Nas últimas décadas, as melhorias na tecnologia de extit{hardware} principalmente no que diz respeito a unidade de processamento central, memória e capacidade de armazenamento, diversas ferramentas numéricas aplicadas na engenharia foram desenvolvidas com o intuito de se obter respostas rápidas e mais baratas do que ensaios, experimentos e testes laboratoriais. A Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) faz uma aproximação numérica como um meio de simular escoamentos. Um dos grandes desafios em soluções numéricas na DFC é a garantia da consistência, estabilidade e convergência garantindo com isso, a confiabilidade do código numérico. As turbomáquinas operam em uma ampla faixa de velocidades no campo do escoamento, podendo ter regiões com baixos números de Mach. Nesse ponto, surge um problema, pois códigos da DFC para o cálculo de escoamento compressível geralmente são programados seguindo formulações matemáticas baseadas no vetor de variáveis conservadas, podendo ter problemas numéricos e apresentar soluções inconsistentes devido a pequena variação da densidade do fluido. Chorin através de alguns estudos constatou que os códigos de DFC possuem uma diminuição de sua convergência e estabilidade quando o número de Mach do escoamento torna-se menor do que o limite de compressibilidade. Com o objetivo de solucionar este problema, Chorin criou a técnica de compressibilidade artificial. Choi e Merkle; Turkel e outros pesquisadores modificaram a técnica de compressibilidade artificial e desenvolveram a técnica de pré-condicionamento para diversas aplicações para garantir a convergência, estabilidade e melhorias na soluções numéricas dos códigos DFC para uma ampla faixa de velocidades do escoamento. No presente trabalho, foi realizada a implementação do método de pré-condicionamento de Turkel, Vatsa e Radaspiel em um programa de DFC desenvolvido por Tomita para calcular escoamentos compressíveis, internos e externos. A fim de melhorar a robustez do código numérico o pré-condicionador foi modificado seguindo o proposto no trabalho de Damorfal e Siu. O pré-condicionamento foi implementado primeiramente para as Equações de Euler e depois para escoamentos viscosos e turbulentos. Diversas experiências numéricas foram realizadas e resultados interessantes utilizando o código de DFC compressível e o código de DFC compressível com o pré-condicionador original e modificado foram obtidos. Todos estes casos estão apresentados e comentados no presente trabalho. A implementação do pré-condicionador em um código de DFC desenvolvido para o cálculo de escoamento tipicamente compressível resultou em uma ferramenta numérica com maior potencial para o cálculo do escoamento numa ampla faixa de número de Mach.

A demanda por energia elétrica nos últimos anos tem crescido a ritmos constantes. Países em desenvolvimento como a China e a Índia estão apresentando taxas de aumento de consumo de energia elétrica na faixa de 5% a 5,5% anuais, o que faz com que parte deste aumento de consumo seja fornecida através de uma geração com menor emissão de carbono. A energia eólica, por sua vez, é uma das formas de geração que apresenta um dos preços mais altos da energia. Por outro lado, diversos outros desafios se apresentam para que a energia eólica seja utilizada em larga escala e a sua implantação exige altos níveis de cooperação com entidades de proteção do meio-ambiente e governos locais de modo que sua operação seja rentável. O método da quantidade de movimento do elemento de pá (Blade Element Momentum Theory) se baseia no fato de que a variação da quantidade de movimento imposta a um anel do rotor é igual à força que o vento exerce sobre este elemento de pá. Esta aproximação simples, inicialmente concebida por Prandtl e Glauert, deve ser corrigida para diversos fenômenos, como as perdas originadas por arrasto induzido na ponta da pá, a rotação da esteira, o ângulo de inclinação entre o rotor e o vento incidente e demais fatores. Apesar dessas desvantagens, este trabalho mostra que o método do momentum do elemento de pá é uma boa forma de se obter mais rapidamente estimativas que levariam muito tempo de ser avaliadas caso fossem obtidas em um programa computacional comercial de mecânica dos fluidos. O objetivo deste trabalho é a análise e a seleção de uma pá eólica ótima, em estágio de projeto preliminar, utilizando o método do momentum do elemento de pá na sua forma em uma equação. Para tal, foram utilizadas rotinas computacionais menos onerosas que os tradicionais métodos de dinâmica dos fluidos computacional. O tipo de rotina numérica que mais se adequa à geração de parâmetros aerodinâmicos de um perfil é o método dos painéis. O método dos painéis e o método da quantidade de movimento do elemento de pá foram utilizados para se obter maiores coeficientes de potência (o coeficiente de potência CP é a relação entre a energia extraída do fluido e a energia disponível do fluido que passa por um rotor de turbina) de uma pá em um regime de operação pré-determinado.

