L’objectif de cette thèse est de répondre au besoin d’accélérer la restitution des résultats de calcul d’un code CFD pour la simulation d’écoulements hydrodynamiques quasi-incompressibles. Ce code présente l’originalité de résoudre explicitement les équations de Navier-Stokes sous l’hypothèse de faible compressibilité avec des schémas numériques d’ordre élevé. Les développements effectués visent à réduire les temps de calcul à précision équivalente.Une première partie est consacrée à l’implémentation d’une formulation purement incompressible avec une résolution implicite de la pression par un schéma de projection. La formulation incompressible autorise des pas de temps plus grand en s’affranchissant de la vitesse du son, mais au prix d’une algorithmique plus complexe et de la nécessité de résoudre un système linéaire. La comparaison des deux formulations,faiblement-compressible et incompressible, tend à montrer la pertinence du schéma de projection pour les écoulements laminaires instationnaires.Un deuxième axe de développement a consisté en la proposition d’une amélioration de la méthode de frontière immergée initialement présente dans le code.Si les résultats obtenus ne sont pas encore pleinement satisfaisants, ils montrent que la montée en ordre d’une méthode de frontière immergée peut être moins contraignante en formulation incompressible.Enfin la dernière partie traite de l’immersion rapide et robuste de géométries complexes telles qu’elles peuvent être rencontrées dans l’industrie. La localisation géométrique par arbre octal permet d’évaluer rapidement une fonction de distance signée indispensable pour la méthode de frontière immergée. / An original strategy to address hydrodynamic flow was recently proposed through a high-order weakly-compressible Cartesian grid approach. The method is based on a fully-explicit temporal scheme for solving the Navier-Stokes equations. The present thesis aims to reduce the computational time required to obtain the results without deteriorating the accuracy.A first part is dedicated to the implementation of a truly incompressible formulation with an implicit solution for the pressure field through a projection scheme. The incompressible solver allows larger time step size for time integration since the speed of sound tends to infinity. In return the algorithms are no longer straight forward and a linear system has to be solved through the Pressure Poisson Equation. Comparisons carried out between both formulations show that the projection scheme can be better adapted to efficiently simulate unsteady viscous flows. Then an improvement of the immersed boundary method has been proposed. Results are not fully satisfactory for now. However, it seems easier to develop a numerical scheme for the incompressible approach rather than the weakly-compressible one.Finally, the last part addresses the setup up of complex triangulations in immersed boundary simulations. A fast and robust procedure is developed for distance computation with an octree data structure.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-11-05T12:39:57Z No. of bitstreams: 1 GENILDO RIBEIRO DO NASCIMENTO - TESE (PPGEP) 2011.pdf: 15030089 bytes, checksum: e81e7db2dc5710f5ef448ea2e4b1e612 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-05T12:39:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GENILDO RIBEIRO DO NASCIMENTO - TESE (PPGEP) 2011.pdf: 15030089 bytes, checksum: e81e7db2dc5710f5ef448ea2e4b1e612 (MD5) Previous issue date: 2011-08-24 / Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre escoamento multifásico (gás-óleo pesado-água) em dutos flexíveis que tem uso em diversas aplicações da indústria petrolífera e não petrolífera. As equações governantes são baseadas no modelo multifluido Euleriano-Euleriano não-homogêneo, considerando o escoamento tridimensional em regime permanente laminar e não-isotérmico. As simulações foram efetuadas usando-se o código computacional CFX-3D. Os resultados das distribuições de velocidade, pressão, fração volumétrica e temperatura ao longo do duto são apresentadas e analisadas. Verificou-se que a curvatura do duto e a fração volumétrica das fases presentes têm forte influência na hidrodinâmica do escoamento. Fez-se uma avaliação da região onde pode ocorrer precipitação de parafina e os resultados obtidos são consistentes fisicamente e permitem um melhor conhecimento acerca do escoamento multifásico (água, óleo pesado e gás). / This work presents a theoretical study on multiphase flow (gas-heavy oil-water) in flexible pipe which is used in many applications of petroleum industry and others industries. The governing equations are based on Eulerian-Eulerian multifluid model and non-omogeneous, by considering the steady non-isothermal laminar flow. The simulations were performed using the computer code CFX-3D. Results of the velocity, pressure, volume fraction and temperature distributions along the pipeline are presented and analyzed. It was verified that the curvature of the pipe and the volumetric fraction of the phases has large influence in the hydrodynamic of flow. An evaluation of paraffin precipitation and the results are consistent physically and allow a better knowledge of multiphase flow (water, heavy oil, gas).

OLIVEIRA, Marceliano Eduardo de. Novo paradigma em Física Computacional - software livre e computação em nuvem - aplicado à solução numérica de EDPs. 2014. 245 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-04-09T20:43:39Z No. of bitstreams: 1 2014_tese_meoliveira.pdf: 19614159 bytes, checksum: aa7330651c925aed81b7abd66f0ae934 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-04-10T20:38:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_tese_meoliveira.pdf: 19614159 bytes, checksum: aa7330651c925aed81b7abd66f0ae934 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-10T20:39:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_tese_meoliveira.pdf: 19614159 bytes, checksum: aa7330651c925aed81b7abd66f0ae934 (MD5) Previous issue date: 2014 / The main goal of this work is numerically solving physics problems associated with transport phenomena, which are described by partial differential equations, whose numerical solution requires the use of computer codes. We use open source software like R and OpenFOAM, writing our own routines. The aim is to approach computational physics from a new paradigma, composed by open source software and cloud computing. To numerically solve a partial differential equation one needs some sort of discretization. We first study the frequent found numerical methods: Finite Difference (FD), Finite Volume (FV), Finite Elements (FE). Latter on, we implement a finite volume scheme for the solution of the diffusion equations in 1D and 2D using R and the two phase flow in a porous media using OpenFOAM. We choose the (FV) for its simplicity and because it has some conservatives properties resulting from vector calculus identities. Finally we perform some numerical experiments. During the work we keep in mind code reusability and portability. Our main achievements are: implementation of highly portable and reusable codes (specialized routines that can be used in different problems) into R and OpenFOAM that can be used from notebooks to cloud computing. We present also a scheme to specify domain heterogeneity through a blocking operator. We apply the studied methodology for numerically solving multiphase flows in porous media. We also show its application for solving classical problems like 1D and 2D diffusion. / O principal objetivo deste trabalho é resolver numericamente problemas físicos associados com os fenômenos de transporte, que são descritos por equações diferenciais parciais, cujas soluções numéricas exigem o uso de códigos de computadores. Optamos por usar plataformas de software livre, especificamente o código R e o OpenFOAM, escrevendo nossas próprios rotinas. O intuito é avaliar a aplicação em física computacional de um novo paradigma, formado pela combinação de software livre e computação em nuvem. A tarefa de resolver numericamente uma equação diferencial parcial passa pelo processo de sua discretização. Estudamos, numa etapa preliminar, os esquemas numéricos frequentemente utilizados para discretizar EDP, encontrados na literatura: Método de Diferenças Finitas (MDF), Método de Volumes Finitos (MVF), Método de Elementos Finitos (MEF) em suas variantes (Galerkin contínuo e descontínuo). Numa etapa posterior, fazemos a implementação computacional do método dos volumes finitos (MVF) em R para difusão de calor em uma e duas dimensões, e para o escoamento bifásico em meios porosos em OpenFoam. A escolha do (MVF) foi motivada pela sua relativa simplicidade de implementação e por apresentar propriedades conservativas baseadas em identidades de cálculo vetorial. Por último foram escolhidos alguns casos de estudo e nestes foram realizadas as tarefas de discretização, implementação computacional e simulação. Durante todo o processo foram levados em conta os seguintes parâmetros: portabilidade do código, reuso do código, estratégias para modificação do domínio. Nossas principais contribuições foram implementar em OpenFOAM e em R códigos de alta portabilidade (desktop, laptop, nuvem) e com bom reuso (segmentação em subrotinas especializadas que podem ser adaptadas a diferentes problemas). Neste trabalho mostramos também como modificar a geometria de um problema já implementado computacionalmente apenas usando um operador matricial que bloqueia pontos do domínio, criando uma heterogeneidade sem alterar drasticamente o código. Aplicamos as técnicas desenvolvidas para o estudo numérico do escoamento multifásico em meios porosos através do método de volumes finitos. Mostramos também a aplicação da mesma metodologia no estudo de problemas clássicos como a difusão em 1D e 2D.

Nous nous intéressons dans cette thèse au développement et à la mise en oeuvre de schémas numériques Volumes Finis d’ordre élevé pour des maillages non-structurés. Il s’agit de mettre en place les ingrédients numériques pour réaliser des simulations aux grandes échelles avec le code numérique elsA. Les schémas numériques proposés sont basés sur une approche directionnelle, afin de limiter le coût CPU et de réduire la molécule de points. La partie convective du schéma numérique doit être d’ordre élevé. L’ordre élevé est obtenu en utilisant différents gradients sur un stencil prédéféni utilisant 4 cellules. Deux gradients sont utilisés pour la partie convective : le gradient GreenGauss et le gradient “UIG”. Pour la partie diffusive, le gradient “UIG” est utilisé. Ce gradient a été développé durant la thèse et permet d’avoir un gradient moyen d’ordre 2 sur chaque interface. Ce gradient a été étudié et validé sur différents cas-tests. Les schémas numériques d’ordre élevé ont été analysés théoriquement avec des analyses d’ordre et de stabilité. Il a été montré que ces schémas peuvent atteindre l’ordre 5 sur des hexaèdres et l’ordre 3 sur des triangles équilatéraux. Suite à cette analyse, les différents schémas ont été d’abord testés en 1D sur un cas classique d’advection, puis ont été validés sur le cas de convection du vortex isentropique. / This study will present the development and results of high-order Finite Volume schemes for unstructured grids. The goal is to prepare numerical tools to perform Large Eddy Simulations with the indutrial solver elsA. These numerical schemes are based on a directional approach in order to limitate the CPU cost and reduce the stencil. The convective part of the scheme needs to be high order and this is obtained by the use of gradients on a four-cell stencil. Two gradients are used for the convective part, the Green-Gauss gradient and the “UIG” gradient. For the diffusive part, the “UIG” gradient is used. It was developped during this study and allows to recover a secondorder accurate scheme. This gradient was validated theorically and numerically on some test cases. High order numerical schemes were studied theorically with order and frequency analysis. It was shown that these schemes are fifth-order accurate on regular hexaedral elements and third-order accurate on equilateral triangles. Following this analysis, these schemes were tested in 1D on an advection test case and were then validated on the convection of an isentropic vortex.

Dans le cadre du développement récent des schémas numériques compacts d’ordre élevé, tels que la méthode de Galerkin discontinu (discontinuous Galerkin) ou la méthode des différences spectrales (spectral differences), nous nous intéressons aux difficultés liées à l’utilisation de ces méthodes lors de la simulation de solutions discontinues.L’utilisation par ces schémas numériques d’une représentation polynomiale des champs les prédisposent à fournir des solutions fortement oscillantes aux abords des discontinuités. Ces oscillations pouvant aller jusqu’à l’arrêt du processus de simulation, l’utilisation d’un dispositif numérique de détection et de contrôle de ces oscillations est alors un prérequis nécessaire au bon déroulement du calcul. Les processus de limitation les plus courants tels que les algorithmes WENO ou l’utilisation d’une viscosité artificielle ont d’ores et déjà été adaptés aux différentes méthodes compactes d’ordres élevés et ont permis d’appliquer ces méthodes à la classe des écoulements compressibles. Les différences entre les stencils utilisés par ces processus de limitation et les schémas numériques compacts peuvent néanmoins être une source importante de perte de performances. Dans cette thèse nous détaillons les concepts et le cheminement permettant d’aboutir à la définition d’un processus de limitation compact adapté à la description polynomiale des champs. Suite à une étude de configurations monodimensionnels, différentes projections polynomiales sont introduites et permettent la construction d’un processus de limitation préservant l’ordre élevé. Nous présentons ensuite l’extension de cette méthodologie à la simulation d’écoulements compressibles bidimensionnels et tridimensionnels. Nous avons en effet développé les schémas de discrétisation des différences spectrales dans un code CFD non structuré, massivement parallèle et basé historiquement sur une méthodologie volumes finis. Nous présentons en particulier différents résultats obtenus lors de la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente. / Following the recent development of high order compact schemes such as the discontinuous Galerkin or the spectraldifferences, this thesis investigates the issues encountered with the simulation of discontinuous flows. High order compactschemes use polynomial representations which tends to introduce spurious oscillations around discontinuities that can lead to computational failure. To prevent the emergence of these numerical issues, it is necessary to improve the schemewith an additional procedure that can detect and control its behaviour in the neighbourhood of the discontinuities,usually referred to as a limiting procedure or a limiter. Most usual limiters include either the WENO procedure, TVB schemes or the use of an artificial viscosity. All of these solutions have already been adapted to high order compact schemes but none of these techniques takes a real advantage of the richness offered by the polynomial structure. What’s more, the original compactness of the scheme is generally deteriorated and losses of scalability can occur. This thesis investigates the concept of a compact limiter based on the polynomial structure of the solution. A monodimensional study allows us to define some algebraic projections that can be used as a high-order tool for the limiting procedure. The extension of this methodology is then evaluated thanks to the simulation of different 2D and 3D test cases. Those results have been obtained thanks to the development of a parallel solver which have been based on a existing unstructured finite volume CFD code. The different exposed studies detailed end up to the numerical simulation of the shock turbulent boundary layer.

O princípio operacional do dispositivo de galgamento consiste de uma estrutura que utiliza uma rampa para direcionar as ondas incidentes para o reservatório. A água armazenada retorna para o oceano após a passagem por uma turbina que está acoplada a um gerador de energia elétrica. O presente trabalho propõe dois estudos numéricos a respeito de um conversor de energia das ondas do mar do tipo galgamento. Para ambos os casos, o objetivo do estudo é a aplicação do método Design Construtal na definição da melhor forma para a rampa de modo a maximizar a massa de água que entra no reservatório, conduzindo a uma maior geração de energia elétrica. O grau de liberdade b/B, isto é, a razão entre a base superior e a base inferior da rampa trapezoidal, foi otimizado, mantendo-se fixos a área total do tanque de ondas, a área da rampa e as características da onda. Para a análise numérica do princípio de funcionamento deste dispositivo foi empregado um domínio computacional tridimensional (3D), gerado através do software GAMBIT, onde o conversor é acoplado a um tanque de ondas regulares. A solução das equações de conservação e a equação do transporte da fração volumétrica foi realizada com o código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional FLUENT, que é baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). Aplica-se o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) no tratamento da interação água-ar. Para o primeiro estudo, as características da onda regular empregada estavam em escala de laboratório. Os resultados mostraram que houve uma razão ótima (b/B)o = 0.43, que maximiza a quantidade de água que entra no reservatório para o caso estudado. Para ambos os casos, a razão ótima foi encontrada para o extremo inferior do grau de liberdade, além dos resultados apontarem um aumento significativo na massa admitida no reservatório e, por consequente, um maior aproveitamento das ondas incidentes. / The operational principle of an overtopping device consists of a structure which utilizes a ramp to direct incident waves to the reservoir. The stored water returns to the ocean after passing through a turbine that is coupled to an electric generator. This work proposes two numerical studies of a WEC of sea waves of the type overtopping. In both cases, the objective of the study is the application of Constructal Design method to define the best geometry of the ramp which maximizes the mass of water entering the reservoir, leading to increase the generation of electricity. The degree of freedom b/B, that is, the ratio between the upper base and the lower base of the trapezoidal ramp, has been optimized, keeping fixed the total area of the wave tank, the area of the ramp and the wave characteristics. For the numerical analysis of the working principle of this device it was used a three-dimensional computational domain (3D) generated by GAMBIT software where the device is inserted to a tank of regular waves. The solution of conservation equations and equation of transport of the volumetric fraction was carried out with the Commercial Code of Computational Fluid Dynamics FLUENT, which is based on Finite Volume Method (FVM). It was applied the multiphase model Volume of Fluid (VOF) in the treatment of the interaction water-air. For the first study, the characteristics of the employed regular wave were on a laboratory scale. The results showed that there were an optimal ratio (b/B)o = 0.43, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. For the second study, the characteristics of the regular wave were employed at actual scale and the results showed that there was an optimum ratio (b/B)o = 0.38, which maximizes the amount of water entering the reservoir for the case study. In both cases, the optimum ratio is found for the extreme lower of freedom of degree and the results showed a significant increase in the mass allowed in the reservoir and, consequently, larger use of the incident waves.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-04T15:09:34Z No. of bitstreams: 1 CLEIDE MARIA DINIZ PEREIRA DA SILVA E SILVA - TESE (PPGEP) 2012.pdf: 6234147 bytes, checksum: b7947b5fad59d344ecc513171bbe4d2c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-04T15:09:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CLEIDE MARIA DINIZ PEREIRA DA SILVA E SILVA - TESE (PPGEP) 2012.pdf: 6234147 bytes, checksum: b7947b5fad59d344ecc513171bbe4d2c (MD5) Previous issue date: 2012-03-23 / Este trabalho tem como objetivo estudar o fenômeno da difusão transiente de massa em sólidos com formas cilíndricas e elipsoidais. O estudo apresenta soluções para a equação de difusão com condição de contorno do terceiro tipo. Foram desenvolvidas ferramentas analíticas (otimizador acoplado à solução analítica) e numéricas para a descrição da difusão de massa em produtos com as formas mencionadas. Para as soluções numéricas propostas, a equação de difusão bidimensional foi discretizada usando o método dos volumes finitos, com uma formulação totalmente implícita, usando coordenadas cilíndricas e generalizadas. Para a solução numérica em coordenadas cilíndricas, foi desenvolvido um software na plataforma Windows, utilizando a linguagem de programação Fortran, incluindo a interface gráfica com o usuário. O software gerou resultados coerentes e consistentes em todos os testes efetuados, e foi validado para cilindros tanto com parâmetros termo-físicos constantes quanto variáveis. Pode-se concluir que as ferramentas desenvolvidas são adequadas para o estudo de problemas difusivos em geral. As ferramentas desenvolvidas foram usadas para descrever o processo de secagem de bananas inteiras e em pedaços cilíndricos de vários comprimentos. Na descrição, foram usados dois modelos. No primeiro modelo foram considerados volume e difusividade efetiva de massa constantes e, no segundo, estes parâmetros foram considerados variáveis. Conclui-se que o segundo modelo descreve o processo melhor que o primeiro, com excelentes indicadores estatísticos na descrição da cinética de secagem. / This work has the objective of studying the transient diffusion phenomena of mass in solids with cylindrical and ellipsoidal shape. The study presents solutions for the diffusion equation with boundary condition of the third kind. Analytical (optimizer coupled with the analytical solution) and numerical tools were developed for the description of the diffusion of mass in products with the mentioned shapes. For the numerical solutions proposed, the two-dimensional diffusion equation was discretized using the finite volume method, with fully implicit formulation, using cylindrical and generalized coordinates. For the numerical solution in cylindrical coordinates it was developed a software in the Windows platform, using the programming language Fortran, including graphic interface with the user. The software generated consistent results in all of the tests performed, and was validated for cylinders with constant or variable thermo-physical parameters. We can conclude that the tools developed are appropriate to the study of diffusive problems in general. The developed tools were used to describe drying of whole bananas and in cylindrical pieces, with several lengths. Two models were used to describe the process. Model 1, with constant volume and mass diffusivity; and model 2, in which these parameters were considered variable. Model 2 is better than model 1, and the statistical indicators are excellent in the description of the drying kinetics.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-30Bitstream added on 2014-06-13T20:30:31Z : No. of bitstreams: 1 rodrigues_tt_me_ilha.pdf: 2332044 bytes, checksum: 6e277868f01ea21a46dfbf5c827109a7 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / A compreensão do escoamento em válvulas de compressores herméticos alternativos é de fundamental importância para introduzir modificações no projeto delas de maneira a aumentar a performance dos compressores, e por fim, dos ciclos de refrigeração. A válvula do compressor é um dispositivo ímpar, umas vez que seu funcionamento se dá pela ação da pressão exercida pelo escoamento, caracterizando um problema de forte interação fluido- estrutura. O uso da modelagem numérica através das ferramentas da mecânica dos fluidos computacional (CFD) tem se destacado como a alternativa mais dinâmica para o estudo do fenômeno. O trabalho desenvolvido foi voltado para o estudo numérico do escoamento através do difusor radial, o qual é um modelo simplificado da válvula, com o emprego do Método da Fronteira Imersa com Modelo Físico Virtual para a modelagem do disco superior do difusor (palheta). O ponto forte desta metodologia é que a representação de regiões sólidas é feita pelo cálculo de um campo de força, o qual é introduzido nas equações das células na vizinhança do sólido. Este procedimento dispensa o uso de malhas que se adaptam ao corpo, possibilitando o uso de malhas cartesianas convencionas para modelar geometrias complexas e móveis. A metodologia foi acoplada com a solução das equações governantes do escoamento em coordenadas cilíndricas através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, a metodologia foi validada, utilizando como dados de referência resultados provenientes de estudos numéricos e experimentais, e foi avaliada a influência dos parâmetros do procedimento na qualidade final dos resultados. Na segunda etapa foram desenvolvidos estudos preliminares referentes ao movimento do disco superior, com a imposição artificial dos processos de abertura e fechamento da válvula. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia adotada... / The fully understanding of the flow through automatic valves of alternative hermetic compressors is essentiall to introduce modifications in its project aiming the improvement of the compressor performance and, also, the refrigeration cycle. The compressor valve is a singular device, once its operation is ruled by the flow pressure, characterizing a case with a strong fluid-structure interaction. The using of numerical tools trough the methods of computational fluid dynamics (CFD) has gained especial attention due to its flexibility to study the phenomenon. The present work was developed to study numerically the flow through the radial diffuser, which is a simplified model of the valve, with the employment of the Immersed Boundary Method with Virtual Physical Model to modeling the superior disk (valve reed). The main advantage of this methodology is that the modeling of solid boundaries is performed with the calculus of a force field, which is introduced in the cells equations nearby the solid. This procedure dispenses the using of body-fitted meshes, enabling the adoption of conventional Cartesian meshes to model complex and moving geometries. The methodology was coupled with the solution of the governing equations in cylindrical coordinates though the Finite Volume Method. Firstly, the methodology was validated, confronting the results obtained with data from numerical and experimental studies, where the influence of the main parameters in the quality of the final results was evaluated. In the second step were developed preliminary studies concerning the movement of the superior disk, whose opening and closing movements were artificially imposed. The results obtained showed that the adopted methodology is quit promising and flexible, and can be employed in more refined studies to the comprehension of the flow through the valve regarding the fluid-structure interaction that rules the problem

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-06-28Bitstream added on 2014-06-13T20:30:31Z : No. of bitstreams: 1 anhejunior_sa_me_ilha.pdf: 2550289 bytes, checksum: 4299d702522bdb3a4b51de625099c77e (MD5) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / O presente trabalho refere-se à investigação experimental e numérica do escoamento em difusores radiais, que são usados como modelos de representação de sistemas de válvulas de compressores de refrigeração. Uma bancada experimental é projetada, construída e validada para medir a distribuição de pressão, sobre o disco frontal de um difusor radial de razão de diâmetro 3, para números de Reynolds de 1500 a 9000 e afastamento entre os discos frontal e anterior variando de 0,415mm a 0,705mm aproximadamente. Paralelamente, desenvolve-se um código computacional, baseado na metodologia de Volumes Finitos para malhas desencontradas, para simular o escoamento na geometria do difusor radial. O código computacional é primeiramente validado por meio dos resultados experimentais obtidos da bancada construída. Após sua validação, o código é usado para analisar o escoamento em um difusor de razão de diâmetro igual a 1,4, para números de Reynolds variando de 500 a 2500 e afastamento entre discos na fixa de 0,125 a 1,0mm. Os resultados numéricos mostram o surgimento de recirculação extendendo-se em toda região do difusor. Além disso, os resultados de perfil de pressão sobre o disco frontal fornecem forças e quedas totais de pressão no difusor que aumentam com o número de Reynolds e afastamento entre disco. Esse comportamento produz um ponto de mínima área efetiva de força localizado na faixa de , para números de Reynolds variando de 500 a 1500. Para número de Reynolds mais elevados, , a área efetiva de força sempre aumenta com o aumento do afastamento entre discos. A área efetiva de escoamento, outro parâmetro de interesse para a simulação do compressor, apresenta um crescimento linear com o afastamento entre discos, independentemente do número de Reynolds avaliado. / In this work, an experimental and numerical investigation of the flow in radial diffusers representing the valve system of refrigeration compressor is accomplished. An experimental bench is designed, build, and validated allowing the measurement of the pressure distribution on the frontal disk surface of a radial diffuser with diameter ratio equal to 3, for Reynolds number varying from 1500 to 9000 and distances between disks in the ranges of 0.415 to 0.705mm. In addition, a computational code based on the Finite Volume Methodology for staggered mesh is developed in order to simulate the flow though the radial diffuser. The computational code is firstly validated by using the experimental data obtained from the experimental bench. After its validation, the code is used for analyzing the flow through a radial diffuser with diameter ratio equal to 1.4, for Reynolds numbers varying from 500 to 2500 and distance between disks in the range of 0.125 a 1.0 mm. The numerical results showed recirculation regions extending through the whole diffuser for the majority of the analyzed cases. The pressure profiles on the frontal disk surface produce forces and total pressure drops through the diffuser that increase with both Reynolds number and distance between disks. There is a minimum effective force area in the range of , for Reynolds numbers varying from 500 a 1500. For higher Reynolds numbers, , the effective force area always increases for increasing distance between disks. The effective flow area, another parameter used for simulating the compressor, increases linearly with the distance between disks, independently of the Reynolds number.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gerson Filippini.pdf: 3306780 bytes, checksum: e9e94632db2e1724ef9cf694d93a5724 (MD5) Previous issue date: 2004-11-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The Finite Elements Method (MEF) has been traditionally applied to stress analysis in solid mechanics, whereas the Finite Volume Method (MVF) has its main application in heat transfer and fluid flow analyses. In the last years, use of Finite Elements in fluid dynamics problems has shown a substantial increase due, not only to its well-known facility to handle complex geometries, but to the development of new element stabilization techniques. On the other hand, the development of new models based on unstructured meshes has open new possibilities for application of the Finite Volume method. The present work addresses some aspects associated to the application of the MVF to plane elasticity, in which a discretisation procedure for Cartesian meshes is presented and comparisons between FEM and FVM for test problems are discussed. Emphasis is given to stress computation for Finite Volumes and comparisons to those obtained via recovery techniques for Finite Elements. The discretisation strategy and solution of the linear equation system have been approached under the classical FVM perspective, aiming at integration in existing Finite Volume codes. The analyses have been performed for a doubly-clamped beam with prescribed displacements in both ends, in which special attention is given to the shear stresses. It has been observed that the stresses evaluated using the MVF yields smaller differences when compared to the global smoothing method associated to the FEM. Furthermore, Finite Volumes has shown less susceptibility to poor aspect ratio then Finite Elements using linear shape functions. A qualitative analysis of the compression of a cylindrical billet has also shown no hourglass for Finite Volumes solutions. / O Método de Elementos Finitos (MEF) tem sido Tradicionalmente aplicado a problemas mecânicos de análise de tensões, enquanto o Método de Volumes Finitos (MVF) tem sua aplicação principal em transferência de calor e mecânica dos fluidos. Nos últimos anos, o uso de Elementos Finitos em problemas de dinâmica dos fluidos tem mostrado um aumento substancial. Isso se deve não somente a sua conhecida facilidade de tratar geometrias complexas, mas também ao desenvolvimento de novas técnicas de estabilização de elementos. Por outro lado, o desenvolvimento de novas estratégias baseadas em malhas não estruturadas tem renovado o incentivo na aplicação do método de Volumes Finitos. O presente trabalho discute diversos aspectos relativos à aplicação do MVF a problemas de elasticidade plana com malhas estruturadas e cartesianas, com ênfase nas comparações entre as distribuições de tensões obtidas pelo MVF e aquelas calculadas pelo MEF a partir de diferentes esquemas de suavização. As análises são feitas para uma viga engastada em ambos lados com deslocamentos prescritos nas extremidades visando avaliar principalmente as tensões cisalhantes. Observou-se que o campo de tensões calculado pelo MVF apresenta menor diferença quando comparado com aquele obtido pelo MEF utilizando-se o esquema de suavização global. Ressalta-se que o problema é abordado pelo prisma de Volumes Finitos (discretização das equações de governo e métodos de solução) visando futura implementação em códigos já existentes para problemas de termofluidos, com vistas à aplicação a problemas de interação fluidoestrutura. Fez-se também uma verificação inicial da existência de modos espúrios em um problema compressivo e a influência da variação da razão de aspecto dos elementos sobre os resultados.