O presente trabalho aborda um estudo sobre o fenômeno de biestabilidade em escoamentos transversais turbulentos sobre dois cilindros lisos paralelos, com razão de espaçamento, p/d, de 1,26, utilizando abordagem numérica e experimental. Nas comparações consideram-se o domínio computacional e a seção de testes experimental equivalentes. As análises comparam escoamentos turbulentos com números de Reynolds subcríticos, variando entre Re = 17000 e Re = 26000, além disto, uma análise laminar comparativa com Re = 167 é executada. Nas avaliações experimentais utilizam-se velocidades médias e flutuações de velocidade, adquiridas com a técnica de anemometria de fio quente, exploram-se também dados de flutuações de pressão obtidos com microfones condensadores posicionados na parede do canal aerodinâmico. Para comparação experimental e numérica executam-se leituras de pressões estáticas ao longo do canal aerodinâmico. Os sinais temporais das aquisições são analisados estatisticamente com médias e momentos, transformada de Fourier e transformada de ondaletas para caracterização e identificação do fenômeno biestável. Na avaliação numérica é executada a solução das equações de Navier-Stokes, utilizando a simulação LES (Large Eddy Simulation) com modelo Smagorinsky-Lilly dinâmico para sub-malha e a simulação URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) com o modelo de turbulência k ω – SAS (Scale Adaptive Simulation). Os resultados das duas abordagens são comparados utilizando as médias de valores, comportamento temporal e valores do número de Strouhal. O estudo de qualidade de malha, com o método GCI (Grid Convergence Index), é aplicado nas malhas utilizadas em URANS. Para a validação da simulação LES, aplica-se análise de quantidade de energia cinética resolvida comparando com resultados experimentais e uma metodologia para verificação da solução descrita na literatura, com a qual um comparativo entre duas simulações LES com diferentes malhas é executado. Nos resultados numérico e experimental observam-se a presença da biestabilidade e nota-se o comportamento não simultâneo da mesma ao longo dos cilindros. Este comportamento é observado nas análises numérica e experimental. A formação assimétrica das esteiras também é estudada e atribuída à interação entre os vórtices das esteiras, já que, inicialmente, os desprendimentos dos mesmos são simétricos. Na investigação do escoamento entre os cilindros a presença da perturbação da velocidade média é observada, mas a mesma não apresenta relação direta com a troca biestável. A alteração do patamar da velocidade média, neste caso, é resultado da influência da troca de modos que acontece nas esteiras. A biestabilidade também é observada na flutuação de pressão, de forma similar ao comportamento obtido com flutuações de velocidade nos estudos da literatura. No comparativo entre os dois métodos numéricos observa-se boa concordância nos resultados obtidos utilizando URANS com modelo k ω – SAS em relação aos observados com LES, sendo possível prever os principais comportamentos, mesmo com a aplicação da lei de parede na região entre cilindros na simulação URANS. / This paper reports a study on the bistable phenomenon in turbulent crossflow over two parallel smooth cylinders with spacing rate, p/d, 1.26 using numerical and experimental approaches. In the comparisons, the computational domain and experimental tests section are considered equivalents. Turbulent flows with subcritical Reynolds numbers ranging between Re = 17000 and Re = 26000 are compared and, in addition, a comparative laminar analysis with Re = 167. In the experimental evaluations the mean velocity and fluctuations velocities are used and acquired with the hot-wire anemometry technique, exploiting also pressure fluctuations data, obtained with condenser microphones positioned in the wall of the aerodynamic channel. For experimental and numerical comparisons, the static pressure over the aerodynamic channel using pressure taps is executed. The temporal signals from the acquisitions are analyzed statistically with mean and moments, Fourier transform and wavelet transform for characterization and identification of the bistable phenomenon. In the numerical evaluation performed, the Navier-Stokes equations are solved using LES simulation (Large Eddy Simulation) with Smagorinsky-Lilly dynamic model for sub-grid and URANS simulation (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) with the turbulence model k ω – SAS (Scale Adaptive Simulation). The results of the two numerical approaches are compared using the mean values, temporal behavior and values of the Strouhal number. The mesh quality study is executed using the GCI (Grid Convergence Index) for the mesh used in URANS. To validate the LES simulation, the amount of solved kinetic energy is compared with experimental amounts. For verification of the LES solution a method described on literature is used, in which a comparison between two LES simulations with different meshes is performed. In the numerical and experimental results, the presence of bistability were observed and in addition the non-simultaneous behavior of the phenomenon over the cylinder was identified in both analyzes. The wakes asymmetric formation was also studied and attributed to the interaction between the vortices of the wakes, since initially the detachments are symmetrical. In the investigation of the flow between the cylinders, the presence of the average velocity disturbance is observed, but it does not have direct relation with the bistable switch. The change in the average velocity level, in this case, is the result of the switching modes influence from the change in the wakes. The bistability is observed also in pressure fluctuation, similar to the behavior obtained with velocity fluctuations in the literature. Comparing the two numerical methods were observed good agreement in the results obtained using URANS with model k ω - SAS in relation to those observed with LES, being possible to predict the main behaviors, even with the application of wall law in the region between cylinders for the URANS simulation.

