Os objetivos do presente trabalho são: (i) Propor um modelo compressível para o campo de grandes escalas de escoamentos turbulentos com baixos números de Mach; (ii) Desenvolver um código numérico que permita resolver este modelo compressível; (iii) Otimizar este código de forma a se utilizar eficientemente plataformas com capacidade de processamento vetorial e paralelo; (iv) Validar esta metodologia comparando os resultados numéricos obtidos com resultados experimentais disponíveis na bibliografia, sobre caso teste clássico: expansão brusca; (v) Aplicar esta metodologia na simulação computacional do efeito solo sobre as estruturas coerentes turbulentas presentes na esteira de corpos rombudos bidimensionais e tridimensionais, para avaliar seu potencial no tratamento deste tipo de problemas. Inicialmente, é proposto o modelo compressível simplificado e específico para as condições de parede adiabática e baixo número de Mach. A continuação, apresenta-se o modelo de turbulência submalha utilizado para modelar os tensores e vetores submalha utilizados neste modelo compressível simplificado, e em seguida, apresenta-se o método numérico utilizado para resolver numericamente este modelo. Posteriormente apresenta-se a validação desta metodologia comparando-se com resultados experimentais para o caso da expansão brusca e, finalmente, são apresentados resultados preliminares para os corpos rombudos bidimensionais e tridimensionais propostos.

The influence of physical properties on heat transfer between solid and fluid phases is investigated for laminar and turbulent flows in a channel filled with a moving porous material. Concurrent, counterflow and crossflow configurations are analyzed. To simulate flow and heat transfer between phases, a two-energy equation model using a thermal non-equilibrium condition is applied. Transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations are made for laminar model under concurrent and counterflow configurations. Effects of thermal and hydrodynamic properties on heat transfer for several conditions are analyzed and compared with analytical results in the literature. For concurrent laminar flow, simulations indicate that, when the speed of the solid approaches that of the fluid, the strong axial convection of the solid phase, as well as the reduction of the relative velocity, cause an increase in the axial length needed for thermal equilibrium between phases to occur. Longer thermal developing lengths are also found for higher permeability and porosity. Results for a counterflow moving bed indicate that motion of the solid material, contrary to the direction of the fluid, enhances heat transfer between phases. The same effect is observed for smaller Darcy number and porosity, as well as for higher solid-to-fluid thermal capacity and thermal conductivity ratios. In the case of crossflow, where there are two fluid inlets, more energy is convected into the system in both longitudinal and transversal directions .The fluid temperature reaches the highest values in the symmetry region of the channel. This occurs mainly for high velocity, high thermal capacity and high thermal conductivity ratios between fluid and solid phases. These behaviors were observed for laminar and turbulent flows, in both fully filled and half filled channels. The studies presented here might have applications to problems involving engineering equipment in which a moving porous bed is identified.

This work presents one and two dimensional numerical results for combustion of an air/methane mixture in inert porous media, using both laminar and turbulence models, and radiation. Comparisons with experimental data are reported. The burner used as reference is composed by a preheating section followed by a combustion region. Macroscopic equations for mass, momentum and energy are obtained based on the volume average concept. Distinct energy equations are considered for the solid phase and the flowing gas. The numerical technique employed for discretizing the governing equations was the control volume method with a boundary-fitted non-orthogonal coordinate system. The SIMPLE algorithm was used to relax the entire equation set. Inlet velocity, excess air ratio, porosity and solid thermal conductivity were varied in order to investigate their effect on temperature profiles and flame front position. Results indicate that higher inlet velocities result in higher gas temperatures, pushing the flame front towards the exit of the burner, following a similar trend observed in the experimental data used for comparisons. Burning mixtures close to the stoichiometric conditions also increased temperatures, as expected, and brings the flame front to preheating region, next to inlet. Increasing the thermal conductivity of the preheating section reduced peak temperature in combustion region. The use of porous material with very high thermal conductivity on the combustion region did not affect significantly temperature levels or flame front profiles.

