Orientador: Analice Costacurta Brandi / Banca: Gilcilene Sanchez de Paulo / Banca: Leandro Franco de Souza / Resumo: Diversos escoamentos de interesse prático são de fluidos viscoelásticos e muitas vezes é desejável saber se estes escoamentos propagam-se no estado laminar ou no turbulento. Embora a hidrodinâmica de fluidos viscoelásticos sejam fortemente afetadas pelo balanço entre forças inerciais e elásticas no escoamento, o efeito da elasticidade sobre a estabilidade de escoamentos inerciais não foi completamente estabelecida. No presente trabalho, estuda-se o que ocorre entre estes dois estados, na transição laminar-turbulenta. Especi- ficamente, é investigada a convecção de ondas de Tollmien-Schlichting para o escoamento incompressível de Poiseuille para um fluido viscoelástico, utilizando a equação constitutiva Oldroyd-B. Para isto, utiliza-se a Simulação Numérica Direta para verificar a estabilidade dos escoamentos de fluidos viscoelásticos a perturbações não estacionárias. Os resultados numéricos obtidos para escoamentos de fluidos viscoelásticos são comparados com os resultados de escoamentos de fluidos Newtonianos, que já estão bem documentados na comunidade científica. Além disso, uma equação de Orr-Sommerfeld modificada é deduzida para um escoamento viscoelástico utilizando a Teoria de Estabilidade Linear / Abstract: Several flows of practical interest are of viscoelastic fluids and it is often desirable to know if these flows are in a laminar or turbulent state. Although the hydrodynamics of viscoelastic fluids are strongly affected by the balance between inertia and elastic forces in the flow, the effect of elasticity on the stability of inertial flows has not been completely established. In this work is studied what happens between these two states, the laminar-turbulent transition. Specifically, it will be investigated the convection of Tollmien-Schlichting waves to incompressible Poiseuille flow of viscoelastic fluid, using the constitutive equation Oldroyd-B. For this, the analysis is carried out by means of Direct Numerical Simulation to verify the stability of the non-stationary disturbances viscoelastic fluids flows. The numerical results obtained for viscoelastic fluids flows are compared with the results of Newtonian fluids flows, which are already well documented in scientific community. In addition, an Orr-Sommerfeld modified equation is deducted for a viscoelastic flow using Linear Stability Theory / Mestre

[pt] In order to gain deeper understanding of the ow physics around low aspect ratio wings, the current dissertation presents a numerical study of the ow around a race-car rear wing, in particular, the PUC-Rio Formula-University car. To diminish the time it takes to prepare a numerical simulation, we evaluate the performance and accuracy of a particular utility available in Open-FOAM, namely, snappyHexMesh, which generates hexahedral unstructured grids. The effect of using such a grid in numerical simulations employing two different turbulence models (Spalart Allmaras and k - w SST) for several angles of attack is investigated. The methodology of the study comprised six steps: 3D scanning of the real geometry, geometry modeling, grid generation, ow computation, solution validation, ow visualization and analysis. The grid qualities were assessed using a simple two-dimensional case, which showed good agreement with experimental data with an absolute difference ranging between 0.39 per cent and 8 per cent. While comparing them with numerical validated data the difference ranged between 0.5 per cent and 3.6 per cent. By visualizing the velocity and pressure fields, it was confirmed that the methodology used in the current study is capable of capture the various physical phenomena present in the ow around a rear wing, which is characterized by horseshoe vortices at the end plates, local recirculation zones, tip vortices and their interaction with the boundary layer at the suction surface. The simulations showed that the size of the tip and horseshoe vortices increases with the angle of attack, as well as their in uence on the boundary-layer separation. Consequently, although the end plates are known to be useful in reduction of vortex, it was observed there is still a great waste of energy in their formation. / [en] A fim de obter uma compreensão mais profunda da física do escoamento em torno de asas de baixa relação de aspecto, a presente dissertação apresenta um estudo numérico do escoamento em torno da asa traseira de um carro de corrida, em particular, o carro de fórmula da PUC-Rio. Para diminuir o tempo que leva para preparar uma simulação numérica, avaliamos o desempenho e a precisão de um utilitário disponível no OpenFOAM chamado snappyHexMesh, o qual gera malhas não estruturadas usando em sua maioria elementos hexahédricos. O efeito do uso de tal malha nos resultados das simulações numéricas é investigado, empregando dois modelos de turbulência diferentes (Spalart Allmaras e k - omega SST) para vários ângulos de ataque. A metodologia do estudo foi composta por seis etapas: a digitalização da geometria, a modelagem da geometria, a geração da malha, o cálculo do escoamento, a avaliação da solução, a visualização e análise do escoamento. As qualidades da malha foram avaliados através de um caso bidimensional simples, que mostrou boa concordância com dados experimentais com uma diferença absoluta variando entre 0,39 por cento e 8 por cento. Em quanto que comparando-os com dados numéricos validados a diferença variou entre 0,5 por cento e 3,6 por cento. Visualizando os campos de velocidade e os campos de pressão, foi confirmado que a metodologia utilizada no estudo é capaz de capturar os diversos fenômenos físicos presentes no escoamento, o qual é caracterizado por vórtices de ferradura nas placas, zonas de recirculação locais, vórtices de ponta e sua interação com a camada limite na superfície de sucção. As simulações mostraram que o tamanho dos vórtices de ponta e dos vórtices de ferradura aumenta com o ângulo de ataque, bem como sua inuência sobre a separação da camada limite. Consequentemente, embora as placas sejam reconhecidamente úteis na diminuição dos efeitos de ponta, ainda há um grande desperdício de energia na formação de vórtices.

