A turbulência continua sendo, ainda hoje, um grande desafio para os pesquisadores, pois os escoamentos turbulentos são complexos e dependentes do tempo e do espaço. A combinação entre Simulação de Grandes Escalas e Método de Elementos Finitos está provando ser de grande relevância à comunidade de Engenharia, no entanto, ainda são escassas as publicações que tratam dessa combinação. Os objetivos desse trabalho são: analisar escoamentos de fluidos viscosos, incompressíveis e isotérmicos partindo de um código computacional tridimensional apresentado por Petry, 2002; verificar o comportamento dos Modelos Submalha em problemas de simulação de escoamentos tridimensionais tomados como padrões para validação de modelos numéricos, tais como canal e canal com degrau; estudar e aplicar a simulação de grandes escalas no âmbito do método de elementos finitos. Para alcançar esses objetivos são utilizados o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo Dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al., 1991. Para o processo de segunda filtragem do modelo dinâmico emprega-se a filtragem por elementos finitos independentes de Petry, 2002. Na implementação do algoritmo é utilizado o Método dos Elementos Finitos e, para integrar as equações governantes, é usado o esquema de Taylor-Galerkin para a discretização no tempo e no espaço. O elemento finito de discretização do domínio computacional é o hexaedro linear. Os resultados obtidos com Simulação de Grandes Escalas no modelo clássico de Smagorinsky e no modelo Dinâmico, tanto no canal quanto no canal com degrau, tiveram boa concordância com dados experimentais e com Simulação Numérica Direta, mas, principalmente no canal, o modelo Dinâmico mostrou melhor comportamento próximo à parede. / Since the turbulent flows are complex and dependent on time and space, even today, turbulence is still a big challenge for researchers. The combination of large-eddy simulation and the finite element method is confirmed to be of great relevance to the Engineering community, although publications in this area are still rare. The main objectives in this paper are: to analyze the flow of viscous, incompressible and isothermal fluids, starting from the three-dimensional computing code presented by Petry, 2002; to check the subgrid scale models in problems of simulation of threedimensional flows, taken as benchmarks for validation of numerical models, the flow through a rectangular cross-section channel and the backward-facing step; to study and to apply the large eddy simulation using the finite element method. To reach these objectives, Smargorinsky´s classical model is used, as well as the dynamic model of turbulent viscosity, initially proposed by Germano et al., 1991. The second filtering of the dynamic process is made through the independent finite elements proposed by Petry, 2002. In the implementation of the algorithm, the finite element method is used and Taylor-Galerking scheme is used for discretization in time and space and to link governing equations. Linear hexahedrical element is applied for the discretization of the computing domain. The results from large-eddy simulation in the Smagorinsky classical model and in the Dynamic model, either in the channel or in the backward-facing model, are in good agreement with experimental data and with direct numerical simulation, although the Dynamic model showed better behavior next to the wall, mainly in the channel flow.

A utilização de canais compostos está bastante presente nos mais diversos campos da engenharia. Na engenharia mecânica, por exemplo, os problemas estão ligados à utilização destas estruturas no interior de trocadores de calor, reatores nucleares e até mesmo em equipamentos eletrônicos. Equipamentos nos quais o maior desafio é a maximização das taxas de transferência de calor. A acuracidade das relações que determinam a transferência de calor em trocadores de calor ou reatores nucleares, passa por uma análise dinâmica destes equipamentos, visto que suas características geométricas podem ser responsáveis pela formação de estruturas coerentes dentro do escoamento principal, que podem vir a serem importantes fontes de perturbações. A proposta deste trabalho é investigar experimentalmente as características do escoamento turbulento em alguns tipos de canais compostos fechados. Utilizando como técnica experimental a anemometria de fio quente. Nesse sentido, também foi investigado a influência dos parâmetros geométricos da seção, tanto na distribuição dessas quantidades quanto nas características dinâmicas do escoamento. No primeiro tipo o fluido é forçado a escoar entre duas placas paralelas de profundidade "p" e separadas por uma distância "d". Essas placas foram fixadas a uma das paredes laterais de um canal aerodinâmico. Na segunda seção as placas foram substituídas por feixes de seções retangulares, também fixados a mesma parede. Esses feixes também eram separados por uma distância "d". Na terceira o canal aerodinâmico foi dividido em dois. Os feixes da seção precedente foram movimentados para o centro, dando origem a dois subcanais principais conectados por uma fenda de largura "d" e profundidade "p". A quarta seção é uma simplificação das seções compostas por feixe de barras. Consiste em duas semi-circunferencias de raio externo igual a 66 mm. As semi-circunferencias foram postas uma em frente a outra, separadas também por uma distancia "d" As mudanças nos parâmetros geométricos das seções, profundidade, "p", largura da fenda, "d" e comprimento da seção "L", deram origem a 20 vinte diferentes seções. Os resultados mostraram, em todas as seções, o desenvolvimento de uma camada de mistura na direção principal do escoamento. Quanto as características dinâmicas do escoamento, estas parecem ser reguladas pelos perfis médios de velocidade. / Compound channels are present in many engineering areas, for example, in nuclear reactors, in cooling systems of electronic devices and in supply water channels. On the mechanical engineering field, the problems are linked to heat exchangers, nuclear reactor fuel elements and even electronic devices, where, the challenge is the rise in heat exchange rates. However, a good prediction on the heat transfer rates in compound channels, pass through the accuracy of the relations used: the heat exchange coefficient in heat exchangers or in nuclear reactors and correlations for the friction factors in a supplying channel. The dynamic analysis of these equipments, considering fluid structure interaction, is also important, since their geometric characteristics can be responsible for the formation of coherent structures on the flow that can become important sources of disturbances. The purpose of this work is the experimental investigation of the characteristics of the turbulent flow in compound channels and the influence of the geometric parameters of the section in its dynamic characterization. By using hot wire anemometry techniques, mean quantities and Reynolds stresses distribution were investigated in four kinds of compound channels. In the first one the fluid flows between two parallel plates, both attached on the lateral wall of aerodynamic channel. These plates have as important dimensional parameters their depth, "p", and width, "d". In second configuration the plates were replaced by rectangular bars. These ones also attached on the same lateral wall, apart from each other by a distance "d". In the third test section the aerodynamic channel was spitted in two. The bars attached on the lateral wall were moved to the middle channel, giving rise to subcahnnels connected by a narrow gap, with depth "p" and width "d". The last one was a rod bundle simplification. By using two semicircles, placed in front of one each other, it was possible to create a compound channel. Again, the topology gave rise two main subchannels connected by a narrow gap. Many changes were performed in the geometric parameters during the experiments. By modifying depth, "p", width "d" and the length, "L", enable us to get twenty different test sections. The results showed a mixing layer developing in the streamwise direction. As regards mean, normal and Reynolds stresses quantities, the experiments depicted self-preserving values when made dimensionless by local scales. According to results showed here, dynamical features are mainly ruled by mean axial velocity profile characteristics.

O presente trabalho apresenta uma modelagem detalhada de processos de combustao turbulentos para um jato concentrico de combustıvel e ar. A modelagem é fundamentada nas equacões de conservacão de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies quımicas. A turbulencia é resolvida pela utilizacão do modelo k- padrão. Dois modelos de reacões quımicas são apresentados. O modelo SCRS – Simple Chemically-Reacting Systems, que assume taxas instantâneas de reacões quımicas. Também é abordado o modelo E-A – Eddy Breakup - Arrhenius, que assume taxas finitas de reacões quımicas. A radiacão térmica, fenômeno de grande importância devido as altas temperaturas alcancadas em processos de combustão,é modelada através do Método das Zonas. O modelo da soma ponderada de gases cinzas – WSGGM,é usado para determinar o espectro de emissão e absorcão dos gases no processo. Para a solucão destas equacões diferenciais, juntamente com os modelos de turbulência, de reaçõoes químicas e radiação térmica, faz-se o uso do Método dos Volumes Finitos. Para validar a modelagem apresentada resolve-se o processo de combustão em uma câmara cilíndrica. A câmara de combustão usada áa mesma abordada no First Workshop on Aerodynamics of Steady State Combustion Chambers and Furnaces, organizado pela ERCORTAC - European Research Community On Flow Turbulence And Combustion, em outubro de 1994, que apresenta dados experimentais de temperatura e concentração das espécies químicas para várias posições de interesse no interior da câmara. Utiliza-se o gás natural como combustível e o ar atmosférico como oxidante. O processo de combustão sem pré-mistura é resolvido para a condição de excesso de combustível de 5 % para ambos os modelos, onde o gás natural é injetado por um duto circular central, e o ar atmosférico por um orifício anular externo a esse duto, no mesmo plano Uma reação química não estagiada é assumida para o modelo SCRS. Para o modelo E-A duas situações são resolvidas: combustão não estagiada, com uma etapa global de reação química; e reação quımica estagiada, com duas etapas globais. Os resultados obtidos com o modelo SCRS para a distribuição de temperaturas, em termos de tendências gerais, são razoáveis. Já as concentrações de espécies químicas não apresentam dados satisfatórios para este modelo. Para o modelo E-A os resultados apresentam boa concordância com os dados experimentais, principalmente para a situação em que o processo de combustão é assumido em duas etapas globais. ´E analisado em detalhe o papel desempenhado pela transferencia de calor por radiacao, com meio participante. Para melhor verificar as trocas de calor, assume-se uma camara de combustao cilındrica com paredes d’agua. A injecao do combustıvel e do oxidante e feita atraves de um queimador central, semelhante ao usado para validar a modelagem, porem com dois orifıcios concentricos para injecao de combustıvel. Nesta situação o efeito do turbilhonamento (swril), assumido como 20 % da velocidade axial de entrada, sobre a injecao de ar e computado atraves da condicao contorno da equacao de conservacao da quantidade de movimento angular. Nesta fase apenas o modelo E-A, com duas etapas globais de reacoes quımicas, e considerado, ja que o mesmo apresenta os melhores resultados. O processo de combustao e simulado com e sem a presenca da radiacao termica. Verifica-se que a presenca da radiacao termica homogeneiza a temperatura dos gases no interior da camara. Com isso verifica-se tambem alterações nas taxas de reacoes quımicas, modificando a magnitude das fracoes das especies quımicas Quando a radiacao termica e considerada efeitos de extinção local da chama sao verificados nas regioes de temperaturas mais altas, diminuindo o consumo de oxigenio e aumentando a producao de monoxido de carbono, caracterizando assim uma combustao incompleta. Em algumas situacoes tem-se uma variacao de temperatura de ate 500 K, a montante da chama. A radiacao termica tambem aumenta a taxa de transferencia de calor dos gases quentes para as paredes da camara, e desta para o seu exterior. Com os resultados obtidos a partir desta modelagem e possıvel determinar o perfil da zona de combustao, a distribuicao de concentracoes de especies quımicas, o campo de velocidades e as taxas de transferencia de calor para as paredes da camara de combustao, total, por conveccao superficial e por radiacao. Estes resultados sao de extrema importancia para prever a performance de camaras de combustao, assim como auxiliar na sua otimizacao.

Submitted by Elizabete Silva (elizabete.silva@ufes.br) on 2015-12-04T21:10:07Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) PERDA DE EFICIÊNCIA EM REDUÇÃO DE ATRITO EM ESCOAMENTOS COM ALTOS NÚMEROS DE REYNOLDS EM TUBOS COM PRESSÃO DE ENTRADA FIXA..pdf: 3772358 bytes, checksum: 3d3db88c142eb6383a30ef780f3e24fd (MD5) / Approved for entry into archive by Morgana Andrade (morgana.andrade@ufes.br) on 2015-12-30T12:45:36Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) PERDA DE EFICIÊNCIA EM REDUÇÃO DE ATRITO EM ESCOAMENTOS COM ALTOS NÚMEROS DE REYNOLDS EM TUBOS COM PRESSÃO DE ENTRADA FIXA..pdf: 3772358 bytes, checksum: 3d3db88c142eb6383a30ef780f3e24fd (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-30T12:45:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) PERDA DE EFICIÊNCIA EM REDUÇÃO DE ATRITO EM ESCOAMENTOS COM ALTOS NÚMEROS DE REYNOLDS EM TUBOS COM PRESSÃO DE ENTRADA FIXA..pdf: 3772358 bytes, checksum: 3d3db88c142eb6383a30ef780f3e24fd (MD5) Previous issue date: 2015 / A adição de pequenas partes por milhão de polímero de alta massa molecular em escoamentos turbulentos produz uma significante diminuição do fator de atrito. Este fenômeno conhecido como redução de arrasto () tem-se tornado de bastante interesse para a comunidade cientística e industrial devido às grandes vantagens nas diversas áreas da engenharia. Porém, a eficiência da redução de arrasto não é constante, devido à interação do aditivo com os vórtices turbulentos que causam a quebra da estrutura molecular da cadeia polimérica. Estudos têm reportado que essa degradação depende de fatores como: o número de Reynolds, a temperatura, o tipo de aditivo e a concentração e a massa molecular do mesmo. O fenômeno ainda não é completamente compreendido e muitos aspectos do problema carecem de investigação. Questões importantes são relacionadas ao desenvolvimento das estruturas turbulentas após a injeção do aditivo e a quebra ou a formação de agregados das moléculas do polímero. Investiga-se no presente trabalho a eficiência da redução de arrasto em soluções aquosas diluídas para três diferentes polímeros: Óxido de Polietileno (PEO), Poliacrilamida (PAM) e Goma Xantana (XG). Os dois primeiros são conhecidos como polímeros flexíveis, enquanto o último é considerado rígido. Uma bancada composta de tubulações com configuração em serie é utilizada para a realização dos experimentos, na qual o material da seção principal do teste é aço inoxidável com tratamento de brunimento. Os efeitos de produzidos pela variação da concentração e da massa molecular são analisados. Os principais resultados são apresentados em função da redução de arrasto absoluta. Também é exposto e quantificado o aumento da vazão e a diminuição na queda de pressão na tubulação, apesar de que os testes foram feitos à pressão constante na bancada. Visando-se observar a degradação, os resultados de absoluto são reorganizados e apresentados em termos do coeficiente de redução de arraste relativo, ′. Posteriormente, estes mesmos dados de ′ são ajustados mediante uma função de decaimento que é baseada na equação proposta por Pereira e Soares (2012) para um dispositivo cilíndrico rotatório. Finalmente, se mostram resultados promissores que são obtidos com a mistura dos polímeros em estudo. / The addition of small parts per million of high molecular weight polymer in turbulent flow produces a significant decrease in the friction factor. This phenomenon known as drag reduction () has become of great interest for the industrial and scientist community because of the great advantages in several engineering areas. However, the drag reduction efficiency is not constant, due to interaction between the additive with turbulent eddies that causes the breakdown of the molecular structure of the polymer chain. Researches have reported that this degradation depends on factors as: Reynolds number, temperature, additive type, its concentration and molecular weight. The phenomenon is not completely understood and many aspects of the problem remain unclear. Important issues are related to the development of turbulent structures after the additive injection and the breaking or aggregation in the polymer molecules. In the present work is investigated the drag reduction efficiency in dilute aqueous solutions for three different polymers: Poly(ethylene oxide) (PEO), Polyacrylamide (PAM) and Xanthan Gum (XG). The first two are known as flexible molecules while the last one is considered rigid. An experimental apparatus made up of pipes disposed in series configuration