O presente trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul com o apoio de Furnas Centrais Elétricas S.A., fazendo parte do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. Uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico é uma obra hidráulica que possui a finalidade de dissipar a energia cinética do escoamento vertido por uma estrutura de descarga (barragem, eclusa, bueiro, etc...) e restituí-lo ao curso natural do rio. Este tipo de obra possui a função de proteger o solo contra os possíveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundação e, conseqüentemente, a segurança da barragem. Devido às grandes cargas hidráulicas que as barragens podem conter, as bacias de dissipação, que estão sob ação de um escoamento altamente turbulento, poderão estar sujeitas a grandes variações instantâneas de pressão e velocidade, gerando significativos esforços sobre tal estrutura. A ação do escoamento poderá ser tal que provoque esforços que irão promover o levantamento de uma laje da bacia de dissipação sendo necessário, para evitar este fato, prover a estrutura de peso ou ancoragem suficiente condizente com a estas solicitações. Através da análise de dados obtidos em modelos reduzidos foi possível caracterizar o campo de forças sob o ressalto hidráulico quanto a sua magnitude média, flutuações e extremos. Foram então propostas metodologias para a previsão dos esforços extremos que agem sobre uma laje de certa dimensão sob o ressalto hidráulico o que permite dimensionar a estrutura que irá suportar os esforços de levantamento. / The present work was developed in the Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulica of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul with support of Furnas Centrais Elétricas S.A., as part the Research and Development Project (R&D) entitled “Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico”. A hydraulic jump stilling basin is a structure that aims to dissipate the flow’s kinetic energy discharged by a dam and restitute it to the natural river bed. This type of hydraulic structure has the function to protect the soil against the flow erosive effects, which could expose the foundation and, consequently, the dam’s safety. Due to the large heads a dam may contain, the stilling basins maybe subjected to great instantaneous pressure and velocity variations, causing significant stresses in such structure. The action of the flow maybe such that can cause the uplift of a stilling basin lining, making it necessary to provide this structure with sufficient weight or anchorage. Through the analysis of these data it was possible to characterize the forces under a hydraulic jump according to its mean value, fluctuations and extremes. Methodologies were proposed to predict the extreme values that act on a lining of a certain dimension and with those design the structures that will resist slab uplift.

