In this study the influence of physical properties on heat transfer between the fluid and solid phases for laminar and turbulent flow in a square cavity filled with porous material, heated by one side and cooled by the opposite one is investigated. In order to simulate flow and heat transfer between the phases models, one and two-energy-equation models are used. The transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations were perfomed first for the case of clean cavity, using Laminar and High Reynolds Turbulent model, and the results are in agreement with the existing literature. In the case of porous cavities, simulation runs were performed using the 1EEM and 2EEM. Overall, this study showed that as porosity increases, the value of the average Nusselt at hot wall, for the same Ram, decreases. It is also shown that the average Nusselt decreases, from a critical Rayleigh , as the ratio between the thermal conductivities of the phases increases. Comparisons were made between both energy models and 2EEM shown smaller results for average Nusselt as ks/kf increases. Also found that the critical Rayleigh depends directly on the ratio ks/kf, being larger as it also grows. Still object of this work, it has been discovered that as the porosity decreases and the ratio between thermal conductivities increases, the turbulence within cavity increases as well. In general, the results and analysis obtained by this work can be used in real engineering situations where the porous cavities may be used.

The present work is concerned with studying techniques which would allow the identification of a multiple degree of freedom aeroelastic system from a single computational fluid dynamics (CFD) unsteady simulation. This data is, then, used to generate the root locus for aeroelastic stability analysis of the dynamic system. The system being considered in the present work is a NACA 0012 airfoil-based typical section in the transonic regime. The CFD calculations are based on the Euler equations and the code uses a finite volume formulation for general unstructured grids. A centered spatial discretization with added artificial dissipation is used, and an explicit Runge-Kutta time marching method is employed. Unsteady calculations are performed for several types of excitation on the plunge and pitch degrees of freedom of the dynamic system. These inputs are mostly based on step and orthogonal Walsh functions. System identification techniques are used to allow the splitting of the aerodynamic coeficient time histories into the contributions of each individual mode to the corresponding aerodynamic transfer functions. Such transfer functions are, then, represented by rational polynomials and used in an aeroelastic stability analysis in the frequency domain. The work compares the results provided for each case and attempts to contribute with guidelines for such analyses.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre três ferramentas computacionais diferentes na determinação do coeficiente de pressão em um caso típico de aerofólio supercrítico, em particular o Boeing A4, com sua conseqüente comparação com os dados experimentais obtidos em túnel de vento para este aerofólio. Esta comparação contribui para o processo de validação de uma ferramenta de mecânica dos fluidos computacional (CFD) que vem sendo desenvolvida no presente grupo de trabalho. Os códigos de CFD empregados resolvem uma formulação de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) ou uma formulação de Euler acoplada a soluções de camada limite. Neste último caso, tem-se a opção de fixar a transição sobre a superfície do aerofólio ou deixá-la livre. Todos os códigos utilizam modelos de turbulência do tipo viscosidade de vórtice para levar em consideração os efeitos de transporte de turbulência. Em particular, o modelo de uma equação de Spalart-Allmaras e o modelo de duas equações k-e RT são empregados nos códigos com formulação RANS. O código de camada limite utiliza o modelo algébrico de Cebeci-Smith. O trabalho apresenta os aspectos da integração no tempo e a integração espacial, bem como os procedimentos de aceleração de convergência usados no código que está sendo desenvolvido, o que possibilita numa análise posterior estabelecer relações de tendências de resultados de acordo com os modelamentos e equações que estão sendo utilizados. Foram utilizados onze casos teste diferentes, todos utilizando a configuração do aerofólio Boeing A4. Os resultados obtidos permitiram analisar a qualidade e a confiabilidade dos resultados dos códigos no que se diz respeito à correta identificação de possíveis ondas de choque, valores de coeficientes de pressão, posicionamento da transição de escoamento laminar para turbulento e tendências que os códigos possam apresentar de oscilações numéricas na solução. Estes resultados e análises realizadas dão subsídios importantes no processo de validação do código em desenvolvimento.

