This thesis concerns the wake control and flow dynamic analysis for a flow around a circular cylinder at different Reynolds numbers using reduced models. The wake control and dynamics in the reduced space were addressed using the sensitivity theory and the adjoint method. In the case of wake control, it was possible to predict the physical parameters of the active and passive controllers on the wake of the main cylinder. On the other hand, in the construction of the reduced space, a new shift mode calculated from a perturbation of the mean flow was proposed using the sensitivity to base flow modifications. The mathematical basis of the reduced space was constructed using a Fourier modal decomposition of the flow enriched by the shift mode. The proposed reduced space made possible the recomposition of the flow and the comparison with the physical parameters calculated in the physical space. Additionally, using the reduced space, it was possible to determine the transition dynamics between the equilibrium point of the Navier Stokes equation and the non-linear saturation state using the Landau coefficients obtained in the reduced model, opening the possibility of solving the flow around a 2D and 3D cylinder with low computational cost. / Esta tese trata sobre o controle de esteira assim como a análise dinâmica do escoamento em torno de um cilindro a diferentes números de Reynolds usando modelos reduzidos. O controle de esteira e a dinâmica no espaço reduzido foram abordados usando a teoria da sensibilidade e o método adjunto. No caso de controle de esteira, foi possível prever os parâmetros físicos dos controladores ativos e passivos no escoamento do cilindro principal. Por outro lado, na construção do espaço reduzido, foi proposto um novo modo de deslocamento (shift mode) calculado a partir de uma perturbação do campo médio usando a sensibilidade às modificações do campo base. A base matemática do espaço reduzido foi construída usando uma decomposição modal de Fourier do escoamento enriquecido pelo modo de deslocamento (shift mode). O espaço reduzido proposto possibilitou a recomposição do escoamento e a comparação com os parâmetros físicos calculados no espaço físico. Além disso, usando o espaço reduzido, foi possível determinar a dinâmica de transição entre o ponto de equilíbrio da equação de Navier Stokes e o estado de saturação não linear usando os coeficientes de Landau obtidos no modelo reduzido, abrindo a possibilidade de resolver o escoamento em torno de um cilindro 2D e 3D com baixo custo computacional

This thesis concerns the wake control and flow dynamic analysis for a flow around a circular cylinder at different Reynolds numbers using reduced models. The wake control and dynamics in the reduced space were addressed using the sensitivity theory and the adjoint method. In the case of wake control, it was possible to predict the physical parameters of the active and passive controllers on the wake of the main cylinder. On the other hand, in the construction of the reduced space, a new shift mode calculated from a perturbation of the mean flow was proposed using the sensitivity to base flow modifications. The mathematical basis of the reduced space was constructed using a Fourier modal decomposition of the flow enriched by the shift mode. The proposed reduced space made possible the recomposition of the flow and the comparison with the physical parameters calculated in the physical space. Additionally, using the reduced space, it was possible to determine the transition dynamics between the equilibrium point of the Navier Stokes equation and the non-linear saturation state using the Landau coefficients obtained in the reduced model, opening the possibility of solving the flow around a 2D and 3D cylinder with low computational cost. / Esta tese trata sobre o controle de esteira assim como a análise dinâmica do escoamento em torno de um cilindro a diferentes números de Reynolds usando modelos reduzidos. O controle de esteira e a dinâmica no espaço reduzido foram abordados usando a teoria da sensibilidade e o método adjunto. No caso de controle de esteira, foi possível prever os parâmetros físicos dos controladores ativos e passivos no escoamento do cilindro principal. Por outro lado, na construção do espaço reduzido, foi proposto um novo modo de deslocamento (shift mode) calculado a partir de uma perturbação do campo médio usando a sensibilidade às modificações do campo base. A base matemática do espaço reduzido foi construída usando uma decomposição modal de Fourier do escoamento enriquecido pelo modo de deslocamento (shift mode). O espaço reduzido proposto possibilitou a recomposição do escoamento e a comparação com os parâmetros físicos calculados no espaço físico. Além disso, usando o espaço reduzido, foi possível determinar a dinâmica de transição entre o ponto de equilíbrio da equação de Navier Stokes e o estado de saturação não linear usando os coeficientes de Landau obtidos no modelo reduzido, abrindo a possibilidade de resolver o escoamento em torno de um cilindro 2D e 3D com baixo custo computacional

