Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.

A crescente demanda de energia dos dias de hoje, aliada aos graves problemas ambientais advindos da sua produção tem estimulado a procura de formas alternativas de energia. Dentre as diversas fontes de energia, as renováveis ganham expressão particularmente significativa. Neste contexto, a energia eólica revela-se uma aposta correta, a nível econômico, energético e ambiental. Por outro lado, a microprodução é apontada como uma das soluções para os problemas supracitados. Assim, a combinação de ambas as áreas tem sido alvo de especial interesse. Este trabalho visa caracterizar o vento em ambiente urbano, com particular interesse na possibilidade de seu aproveitamento energético. Um dos principais aspectos para determinar a viabilidade técnica e econômica de uma instalação eólica é a avaliação precisa da distribuição das velocidades de vento na área de aproveitamento. A instalação de turbinas eólicas em áreas urbanas tem determinado a necessidade de aprimorar a metodologia de previsão do campo de velocidades do vento visando à melhor determinação da distribuição dos equipamentos e aproveitamento do potencial existente. Neste contexto, esta dissertação apresenta um estudo sobre a aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD para avaliação do potencial eólico e o comportamento do vento sobre um modelo de área urbana. Resultados numéricos com diferentes alternativas de modelagem do problema são comparados com dados de um experimento em túnel de vento e dados obtidos com CFD publicados na literatura, visando determinar uma metodologia adequada para avaliação do problema proposto. As simulações numéricas do escoamento de ar em área urbana são realizadas com o uso do programa ANSYS Fluent 13.0, que utiliza o método de volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O estudo é dividido em dois casos. No primeiro caso, a simulação da área em questão é realizada com as médias de Reynolds de forma a validar o modelo criado. No segundo caso, a simulação é realizada com o método de grandes escalas, cujos resultados serão explorados e comparados com o método RANS. Os resultados obtidos mostram essencialmente duas realidades, a primeira diz respeito à intensidade do recurso eólico e a segunda a sua particular complexidade. / The growing demand for today’s energy, combined with the serious environmental problems of its production, has stimulated the demand for alternative forms of energy. Among the various forms of energy, those that are based on renewable sources have been gaining a particularly significant space for discussion. In this context, the wind energy has proved to be a reliable source, energetically, economically and environmentally speaking. Furthermore, the micro production has been appointed as one of the solutions for the aforementioned problems. Thus, the combination of both these areas has particular interest. This work aims to characterize the wind in the urban environment, with particular interest for the possibility to carry out its energy. In this context this work presents a study on the application of computational fluid dynamics to evaluate the wind potential and the behavior of the wind on urban area. Numerical results with different alternatives for modeling the problem are compared with data from an experiment in wind tunnel and CFD simulation to determine one appropriate methodology for evaluation of the problem. The numerical simulations of the air flow over urban area are performed using the ANSYS Fluent 13.0 which uses the finite volumes method for solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large-Eddy Simulation (LES). The study is divided in two cases. In the first one, the simulation of the area is performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes to validate the model created. In the second case, the simulation is performed with the Large-Eddy Simulation, which will be explored and compared with the results with RANS method. The results obtained show essentially two realities, the first is related to the intensity of wind resource and the second due to its high complexity. It was noted that in the urban areas turbulence intensity is significantly higher than in the rural environment. The non-horizontal flow components showed a high dependence on geometry of the building. The brief comparison of results obtained by simulation software shows an acceptable approach to the wind velocity field. In terms of turbulence intensity, it’s over estimated by the software. It is concluded from the results obtained that the energy use in urban environment provides a delicate task, due to the low wind intensity and complexity of the resource.

Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos em canais compostos. Simulação de grandes escalas e método dos elementos finitos, em paralelo com medições utilizando anemômetros de fio quente em um canal aerodinâmico são realizadas. Canais compostos estão presentes em muitas aplicações de engenharia. Dispositivos eletrônicos, trocadores de calor, reatores nucleares, canais de irrigação e planícies de inundação são alguns dos desafios enfrentados pela engenharia. A combinação de simulação de grandes escalas e o método dos elementos finitos para a investigação de escoamentos turbulentos pode ser de grande importância para o estudo dos escoamentos na engenharia. No caso dos escoamentos através dos canais compostos, publicações neste tema são ainda raros. Os principais objetivos deste trabalho são: analisar o escoamento de um fluido viscoso, incompressível e isotérmicas em um canal composto, empregando um código de computação tridimensional apresentado por Petry em 2002, que realiza simulação de grandes escalas com o método dos elementos finitos, para comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais do escoamento turbulento em um canal composto cuja geometria é exactamente reproduzida pela malha numérica, para verificar a validade do método numérico e o comportamento de modelos em escala subgrade para reproduzir o fluxo no canal composto investigado; e comparar a eficácia dos esquemas Taylor-Galerkin e dois passos para analisar os resultados. O canal investigado consiste em um canal principal com seção transversal retangular, conectado a uma fenda retangular estreita. No código numérico, o modelo clássico de Smargorinsky é comparado com o modelo dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al. 1991. A segunda filtragem do processo dinâmico é feita através dos elementos finitos independentes propostos por Petry, 2002. Para a implementação do algoritmo, o método dos elementos finitos é usado, Taylor-Galerkin e esquemas dois passos são usados para a discretização no tempo e no espaço e de ligação das equações governantes. O domínio computacional é discretizadas por intermédio de elementos lineares hexaédricos. Os resultados obtidos a partir simulações de grandes escalas, usando o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo dinâmico de submalha; mostram o desenvolvimento de uma camada de cisalhamento na direção principal do escoamento com características dinâmicas regidas pelos perfis de velocidade média. Os resultados da simulação mostraram boa concordância com os dados experimentais dos perfis de velocidade média, intensidade de turbulência e tensão de cisalhamento turbulenta. Em geral, o modelo dinâmico com o esquema de duis passos foi mais eficiente para reproduzir estruturas turbulentas, em comparação com o modelo Smagorinsky e o esquema Taylor-Galerkin particularmente ao longo da região da fenda do canal. / This work presents an experimental and numerical study of turbulent flows in compound channels. Large eddy simulation and finite element method in parallel with hot wires measurements in an aerodynamic channel are employed. Compound channels are present in many engineering applications like in electronic devices, heat exchangers, nuclear reactors and irrigation channels and flooding plains are some of the challenges faced by mechanical engineering. The combination of large eddy simulation and the finite element method for the investigation of turbulent flows can be of great relevance to the study of engineering flows. In the case of flows through compound channels, publications in this subject are still rare. The main objectives in this work are: to analyze the flow of viscous, incompressible and isothermal fluids in a compound channel; employing a three-dimensional computation code presented by Petry, 2002, which performs large eddy simulation with the finite element method; to compare the numerical results with experimental results of the turbulent flow in a compound channel whose geometry is exactly reproduced by the numerical mesh; to check the validity of the numerical method and the behavior of subgrid scale models to reproduce the flow in the compound channel investigated and compare the efficacy of the Taylor-Galerkin and Two-Steps schemes in analyzing the results. The compound channel investigated consists of a rectangular channel connected to a rectangular shaped slot. In the numerical code, Smargorinsky´s classical model is compared to the dynamic model of turbulent viscosity, initially proposed by Germano et al. The second filtering of the dynamic process is made through the independent finite elements proposed by Petry, 2002. For the implementation of the algorithm, the finite element method is used, Taylor- Galerkin and Two-Steps schemes are used for discretization in time and space and to link governing equations. The computational domain is discretized by means of linear hexahedrical elements. The results obtained from large eddy simulations, using the classical model of Smagorinsky and the Dynamic subgrid scale model show the development of a shear layer in the main direction of flow with dynamic characteristics governed by the mean velocity profiles. The simulation results showed good agreement compared to experimental data, and analysis of the profiles of mean velocity, turbulence intensities and turbulent shear stress. In general, dynamic model with the two-steps scheme was more able to reproduce turbulent structures in comparison with the Smagorinsky model with Taylor-Galerkin scheme, particularly along the channel slot.

