes parâmetros, podemos dizer que obtivemos um novo método espectroscópico de inferir a temperatura de descarga.

Neste trabalho são apresentados os detalhes de projeto e construção de um equipamento de tocha de plasma gerada por uma descarga em arco de baixa potência, 300 - 2000W, para sintetização de filmes de diamantes "CVD", assim como são comentados os resultados da caracterização do arco elétrico, da tocha de plasma e dos filmes produzidos. O sistema foi projetado e construido de acordo com a dinâmica de gases unidimensional, teve como diretriz a necessidade de se utilizar componentes e equipamentos disponíveis no Laboratório Associado de Plasma do INPE. A descarga foi caracterizada eletricamente, ou seja, foram determinadas as curvas características da descarga, tensão em função da corrente, para diversas condições de operação, as quais foram comparadas com as curvas características obtidas por um modelo teórico simples desenvolvido para este sistema apresentando boa concordância. Verificou-se que o sistema de descarga apresenta dois modos de operação, que foram denominados modo luminescente e modo arco. No modo luminescente foram determinados os parâmetros da tocha de plasma: densidade e temperatura eletrônica usando sonda eletrostática dupla e no modo arco foi determinada a freqüência angular de rotação do arco utilizando um anodo dividido em quatro setores independentes. Foi realizado também uma análise da superfície dos eletrodos. Tanto no modo luminescente como no modo arco foram crescidos filmes de diamante que foram caracterizados pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura, dispersão em energia de raio-X, difração de raio-X e espectroscopia Raman. Os filmes produzidos no modo luminescente apresentam uma fase cristalina misturada com uma fase amorfa e pouca uniformidade ao passo que os filmes produzidos no modo "arco" são bem uniformes porém apresentam somente a fase amorfa.

Muitos processos industriais utilizam dutos de transporte de fluidos, os quais existem normas para a aferição da velocidade. O dispositivo ideal de medida seria o bocal de Venturi, contudo o método mais comumente utilizado de medição é a placa de orifício. O bocal convergente se mostra mais eficaz, quando comparado à placa de orifício, devido ao fato de não apresentar recirculação na entrada do bocal, além de que bocais convergentes podem efetuar medidas 55% maiores na vazão, usando o mesmo coeficiente beta (r?R) e o diferencial de pressão da placa de orifício. Outra vantagem deste bocal é o menor comprimento, quando comparado ao bocal de Venturi. Geralmente, no ambiente fabril, os fluidos nos dutos se apresentam turbulentos, por ter restrições no escoamento, ao longo da tubulação, assim podem causar diferenças na medição da vazão por gerar turbulências no escoamento da entrada, distintos das especificações da norma. Neste contexto, o presente trabalho demonstra os efeitos de rotação em fluidos no bocal de entrada presente no medidor de vazão do tipo convergente, utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics). Dessa forma, serão resolvidas as equações governantes (massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência), usando, para isso, o método de volumes finitos. Logo, o acoplamento entre os campos de pressão e velocidade são estabelecidos aplicando o algorítimo SIMPLE. Inicialmente, um estudo de refinamento de malha será realizado para a determinação do coeficiente de descarga em um escoamento sem rotação na entrada do bocal. A comparação entre os resultados do coeficiente de descarga para bocais convergentes apresentados na norma ISO 5167-3 e os resultados numéricos para o mesmo bocal, é realizada e obtiveram boa correlação na faixa de 3% de desvio. Em seguida, o estudo do decaimento do Swirl ao longo de um duto liso e de um duto com bocal convergente é levantado e os resultados mostraram que o decaimento está mais associado com a velocidade axial (Reynolds) do escoamento do que da rotação imposta ao fluido.

Sabe-se que um bom projeto de coletor de admissão é um fator importante para um bom desempenho de um motor de combustão interna. Modelos computacionais têm sido usados para simular escoamentos não-permanentes e compressíveis fornecendo assim suporte para melhor projeto do coletor. Neste trabalho, o estudo de escoamento compressível, intermitente e turbulento de fluido newtoniano no interior de cilindros de seção circular tem por objetivo entender os fenômenos que ocorrem dentro de um sistema complexo de dutos que conduzem o ar até os cilindros de um motor. Para tal é necessário primeiramente conhecer quais são estes fenômenos e identificar os parâmetros cruciais que influenciam no processo de solução do modelo matemático em uma geometria simplificada e assim possibilitar a avaliação do sistema em operação em uma geometria complexa. O modelo matemático usado para o escoamento compressível pulsátil dentro do duto circular reto é o URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes). Para resolver as equações governantes do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência) é usado o software ANSYS Fluent CFD. Esta ferramenta é baseada na discretização de volumes finitos. Este trabalho é composto por três etapas. Na primeira etapa a abordagem baseada na pressão é usada resolvendo as equações governantes de forma segregada. Após um estudo de malha, os resultados obtidos mostraram que um duto excitado por um único pulso tem uma resposta periódica com frequência constante, e certo grau de amortecimento ao longo do comprimento do duto. Foi mostrado que o comprimento do duto é o parâmetro de maior influencia no comportamento dinâmico do sistema. Na segunda etapa a mesma geometria foi empregada e o mesmo tipo de abordagem foi usada. Foi observada a resposta dinâmica de uma condição de contorno de pressão oscilante na saída do duto. É possível verificar a importância da compressibilidade do ar que atenua as amplitudes das oscilações de pressão e vazão em massa ao longo do duto. E finalmente, a terceira etapa consistiu em uma geometria complexa, formada por um duto principal, um plenum e dois runners. Como condições de contorno na saída dos dois dutos secundários foram impostas perturbações de pressão de mesma amplitude e fases variáveis, e assim verificada a vazão em massa para cada defasagem pré-estabelecida.

A aerodinâmica não-estacionária foi muito estudada, principalmente devido aos problemas em Aeroelasticidade. No início do Século XX muitos cientistas como Theodorsen, Sears, Küssner e Wagner se dedicaram a estudar este fenômeno. Tradicionalmente os métodos desenvolvidos para determinar as cargas aerodinâmicas não-estacionárias para escoamentos subsônicos e supersônicos são baseados em formulações lineares. Porém estudos e ensaios mostram que esta premissa deixa de ser válida principalmente no regime transônico, com o resultado da formação de ondas de choque e/ou separações da camada limite causado pela onda de choque do regime transônico, o método linearizado vai ficando progressivamente pior à medida que se aproxima do alto transônico. A mecânica dos fluidos computacional (CFD-computional fluid dynamics) tornou-se uma área de grande importância da Aerodinâmica atual, sendo possível trabalhar com as equações não lineares sem restrições físicas ou geométricas. Este trabalho apresenta o modelamento e análise da resposta indicial de um perfil aerodinâmico exposto a uma perturbação do tipo degrau em ângulo de ataque utilizando ferramentas de CFD. A análise do comportamento quanto a variações de espessura, numero de Mach e amplitude além de, uma comparação com a teoria da aerodinâmica linearizada. Desse modo é possível obter uma sensibilidade quanto à influência desses parâmetros na resposta transiente dos perfis estudados, além de um estudo quanto às capacidades, benefícios e limitações de se utilizar ferramentas de CFD para modelar e estudar fenômenos transientes.