Este trabalho aborda o escoamento incompressível ao redor de um cilindro circular. A tese que se quer defender, com base em experimentos numéricos, é: A equação de Landau pode ser obtida a partir das equações de Navier-Stokes por uma análise de estabilidade não-linear global. A teoria produz um procedimento bem-definido para determinação dos coeficientes da equação de Landau, permitindo assim a sua interpretação como um modelo simplificado (equações reduzidas de Navier-Stokes) para a predição das forças aplicadas pelo fluido ao cilindro, que podem ser comparados com resultados experimentais. O modelo não-linear se baseia em uma teoria assintótica que, como se sabe, tem sua faixa de validade no espaço de parâmetros determinada a posteriori, por meio da própria comparação com dados de laboratório. Resultados na faixa 46 <= Re <= 80 são apresentados. Descobriu-se, que a faixa de aplicabilidade da teoria como aqui exposta é restrita, não excedendo em muito o valor crítico do número de Reynolds. Argumentos são expostos para justificar esta afirmação e possíveis maneiras de modificar a teoria para estender esta faixa são apresentadas. São reportados, ainda, teoria e resultados sobre um novo tipo de condição de contorno,denominado impedância fluida, que permite reduzir o tamanho do domínio de cálculo necessário para simulação de escoamentos externos, comparativamente à comumente utilizada condição de outflow. Neste caso, abordou-se a faixa 20 <= Re <= 600. / This work adresses the incompressible flow around a circular cylinder. What we want to prove, based on numerical experiments, reads: The Landau equation can be derived from the Navier-Stokes equations by means of a global nonlinear stability analysis. The theory leads to a procedure for calculating numerically the coefficients of these equation, thus permitting their interpretation as a simplified model - reduced Navier-Stokes equation - for the prediction of the forces applied by the fluid on the cylindrical structure, which can be compared against experimental data. The nonlinear model is based on an asymptotic theory which, as is known, has its validity range in the parameter space determined a posteriori. The focus lies in the range 46 <= Re <= 80. It was found that the theorys applicability range as presented here is restricted to a small neighborhood of Rec. This affirmation in justified and possible means of modifying the theory in order to enlarge this range are proposed. Theory and results concerning a new type of boundary condition called fluid impedance are also reported, permitting the reduction of the domain size necessary for simulating external flows, comparatively to the commonly used outflow condition. In this case, the range 20 <= Re <= 600 was considered.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-12-22T12:37:32Z No. of bitstreams: 1 josielcarlosdesouzagomes.pdf: 11267373 bytes, checksum: 393a01f57f4f5afaaf46890b84f4a7ac (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-12-22T12:42:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 josielcarlosdesouzagomes.pdf: 11267373 bytes, checksum: 393a01f57f4f5afaaf46890b84f4a7ac (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-22T12:42:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 josielcarlosdesouzagomes.pdf: 11267373 bytes, checksum: 393a01f57f4f5afaaf46890b84f4a7ac (MD5) Previous issue date: 2015-02-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A nanotecnologia é uma área de estudo promissora e que nos mostra resultados bastante surpreendentes. Amostras magnéticas (Cobalto e liga de Permalloy (Ni81Fe19), por exemplo) em escala nanométrica, têm como aplicabilidade importante a gravação magnética devido à crescente demanda por meios de gravação cada vez mais rápidos e de alta capacidade de armazenamento. Para determinados tamanhos de nanofios, observa-se a presença de domínios magnéticos e paredes de domínios do tipo vórtice ou transversal que podem ser transportadas para diferentes regiões sem deformação. Pode-se usar tais paredes como bit de informação mas, para isso, precisa-se conhecer com detalhes o comportamento dessas paredes em diversas situações. Neste presente trabalho utilizamos simulações numéricas para estudar o comportamento da magnetização em nanofios retangulares (nanofitas) de Permalloy-79, que apresentam parede de domínio transversal entre domínios “head-to-head”. Utilizamos nestas simulações um modelo no qual os momentos magnéticos interagem através da interação de troca e a interação dipolar. Embora a maioria dos trabalhos encontrados utilizem campo magnético para mover a parede, optamos por aplicar corrente de spin-polarizado na direção do nanofio devido ao fato de ser mais prático de ser produzido. A dinâmica do sistema é regida pelas equações de Landau-Lifshitz-Gilbert e a atuação da corrente é introduzida nessas equações. Fizemos uma abordagem teórica na qual pode-se mostrar como esta equação de Landau-Lifshitz-Gilbert