is used for the realization of the experiments, in which the material of the main section of the test is of stainless steel with polished treatment. The drag reduction effects produced by the variation of the concentration and the molecular weight are analyzed. The main results are displayed in terms of absolute drag reduction. Besides that, is shown and quantified the flow rate increase and the decrease of the pressure drop in the pipe, despite of tests being conducted at a fixed inlet pressure in the apparatus. Aiming to observe the degradation, the absolute drag reduction results are reorganized and displayed in terms of a relative drag reduction, ′. Posteriorly, these same ′ data are adjusted by means of a decaying function that is based on the equation proposed by Pereira and Soares (2012) for a rotating cylindrical device. Finally, there are shown some promising results that are obtained by mixing the polymers studied in this work.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T17:19:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 83626.pdf: 2127045 bytes, checksum: e43247dd93d1d62b5c6efdc0696deabf (MD5) Previous issue date: 1991 / O presente trabalho foi realizado para simular escoamentos cujos efeitos de turbulência e de dissipação viscosa são muito atuantes, particularmente nos escoamentos supersônicos sobre superfícies tais como as das aeronaves. Nos escoamentos supersônicos, a simulação numérica usando as equações de Euler tem obtido bons resultados quanto ao coeficiente de pressão, mas, essas soluções não fornecem os coeficientes de atrito sobre as superfícies nem os efeitos da dissipação viscosa, os quais são importantes para a engenharia. Por exemplo, conhecendo os coeficientes de pressão e de atrito, podemos obter as tensões atuantes nas superfícies consideradas, os quais podem ser utilizados para cálculos estruturais em veículos, previsão de suporte em tubulaçoes, cálculo de arrasto em veículos, determinação de energias perdidas, etc. E conhecendo os efeitos da dissipação viscosa, podemos obter a distribuição da temperatura superficial, com isso, estimar a isolação necessária para proteger as partes internas a superfície sensíveis ao calor e escolher o material à confecção da superfície. Portanto, com o objetivo principal de obter essas duas variáveis, coeficiente de atrito e efeito da dissipação viscosa, para os escoamentos exteriores a superfícies, foi proposto o presente trabalho, no qual foram utilizadas as equações de Navier-Stokes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-12-05T19:00:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 1078

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T22:50:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 229789.pdf: 1619995 bytes, checksum: a874ae10cc2fe28d164f7d06dab143ce (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-19T20:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 186200.pdf: 1114326 bytes, checksum: 8f9cc7ba7d462c45a4f48f37c6456bcf (MD5) / O presente trabalho é uma investigação experimental do escoamento turbulento em válvulas de compressores alternativos. O difusor radial com discos concêntricos e paralelos é a geometria básica para a análise deste tipo de escoamento e foi escolhida para efeitos de simplificação. Além de válvulas de compressores, o escoamento em difusores é importante em uma série de aplicações tecnológicas (tais como mancais aeroestáticos e válvulas de componentes pneumáticos) e tem despertado também o interesse de pesquisadores devido a suas peculiaridades fenomenológicas. O comportamento do escoamento turbulento através do difusor radial é investigado para os regimes estacionário e transiente. A condição de transiente é representada pela pulsação na vazão do escoamento, imposta pelo acionamento de uma válvula proporcional, mantendo-se porém o afastamento entre os discos fixo. Para a situação de escoamento transiente foi desenvolvida uma bancada capaz de fornecer a distribuição de pressão sobre o disco frontal em qualquer posição do ciclo. A partir dos dados experimentais foi verificado que a distribuição de pressão não é afetada pela pulsação do escoamento em freqüências de até 1 Hz. Trabalhos futuros devem estender a investigação do efeito de inércia para transientes mais rápidos. Uma caracterização detalhada do escoamento estacionário foi possível através do emprego de um sistema de anemometria de fio quente, obtendo-se resultados de velocidade e de grandezas turbulentas na saída do difusor. Para afastamentos elevados entre os