Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The turbulent flow simulation through the Boussinesq s hypothesis is represented, currently, by two distinct methodologies, the Large-Eddy Simulation (LES) and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANS). New Hybrid RANS/LES methods are in development, taking off advantage of LES and RANS potentialities through a one only model. The present work deals with the evaluation of these three methodologies, LES, RANS and Hybrid RANS/LES through the turbulent backward-facing step flow simulation. This classical flow is a benchmark for new turbulence models due to the fact that, despite its simple geometry, it presents a very complex generation of three-dimensional structures, influencing the transition phenomenon and properties such as characteristics frequencies of vortex emission and reattachment length. Parallel to this, an inlet turbulent boundary condition influence study showed that the statistical and topological content of the inlet boundary layer profile can modify substantially results like reattachment length and pressure coefficient. A recycling method for generating three-dimensional, time-dependent turbulent boundary layer inflow data for Large-Eddy and Hybrid RANS/LES simulation is employed. Results for the three methodologies disclose that Large-Eddy Simulation and Hybrid RANS/LES methods present very similar descriptions for the turbulent backward-facing step flow, differing from the RANS s results, where the second order statistical moments are totally suppressed, with absence of three-dimensional and transient structures. / A simulação numérica de escoamentos turbulentos através da hipótese de Boussinesq é representada, atualmente, por duas grandes metodologias distintas, a Simulação de Grandes Escalas (LES Large-Eddy Simulation) e as Equações Médias de Reynolds (RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes). Uma nova metodologia, chamada de Híbrida RANS/LES, está em desenvolvimento, tirando proveito das potencialidades das metodologias tradicionais LES e RANS através de um único modelo. O presente trabalho trata da avaliação das três metodologias, LES, RANS e Híbrida RANS/LES de modelagem da turbulência através da simulação numérica do escoamento turbulento sobre um degrau. Os modelos são avaliados através deste escoamento, que apesar de simples geometricamente, é capaz de gerar um escoamento complexo, com regiões de escoamento parietal e cisalhante livre. Juntamente com a modelagem da turbulência, um estudo de imposição de condições de contorno turbulentas na entrada do domínio utilizado revelou que tão importante quanto o modelo de turbulência, as condições de contorno empregadas modificam substancialmente os resultados obtidos. Foi implementado um modelo de geração de contorno baseado no escalonamento de informações internas do escoamento de forma a satisfazer estatística e topologicamente o caráter turbulento da condição de contorno na entrada. Resultados para as três metodologias revelam que a Simulação de Grandes Escalas e métodos Híbridos RANS/LES apresentam descrições muito semelhantes para o escoamento turbulento sobre o degrau, diferindo dos resultados da metodologia RANS, onde momentos estatísticos de segunda ordem são suprimidos, com ausência de estruturas tridimensionais e transientes. / Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho, é apresentada a simulação de escoamentos compressíveis turbulentos no entorno de corpos móveis rígidos ou deformáveis empregando-se técnicas adaptativas. As simulações numéricas são conduzidas utilizando-se o método dos elementos finitos. A discretização espaço-temporal é desenvolvida através do método das linhas ou direções características (Characteristic-Based Split - CBS) e a modelagem da turbulência é feita através de um modelo de Simulação de Grandes Escalas (SGE, ou na terminologia em inglês, Large Eddy Simulation – LES) com o coeficiente de Smagorinsky variável no tempo e espaço (SGE ou LES dinâmico). A análise estrutural de corpos deformáveis imersos no fluido é realizada através de um modelo de elementos finitos triangulares para análise de placas e cascas com não linearidade geométrica, usando materiais elásticos com comportamento linear. Conjuntamente, um método de adaptação anisotrópica transiente de malhas é empregado para obter resultados com boa resolução a baixos custos computacionais. A consideração do movimento relativo de corpos imersos no escoamento é feita através de um método híbrido de movimento da malha que emprega interpolação com funções de base radial. Exemplos bidimensionais e tridimensionais são apresentados de forma a validar cada uma das metodologias desenvolvidas. Por fim, exemplos de simulações complexas são investigados, comparando-se os resultados obtidos com resultados experimentais e numéricos presentes na literatura. / In this work, the simulation of compressible turbulent flows around rigid and flexible moving bodies is presented using adaptative techniques. The numerical simulations are solved employing the finite element method. The space-time discretization is performed using the Characteristic-Based Split scheme (CBS) and turbulence is modelled with Large Eddy Simulation (LES) and a dynamic Smagorinsky sub-grid model. The structural analysis of deformable bodies immersed on the flow is performed using a triangular finite element model for the analysis of geometrically non-linear elastic plates and shells. An anisotropic mesh adaptation algorithm for transient simulations is coupled with the solver to achieve results with good resolution and low computational costs. The consideration of the relative movement of immersed bodies on the flow is performed employing an hybrid method of mesh movement based on radial basis function interpolation. Twodimensional and three-dimensional examples are presented in order to validate the proposed methodologies. Finally, complex simulations are investigated, where results are compared with experimental and numerical data available in the literature.

A interação turbulência-radiação (TRI, do inglês Turbulence-Radiation Interaction) resulta do acoplamento altamente não linear entre flutuações da intensidade de radiação e flutuações da temperatura e da composição química do meio, e tem-se demonstrado experimentalmente, teoricamente e numericamente que este é um fenômeno relevante em diversas aplicações envolvendo altas temperaturas, especialmente em problemas reativos. Neste trabalho, o TRI é analisado em um escoamento interno não reativo de um gás participante que se desenvolve em um duto de seção transversal quadrada, para diferentes intensidades de turbulência do escoamento e considerando duas espécies distintas para a composição do fluido de trabalho (dióxido de carbono e vapor de água). O objetivo central é avaliar como a inclusão ou não da variação espectral das propriedades radiativas do meio no cálculo influencia a magnitude do TRI. Isso é feito através de simulações numéricas no código de dinâmica dos fluidos computacional Fire Dynamics Simulator (FDS), que resolve, através do método dos volumes finitos, as equações fundamentais que regem o problema – isto é, os balanços de massa, de quantidade de movimento e de energia e a equação de estado – em uma formulação adequada para baixos números de Mach, utilizando um algoritmo de solução explícito e de segunda ordem no tempo e no espaço. A turbulência é modelada através da simulação de grandes escalas (LES, do inglês Large Eddy Simulation), empregando-se o modelo de Smagorinsky dinâmico para o fechamento dos termos submalha; para a radiação térmica, o método dos volumes finitos é utilizado na discretização da equação da transferência radiativa e os modelos do gás cinza e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG, do inglês Weighted-Sum-of-Gray-Gases) são implementados como forma de desconsiderar e de incluir a dependência espectral das propriedades radiativas, respectivamente. A magnitude do TRI sobre o problema é avaliada através de diferenças entre as médias temporais dos fluxos de calor superficiais e do termo fonte radiativo obtidas em cálculos que consideram os efeitos do fenômeno e cálculos que os negligenciam. Em geral, a interação turbulência-radiação mostrou ser pouco importante em todos os casos considerados, o que concorda com resultados de outros estudos sobre o tema em escoamento não reativos. Com o modelo WSGG, as contribuições do fenômeno foram maiores do que com a hipótese do gás cinza, evidenciando que a inclusão da variação espectral na solução do problema radiativo tem um impacto sobre a magnitude dos efeitos do TRI. Além disso, é feita uma discussão, em parte inédita no contexto do TRI, sobre diferentes metodologias para a análise do fenômeno. Finalmente, é proposto um fator de correção para o termo fonte radiativo médio no modelo WSGG, que é validado através de sua implementação nos casos simulados. Em estudos futuros, uma análise de sensibilidade sobre os termos constituintes desse fator de correção pode levar a um melhor entendimento de como as flutuações de temperatura se correlacionam com o fenômeno da interação turbulência-radiação. / Turbulence-radiation interaction (TRI) results from the highly non-linear coupling between fluctuations of radiation intensity and fluctuations of temperature and chemical composition of the medium, and its relevance in a number of high-temperature problems, especially when chemical reactions are included, has been demonstrated experimentally, theoretically, and numerically. In the present study, the TRI is analyzed in a channel flow of a non-reactive participating gas for different turbulence intensities of the flow at the inlet and considering two distinct species for the medium composition (carbon dioxide and water vapor). The central objective is to evaluate how the inclusion or not of the spectral variation of the radiative properties of a participating gas in the radiative transfer calculations affects the turbulence-radiation interaction. With this purpose, numerical simulations are performed using the computational fluid dynamics Fortranbased code Fire Dynamics Simulator, that employs the finite volume method to solve a form of the fundamental equations – i.e., the mass, momentum and energy balances and the state equation – appropriate for low Mach number flows, through an explicit second-order (both in time and in space) core algorithm. Turbulence is modeled by the large eddy simulation approach (LES), using the dynamic Smagorinsky model to close the subgrid-scale terms; for the thermal radiation part of the