[pt] Uma câmera de alta velocidade foi utilizada para visualizar o processo de quebra de gota em um misturador rotor - estator e através de um orifício em um duto em condições de escoamento turbulento. Dois casos especiais foram considerados: quebra de emulsões diluídas e quebra de gotículas de óleo individuais. Dois óleos minerais de viscosidade moderada foram dispersos em duas fases continuas diferentes, água da torneira e uma fase contínua formada por uma mistura de água do mar padrão e o surfactante aniônico STEOL CS-330 (Stepan Company). No caso de quebra no misturador rotor - estator, dois mecanismos foram identificados. Uma fragmentação inicial é causada pela combinação do vórtice (gerado pelo movimento circular do rotor) e a região de jato emergente dos furos do estator. O segundo mecanismo é uma quebra mecânica causada pelas altas taxas de cisalhamento que as gotas sofrem na abertura entre o rotor e o estator. No caso de quebra através do orifício, foi mostrado que a ruptura das gotículas ocorre somente a jusante da restrição, após percorrida certa distancia a partir da borda do orifício. Nesse comprimento de quebra, o gradiente radial de velocidade axial no escoamento é suficientemente grande para superar as tensões resistivas (exercidas pelas gotículas) e produzir a ruptura da gota. Esses resultados estão em concordância com as observações previas feitas por Galinat et al. (2005) para o caso de quebra de gota através de uma placa de orificio. No entanto, a partir das observações feitas neste trabalho, foi possível concluir que o comprimento do orifício não influencia os mecanismos de quebra. Também, a visualização permitiu analisar a influencia relativa da tensão interfacial e da viscosidade da fase dispersa para os dois casos considerados. Dados experimentais do tamanho de gota máximo estável foram obtidos para o caso de quebra de gota de emulsões de óleo em água diluídas nos dois casos estudados. A análise dos dados revelou que os tamanhos de gota máximos estáveis encontravam-se dentro da sub-faixa inercial, caracterizada exclusivamente pela taxa de dissipação de energia por unidade de massa, Épsilon. Um modelo mecanístico linear para a sub-faixa inercial, baseado na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov, foi desenvolvido para ajudar na interpretação dos dados e suprir uma base para correlação. O modelo foi ajustado aos dados experimentais utilizando uma ferramenta de otimização não linear baseada no código GRG2 (Generalized Reduced Gradient), e sua precisão calculada a partir da raiz quadrada media das diferenças entre os dados experimentais e os previstos. Boas previsões foram obtidas para o rompimento no misturador, no entanto, este não foi o caso da quebra através do orifício. A baixa precisão relativa do modelo utilizado para correlacionar a quebra através do orifício reside na falta de consideração da escala de tempo requerida para a ruptura. Além disso, uma regressão linear baseada em um modelo Power Law mostrou que os efeitos interfaciais dominam o processo de quebra de gota na restrição. / [en] A high-speed camera has been used to visualize the drop breakup process at turbulent conditions in a rotor - stator mixer and through an orifice in a pipe. Two special cases were considered: the breakup of diluted emulsions and the breakup of single oil droplets. Two mineral oils of moderate viscosity were dispersed in two different continuous phases, tap water and a continuous phase formed by a mixture of substitute ocean water and the anionic surfactant STEOL CS-330 (Stepan Company). For the case of breakup in the rotor - stator mixer, two mechanisms were identified. An initial fragmentation is caused by the combination of the vortex (generated by the circular motion of the rotor) and the jet zone emerging from the stator holes. The second mechanism is a mechanical breakup caused by the high shear stresses that droplets suffer in the rotor - stator gap. In the case of breakup through an orifice in a pipe, it was shown that breakage only occurs downstream of the restriction and takes place at a certain distance from the edge of the orifice. At this breakup length, the radial velocity gradient in the flow is large enough to overcome the resistance stresses (exerted by the droplet) and produce the rupture of the droplet. These results were in agreement with previous observations made Galinat et al. (2005) for the case of drop breakup through an orifice plate. However, from the observations made in this work, it was possible to conclude that the orifice length does not influence the breakup mechanisms. In addition, visualization has allowed to analyze the relative influence of interfacial tension and dispersed phase viscosity for both cases. Experimental values for the maximum stable drop diameter were obtained for the breakup of diluted oil-in-water emulsions in both studied cases. Analysis of the data revealed that maximum stable drop sizes were in the inertial sub range, characterized exclusively by the energy dissipation rate per unit mass, Epsilon. A linear mechanistic model for the inertial sub-range, based in Kolmogorov s theory of isotropic turbulence, was developed to aid in data interpretation and to provide a basis for correlation. The model was adjusted to experimental data using a nonlinear optimization tool based in the generalized reduced gradient code (GRG2), and its precision was calculated from the root mean squared difference between experimental and predicted data. Good predictions were obtained for the breakup in the mixer; however, this was not the case for the breakup through the orifice. The relative low precision of the model used to correlate the breakup through the restriction lied in the lack of consideration of the time scale required for the breakup. In addition, a linear curve fitting based in a power law model, showed that interfacial effects drive the breakup process in the restriction.