para aplicação de corrente foi obtida. A integração da equação de Landau-Lifshitz-Gilbert é feita utilizando o método de Runge-Kutta e de Predição-Correção. Baseado nessas teorias, escrevemos um programa na linguagem Fortran-90 para realizar as simulações. Em nossos resultados observamos o comportamento da velocidade da parede de domínio em função do tempo e da densidade de corrente. Comparamos estes resultados com a bibliografia. / Nanotechnology is a promising field of study and show us pretty amazing results. Magnetic samples (Cobalt and alloy Permalloy (81NiFe19), for example) at the nanometer scale, have as important applicability the magnetic recording due to the growing demand for recording media ever faster and high storage capacity. For certain sizes of nanowires, it is observed the presence of magnetic domains and vortex domain walls or transverse domain wall which can be transported to different regions without deformation. It can use such walls as bit of information, but for that it is necessary to know in detail the behavior of these walls in various situations. In this work we used numerical simulations to study the behavior of the magnetization in rectangular nanowires (nanostrip) of Permalloy-79, which have transverse domain wall between domains "head-to-head."We used in these simulations a model in which the magnetic moments interact through the exchange interaction and the dipolar interaction. Although most studies found use magnetic field to move the wall, we decided to apply spin-polarized current toward the nanowire due the fact that it is more practical to be produced. The dynamics of the system is governed by the equations of Landau-Lifshitz-Gilbert and the current performance is introduced in these equations. We made a theoretical approach in which you can show how this equation of Landau-Lifshitz-Gilbert for applying current was obtained. The integration of the equation of Landau-Lifshitz-Gilbert is done using the Runge-Kutta and Prediction-Correction methods. Based on these theories, we wrote a program in Fortran-90 language to perform the simulations. In our results we observed the behavior of the domain wall velocity as a function of time and current density. We compare these results with the literature.

Este trabalho aborda o escoamento incompressível ao redor de um cilindro circular. A tese que se quer defender, com base em experimentos numéricos, é: A equação de Landau pode ser obtida a partir das equações de Navier-Stokes por uma análise de estabilidade não-linear global. A teoria produz um procedimento bem-definido para determinação dos coeficientes da equação de Landau, permitindo assim a sua interpretação como um modelo simplificado (equações reduzidas de Navier-Stokes) para a predição das forças aplicadas pelo fluido ao cilindro, que podem ser comparados com resultados experimentais. O modelo não-linear se baseia em uma teoria assintótica que, como se sabe, tem sua faixa de validade no espaço de parâmetros determinada a posteriori, por meio da própria comparação com dados de laboratório. Resultados na faixa 46 <= Re <= 80 são apresentados. Descobriu-se, que a faixa de aplicabilidade da teoria como aqui exposta é restrita, não excedendo em muito o valor crítico do número de Reynolds. Argumentos são expostos para justificar esta afirmação e possíveis maneiras de modificar a teoria para estender esta faixa são apresentadas. São reportados, ainda, teoria e resultados sobre um novo tipo de condição de contorno,denominado impedância fluida, que permite reduzir o tamanho do domínio de cálculo necessário para simulação de escoamentos externos, comparativamente à comumente utilizada condição de outflow. Neste caso, abordou-se a faixa 20 <= Re <= 600. / This work adresses the incompressible flow around a circular cylinder. What we want to prove, based on numerical experiments, reads: The Landau equation can be derived from the Navier-Stokes equations by means of a global nonlinear stability analysis. The theory leads to a procedure for calculating numerically the coefficients of these equation, thus permitting their interpretation as a simplified model - reduced Navier-Stokes equation - for the prediction of the forces applied by the fluid on the cylindrical structure, which can be compared against experimental data. The nonlinear model is based on an asymptotic theory which, as is known, has its validity range in the parameter space determined a posteriori. The focus lies in the range 46 <= Re <= 80. It was found that the theorys applicability range as presented here is restricted to a small neighborhood of Rec. This affirmation in justified and possible means of modifying the theory in order to enlarge this range are proposed. Theory and results concerning a new type of boundary condition called fluid impedance are also reported, permitting the reduction of the domain size necessary for simulating external flows, comparatively to the commonly used outflow condition. In this case, the range 20 <= Re <= 600 was considered.