Este trabalho tem o objetivo de avaliar o desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica utilizando as técnicas de dinâmica dos fluidos computacional. Inicialmente, a pá ótima de um gerador eólico de 250kW foi desenvolvido com base na aplicação da Teoria do Elemento de Pá de Glauert, levando em consideração os efeitos de perdas de ponta de pá e rotação da esteira. As características da pá ótima foram definidas através da velocidade do vento e razão de velocidades na ponta da pá. O código utilizado também considera o efeito do ângulo de passo (pitch) e torção geométrica. A avaliação numérica de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) foi desenvolvida através do software comercial ANSYS Fluent v.14.5. Os métodos utilizados para a discretização do domínio computacional e as técnicas de processamento, tais como condições de contorno, modelos de turbulência e critérios de convergência, estão descritos nesta dissertação. A análise do desempenho do rotor para várias condições de ângulo de passo, rotação e velocidade do vento médio serão devidamente apresentadas. Vários resultados são apresentados e analisados, incluindo a potência líquida extraída pelo rotor, eficiência aerodinâmica da pá, desenvolvimento da esteira do rotor, camada limite, gradiente de pressão, entre outros.

The object of this work is to apply CFD simulation in the description of the spray burning. As a case study, a pressure swirl injector, characterized and tested by NIST, has been chosen, which atomize liquid kerosene in an atmosphere of gaseous oxygen. The chamber dimensions allow a complete evaporation, avoiding the impact of drops on the circular wall. Swirl-axisymmetric domain and steady state permit to include combustion, a complex process, without requiring of high computational resources. Continuous phase is treated with an Eulerian reference, while fuel drops are tracked following the Lagrangian formulation. Chemical kinetics is reduced to the concept of mixture fraction. This assumption avoids the solution of too many transport equations for all involved species. In the first simulation, the inlet boundary of the continuous phase is obtained from the numerical solution of a fully developed flow transporting the oxidant gas. Then, four cases are proposed and solved, changing the turbulence intensity and swirl velocity on the inlet boundary, each parameter with two different values. Finally, results for the axial velocity, streamlines, drops trajectories, temperature, distribution and total production of selected species are analyzed and compared with other related studies.

O estudo de modelos matemáticos para o cálculo de desempenho de rotores, que começou no início do século 20 e se desenvolveu até meados daquele século, com Theodorsen, estagnou-se a partir da década de 1950, quando o uso de turboreatores se difundiu na propulsão aeronáutica. Recentemente a necessidade de desenvolvimento de sistemas propulsivos de alta eficiência para aeronaves de asas fixas e rotativas motiva um estudo mais detalhado sobre a aerodinâmica de rotores. As ferramentas utilizadas para projeto e análise de hélices, entretanto, ainda datam de décadas atrás. O presente estudo visa a comparar dois métodos de análise aerodinâmica de rotores. O primeiro é a formulação clássica da teoria do elemento de pá desenvolvida por Theodorsen. O segundo é um código baseado num método de singularidades tridimensional, segundo a formulação de Morino. Neste trabalho é desenvolvido um código de painéis tridimensional não estacionário de baixa-ordem, com distribuições constantes de dipolo e fonte sobre painéis quadrilaterais ou triangulares. O código é não-estacionário, e possui um algoritmo de relaxação da esteira livre no tempo, e dispõe de um método integral para cálculo de camada-limite e forças viscosas sobre a superfície dos painéis. O código também utiliza o recurso de processamento paralelo para acelerar a montagem das matrizes de coeficientes de influência e os cálculos de relaxação da esteira. Dois estudos de caso são feitos, simulando experimentos com rotores através dos dois métodos supracitados, e os resultados são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. Dois outros estudos de caso são realizados para explorar a capacidade do método de painéis em modelar interferência entre o rotor e outras superfícies e condições de operação impossíveis de simular pela teoria clássica. Os resultados são analisados detalhadamente, e as vantagens e limitações de cada formulação são destacadas.