Elementos de materiais flexíveis são empregados em diversas aplicações na engenharia, como por exemplo, em pás de turbinas eólicas. O comportamento do escoamento é afetado pela alteração na forma da estrutura. Muitas vezes, seu movimento e deformação são induzidos pelas próprias forças fluidodinâmicas. O trabalho apresenta o estudo de escoamentos externos envolvendo a interação fluido-estrutura, com o interesse voltado ao comportamento de pás de turbinas eólicas. Simulações numéricas são realizadas com o intuito de avaliar o efeito que a deformação da estrutura, devido à resposta elástica às forças oriundas do escoamento, tem nas próprias forças fluidodinâmicas. A plataforma ANSYS Workbench é utilizada, combinando o software ANSYS CFX para a análise do fluido e o ANSYS Mechanical para a análise da estrutura. Como validação do método, o escoamento laminar sobre um cilindro apoiado elasticamente é estudado e comparado com dados da literatura. O caso escolhido para o presente trabalho é o de um escoamento turbulento sobre um elemento de pá, fixo em uma das suas extremidades e livre na outra. A geometria da pá é retangular com o perfil NACA 0012 e o modelo de turbulência utilizado é o k-ω SST. Os resultados demonstram a influência significativa que a deformação da estrutura tem nas forças fluidodinâmicas de sustentação e arrasto e concordam com a literatura existente. / Elements of flexible materials are employed in several engineering applications, for instance, in wind turbine blades. The flow behavior is affected by any change in the shape of the structure. Often, its displacement and deformation are induced by the fluid-dynamic forces themselves. This paper presents the study of an external flow using fluid-structure interaction (FSI), focused on the behavior of wind turbine blades. Numerical simulations are performed in order to evaluate the effect that the deformation of the structure, caused by the elastic response to the flow forces, has on the fluid-dynamic forces themselves. The ANSYS Workbench platform is used, combining the software ANSYS CFX for the fluid analysis and ANSYS Mechanical for the structural analysis. As a form of validation of this method, the laminar flow over an elastically mounted cylinder is studied and compared with literature data. The chosen case for this work is a turbulent flow over a 3D blade element, fixed at one end and free at the other. The blade geometry is rectangular with the NACA 0012 profile and the turbulence model used is the k-ω SST. The results demonstrate the significant influence that the deformation of the structure has on the fluid-dynamic lift and drag forces, leading to an agreement with the existing literature.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Este Trabalho apresenta novas soluções exatas para as equações de Navier – Stokes transientes tridimensionais para escoamentos viscosos incompressíveis. Estas soluções são obtidas por meio de Split e Transformações Auto-Bäcklund. O procedimento de Split desacopla as equações de Navier – Stokes em dois sistemas de equações diferenciais parciais, um linear e outro não-linear, ambos não-homogêneos. O sistema linear, que contém somente termos viscosos e derivadas temporais, é resolvido via Transformações Auto-Bäcklund induzidas por relações de comutação, fornecendo o campo de velocidades. Os componentes do vetor velocidade são então substituídos no sistema não-linear a fim de obter o correspondente campo de pressões. A resolução do sistema não-linear para a pressão pode ser obtida tanto numericamente (via integração direta) quanto analiticamente, empregando a equação de Helmholtz. O objetivo do presente trabalho é encontrar expressões analíticas para o campo de velocidades e obter resultados numéricos para o campo de pressão associado. O caráter híbrido das soluções proporciona uma redução significativa do tempo de processamento requerido para a simulação de escoamentos viscosos, o qual praticamente se reduz ao tempo demandado para a tarefa de pós-processamento. Com esse objetivo em mente, foi desenvolvida uma formulação tridimensional escalar para a função corrente, a fim de reduzir o tempo requerido na tarefa mais dispendiosa de pós-processamento, a saber, o traçado das linhas de corrente em torno de corpos submersos de formato arbitrário. Neste estágio de desenvolvimento, esta formulação é empregada para produzir mapas de linhas de corrente para escoamentos viscosos em torno de uma esfera para números de Reynolds elevados. / This work presents new exact solutions to the unsteady three dimensional Navier-Stokes equations for incompressible viscous flows. These solutions are obtained by means of split and auto-Bäcklund transformations. The splitting procedure decouples the Navier-Stokes equations into a linear and a nonlinear inhomogeneous system of partial differential equations. The linear system, which contains only viscous terms and time derivatives, is solved via auto-Bäcklund transformations induced by commutation relations, furnishing the velocity field. The components of the velocity vector are then replaced into the nonlinear system to obtain the corresponding pressure field. The solution of the nonlinear system for the pressure variable can be carried out either numerically (by direct integration) or analytically, using the Helmholtz equation . The aim of the proposed work is to find analytical expressions for the velocity field and to obtain numerical results to the associated pressure field. The hybrid character of the solutions provides a significant reduction on the time processing required to simulate viscous flows, which virtually reduces to the time demanded to execute post-processing tasks. Taking this fact in mind, a three dimensional scalar formulation for the streamfunction was developed in order to simplify the most time-consuming post-processing task required, e.g., plotting the streamlines around arbitrary shaped bodies. At this stage of development, this formulation is employed to produce streamline maps for viscous flows around a sphere for high Reynolds numbers.