problem, the finite volume method is used for the discretization of the radiative transfer equation and the gray gas and weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) models are implemented as a way to omit and consider the spectral dependence of the radiative properties, respectively. The TRI magnitude in the problem is evaluated by differences between values for the time-averaged heat fluxes at the wall (convective and radiative) and for the time-averaged radiative heat source calculated accounting for and neglecting the turbulence-radiation interaction effects. In general, TRI had little importance over all the considered cases, a conclusion that agrees with results of previous studies. When using the WSGG model, the contributions of the phenomenon were greater that with the gray gas hypothesis, demonstrating that the inclusion of the spectral variance in the solution of the radiative problem has an impact in the TRI effects. Furthermore, this paper presents a discussion, partly unprecedented in the context of the turbulence-radiation interaction, about the different methodologies that can be used for the TRI analysis. Finally, a correction factor is proposed for the time-averaged radiative heat source in the WSGG model, which is then validated by its implementation in the simulated cases. In future studies, a sensibility analysis on the terms that compose this factor can lead to a better understanding of how fluctuations of temperature correlate with the turbulence-radiation interaction phenomenon.

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Antonio Andre Chivanga Barros, Henry França Meier / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T18:14:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_Cintia_D.pdf: 3816439 bytes, checksum: e39afd5653e2802b28899a3c09f4753c (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Grande parte dos estudos envolvendo colunas de destilação está fundamentada por modelos macroscópicos de conservação de massa e de energia. Exemplo disto são os modelos de estágios de equilíbrio e de não-equilíbrio. Nestes, os aspectos fluidodinâmicos do escoamento são restritos e orientados à medição de parâmetros macroscópicos. Porém, graças aos avanços introduzidos pelo emprego das técnicas da fluidodinâmica computacional (CFD), a análise de processos empregando uma abordagem microscópica tornou-se mais sofisticada e precisa. Além disto, há necessidade de trabalho experimental com o propósito de validar modelos e métodos em CFD e medir outros parâmetros ao longo do equipamento. Dentro deste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia de caráter numérico e experimental que possibilite o estudo do escoamento líquido-vapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. Para tanto, objetiva-se a proposição de um modelo microscópico de conservação da quantidade de movimento, em condições de escoamento turbulento, sob a influência da fase vapor, e de uma metodologia para a aquisição de dados experimentais. A metodologia numérica consistiu em iniciar com um estudo aprofundado do escoamento com superfície livre, utilizando um módulo experimental de hidráulica, seguido do estudo do escoamento monofásico na superfície de um prato perfurado. Estudos em uma coluna de bolhas permitiram a obtenção de experiência com modelos e métodos associados ao escoamento multifásico. Finalmente, foram realizados estudos sobre o escoamento líquido-vapor em pratos perfurados com a proposição de um modelo 3-D e homogêneo. Na metodologia de solução, o principal objetivo esteve relacionado às características numéricas, tais como: fatores de relaxação, esquemas de interpolação, integração temporal, acoplamento pressão-velocidade, entre outras. A metodologia experimental consistiu no projeto e construção de uma coluna de destilação para a simulação física do escoamento líquido-vapor em um estágio a frio, sendo as informações microscópicas obtidas por meio do emprego da técnica de anemometria térmica. Técnicas de visualização do escoamento foram empregadas como ferramenta de análise qualitativa na identificação de padrões de escoamento, como mecanismo de apoio à realização de medidas experimentais e, finalmente, como instrumento complementar de análise para facilitar a interpretação dos resultados. A metodologia numérica permitiu a avaliação de estratégias de solução de modelos e métodos em CFD, além do desenvolvimento de um modelo homogêneo capaz de predizer o escoamento líquidovapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. A metodologia experimental permitiu a