A previsão acurada de fenômenos aerodinâmicos não estacionários tem cada vez mais dependido do emprego de técnicas de Mecânica dos Fluidos Computacional (CFD). A aplicação de tais técnicas em problemas não estacionários depende crucialmente de tecnologias de geração de malha que, usualmente, são processos bastante lentos. Para contornar esta limitação, várias metodologias têm sido desenvolvidas a fim de calcular a dinâmica geométrica do problema físico sem gerar novamente uma malha computacional por completo. Neste sentido, este trabalho apresenta um estudo de técnicas eficientes de geração e movimentação de malhas computacionais para simulação não estacionária em CFD, com aplicações em Aeroelasticidade. Para este propósito, é implementada uma abordagem de movimentação de malhas baseada em Funções de Base Radial (RBF). Nesta metodologia, os deslocamentos dos pontos de malha na superfície da estrutura (móvel) são propagados para os pontos volumétricos (interiores), sem alterar a topologia da malha. Este trabalho conduz uma análise comparativa do emprego de diversos tipos de RBF na movimentação de malhas de níveis de refinamento diferentes, bidimensionais e tridimensionais, no que diz respeito à qualidade da malha deformada resultante. Além disso, aborda estratégias de movimentação e sua influência na qualidade de malha gerada. Como aplicação, é conduzida simulação aerodinâmica computacional com código BREXP3D. Este código utiliza formulação de mecânica dos fluidos não estacionária compressível e não viscosa (equações de Euler), implementada numericamente via método de diferenças finitas, o que exige malhas hexaédricas estruturadas. Este trabalho implementa condições de contorno para simulação de asa tridimensional em malhas monobloco e conduz simulação aerodinâmica estacionária em regime transônico, comparando com resultados experimentais. Problemas de malha e convergência não permitiram executar com sucesso a simulação aerodinâmica computacional não estacionária.

A presente dissertação trata da questão importante sobre dispersão no cálculo do coeficiente de arrasto associado a malhas computacionais em aplicações aeroespaciais. Este tema tem sido amplamente discutido na comunidade de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) na última década. Determinar com precisão o valor do coeficiente de arrasto de uma configuração sempre foi um dos maiores problemas em CFD na indústria aeroespacial. Tão importante quanto conhecer a grandeza que se deseja calcular é também conhecer quão preciso somos em determinar essa quantidade. Na indústria aeroespacial, programas computacionais baseados nas equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) e malhas computacionais não estruturadas do tipo hexaédricas e do tipo tetraédricas com camadas de prisma para a camada limite aparecem como uma abordagem eficiente. Neste contexto, o presente trabalho conduz estudos de maneira a identificar e a entender as dispersões no cálculo do coeficiente de arrasto causadas por modificações na topologia da malha computacional, utilizando um único código de CFD. A fim de atingir tal objetivo, a asa ONERA-M6 foi escolhida como caso teste deste estudo por representar uma geometria simples e, assim, tornando mais clara a identificação do problema em questão. Com o objetivo de simplificar ainda mais o problema, as simulações não possuem arrasto induzido, que neste caso significa que o ângulo de ataque é zero para todos os casos. Dois números de Mach foram escolhidos para serem investigados neste estudo, Mach 0,3 e 0,8, por representarem regimes subsônico e transônico, respectivamente. Os estudos consideram um número de Reynolds igual a 3 milhões, que é tipicamente usado na indústria aeroespacial durante os estudos experimentais em túnel de vento. As dispersões no cálculo de arrasto encontradas neste estudo foram discutidas e investigadas com o objetivo de identificar as regiões da asa de maior contribuição da dispersão total e, também, apontar as diferenças na malha superficial e volumétrica que poderiam contribuir para tais dispersões. Baseado nos resultados obtidos neste trabalho, foi possível identificar a precisão no cálculo do coeficiente de arrasto de uma configuração simplificada, devido às modificações na topologia da malha que podem ser associadas a variações geométricas em um estudo de otimização aerodinâmica.