[pt] Aneurisma arterial é definido como uma dilatação excessiva do diâmetro normal de uma artéria. O aneurisma da aorta ascendente é geralmente assintomático, portanto, é frequentemente identificado acidentalmente durante exames de imagem de rotina. Após a identificação do aneurisma, caso não haja indicação cirúrgica, o paciente deve ser acompanhado de maneira adequada, pois a ruptura arterial pode ser fatal. A influência do fluxo sanguíneo no remodelamento aórtico é uma importante área de investigação. O objetivo deste estudo é identificar padrões hemodinâmicos em aneurismas de aorta ascendente que possam estar relacionados com o aumento do aneurisma. Cada paciente do estudo foi avaliado em dois momentos distintos. Um modelo tridimensional do aneurisma de aorta ascendente foi gerado para cada paciente a partir de exames de angiotomografia de aorta. O padrão de fluxo foi determinado numericamente com a utilização de um software comercial. Foi demonstrado que o ângulo entre a entrada do fluxo principal e o tronco braquiocefálico pode induzir a uma incidência de um jato incidente na parede da aorta, ocasionado áreas de recirculação na região posterior do jato, além de altos valores de pressão e tensão cisalhante. Os presentes achados hemodinâmicos podem estar relacionados com o remodelamento da aorta ascendente. / [en] Arterial aneurysmal is defined as an excessive dilation of the normal diameter of an artery. Ascending aortic aneurysm is generally asymptomatic, so it is often accidentally identified during routine imaging examinations. After the aneurysm has been identified, if there is no surgical indication, the patient should be followed adequately, since arterial rupture can be fatal. The influence of blood flow on aortic remodeling is an important area of investigation. The aim of this study is to identify hemodynamic patterns in ascending aortic aneurysms that may be related to aneurysm enlargement. Each patient in the study was evaluated at two different times. A three-dimensional model of the ascending aortic aneurysm was generated for each patient from aortic angiotomography examinations. The flow field was numerically determined with a commercial software. It has been shown that the angle between the entrance of the main flow and the brachiocephalic trunk can induce an incident jet on the aortic wall, causing areas of recirculation in the posterior region of the jet, besides high values of pressure and wall shear stress. The present hemodynamics findings may be related to remodeling of the ascending aorta.

[pt] A reinjeção de gás é uma técnica empregada para o aumento do fator de recuperação de reservatórios de petróleo. Em campos marítimos, quando o volume de gás produzido na unidade estacionária de produção (plataforma) é muito elevado e não se dispõe de infraestrutura para exportá-lo para terra, a reinjeção de todo o gás produzido pode requerer vazões suficientemente altas para causar danos à coluna de injeção do poço em decorrência da vibração induzida pelo escoamento. Esse problema pode ser ainda mais crítico para injetores com completação inteligente, que são instrumentados com sensores e válvulas de controle de fluxo e cujo monitoramento e controle são realizados por meio de cabos elétricos e hidráulicos instalados ao longo da coluna do poço. O risco da falha no sistema de completação inteligente torna-se, portanto, um limitante para a vazão máxima do gás que pode ser reinjetado no poço. Nestes casos, não havendo como exportar o gás produzido, a alternativa é reduzir a produção de petróleo da plataforma. Esta dissertação aborda o problema da vibração induzida pelo escoamento em poços injetores de gás equipados com sistemas inteligentes de completação. Modelou-se a geometria de um poço real a fim de realizar as análises computacionais da dinâmica do escoamento. Devido as altas vazões envolvidas, a abordagem do caso exige um tratamento adequado da turbulência. Para tal, fez-se uso dos métodos Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) e Large Eddy Simulation (LES). O primeiro é um modelo estacionário que prevê as estatísticas estacionárias baseando-se em equações de transporte para as mesmas. O segundo é um modelo transiente, que resolve a maior e mais energética parte do espectro das flutuações turbulentas. A partir da análise computacional com os dois modelos foram estimadas as amplitudes e espectros de frequência das forças de excitação dinâmicas produzidas pelo escoamento sobre os componentes do sistema de completação inteligente na região mais crítica da coluna de injeção. Para o caso estudado, um poço injetor de gás com uma coluna de 4 1/2´´ em um revestimento de 9 5/8´´ e vazão máxima nominal de 4,5 x 10(6) m(3)/d, as forças de excitação sobre os componentes críticos do sistema de completação inteligente atingiram amplitudes máximas da ordem de 10 N/m numa faixa de frequência de até 150 Hz, valores considerados satisfatórios para a operação do poço estudado. A metodologia desenvolvida neste trabalho pode ser estendida para outras configurações de poços injetores com completação inteligente. / [en] Reinjection of produced gas is a well-known technique of enhanced oil recovery. In offshore fields, the production units do not always have the proper infrastructure to export the produced gas to shore. In these cases, if the gas volumes are too high, reinjecting it into the reservoir may require elevated flow rates, increasing the risk of mechanical failures due to flow induced vibration on the well completion equipment. This problem may be even more critical in the case of injector wells with intelligent completion systems, which are monitored and controlled with the aid of electrical and optical cables running along the injection tubing. In many instances, to avoid fatigue damage in the intelligent completion equipment, the production unit has to be restricted to allowable rates. This work focus on the problem of flow induced vibration in injector wells equipped with intelligent completion systems. A real well has been modeled in order to perform computational fluid dynamic analysis and understand the turbulent flow near the discharge of the downhole inflow control valves. The problem was modeled using both the Averaged-Reynolds Navier-Stokes and Large Eddy Scale turbulent models. In the first, the flow is stationary and the variables are time-averaged. In the second model, transient analysis is performed considering only the large length scales. Combining the two models, the amplitudes and frequency spectra of the dynamic forces that excite the components of the injector well are estimated. In the case studied, a well with tubing of 4 1/2´´ in a 9 5/8´´ casing and with a maximum nominal gas injection flow rate of 4.5 x 10(6) m(3)/d, the dynamical loads on the critical intelligent completion components were estimated presenting amplitudes of the order of 10 N/m and frequency ranges up to 150 Hz, values that were considered safe for the operation of the analyzed well. The methodology developed in this work can be extended to model other configurations of high flow rate injector wells.

[pt] A substituição de válvula aórtica por cateter (Transcatheter Aortic Valve Replacement, TAVR) tornou-se uma poderosa alternativa para pacientes com estenose aórtica e com alto risco de serem submetidos à cirurgia tradicional de peito aberto. O conhecimento da distribuição da pressão, bem como a tensão cisalhante na superfície da aorta podem ajudar a identificar regiões críticas, onde o processo de remodelamento da aorta pode ocorrer. O objetivo do presente trabalho é avaliar numericamente a influência do posicionamento do orifício da válvula protética no campo de escoamento. O estudo foi realizado com base em um paciente submetido a TAVR. Um modelo 3D foi gerado a partir de angiotomografia e de segmentação de imagens da aorta. Dados experimentais obtidos anteriormente na mesma geometria indicaram que o fluxo do jato através da válvula de entrada é de natureza turbulenta. O escoamento foi determinado numericamente com o software comercial FLUENT. A turbulência foi modelada com o modelo de dois equações k-omega SST. Para representar um fluxo pulsátil, foram impostos diferentes fluxo de massa na entrada da válvula. Para todas as vazões investigadas, obteve-se um padrão de escoamento semelhante. Mostrou-se que uma pequena variação dos ângulos de inclinação pode modificar a natureza do fluxo, deslocando a posição dos vórtices e alterando a localização das regiões de alta tensão de cisalhamento, assim como de alta pressão, na superfície interna da aorta. Mostrou-se também que um aumento da intensidade da turbulência na entrada diminui os valores de tensão cisalhante e de pressão nas paredes da aorta. Essas características hemodinâmicas podem ser relevantes no processo de remodelação aórtica e os estresses mecânicos podem influenciar na durabilidade da prótese valvular. / [en] Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) has become a powerful alternative for patients with aortic stenosis and a high surgical risk to face a traditional open chest surgery. The knowledge of the pressure distribution as well as shear stress at the aortic surface may help identify critical regions, where aortic remodeling process may occur. The purpose of the present work is to evaluate numerically the influence of the positioning of the prosthetic valve orifice in the flow field. The study was carried out on the basis of a particular patient who had undergone a TAVR. A 3D model was generated from computed tomography angiography and image segmentation of the aorta. Experimental data previously obtained in the same geometry indicated that the jet flow through the inlet valve is turbulent flow. The flow field was numerically determined with the commercial software Fluent. The turbulence was modeled with the two-equation k-omega SST model. To represent a pulsatile flow, different mass flow rates were imposed at the inlet valve. Similar flow pattern was observed for all flow rates investigated. It was shown that small variations of the tilt angle can modify the nature of the flow, displacing the position of the vortices and altering the location of high shear stress, as well as high pressure, at the aortic inner wall. It was also shown that an increase of the turbulent intensity at the entrance decreases the values of shear stress and pressure on the walls. These hemodynamic features may be relevant in the aortic remodeling process and the mechanical stresses may influence the durability of the valve prosthesis.

Estimativas de erro são estabelecidas em termos do número de Rossby para a aproximação de Galerkin não linear nas soluções do modelo atmosférico balanceado de Lorenz com massa forçante. Desse modo a aproximação espectral da aproximação de Galerkin não linear é ligada ao número de Rossby. / Error estimates are established in terms of the Rossby number for a nonlinear Galerkin approximation to the solutions of the balanced atmosphere model of Lorenz with mass forcing. Thereby, the approximation spectral dimension of the nonlinear Galerkin approximation is linked to the Rossby number.

[pt] A equação diferencial parcial de Poisson é de fundamental importância em várias áreas de pesquisa, dentre elas: matemática, física e engenharia. Para resolvê-la numericamente utilizam-se vários métodos, tais como os já tradicionais métodos das diferenças finitas e dos elementos finitos. Este trabalho propõe um método para resolver a equação de Poisson, utilizando uma abordagem de sistema de partículas conhecido como SPH, do inglês Smoothed Particles Hydrodynamics. O método proposto para a solução da equação de Poisson e os operadores diferenciais discretos definidos no método SPH, chamados de operadores SPH, são utilizados neste trabalho em duas aplicações: na decomposição de campos vetoriais; e na simulação numérica de escoamentos de fluidos monofásicos e bifásicos utilizando a equação de Navier-Stokes. / [en] Poisson`s equation is of fundamental importance in many research areas in engineering and the mathematical and physical sciences. Its numerical solution uses several approaches among them finite differences and finite elements. In this work we propose a method to solve Poisson`s equation using the particle method known as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). The proposed method together with an accurate analysis of the discrete differential operators defined by SPH are applied in two related situations: the Hodge-Helmholtz vector field decomposition and the numerical simulation of the Navier-Stokes equations.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-12-19Bitstream added on 2014-06-13T18:26:32Z : No. of bitstreams: 1 sato_ai_me_bauru.pdf: 1188425 bytes, checksum: a339b70a2f5c112ab87f327dbf976662 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A utilização de coletores solares - seja para aquecimento de água, produção de energia elétrica, calefação de ambientes ou ainda alimentando sistemas de refrigeração - apresenta uma forte tendência de expansão. As principais razões para isto são que fontes de energias renováveis possuem baixo impacto ambiental além do fato que estes sistemas estão se tornando financeiramente acessíveis. A pesquisa científica neste campo tem acompanhado tal expansão e o coletor solar com tubos evacuados destaca-se como um importante foco de estudos. Projetos deste tipo caracterizam-se pelo seu peculiar processo de fabricação e a sua reduzida perda térmica para o ambiente, aumentando a sua eficiência, principalmente nas regiões frias. Quanto à análise dos fenômenos físicos presentes na operação deste equipamento, devem ser considerados os conceitos inerentes a todos os coletores, como: os mecanismos de captação de radiação solar, convecção natural, condução e os perfis de velocidades e temperaturas ao longo dos sistema. Com isto, diversos estudos foram publicados para obter a representação da estratificação do fluido no interior dos tubos e do reservatório, assim como para a modelagem analítica do problema de fluxo de calor. Este trabalho propõe o estudo de aquecedores solares com tubos evacuados, suas características de operação e parâmetros operacionais. Para o desenvolvimento desta pesquisa, utilizou-se uma ferramenta computacional auxiliar - neste caso, um software para fluidodinâmica computacional (na sigla em inglês, CFD) / The solar collectors usage - whether for water heating, electricity production, ambient heating or associated as heat source in cooling systems - has a strong expansion in studies and investments. The man reasons for this are that renewable energy sources have low environmental impact and the fact that these systems are becoming economic reliable. Researches in this field followed such expansion and the evacuated tube solar collector system stands as an important study focus. Such designs are characterized by their peculiar manufacturing process and its reduced heat loss to the ambient, which increases its thermal efficiency (especially in cold regions). The physical phenomena presented in the operation of this equipment is usually analyzed considering the concepts inherent to all collectos, such as concepts coupled to solar radiation receiving, natural convention heat transfer, conduction through glass thickness, and velocity and temperature profiles in the system. Numerous studies were published to represented the fluid stratification inside the tubes and the storage tank, as well as the analytical modeling of the fluid thermal problem. The objectives of this paper were the study of a solar heater with evacuated tube, regarding the operating characteristics and operational parameters. For this reason, a computational fluidynamics (CFD) was used

Estimativas de erro são estabelecidas em termos do número de Rossby para a aproximação de Galerkin não linear nas soluções do modelo atmosférico balanceado de Lorenz com massa forçante. Desse modo a aproximação espectral da aproximação de Galerkin não linear é ligada ao número de Rossby. / Error estimates are established in terms of the Rossby number for a nonlinear Galerkin approximation to the solutions of the balanced atmosphere model of Lorenz with mass forcing. Thereby, the approximation spectral dimension of the nonlinear Galerkin approximation is linked to the Rossby number.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-02-15Bitstream added on 2014-06-13T20:57:12Z : No. of bitstreams: 1 villalobos_chc_me_guara.pdf: 470671 bytes, checksum: 28868b4ab81330e7a5d7833959390d93 (MD5) / Nesta dissertação estudamos soluções do tipo vórtices, devido a quebra espontânea da simetria, no modelo de Higgs abeliano local e semilocal, modelo de Higgs semilocal com termo de quebra de Lorentz e Chern-Simons semilocal. Fazendo uso do método de Bogomol.nyi para saturar a energia e usando condições de contorno apropriadas, encontramos vórtices de energia .nita. Para garantir a estabilidade destas soluções precisamos introduzir o conceito de Topolo- gia. Associado àquele conceito vamos estudar a variedade do vácuo, devido a quebra espontânea da simetria em cada modelo que estudamos. Vamos a fazer uso do limite de Bradlow, com a .nalidade de ter uma expressão para a vorticidade e saber como ela pode estar limitada em uma determinada área. Para entendermos como a variedade do vácuo está associada com o grupo de simetria do modelo, é que abordamos o modelo de cordas semilocais. Na análise do modelo com quebras de Lorentz, estudamos um termo que está relacionado com o fenômeno de não birrefringência no setor de gauge do Modelo Padrão Estendido. Aqui encontramos que as soluções dos vórtices e a vorticidade são controladas pelo termo violador de simetria Lorentz. Por .m vamos estudar vórtices carregados no modelo de Higgs abeliano, o qual corresponde ao modelo de Chern-Simons / In this thesis we study vortex solutions, because of spontaneous symmetry breaking, abelian Higgs model in local and semilocal, Higgs model with semilocal term break Lorentz and Chern- Simons semilocal. Making use of the method Bogomol.nyi to saturate the energy and using appropriate boundary conditions, we .nd .nite energy vortices. To ensure the stability of the solutions we must to introduce the concept of Topology. Associated with that concept we study the variety of vacuum due to spontaneous broken symmetry in each studied model. Let us to make use of limit Bradlow, in order to have an expression for the vorticity and how it may be limited in a certain area. To understand how a variety of vacuum is associated with the symmetry group of the model, the model approach is that semilocal strings. The analysis of the model with breaks Lorentz studied a term that is related to the phe- nomenon of birefringence in sector of gauge of the Standard Model extended. Here we .nd that the solutions of the vortices and vorticity are controlled by the violator term of Lorentz symmetry. Finally we will study charged vortices in abelian Higgs model, which corresponds to the Chern-Simons model