caracterização do escoamento em um tanque retangular, entretanto, a técnica de anemometria térmica apresentou limitações quando da aplicação no escoamento bifásico. Na análise dos resultados obtidos concluiu-se que há a ocorrência de diferentes padrões de escoamento no interior de uma coluna de destilação, de acordo com a vazão da fase gás e da geometria do prato, sendo o escoamento não uniforme. Além disto, há uma tendência do fluxo de líquido próximo à parede retroceder, o que resulta no fenômeno de circulação. Outra observação importante foi que a fase vapor, em contato com o líquido fluindo horizontalmente, obtém uma energia cinética na direção do fluxo de líquido / Abstract: Greater part of researches involving distillation columns is based on macroscopic models of mass and energy conservation. Examples are the equilibrium and non-equilibrium stage models. In these cases, the fluid dynamics characteristics are restricted in measuring macroscopic parameters. However, advances introduced by fluid dynamic techniques made possible a more sophisticated and accurate process analysis using a microscopic approach. Researches in this area are indispensable and more experimental studies is necessary in order to validate models and methods in CFD and measure other parameters along the equipment. Based on these statements, this work takes aim the development of a numerical and experimental methodology that enables the study of liquid-vapour flow, in a microscopic level, on a sieve plate of a distillation column. It is proposed the development, implementation and application of a microscopic model for momentum conservation subjected to turbulent flow of the vapour phase, complemented by the development of an experimental methodology for data acquisition in an apparatus in laboratory scale. The numerical methodology consisted to make a deep study of flow with free surface using a hydraulic modulus and a study of a single-phase flow on a sieve plate. Studies in a bubble column allowed building knowledge for modelling momentum transfer phenomenon in multiphase flow. Finally, studies about the liquid-vapour flow in sieve plates were carried out with development of a 3-D and homogeneous model. The main objective in the solution methodology was related to numerical characteristics, such as: relaxation factors, interpolation schemes, temporal integration and pressure-velocity coupling. The experimental methodology consisted in the design and building of a distillation column that simulates the liquid-vapour in a sieve plate. The information related to velocity profiles were obtained by means of definition and implementation of the thermal anemometry technique. During the numerical and experimental studies, flow visualization techniques have also been employed in different ways as a tool for qualitative analysis of different flow patterns, as an assistance to the experimental measures, and finally, as a complement to the analysis, supporting the interpretation of results. The numerical methodology allowed the evaluation of models and methods strategies in CFD, and the development of a homogeneous model able to predict the liquid-vapour flow in a sieve plate of a distillation column. On the other hand, the experimental methodology allowed the evaluation of flow inside a rectangular reservoir, but the thermal anemometry technique presented limitations in the multiphase flow. It was concluded that there is the occurrence of different flow patterns inside the distillation column, according to the gas flow and plate geometry, and the flow is not uniform in the plate surface. Besides, there is a tendency of the liquid flow to go back near the wall, resulting in a circulating zone. Other observation was that the vapour phase, contacting with the horizontally flowing liquid, gains a kinetic energy in the direction of liquid flow / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dedini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T00:13:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Galera_Larissa_M.pdf: 7841610 bytes, checksum: b4caff2b3c8de6cf54d4ef086fd47585 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A análise dinâmica de rotores visa prever o comportamento e identificar desvios caracterizados por meio das respostas dinâmicas do conjunto, fornecendo indicadores de mau funcionamento ou diagnóstico de falhas, e minimizando os riscos de paradas imprevistas no sistema. O estudo dinâmico de máquinas rotativas deve ser realizado considerando a interação entre os componentes envolvidos na sua construção, como por exemplo, rotores, eixos, mancais, selos de fluxo e estruturas de suporte. Os selos de fluxo causam forças de reação que podem ser representadas por coeficientes dinâmicos. Este componente é o principal responsável por diferenças entre um modelo usando apenas eixo-mancal e a vibração real do sistema, como por exemplo, em bombas centrífugas. Dentro deste contexto, este trabalho tem por objetivo a determinação dos coeficientes dinâmicos de três tipos de selos planos, sendo eles: cilíndrico, cônico e escalonado, os quais serão integrados ao modelo global de sistemas rotativos, de modo a tornar a análise do conjunto girante mais completa. A análise dos selos de fluxo será realizada utilizando o método de volumes finitos para determinar a distribuição de velocidade circunferencial e de pressão ao longo do selo, que caracterizam as forças de reação. Estas, por sua vez, podem ser representadas em coeficientes de rigidez, amortecimento e inércia. Além disso, será verificada a influência de diversos parâmetros geométricos e operacionais nestes coeficientes. A inserção dos coeficientes dinâmicos dos selos planos e a análise do conjunto girante, a partir do pacote computacional Rotortest®, permitirá verificar a influência desses tipos de selos no sistema rotativo, analisando como este elemento modifica as características do conjunto e como acopla o eixo à fundação / Abstract: The dynamic analysis of rotors aims to predict its behavior and identify deviations characterized by the dynamic response of the set, providing malfunction indications or failure diagnosis, and minimizing the risk of having unexpected halts on the system. The dynamic study of rotating machines must be conducted by taking in account the interactions between the components involved in its construction, such as rotors, shafts, bearings, fluid seals, and support structures. The fluid seals cause reaction-forces, which can be represented for dynamic coefficients. This component is mainly responsible for the differences between a model using only a rotor-bearing and the actual vibration of the set, for example in centrifugal pumps. In this context, this work aims the determination of the dynamic coefficients of three types of plain seals, namely: straight, tapered, and stepped seals, which will be integrated with the global model of rotating systems, in order to make the analysis of the rotating set more complete. The fluid seals analysis will be accomplished through the finite volume method in order to determine the circumferential velocity and pressure distribution along the seal, which characterizes the reaction forces. Those can be, in turn, represented by stiffness, damping, and inertia coefficients. Besides, it will be verified the influence of several geometric and operational parameters on these coefficients. The insertion of the dynamic coefficients of plain seals and the analysis of the rotating set in the computational package Rotortest®, will verify the influence of these seals on the rotating system, analyzing how this element modify the set's characteristics and the coupling of the shaft to the foundation / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

Orientadores: José Roberto Nunhez, Nicolas Spogis / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T07:47:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vergel_JoseLuisGomez_M.pdf: 8156840 bytes, checksum: f0b5d7b4b0875d4716285f8ec3ce5fa2 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O uso de malhas não estruturadas recentemente tem recebido uma considerável atenção para discretização do domínio computacional em simulações CFD (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales, et al., 2011). A malha não estruturada (comumente tetraédricas) permite uma adequada adaptação em geometrias irregulares e uma geração automática na maioria dos softwares comerciais em CFD. Na literatura constantemente tem sido sugerido que as malhas hexaédricas são preferidas as tetraédricas, porém esta última pode ser usada, desde que alguns cuidados sejam tomados para proporcionar uma boa representação do fenômeno físico do problema. Alguns trabalhos recentemente publicados mostram que as malhas tetraédricas quando utilizadas com cuidado, podem obter resultados satisfatórios (Spogis & Nunhez, 2009). A maioria dos trabalhos desenvolvidos com uso da simulação CFD para processos de mistura utilizam malha hexaédrica, enquanto os resultados obtidos com malhas tetraédricas não possuem a mesma aprovação (Joaquim Junior et al., 2007), parte deste trabalho esta focado em mostrar que elas podem fornecer bons resultados em simulações de processos de mistura. Outro objetivo desse trabalho é mostrar o efeito do refinamento em malhas tetraédricas. Investigou-se a influência dos elementos prismáticos perto da parede sobre parâmetros globais, tais como o número de potência e número de bombeamento. Foi também realizada uma análise inicial da sensibilidade de alguns modelos de turbulência e esquemas de discretização sobre o campo de fluxo produzido. Além disso, simulações com diferentes refinamentos de malha foram feitas usando a abordagem de múltiplos sistemas de referência (MFR); enquanto em outros casos foi proporcionada uma abordagem de malhas deslizantes (SG) no impelidor. Os esquemas de discretização foram limitados aos esquemas Upwind, High resolution e blend fator, uma vez que esquemas diferentes não funcionam adequadamente com elementos tetraédricos. O software comercial de CFD CFX 14.0 foi utilizado para simular os resultados. Um impelidor de pás inclinadas (PBT 45°, com bombeamento para baixo) foi simulado em regime turbulento. Os resultados obtidos pelas simulações CFD para o número de potência e bombeamento, e perfil da componente axial da velocidade são discutidos e comparados com dados experimentais (Machado et al. et al., 2011). A velocidade foi medida usando a técnica PIV (Particle Image Velocimetry). Uma significativa influencia foi observada em alguns parâmetros na determinação de importantes variáveis nos processos de mistura. De forma geral, a predição do perfil da velocidade é influenciada, de alguma forma, pela resolução da malha, pelo modelo de turbulência e pelo esquema de discretização / Abstract: The use of non-structured meshes has received recently considerable attention for discretization of the computational domain in CFD simulations (Vakili & Esfahany, 2009; Cabrales et al., 2011). The non-structured meshes (the most common are tetrahedral) allow adequate adaptation of irregular geometries and easy use of automated algorithms for mesh generation in most commercial CFD software. It has been consistently suggested in the literature that hexahedral meshes are preferred over tetrahedral. However, they can be used, provided that some care is taken to provide a good representation of the physical phenomena of the problem. Recently published works have been proving that if they are used with care, satisfactory results are obtained (Spogis & Nunhez, 2009). Most of works developed with the use of CFD simulation for mixing processes use hexahedral and to date tetrahedral do not have the same acceptance of hexahedral (Joaquim Junior et al., 2007) and part of this work is aimed at showing that they can provide good results when simulating mixing processes. Another objective of this work is to show the effect of mesh refinement in tetrahedral meshes. It is investigated the influence of the prismatic elements near wall on global parameters such as the Power and Flow numbers. An initial analysis of the sensitivity of some turbulence models (Standard k-? model, the shear stress transport (SST) and BSL-Reynolds stress model) and the discretization scheme on the flow field produced were also carried out in this work. In addition, simulations with different mesh resolutions were made using the multiple reference frame (MFR) approach; whereas other cases a sliding mesh modeling was provided for the impeller. The discretization schemes were limited to upwind, high resolution and blend factor, since other schemes do not work well with tetrahedral. The commercial CFD software CFX 14.0 was used to simulate the results. A pitched blade turbine (PBT 45°, down-pumping), was simulated in turbulent flow. The results obtained for the Power and Flow numbers, the axial velocity profile component of the model in CFD are discussed and compared with experimental data (Machado et al. et al., 2011). The velocity was measured using the PIV technique (Particle Image Velocimetry). A significant influence of some parameters is observed on the determination of some important variable mixing. In general, the predictions of the velocity profile are influenced in some way by the resolution of the mesh, turbulence model and the discretization scheme / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