Este trabalho aborda a utilização de uma geometria representativa de um motor mono cilíndrico, com injeção direta de etanol hidratado e ignição assistida por centelha. A partir da utilização de um código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional, a malha móvel é criada e as equações governantes são resolvidas. O escopo do trabalho inclui a caracterização do escoamento de ar durante a compressão e a formação de mistura estratificada. É analisado o efeito da geometria da câmara na formação da mesma e sua distribuição ao longo da câmara de combustão. É analisada a influência de parâmetros como: pressão do combustível injetado, início da injeção e massa de combustível injetada. O objetivo final é a obtenção da concentração de combustível ao longo do cilindro, durante o desenvolvimento do jato e o movimento do pistão, além da formação de filme nas paredes da câmara. Tais resultados são de extrema importância para a avaliação de estratégias de injeção que tornem possível a partida a frio de veículos em baixas temperaturas sem a aplicação de sistemas auxiliares. Os resultados, como já eram previstos, mostraram que a pressão e o início da injeção de combustível são parâmetros que influenciam diretamente a evaporação de combustível, assim como a quantidade de filme formado, principalmente no pistão.

ABE, V.C. Determinação de parâmetros de operação de sistema de distribuição de ar frio pelo piso em ambientes de escritórios. 2007. 132 p. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Atualmente, um dos principais requisitos para que um ambiente de escritório atenda plenamente às necessidades de uso e ocupação é a flexibilidade, mas com conforto. O sistema de distribuição de ar frio pelo piso (Underfloor Air Distribution System - UFAD) está sendo utilizado nos edifícios de escritórios para garantir a flexibilização integrada do sistema com o mobiliário. Trata-se de um sistema que fornece ar frio proveniente de um plenum, através de difusores localizados nos painéis do piso elevado. Os difusores de ar podem ser ajustados, ou reposicionados pelos próprios usuários dos ambientes, possibilitando o controle das condições térmicas no entorno próximo, de acordo com suas preferências individuais. Embora o sistema de distribuição de ar pelo piso apresente diversas vantagens com relação ao sistema de distribuição de ar convencional, ainda há falta de informações objetivas e diretrizes de projeto padronizadas, havendo a necessidade de realização de mais pesquisas na área. A introdução da Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) apresentou uma alternativa para as pesquisas experimentais relacionadas ao estudo do escoamento do ar. Assim, para o desenvolvimento do presente estudo foram utilizados recursos de dinâmica dos fluidos computacional, com o uso do código FLUENT. O objetivo do presente trabalho é apresentar uma estratégia para a determinação dos parâmetros de operação de sistemas de distribuição de ar pelo piso aplicados a ambientes de escritórios. A estratégia baseiase no estabelecimento de inter-relações entre os principais parâmetros que definem o escoamento do ar em ambientes com o sistema de distribuição de ar pelo piso: a vazão de ar insuflado, a temperatura do ar insuflado e a diferença de pressão entre o plenum pressurizado e o interior do ambiente. O emprego da estratégia possibilita que o projetista identifique as diversas combinações entre os parâmetros de operação que resultem numa mesma condição desejada, permitindo assim a escolha da opção mais satisfatória. / ABE, V.C. Determination of operation parameters of rooms with underfloor air distribution system. 2007. 132 p. Dissertation (Master Course) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Nowadays, one of the main requirements of an office room to fully attend the use and occupation needs is the flexibility, but with comfort. The underfloor air distribution system is being used in the office buildings to guarantee the integrated flexibility of the system with the furniture layout. The system supplies cooled air to the room from a pressurized plenum, passing through air diffusers located in the raised floor panels. The air diffusers can be adjusted or relocated by the room users themselves, making possible the control of the thermal conditions in their surroundings, according to their individual preferences. Though the underfloor air distribution system presents a lot of advantages with regard to conventional overhead distribution systems, there is still a lack of objective information and standardized guidelines, and the necessity of accomplishment of more researches about the subject. The introduction of Computational Fluid Dynamics presented an alternative for the experimental tests related to the study of airflow in rooms. Thus, for the development of the present study a CFD tool was used, the code FLUENT. The purpose of the present work is to develop a strategy for the determination of the operation parameters of an underfloor air distribution system applied to office rooms. The strategy is based on the establishment of interrelations between the main parameters that define the airflow in rooms with the underfloor air distribution system: the input volume flux, the input air temperature and the pressure difference between underfloor plenum and the room. The use of this strategy enables the designer to identify several combinations of the operation parameters that result in one desired condition, allowing the choice of the most satisfactory option.