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 3576583 bytes, checksum: 2028463a4df5689828411372ce4dd847 (MD5) Previous issue date: 2006-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work consists of a hybrid numerical-analytical simulation of the developing and fully developed turbulent flows inside a parallel-plates channel. The Reynolds equations for the mean flow are solved through the Generalized Integral Transform Technique (GITT) in the boundary layer and streamfunction-only formulations. For turbulence closure, the respectively one-equation turbulence models, and some of their variations, developed by Secundov (1972), Baldwin e Barth (1990), Spalart e Allmaras (1992, 1994) and Menter (1997) were employed. Despite of based on the eddy viscosity concept, as the well-known one-equation k-L turbulence model previously adopted in works that made use of the present hybrid solution methodology, such models do not need any explicit length scale, and therefore are more generals, but only one transport equation for the turbulent viscosity or for a variable directly related to the eddy viscosity. In this sense, some simulations for different Reynolds numbers and different turbulent inlet conditions were developed in order to, in function of the obtained results and the convergence studies of the main potentials involved in the simulations, develop a critically and detailed discussion of the main shortcomings and capability predictions of each turbulence model adopted, such as the non-asymptotic development of the longitudinal velocity component and the friction factor fields. As a consequence of the analysis type performed over each turbulence model investigated and, in addition, due to the excellent numerical quality of the obtained results, the present work extends and consolidates the very important role that the integral transform technique may play in the computational fluid dynamics field meanwhile hybrid methodology. / O presente trabalho consiste na simulação numérico-analítica do escoamento turbulento isotérmico, em desenvolvimento e completamente desenvolvido, no interior de um canal de placas planas e paralelas, através da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT). As equações médias de Reynolds, escritas segundo as hipótese de camada limite são empregadas na formulação de função corrente. Para o fechamento das equações médias da turbulência foram empregados os modelos de turbulência de uma equação de transporte (e algumas de suas variações) desenvolvidos pelos seguintes autores: Secundov (1972), Baldwin e Barth (1990), Spalart e Allmaras (1992, 1994) e Menter (1997). Apesar de baseados no conceito de viscosidade turbilhonar ( eddy viscosity ), como o tradicional modelo de turbulência de uma equação k-L, anteriormente empregado em trabalhos que fizeram uso da presente metodologia híbrida de solução, tais modelos não necessitam de uma escala explícita de comprimento, e por isso são ditos mais gerais, mas sim, de apenas uma equação de transporte para a própria viscosidade turbulenta (ou uma variável diretamente relacionada à própria viscosidade turbulenta). Nesse sentido, foram simuladas algumas situações de escoamentos (diferentes números de Reynolds e diferentes condições de entrada turbulenta) e buscou-se, em função dos resultados obtidos e de estudos de convergência dos principais potenciais envolvidos nas simulações, uma criteriosa e detalhada discussão das capacidades de previsão de certas características inerentes ao escoamento (o pico da componente longitudinal da velocidade no centro do canal e a depressão do fator de atrito, durante o desenvolvimento do escoamento, ou seja, o comportamento não assintótico dessas variáveis no escoamento) por todos os modelos de turbulência empregados. Em função do tipo de análise oferecida sobre cada modelo de turbulência utilizado, e, em adição, da excelente qualidade dos resultados obtidos com o uso da GITT, o presente trabalho extende e consolida o importante papel que a técnica da transformada integral pode desempenhar no campo da simulação computacional, enquanto metodologia híbrida.

A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.