A formação do perfil de velocidades do vento é influenciada pela rugosidade e topografia do terreno; em um terreno plano, por exemplo, as velocidades são diminuídas conforme a sua proximidade com a superfície terrestre, determinando a constituição da camada limite atmosférica (C.L.A.). O escoamento do vento em terrenos complexos, ou seja, terrenos que possuem morros e taludes, sejam isolados ou múltiplos, possui o perfil de velocidades modificado, fazendo com que para cotas mais próximas da superfície se observe um aumento das velocidades. A este incremento de velocidades dá-se o nome de speed-up. Esta pesquisa tem como foco a investigação da estrutura do escoamento do vento, analisando minuciosamente o perfil de velocidades em um escoamento turbulento, para topografias isoladas e complexas. Para tanto, foram utilizados dois métodos para obtenção do perfil de velocidades: ensaios experimentais em túnel de vento e aplicação de normas e modelos analítcos de carregamento do vento. O plano experimental engloba nove topografias dentre as quais estão: quatro morros bidimensionais (2D) isolados, quatro morros tridimensionais (3D) isolados e um morro 3D de uma topografia complexa. Os modelos foram ensaiados para duas categorias de terreno, conforme a Norma Brasileira NBR 6123 (ABNT, 1988): I – superfícies lisas de grandes dimensões e III-IV – terreno coberto por obstáculos, no túnel de vento Prof° Joaquim Blessmann. Após a execução do plano experimental aplicou-se modelos analíticos com as mesmas parametrizações do modelo experimental e por fim foram comparados entre si. Os modelos analíticos estudados foram: Jackson e Hunt (1975, Lemelin, Surry e Davenport (1988) e as normas estudadas são: NBR 6123 (ABNT, 1988), Eurocode 1 (CEN-TC, 2010), AIJ (AIJ, 2004), NBCC (NRCC, 2010), AS/NZS (AS/NZS, 2011), ASCE (ASCE, 2010). O estudo comparativo entre os modelos analíticos e normas revela a inexistência de uma homogeneidade entre os modelos, visto que a formulação de cálculo é distinta, quando temos uma topografia em análise. Além disso, os modelos analíticos, quando comparados com os ensaios experimentais, tendem a ser mais conservadores tanto para modelos 2D ou 3D, para pontos à barlavento, no cume e à sotavento do morro. A NBR 6123 apresentou os maiores incrementos de velocidades em comparação com os demais modelos e com os dados experimentais. / The formation of the wind speed profile is influenced by the roughness and topography of the ground; on a flat ground, for example, the speeds are reduced according to their proximity to the earth’s surface, determining the constitution of the atmospheric boundary layer (C.L.A.). The wind flow in complex terrain, in other words, whether single or multiples, has the modified wind speed profile, causing closest to the surface dimensions is observed increased speeds. To this increase speeds gives the name of speed-up. This research focuses on the investigation of the wind flow structure, thoroughly analyzing the speeds profile in turbulent flow, for isolated and complex topographies. For this purpose, two methods for obtaining the speed profile were used: experimental tests in a wind tunnel and application standards or wind loading codes. The experimental plan includes nine topographies among which are: four 2D hills (2D) isolates, four 3D hills (3D) isolates and a complex topography hill. The models were tested for two roughness according to the Brazilian standard NBR 6123 (ABNT, 1988): I – smooth surfaces large dimensions and III-IV – ground covered by obstacles, in the wind tunnel Prof° Joaquim Blessmann. After the execution of the experimental tests were applied analytical models with the same parametrization of the experimental model and finally were compared. The analytical models studied were: Jackson e Hunt (1975, Lemelin, Surry e Davenport (1988), NBR 6123 (ABNT, 1988), Eurocode 1 (CEN-TC, 2010), AIJ (AIJ, 2004), NBCC (NRCC, 2010), AS/NZS (AS/NZS, 2011), ASCE (ASCE, 2010. The compararative study between the analytical models and standards reveals the lack of homogeneity between the models, since the calculation formulation is different when we have a topography analysis. Furthermore, analytical models, compared with the experimental tests tend to be more conservative for both 2D and 3D models, points to the windward, top of the hill and leeward. The NBR 6123 showed the largest increases in speed compared to the other models and experimental data.