Este trabalho apresenta simulações numéricas de escoamento de fluidos através de placas de orifício, elementos primários de medição de vazão, em comparação aos resultados esperados por normas internacionais. O coeficiente de descarga usado para a determinação da vazão de um escoamento em uma tubulação foi obtido numericamente através da aplicação do modelo de turbulência de baixo Reynolds proposto por Launder-Sharma, resolvido através de um código aberto de Dinâmica de Fluidos Computacional. Diferentes configurações de placa de orifício foram analisadas, tais como: diâmetro do orifício de restrição, número de Reynolds, posição de instalação, ângulo de chanfro. A principal abordagem deste trabalho é apresentar uma metodologia para determinação do coeficiente de descarga para a montagem invertida da placa de orifício e apresentar os parâmetros que influenciam na determinação da vazão nesta condição. Foi observado que os melhores resultados foram obtidos para os maiores diâmetros de placa de orifício, salientando que todos os resultados apresentaram desvios inferiores a 2% em relação à norma ISO-5167 (2003). Na montagem invertida da placa de orifício foi observada uma redução na diferença de pressão entre as faces da placa de orifício em comparação à montagem correta, resultando em um maior valor necessário para o coeficiente de descarga. De acordo com os resultados deste trabalho a determinação do coeficiente de descarga para a montagem invertida da placa de orifício depende do número de Reynolds, ângulo de chanfro e da dimensão do orifício de restrição. Este trabalho apresenta ainda resultados para a determinação da vazão em condição de montagem invertida da placa, que podem ser abordados em trabalhos futuros para estimativa do coeficiente de descarga em condições adversas de montagem.

Este estudo apresenta uma solução numérica para o problema da transferência de calor conjugada em escoamento de ar quente através de bocal metálico de-Laval refrigerado por água, em regime permanente, usando um único domínio para representar as regiões de gás, sólido e líquido. O modelo matemático compreende as equações de continuidade, de quantidade de movimento (RANS), de energia, de turbulência (k- ?) e de tratamento próximo à parede (EWT- ?). Para solução do problema é empregado o método de volumes finitos, com algoritmo segregado baseado em pressão e discretização espacial de segunda ordem. Para o escoamento de ar, o fluido é tratado como ar dissociado, em equilíbrio termodinâmico, sendo aplicado o modelo de gás perfeito. Para o escoamento de água, que ocorre em altas pressões, baixas temperaturas e baixas velocidades, o fluido é tratado como líquido comprimido, também em equilíbrio termodinâmico. No processo de verificação de malha, três diferentes resoluções são testadas. Para validação do modelo, utilizam-se dados experimentais obtidos em túnel de vento de alta entalpia, além de resultados de simulação obtidos na literatura para o mesmo problema, demonstrando que as soluções apresentadas neste estudo têm excelente concordância em ambos os casos. A análise do comportamento de pressão, velocidade, temperatura e densidade nos escoamentos de água e ar, assim como de fluxo de calor e temperatura na parede interna do bocal, demonstrou que o uso de domínio único permite resolver o problema da transferência de calor conjugada de forma rápida e precisa.

Em mecânica dos fluidos, especificamente em processos turbulentos, o problema de fechamento representa um dos maiores desafios para qualquer pessoa interessada nesta área. Durante décadas, cientistas vêm usando abordagens estatísticas com o objetivo de \"fechar\" o problema ou, pelo menos, diminuir as dificuldades inerentes. Assim, o presente trabalho apresenta uma criteriosa análise com base em ferramentas estatísticas em que ondas quadradas aleatórias, aliadas a um número fixo de parâmetros, foram utilizadas para criar equações paramétricas para representar um fluxo turbulento unidimensional com uma abordagem a priori, diferenciando de outras abordagens aplicadas amplamente na área, que utilizam uma abordagem a posteriori. Em seguida, simulações foram realizadas, a fim de avaliar o comportamento do modelo. Nas simulações pôde-se reproduzir o comportamento observado na literatura e estipular a abrangência do método. Além disso, uma importante discussão acerca das condições de contorno foi desenvolvida. / In fluid mechanics, specifically in turbulent processes, the closure problem represents one of the biggest challenges for anyone interested in this area. For decades, scientists have been using statistical approaches aiming to close the problem or, at least, decrease the inherent difficulties. So, the present project presents a judicious analyze based on statistical tools in which random square waves, allied with a fixed numbers of parameters, were used to create parametric equations to represent a turbulent flow with an a priori approach, differentiating from other approaches broadly applied in the area, which use an a posteriori approach. Then simulations were done, in order to evaluate the behavior of the model. In the simulations, the behavior of some data from the literature could be followed and the scope of the method was stipulated. Besides this, an important discussion about boundary conditions was developed.

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

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

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

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