Neste trabalho, pretendeu-se obter as características da movimentação do ar no início do tempo de admissão em um motor diesel, partindo de sua entrada no cabeçote, passando pelos pórticos de admissão e válvulas, até a câmara de combustão, utilizando dados reais da geometria e do processo de sobrealimentação de um motor diesel. Para tanto, utilizou-se da abordagem clássica da dinâmica dos fluidos para o desenvolvimento de um modelo matemático constituído por equacionamentos que representassem o consumo de ar, a rotacionalidade do movimento do ar nos pórticos e a movimentação de ar no cilindro, descrita por linhas de corrente obtidas a partir da aplicação da teoria de escoamento potencial plano. Os cálculos foram efetuados usando planilhas eletrônicas geradas em aplicativo Excel e, tanto a avaliação dos efeitos da geometria dos condutos quanto a determinação das linhas de corrente, foram realizadas usando o aplicativo gráfico Rhinoceros. Neste trabalho foram estudadas seis condições associadas a seis ângulos de virabrequim do início do tempo de admissão e que geraram seis conjuntos de linhas de corrente. Os resultados foram comparados com ensaios de PIV - particle image velocimetry e apresentaram semelhanças relevantes nos formatos e nos sentidos das linhas de corrente. Concluiu-se que o procedimento utilizado, por sua simplicidade de implementação, não é prático quando há a necessidade de alteração de uma das variáveis envolvidas. Porém, ao desenvolver o equacionamento para os casos apresentados, foi possível estudar o fenômeno em profundidade satisfatória, mesmo com as hipóteses simplificadoras utilizadas. / In this work, the aim was to obtain the air flow characteristics in the beginning of the intake stroke in a diesel engine, considering the inlet in head, its passiage by intake runners and valves, up to the combustion chamber, using values obtained from geometry and supercharging process observed in a specific diesel engine. It was used a classical fluid dynamics approach to develop a mathematical model which represent the air consumption, the rotation of the air at intake runners and the air flow within the cylinder, described by streamlines obtained by the use of potential flow theory. The calculation used Excel electronic spreadsheets and both the effects from geometry of intake runners evaluation and the streamlines generation were conducted in drawing software Rhinoceros. In this work six different conditions, associated at six crankshaft angles in the beginning of the intake stroke were studied, resulting in six streamlines set. The results were compared to a PIV test - particle image velocimetry - and relevant similarities was observed both in shapes and rotation sense of streamlines. The conclusion was that the methodology, considering its simplicity in implementation, it is not the most practical method when a modification in variables involved is necessary. However, this methodology was enough to study the phenomenon in satisfactory depth, even using the simplifying assumptions.