As complexidades das configurações, da geometria e da topologia dos escoamentos encontrados em sistemas tais como câmaras de combustão de turbo-máquinas requerem métodos numéricos eficientes para modelar os escoamentos turbulentos reativos existentes. Este trabalho de modelagem numérica está relacionado com o desenvolvimento de ferramentas numéricas eficientes necessárias ao estudo dos escoamentos turbulentos reativos nessas aplicações. Na primeira parte desta tese, após relembrar os elementos de base que permitem a descrição de um escoamento turbulento reativo prée-misturado, são apresentadas as diversas etapas que presidem a elaboração do programa computacional. Inicialmente, introduz-se a técnica de compressibilidade artificial, que consiste em modificar as equações governantes acrescentando termos não-estacionários no pseudo-tempo, destinados a introduzir uma velocidade do som finita no domínio de cálculo. Em seguida é exposta a discretização por volumes finitos das equações governantes em malhas não-estruturadas bidimensionais híbridas, que contêm elementos triangulares e/ou quadriláteros. A adição de termos de dissipação artificial bem com o uso de um método do tipo Runge-Kutta para integrar os termos temporais no pseudo-tempo das equações governantes, que completam o método, são comentados em seguir. O programa de cálculo, desenvolvido na linguagem C++, foi validado considerando-se o problema de uma chama plana turbulenta, propagando-se livremente em uma turbulência "congelada". Este fenômeno foi modelado com um termo de produção química médio do tipo flamelet, no qual um corte representando extinção foi introduzido com a finalidade de selecionar uma só velocidade possível de propagação. Os resultados obtidos para uma chama lenta (0,5 m/s) ou rápida (10 m/s) foram comparados com aqueles obtidos na literatura. A precisão dos resultados é bastante satisfatória e os gradientes elevados de pressão estática, característicos do termo fonte empregado, são capturados corretamente, tanto no que se refere a sua intensidade quanto à sua localização, dentro da frente de chama média. Uma análise de sensibilidade e precisão da malha foi igualmente conduzida, assim como um estudo das características de convergência em função do valor do coeficiente de compressibilidade artificial. Tendo sido validado, o programa de cálculo foi, em seguida, utilizado com a finalidade de estudar esteiras inertes ou reativas encontradas à jusante de um obstáculo de seção transversal triangular, colocado no meio de um escoamento turbulento em um canal. Um modelo de turbulência do tipo k-e, acoplado a dois tipos de leis de parede foi utilizado. O desprendimento turbilhonar, típico dos escoamentos de esteiras inertes considerados, foi previsto corretamente com, em particular, uma freqüência de Strouhal de desprendimento com boa concordância com os resultados experimentais disponíveis. As esteiras reativas foram calculadas com um modelo de flamelet, onde os transportes turbulentos da variável de avanço da combustão foram calculados por aproximação do tipo gradiente. Três formas do termo de produção química médio, existentes na literatura, foram utilizados. Aparentemente, a estrutura da esteira reativa prevista é fortemente dependente da formulação adotada para o termo fonte médio. Embora os resultados obtidos sejam comparados àqueles apresentados por outro autores, em uma configuração de escoamento similar, a comparação com resultados experimentais mostra que é necessário uma melhoria na modelagem física de forma a prever este tipo de escoamento reativo de maneira satisfatória.

The objective of this project is to study three dimensional aerodynamic flows over realistic aerospace configurations, such as the first Brazilian Satellite Launcher (VLS) in its first stage flight form. In order to achieve this objective, computational fluid dynamics and three dimensional adaptive mesh refinement techniques are used. The project focus in finite element and finite volume techniques to simulate the flows of interest. Both the Taylor-Galerkin finite element method and the Jameson finite volume method are used in the simulations. A new interpretation of MacCormack's method in an unstructured grid context is presented. The analysis, implementation and validation of the adaptive mesh refinement tools in the present context is part of the work developed. The use of meshes with hanging-nodes in a finite volume code is also described. The Spalart and Allmaras turbulence model is implemented in the finite volume code in order to account for turbulent effects. In the first part of this project, inviscid flows over the VLS ranging from subsonic to supersonic regime are studied using the finite element and finite volume techniques and, in the following part, turbulent viscous flow cases are analyzed using the finite volume code.