O uso de um difusor radial pode ser uma opção quando as limitações geométricas de certos sistemas tornam impossível o uso de um difusor cônico ou plano para a conversão de energia cinética em pressão estática. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da geometria no desempenho do difusor radial quanto à recuperação de pressão estática. Neste trabalho simulou-se numericamente o escoamento turbulento e incompressível de ar através do tubo de alimentação axial e do canal radial formado por dois discos concêntricos. O sistema original de equações diferenciais parciais (continuidade, quantidade de movimento e modelo de turbulência) é discretizado através da técnica de elementos finitos (método de Petrov-Galerkin). O modelo K-e padrão é utilizado na modelagem turbulenta. O sistema de equações algébricas resultantes é resolvido por meio de algoritmos interativos, utilizando uma formulação segregada e seqüencial. A simulações numéricas foram feitas para difusores radiais de discos paralelos e também para difusores radiais com pequenos ângulos de abertura no disco frontal. Várias relações de diâmetros e espaçamentos entre os discos foram estudadas, gerando uma faixa de relação de área entre 1 e 10. Os resultados mostram que o difusor radial apresenta uma alta recuperação de pressão estática que é comparável a difusores cônicos e planos. Pequenos ângulos de abertura no disco frontal produzem um aumento na relação de área do difusor radial e conseqüentemente apresentam uma relação entre tamanho e recuperação de pressão.

Neste trabalho é apresentada uma análise numérica para predição de escoamentos turbulentos incompressíveis em geometrias complexas. Modelos de turbulência k - e não lineares que representam um avanço sobre modelos de viscosidade turbulenta clássicos (linear), foram empregados em um sistema de coordenadas generalizadas na solução de diversos tipos de escoamentos bidimensionais e com recirculação. O método numérico utilizado para a discretização das equações foi o método de volumes finitos com arranjo co-localizado. O algoritmo SIMPLE foi usado para relaxação do sistema de equações algébricas obtido. A resolução do sistema linear de equações resultante foi feita através do método SIP. A função de parede clássica e um modelo de Baixo Reynolds foram utilizados para descrever o escoamento próximo à parede. Aqui foi proposto um tratamento numérico inovador para os termos difusivos não lineares das equações de momentum a fim de se evitar dificuldades de convergência em alguns casos específicos. O tratamento consiste em dividir os fluxos difusivos não lineares em um termo implícito, na matriz dos coeficientes e outro explícito agrupando ao termo fonte. Na literatura, não há informação específica sobre o tratamento numérico destes termos não lineares. Resultados para escoamentos turbulentos bidimensionais foram obtidos usando um total de quatro diferentes modelos. As formas linear e não linear do modelo k - e usando as abordagens de Alto e Baixo Reynolds foram empregadas. Assim, as formulações de Alto Reynolds foram designadas respectivamente por L_HRN e NL_HRN, e os mesmos modelos aplicando a formulação Baixo Reynolds foram chamados de L_LRN e NL_LRN. De uma forma geral, o modelo não linear usando a abordagem Baixo Reynolds, NL_LRN, apresentou melhor desempenho que os demais. Também foi analisado o desempenho dos modelos não lineares (NL_HRN e NL_LRN) na predição de escoamento secundário que ocorre em dutos de seção não circular. Nestes casos, modelos isotrópicos são incapazes de descrever o escoamento secundário em tais canais.

Neste trabalho é analisado o transporte de calor em meios porosos rígidos, homogêneos e saturados com um fluido incompressível e monofásico, para os regimes de escoamento laminar e turbulento. As equações de transporte de energia macroscópicas para o fluido e para a matriz porosa (sólido), são obtidas com o auxílio do conceito de dupla decomposição, donde surge o termo de 'dispersão térmica turbulenta'. A hipótese de Equilíbrio Térmico Local é utilizada para obter um modelo de uma-equação para o meio poroso. Os fluxos térmicos devido à tortuosidade e dispersão, que aparecem no processo de aplicação das médias temporal e volumétrica, são representados por um modelo de difusão proporcional ao gradiente da média intrínseca da temperatura média no tempo. Os tensores de condutividade térmica resultantes desse modelo são obtidos de dois modos: a) Para as componentes turbulentas, devidas às flutuações temporais da velocidade e temperatura, é utilizado o modelo de difusividade térmica turbulenta onde a viscosidade turbulenta macroscópica é obtida através do modelo k-e macroscópico, e b) Para as componentes de tortuosidade e dispersão, devidas aos desvios espaciais da velocidade e temperatura, são utilizados os resultados obtidos para os campos microscópicos de velocidade e temperatura em uma célula unitária com condições de contorno periódicas para o escoamento e um gradiente de temperatura imposto. O modelo macroscópico assim obtido, juntamente com as condições de contorno/interface apropriadas, é então utilizado na solução de problemas em meios híbridos, i.e., regiões compostas por meios sólidos e/ou porosos e/ou meio limpo (apenas fluido) num único domínio de cálculo.