discos, verificou-se uma assimetria no perfil de velocidade na saída do difusor provocada pela região de recirculação no difusor. Em todas as situações de escoamentos analisadas, foram registrados níveis elevados de turbulência na saída do difusor. Para alguns casos, no entanto, constatou-se a presença de um processo de laminarização no difusor provocado pela queda dos níveis de velocidade ao longo do difusor. Dados experimentais de distribuição de pressão sobre o disco frontal, e de velocidade e grandezas turbulentas na saída do difusor, foram comparados com resultados obtidos da simulação numérica do escoamento com o modelo de turbulência RNG k-e. O nível de concordância observado entre os resultados indica que o modelo computacional é capaz de prever o escoamento de forma satisfatória.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-19T11:37:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T23:43:59Z : No. of bitstreams: 1 180204.pdf: 5210335 bytes, checksum: 4be8c1ef2b2de68a25b5147b174fb11e (MD5) / O trabalho é uma análise numérica, com validação experimental, do escoamento turbulento em válvulas automáticas de compressores herméticos. Neste tipo de válvulas o escoamento é um agente promotor da abertura e do fechamento da válvula e, por esta razão, o seu entendimento é de importância crucial para a melhoria da eficiência do sistema. A geometria simplificada de difusor radial adotada no trabalho permitiu a redução dos recursos computacionais necessários para a solução do escoamento, sem no entanto diminuir a importância das conclusões obtidas. Inicialmente, o efeito da inclinação da palheta sobre o escoamento é analisado para várias posições de abertura da válvula. Posteriormente, a análise é estendida para o efeito da relação entre os diâmetros da palheta e do orifício de passagem. Finalmente, o trabalho investiga o efeito da pulsação do escoamento através da válvula. As equações governantes do escoamento, escritas para um sistema de coordenadas não-ortogonal, são resolvidas pelo método dos volumes finitos. A modelação do escoamento turbulento é realizada com o modelo RNG k-e de Yakhot e Orzag (1986) e o modelo k-e para baixos números de Reynolds de Launder e Sharma (1974). A validação do modelo numérico é realizada através de uma série de testes numéricos para erros de truncamento. O desempenho dos modelos de turbulência na previsão do escoamento é examinado pela comparação de seus resultados com dados experimentais de distribuição de pressão sobre a palheta. Os resultados demonstram que o modelo RNG k-e prevê com sucesso a distribuição de pressão sobre a palheta. Por outro lado, constata-se que o modelo de Launder e Sharma (1974) prevê níveis elevados de turbulência e calcula regiões de recirculação na válvula muito menores do que as sugeridas pelas medições. Fica demonstrada a influência significativa da inclinação da palheta sobre os campos do escoamento, afetando de forma substancial o carregamento de pressão na palheta. Encontra-se para as maiores relações de diâmetros D/d investigadas, que a força sobre a palheta pode resultar negativa, com o esforço do escoamento sendo no sentido de puxar a palheta em direção ao assento. A partir de uma determinada vazão observa-se que a distribuição de pressão sobre a palheta, escrita numa forma adimensional apropriada, torna-se independente do número de Reynolds. Por fim, conclui-se que para a geometria de válvula considerada a pulsação imposta para a vazão na válvula não tem efeito algum sobre o escoamento.

Este trabalho teve como motivação buscar as causas e apresentar alternativas de soluções que busquem sanar ou reduzir o problema de desgaste localizado, produzido pela erosão das cinzas, nos tubos do economizador das caldeiras de uma usina termoelétrica a carvão. Para este fim foi construído um modelo em escala de parte da caldeira, reproduzindo o duto curvo de retorno dos gases e, na saída do mesmo, um banco de barras de seção circular, simulando o banco de tubos do economizador. Medições de velocidade, utilizando uma sonda tipo tubo de Pitot e anemômetro de fio quente, medições do campo de pressão nas paredes e visualização do escoamento utilizando fios de lã foram aplicados para a análise do escoamento nas condições existentes na usina e nas configurações modificadas, propostas segundo critérios de controle da camada limite. A análise dos dados, comparada com medições de desgaste localizado na caldeira, levaram à identificação do processo hidrodinâmico existente e os efeitos resultantes nas modificações propostas.