Este trabalho apresenta um estudo acerca dos principais parâmetros que caracterizam o fenômeno da biestabilidade em dois tubos dispostos lado a lado submetidos a escoamento cruzado turbulento. A técnica experimental da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico é aplicada na medição das flutuações de velocidade do escoamento após os tubos. As séries temporais obtidas são utilizadas como dados de entrada para determinação das funções densidade de probabilidade (PDF) usando um modelo de mistura finita, de acordo com uma função t de Student assimétrica e com o auxílio do método de Monte Carlo. Transformadas de ondaletas discretas e contínuas são aplicadas na filtragem das séries temporais para determinadas bandas de frequências e na análise do conteúdo de energia destes sinais. Através de conceitos de sistemas caóticos, é realizada a reconstrução do atrator do problema pelo método dos atrasos temporais, a partir das séries experimentais de velocidade, permitindo a determinação da dimensão de imersão e o cálculo do maior expoente de Lyapunov. Os resultados mostram a existência de dois patamares distintos de velocidade média nas séries temporais, correspondentes aos dois modos do escoamento, cada qual com números de Strouhal e funções densidade de probabilidade distintas. Uma análise conjunta das componentes axial e transversal do escoamento e suas PDF indicam as regiões no plano de medições onde o fenômeno se manifesta, sendo que reconstruções da trajetória filtrada das séries temporais para determinadas bandas de frequências apresentam características caóticodeterminísticas. O maior expoente de Lyapunov das séries experimentais é positivo, o que é um indício de comportamento caótico. / This work presents a study of the main parameters that characterize the phenomenon of bistability in two tubes placed side by side submitted to turbulent crossflow. The experimental technique of hot wire anemometry in aerodynamic channel is applied in the measurement of velocity fluctuations of the flow after the tubes. The time series obtained are used as input data for determining the probability density functions (PDF) using a finite mixture model, according to an asymmetric Student t function and with the aid of a Monte Carlo method. Wavelet transforms are applied in discrete and continuous filtering of time series for certain frequency bands and in the analysis of the energy content of these signals. By means of chaotic systems concepts, the attractor reconstruction of the problem is performed using the method of time delays from the experimental series of velocity, allowing the determination of the embedding dimension and calculating the largest Lyapunov exponent. The results show the existence of two different levels of mean velocity in time series, corresponding to two flow modes, each one with different Strouhal numbers and probability density functions. A joint analysis of axial and transverse components of flow and its PDF indicate the regions in the measurement plan where the phenomenon is manifested, and reconstructions of the trajectory of the filtered time series for certain frequency bands have chaotic-deterministic characteristics. The largest Lyapunov exponent of experimental series is positive, which is an indication of chaotic behavior.