Este trabalho investiga o tratamento numérico da interface entre uma região porosa e uma região limpa, levando em consideração a influência do coeficiente de salto da tensão cisalhante para a equação da quantidade de movimento, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. As equações que governam o escoamento são discretizadas pelo método de volumes finitos e o sistema de equações algébricas é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedure], sendo que para o acoplamento pressão-velocidade é utilizado o método SIMPLE. Inicialmente é analisado o escoamento laminar e, posteriormente o escoamento turbulento em canais parcialmente preenchido com um material poroso e, com um obstáculo poroso, utilizando para o caso turbulento o modelo k - e de Alto-Reynolds. Os resultados para o escoamento laminar em um canal parcialmente preenchido com material poroso sem a presença do termo não-linear de Forchheimer ou com a presença corroboram os resultados analíticos encontrados na literatura. Observa-se, ainda que, os resultados para escoamento em um canal parcialmente preenchido e com um obstáculo poroso, tanto laminar quanto turbulento, representaram satisfatoriamente os fenômenos físicos. A partir desses fatos conclui-se que a implementação numérica foi realizada de forma correta, sendo possível representar de forma adequada os efeitos do coeficiente, b , na vazão mássica global.

The main objective of the present research work consists of studying turbulent flows over typical aerospace configurations. In order to accomplish such goal, a numerical tool to simulate 3-D compressible flows is validated and improved. A finite difference method for structured grids, written for general curvilinear coordinates, is used. A centred spatial discretisation, which requires explicit addition of artificial dissipation terms, is chosen, and the time marching procedure is explicit. In the validation process, comparative analysis of systematic mesh refinement and grid topology is considered. Subsequently, adequate turbulence models for the applications of interest are implemented. This implementation must be carefully performed in order to robustly and consistently include the turbulence model subroutines into the numerical code. Convergence acceleration techniques such as multigrid and implicit residual smoothing are required in order to avoid the slower convergence rates associated with the more refined and stretched grids that are necessary for turbulent simulations. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is done by comparison of numerical results with experimental or theoretical data. Thereafter, flows about the VLS central body configuration are simulated in order to obtain aerodynamic results necessary for the development phase of the vehicle. In general, good agreement between numerical and experimental results are obtained within engineering error margins. Some limitations of the turbulence models could be observed. These limitations could be addressed with a careful study of the numerical results and previous knowledge of the capabilities of these models. Nevertheless, the conclusions that could be drawn are very positive for this initial effort on advanced turbulence modelling, and these conclusions are important for future development of the numerical code.

This work applies the volume-average mathematical operator over the buoyancy terms in the flow equations governing turbulent flow. Volume averaging is taken on both mean and turbulent fields. Derivations are carried out under the recently established double-decomposition concept. Results show that additional buoyancy generation term appears if both averaging procedures are applied simultaneously. Final modeled equations are based on a macroscopic k-e model for porous media. Results are compared with numerical data when available in the literature.

Neste trabalho são apresentadas soluções numéricas para o escoamento laminar e turbulento em um canal aletado com material poroso, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. A condição de periodicidade espacial ao longo do canal é empregada. As equações do movimento e continuidade de massa são integradas em um volume elementar representativo acarretando em um único conjunto de equações governantes válido para todo o domínio computacional. Estas equações são discretizadas pelo método de volume de controle e o sistema de equações resultante é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedur