This thesis finds that vortex instabilities are not necessarily a barrier to their potential as sites for planetesimal formation. It is challenging to build planetesimals from dust within the lifetime of a protoplanetary disc and before such bodies spiral into the central star. Collecting matter in vortices is a promising mechanism for planetesimal growth, but little is known about their stability under these conditions. We therefore aim to produce a more complete understanding of the stability of these objects. Previous work primarily focusses on 2D vortices with elliptical streamlines, which we generalise. We investigate how non?constant vorticity and density power law profiles affect stability by applying linear perturbations to equilibrium solutions. We find that non?elliptical streamlines are associated with a shearing flow inside the vortex. A ?saddle point instability? is seen for elliptical?streamline vortices with small aspect ratios and we also find that this is true in general. However, only higher aspect ratio vortices act as dust traps. For constant?density vortices with a concentrated vorticity source we find parametric instability bands at these aspect ratios. Models with a density excess show many narrow bands, though with less strongly growing modes than the constant?density solutions. This implies that dust particles attracted to a vortex core may well encounter parametric instabilities, but this does not necessarily prevent dust?trapping. We also study the stability and lifetime of vortex models with a 2D flow in three dimensions. Producing nearly?incompressible 3D models of columnar vortices, we find that weaker vortices persist for longer times in both stratified and unstratified shearing boxes, and stratification is destabilising. The long survival time for weak, elongated vortices makes it easier for processes to create and maintain the vortex. This means that vortices with a large enough aspect ratio have a good chance of surviving and trapping dust for sufficient time in order to build planetesimals.

Nesta dissertação, estuda-se a transição de esteira no escoamento ao redor de um aerofólio NACA 0012 com ângulos de ataque de zero dez e vinte graus. Dois casos são considerados: fólio isolado e fólio alinhado com um cilindro. Nas duas configurações, analisa-se a estabilidade linear em relação a perturbações tridimensionais. Tais perturbações foram estudadas usando a teoria de Floquet para um conjunto de números de Reynolds e ângulos de ataques. O escoamento base é calculado usando o método de elementos finitos espectrais para a discretização espacial. Dos resultados de estabilidade no caso do aerofólio isolado, pode-se observar dois picos de instabilidade com diferentes comprimentos de onda na envergadura. A simetria dos modos instáveis é também apresentada. Um dos modos instáveis presente na esteira do aerofólio isolado foi também observado no caso do cilindro alinhado com o fólio, enquanto o outro modo foi suprimido em tal geometria / Study of hydrodynamic stability of the flow around a cylinder aligned with on airfoil

Nesta dissertação, estuda-se a transição de esteira no escoamento ao redor de um aerofólio NACA 0012 com ângulos de ataque de zero dez e vinte graus. Dois casos são considerados: fólio isolado e fólio alinhado com um cilindro. Nas duas configurações, analisa-se a estabilidade linear em relação a perturbações tridimensionais. Tais perturbações foram estudadas usando a teoria de Floquet para um conjunto de números de Reynolds e ângulos de ataques. O escoamento base é calculado usando o método de elementos finitos espectrais para a discretização espacial. Dos resultados de estabilidade no caso do aerofólio isolado, pode-se observar dois picos de instabilidade com diferentes comprimentos de onda na envergadura. A simetria dos modos instáveis é também apresentada. Um dos modos instáveis presente na esteira do aerofólio isolado foi também observado no caso do cilindro alinhado com o fólio, enquanto o outro modo foi suprimido em tal geometria / Study of hydrodynamic stability of the flow around a cylinder aligned with on airfoil

Esta tese apresenta o estudo da transição para um escoamento tridimensional da esteira de um cilindro oscilando. Esta é a transição secundária do escoamento ao redor de um cilindro, sendo a primária a própria esteira de von Kármán. A investigação é realizada na mesma faixa de número de Reynolds (Re) que ocorre a transição da esteira de um cilindro fixo: 200 Re 400. O estudo envolve simulações numéricas diretas bi- e tridimensionais do escoamento incompressível ao redor de um cilindro oscilando usando o método dos elementos espectrais. A transição também é analisada através do estudo de estabilidade linear do escoamento. O método de Gaston Floquet é adequado para a análise de estabilidade a perturbações tridimensionais devido à periodicidade característica da esteira de von Kármán. Além disto, o método é mais geral e não é aplicado somente a equações autônomas com soluções periódicas: ele também pode ser usado em análises cujo campo base é estacionário como a análise da transição primária da esteira de um cilindro. Mostra-se que a transição da esteira para tridimensionalidade é influenciada pela oscilação do cilindro. As oscilações podem atrasar a transição quando em amplitudes baixas e com escoamento a um número de Reynolds até 260. Em outros casos, a transição é similar à observada no escoamento ao redor um cilindro fixo. Além disso, quando há mudança de padrões de desprendimento de vórtices devido às oscilações, desencadeiam-se modos instáveis diferentes dos observados na esteira de um cilindro fixo. A comparação dos resultados da análise de estabilidade de Floquet com simulações numéricas diretas e experimentos publicados mostra na maioria dos casos que, apesar de ser uma análise de estabilidade linear, muitas características da análise persistem além do limiar de estabilidade. As situações com discrepâncias são identificadas nesta tese, como padrão de desprendimento diferentes em simulações bi- e tridimensionais na mesma situação. As causa das discrepâncias são estudadas através das simulações numéricas diretas e considerações sobre o sistema linearizado e a abrangência da análise de estabilidade. Em adição, mostra-se que há um limiar de amplitude de oscilação acima do qual a dinâmica da esteira, e portanto a transição secundária, é afetada. Abaixo deste limiar, retoma-se o comportamento do escoamento ao redor de um cilindro fixo. / This thesis presents the investigation of the transition to a three-dimensional flow in the wake of an oscillating circular cylinder. This is the secondary transition of the flow around a circular cylinder, while the primary transition leads to the von Kármán wake. The investigative work is performed in the Reynolds number (Re) range which occurs the secondary transition of the wake o a circular cylinder: 200 Re 400. The study consists of two- and three-dimensional direct numerical simulations of the incompressible flow around an oscillating circular cylinder by means of the spectral/hp method. The transition is also analyzed through linear stability study of the flow. The Gaston Floquet method is an appropriate method for this linear stability analysis to three-dimensional perturbations due to the typical periodicity of the von Kármán wake. Furthermore, the Floquet method is of a general kind and it is not specifically applied to autonomous equation with periodic solutions: it can be employed in analysis with a stationary base flow like the primary transition of the wake of a circular cylinder. The thesis shows that the transition to a three-dimensional wake is affected by the cylinder oscillation. The oscillations can delay the transition when they have low amplitudes and the flow has Reynolds number below 260. In other situations, the transition is similar to that observed in the flow of a fixed circular cylinder. In addition, when there is a change in the vortex shedding pattern due to the oscillatory motion, the observed unstable modes are different than those in a wake of a fixed circular cylinder. The comparison of the results from the Floquet stabilty analysis with the ones from direct numerical simulations and published experiments shows that in most cases, despite the linearization for the stability analysis, many features of the analysis persist beyond the instability threshold. The discrepant features observed are specified in this thesis, e.g. vortex shedding patterns different in two- and three-dimensional simulations with the same parameters. The cause of the discrepancies are studied through direct numerical simulations and careful considerations on the linearized system and the range of the stability analysis. In addition, this thesis shows that there is a threshold amplitude of oscillation for which the wake dynamics, therefore the secondary transition, is affected. Below this threshold, the wake behaves the same way as in the flow around a fixed circular cylinder.

Esta tese apresenta o estudo da transição para um escoamento tridimensional da esteira de um cilindro oscilando. Esta é a transição secundária do escoamento ao redor de um cilindro, sendo a primária a própria esteira de von Kármán. A investigação é realizada na mesma faixa de número de Reynolds (Re) que ocorre a transição da esteira de um cilindro fixo: 200 Re 400. O estudo envolve simulações numéricas diretas bi- e tridimensionais do escoamento incompressível ao redor de um cilindro oscilando usando o método dos elementos espectrais. A transição também é analisada através do estudo de estabilidade linear do escoamento. O método de Gaston Floquet é adequado para a análise de estabilidade a perturbações tridimensionais devido à periodicidade característica da esteira de von Kármán. Além disto, o método é mais geral e não é aplicado somente a equações autônomas com soluções periódicas: ele também pode ser usado em análises cujo campo base é estacionário como a análise da transição primária da esteira de um cilindro. Mostra-se que a transição da esteira para tridimensionalidade é influenciada pela oscilação do cilindro. As oscilações podem atrasar a transição quando em amplitudes baixas e com escoamento a um número de Reynolds até 260. Em outros casos, a transição é similar à observada no escoamento ao redor um cilindro fixo. Além disso, quando há mudança de padrões de desprendimento de vórtices devido às oscilações, desencadeiam-se modos instáveis diferentes dos observados na esteira de um cilindro fixo. A comparação dos resultados da análise de estabilidade de Floquet com simulações numéricas diretas e experimentos publicados mostra na maioria dos casos que, apesar de ser uma análise de estabilidade linear, muitas características da análise persistem além do limiar de estabilidade. As situações com discrepâncias são identificadas nesta tese, como padrão de desprendimento diferentes em simulações bi- e tridimensionais na mesma situação. As causa das discrepâncias são estudadas através das simulações numéricas diretas e considerações sobre o sistema linearizado e a abrangência da análise de estabilidade. Em adição, mostra-se que há um limiar de amplitude de oscilação acima do qual a dinâmica da esteira, e portanto a transição secundária, é afetada. Abaixo deste limiar, retoma-se o comportamento do escoamento ao redor de um cilindro fixo. / This thesis presents the investigation of the transition to a three-dimensional flow in the wake of an oscillating circular cylinder. This is the secondary transition of the flow around a circular cylinder, while the primary transition leads to the von Kármán wake. The investigative work is performed in the Reynolds number (Re) range which occurs the secondary transition of the wake o a circular cylinder: 200 Re 400. The study consists of two- and three-dimensional direct numerical simulations of the incompressible flow around an oscillating circular cylinder by means of the spectral/hp method. The transition is also analyzed through linear stability study of the flow. The Gaston Floquet method is an appropriate method for this linear stability analysis to three-dimensional perturbations due to the typical periodicity of the von Kármán wake. Furthermore, the Floquet method is of a general kind and it is not specifically applied to autonomous equation with periodic solutions: it can be employed in analysis with a stationary base flow like the primary transition of the wake of a circular cylinder. The thesis shows that the transition to a three-dimensional wake is affected by the cylinder oscillation. The oscillations can delay the transition when they have low amplitudes and the flow has Reynolds number below 260. In other situations, the transition is similar to that observed in the flow of a fixed circular cylinder. In addition, when there is a change in the vortex shedding pattern due to the oscillatory motion, the observed unstable modes are different than those in a wake of a fixed circular cylinder. The comparison of the results from the Floquet stabilty analysis with the ones from direct numerical simulations and published experiments shows that in most cases, despite the linearization for the stability analysis, many features of the analysis persist beyond the instability threshold. The discrepant features observed are specified in this thesis, e.g. vortex shedding patterns different in two- and three-dimensional simulations with the same parameters. The cause of the discrepancies are studied through direct numerical simulations and careful considerations on the linearized system and the range of the stability analysis. In addition, this thesis shows that there is a threshold amplitude of oscillation for which the wake dynamics, therefore the secondary transition, is affected. Below this threshold, the wake behaves the same way as in the flow around a fixed circular cylinder.