Este trabalho apresentada um estudo experimental do fenômeno de biestabilidade que ocorre na geometria simplificada de dois tubos dispostos lado a lado submetidos a um escoamento cruzado turbulento. Na análise consideram-se a condição de tubos fixos e com um grau de liberdade (rotacional), submetidos a diferentes números de Reynolds. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidade do escoamento através da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico, na avaliação dos esforços do escoamento sobre os tubos com o uso de uma célula de carga e na visualização dos efeitos do fenômeno biestável sobre os tubos livres para rotacionar. Os dados obtidos da medição no canal são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Os resultados das visualizações do escoamento são apresentados através de imagens obtidas das filmagens realizadas com uma câmera digital. A investigação experimental consiste de ensaios de cilindros rígidos elasticamente montados e pivotados na base e posteriormente liberados para oscilar e/ou rotacionar em um eixo central aos dois tubos, submetidos ao escoamento perpendicular permanente de ar no canal Nos resultados experimentais observam-se a presença da biestabilidade e nota-se o comportamento não simultâneo deste fenômeno ao longo dos cilindros. A formação assimétrica das esteiras também é estudada e atribuída à interação entre os vórtices das esteiras, já que, inicialmente, o desprendimento dos vórtices atrás dos cilindros é simétrico. Na avaliação dos esforços por extensiometria, as etapas de condicionamento e aquisição do sinal foram elaboradas e os resultados de deformação mecânica apresentaram similaridade com o fenômeno observado na anemometria experimental. Para um número de Reynolds de 27635 encontrou-se uma força de 26,1 mN com um torque desenvolvido na célula de carga de 84,95Nmm. A técnica de visualização do fenômeno empregada corrobora a interpretação dos resultados obtidos através da técnica de anemometria de fio quente e extensiometria em canal aerodinâmico. / This paper presents an experimental study of the bistability phenomenon that occurs in the simplified geometry of two tubes arranged side by side submitted to a turbulent cross flow. In the analysis we consider the condition of fixed tubes and with a degree of freedom (rotational), submitted to different Reynolds numbers. The experimental technique consists in the measurement of velocity fluctuations through the aerodynamic channel with the hot wire anemometry technique, the evaluation of the stresses of the flow on the tubes with the use of a load cell and the visualization of the effects of the bistable phenomenon on the tubes free to rotate. The data obtained from the measurement in the channel are treated with the use of statistical, spectral and wavelet tools. The results of the flow visualizations are presented through images obtained with a high speed digital camera. The experimental investigation consists of tests of rigid cylinders mounted elastically and pivoted at the base and later released to oscillate and / or to rotate in a central axis to the two tubes, submitted to the flow of air in the channel In the experimental results we observe the presence of bistability and note the non-simultaneous behavior of the phenomenon along the cylinders. The asymmetric formation of the wakes is also studied and attributed to the interaction between the vortices from wakes behind the cylinders, since, initially, the wake detachments is symmetrical. In the evaluation of the forces by means of the extensiometry technique, the steps of conditioning and acquisition of the signal were elaborated and the results of mechanical deformation presented similarity with the phenomenon observed in the experimental anemometry. For a Reynolds number of 27635 a force of 26.1 mN was found with a torque developed in the load cell of 84.95 Nmm. The technique used for the visualization of the phenomenon corroborates the interpretation of the results obtained through hot wire anemometry and extensiometry in aerodynamic channel.

Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de equipamentos de engenharia. Cada vez mais estão se obtendo resultados bastante próximos às condições reais, incluindo a simulação de motores de combustão interna. Neste sentido o presente trabalho tem o objetivo de analisar o escoamento turbulento no processo de admissão de ar em um motor operando em ciclo Diesel. A investigação é focada na determinação da influência do passo de tempo no cálculo do coeficiente de descarga e razão de swirl. Adicionalmente, o campo de velocidades, pressão, energia cinética turbulenta e outros parâmetros são apresentados e analisados, com o objetivo de auxiliar no entendimento da dinâmica envolvida. Essencialmente, dois modelos de turbulência são empregados, juntamente com dois tratamentos de parede. Seus resultados também são confrontados e discutidos. A geometria considerada é de um motor Fiat 1.9 L quatro tempos com duas válvulas. A análise é concentrada em um único cilindro. O pacote computacional utilizado é o Star-cd, e seu aplicativo es-ice. A independência de malha foi obtida, chegando a 1.672.056 volumes. Os resultados são apresentados de duas formas. A primeira delas refere-se a resultados de simulações em regime permanente, realizadas em boa parte por outros autores, com ênfase na determinação do coeficiente de descarga e razão de swirl, estes confrontados com valores experimentais, visando à validação da metodologia. Fica evidente a importância da escolha do modelo de turbulência na simulação de motores de combustão interna, assim como das funções de interpolação utilizadas. Na segunda parte os resultados referem-se a uma análise transiente, considerando o movimento do pistão e válvulas, a 1500 RPM. Observa-se a grande exigência quanto ao passo de tempo requerido no transiente real, ficando demonstrado que para esta velocidade o menor passo de tempo utilizado, 0,05° (5.5555E-6 s), ainda é insuficiente para alguns momentos do ciclo. É possível notar maior influência no coeficiente de descarga do que na razão de swirl, em relação aos passos de tempo utilizados. A forte dependência do modelo de turbulência nos resultados obtidos é mais uma vez confirmada, conforme o esperado, já que as hipóteses sobre a física do fenômeno são diferentes em cada modelo. Os resultados quanto ao tratamento na parede não apresentaram significantes diferenças, quando aplicados junto ao modelo de turbulência k-ω SST. / Considering the increase in the availability of computers, there is a continuing trend toward the use of computational simulation aiding in the design of engineering equipments. Reasonable results, close to the real conditions, are obtained, including the simulation of internal combustion engines. In this way, the present work has the objective of analyzing the turbulent flow in the air intake process of an engine operating in Diesel cycle. The investigation focuses on the determination of the time step in the calculation of the air discharge coefficient and swirl ratio. Additionally, the turbulent kinetic energy, pressure and velocity fields, besides other parameters, are presented and analyzed, with the objective of aiding in the understanding of the involved dynamics. Essentially, two turbulence models are employed, together with two wall treatments. Their results are also confronted and discussed. The considered geometry is a four-stroke, 1.9-L FIAT engine, with two valves. The analysis is concentrated on a single cylinder. The software package used is the Star-cd, and its application es-ice. The mesh independence is carried out, arriving in 1.672.056 volumes. The results are presented in two ways. The first one refers to simulation results of the steady state, also accomplished by other authors, with emphasis in the determination of the discharge coefficient and swirl ratio. These data are confronted with experimental values, aiming to validate the applied methodology. The importance of the choice of the turbulent model becomes evident in the simulation of internal combustion engines, as well as the interpolation functions used. In the second part the results refer to a transient analysis, considering the valves and piston movement, at 1500 rpm. It is observed the great demand on time step required is observed for the real transient, demonstrating that, for this speed, the smallest time step used, 0.05º (5.5555E-6 s), is still insufficient for some moments of the cycle. Also regarding the time step, it is possible to notice a greater influence in the discharge coefficient than in the swirl ratio. The strong dependence of the turbulence model on the results is once again confirmed, as expected, since the hypotheses about the physics of the phenomenon are different in each model. The results, regarding the wall treatment, presented no significant differences, when applied together with the SST k-ω turbulence model.

Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de equipamentos de engenharia. Cada vez mais estão se obtendo resultados bastante próximos às condições reais, incluindo a simulação de motores de combustão interna. Neste sentido o presente trabalho tem o objetivo de analisar o escoamento turbulento no processo de admissão de ar em um motor operando em ciclo Diesel. A investigação é focada na determinação da influência do passo de tempo no cálculo do coeficiente de descarga e razão de swirl. Adicionalmente, o campo de velocidades, pressão, energia cinética turbulenta e outros parâmetros são apresentados e analisados, com o objetivo de auxiliar no entendimento da dinâmica envolvida. Essencialmente, dois modelos de turbulência são empregados, juntamente com dois tratamentos de parede. Seus resultados também são confrontados e discutidos. A geometria considerada é de um motor Fiat 1.9 L quatro tempos com duas válvulas. A análise é concentrada em um único cilindro. O pacote computacional utilizado é o Star-cd, e seu aplicativo es-ice. A independência de malha foi obtida, chegando a 1.672.056 volumes. Os resultados são apresentados de duas formas. A primeira delas refere-se a resultados de simulações em regime permanente, realizadas em boa parte por outros autores, com ênfase na determinação do coeficiente de descarga e razão de swirl, estes confrontados com valores experimentais, visando à validação da metodologia. Fica evidente a importância da escolha do modelo de turbulência na simulação de motores de combustão interna, assim como das funções de interpolação utilizadas. Na segunda parte os resultados referem-se a uma análise transiente, considerando o movimento do pistão e válvulas, a 1500 RPM. Observa-se a grande exigência quanto ao passo de tempo requerido no transiente real, ficando demonstrado que para esta velocidade o menor passo de tempo utilizado, 0,05° (5.5555E-6 s), ainda é insuficiente para alguns momentos do ciclo. É possível notar maior influência no coeficiente de descarga do que na razão de swirl, em relação aos passos de tempo utilizados. A forte dependência do modelo de turbulência nos resultados obtidos é mais uma vez confirmada, conforme o esperado, já que as hipóteses sobre a física do fenômeno são diferentes em cada modelo. Os resultados quanto ao tratamento na parede não apresentaram significantes diferenças, quando aplicados junto ao modelo de turbulência k-ω SST. / Considering the increase in the availability of computers, there is a continuing trend toward the use of computational simulation aiding in the design of engineering equipments. Reasonable results, close to the real conditions, are obtained, including the simulation of internal combustion engines. In this way, the present work has the objective of analyzing the turbulent flow in the air intake process of an engine operating in Diesel cycle. The investigation focuses on the determination of the time step in the calculation of the air discharge coefficient and swirl ratio. Additionally, the turbulent kinetic energy, pressure and velocity fields, besides other parameters, are presented and analyzed, with the objective of aiding in the understanding of the involved dynamics. Essentially, two turbulence models are employed, together with two wall treatments. Their results are also confronted and discussed. The considered geometry is a four-stroke, 1.9-L FIAT engine, with two valves. The analysis is concentrated on a single cylinder. The software package used is the Star-cd, and its application es-ice. The mesh independence is carried out, arriving in 1.672.056 volumes. The results are presented in two ways. The first one refers to simulation results of the steady state, also accomplished by other authors, with emphasis in the determination of the discharge coefficient and swirl ratio. These data are confronted with experimental values, aiming to validate the applied methodology. The importance of the choice of the turbulent model becomes evident in the simulation of internal combustion engines, as well as the interpolation functions used. In the second part the results refer to a transient analysis, considering the valves and piston movement, at 1500 rpm. It is observed the great demand on time step required is observed for the real transient, demonstrating that, for this speed, the smallest time step used, 0.05º (5.5555E-6 s), is still insufficient for some moments of the cycle. Also regarding the time step, it is possible to notice a greater influence in the discharge coefficient than in the swirl ratio. The strong dependence of the turbulence model on the results is once again confirmed, as expected, since the hypotheses about the physics of the phenomenon are different in each model. The results, regarding the wall treatment, presented no significant differences, when applied together with the SST k-ω turbulence model.

Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

A presente pesquisa apresenta um estudo do escoamento turbulento ocasionado pela interação entre “bluff-bodies” - corpos geométricos que podem ser instalados em turbinas aeronaves como estabilizadores de chamas que geram zonas de recirculação e, consequentemente, aumentam a eficácia da queima do combustível. Este trabalho utilizou o software livre de Computational Fluid Dynamics (CFD) OpenFoam para realizar simulações computacionais que permitiram a análise do comportamento do ar em relação às zonas de recirculação geradas pela inserção dos corpos em forma de cone e disco. Foram realizadas simulações envolvendo diferentes valores de espessura (em mm) destes corpos e velocidades do escoamento (em m/s). Para analisar o comportamento do escoamento turbulento foram utilizados alguns dos modelos matemáticos mais comuns em estudos envolvendo o fenômeno da turbulência, k-E, k-W, k-ERN G, k-WS ST , fato que permitiu que fosse feita a comparação entre os dados obtidos computacionalmente e os experimentais previamente obtidos na literatura. Pode-se dizer que, entre os modelos estudados, o que mostrou maior conformidade com os dados experimentais foi o k-W SST. / 85 f.