Os ejetores possuem diferentes aplicações como na propulsão, refrigeração e aeroespacial. Este dispositivo não possui partes móveis e por isso é um equipamento simples, confiável, com potencial de vida longa e pode ser fabricado a um custo relativamente baixo, além disso, podem ser utilizados materiais baratos para sua construção. Por estas razões, pesquisas vêm sendo realizadas com a finalidade de melhorar o desempenho deste dispositivo. O objetivo do presente trabalho é analisar ejetores supersônicos a gás utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamic - Dinâmica dos Fluidos Computacional) para estudar os fenômenos físicos, os efeitos da geometria e das condições de operação no escoamento variando os seguintes parâmetros: vazão na entrada secundária, o comprimento e o tipo da câmara de mistura. As equações do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelos de turbulência k-?-realizável e k-?-SST) são resolvidas numericamente empregando o método de volumes finitos. Um estudo com várias malhas foi realizado para garantir independência dos resultados em relação a estas e para validação do procedimento numérico foram utilizados dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados da validação mostraram que o modelo de turbulência k- ?- SST e o esquema de discretização de 1 ordem apresentaram melhor desempenho para reproduzir os dados experimentais disponíveis para este ejetor. Os resultados para o comprimento da câmara de mistura de pressão constante indicam que para este modelo do ejetor, o comprimento ideal encontrado de acordo com uma equação, pois este é influenciado pela vazão na entrada secundária. Outros resultados também mostraram que com o aumento da vazão na entrada secundária, a diferença de pressão entre a saída e a entrada secundária diminui.

Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento formado por duas correntes coaxiais, confinados em tubo circular. O popular método de Patankar-Spalding para solução das equações de transporte é empregado. O modelo K-E, em sua forma "standard", é utilizado na modelagem de turbulência. Os resultados apresentados reproduzem primeiramente o caso laminar, com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostrados soluções para o escoamento em desenvolvimento e desenvolvido no interior de dutos circulares. Os resultados obtidos mostram-se em concordância satisfatória com valores experimentais. Finalmente, resultados para jatos turbulentos, coaxiais, são apresentados e comparados com valores experimentais disponiveis.

The present thesis discuss in a didactic and detailed way the high-order scheme known as the Discontinuous Galerkin (DG) method, with special focus on applications in aerodynamics. The theoretical formulation of the method is presented in one and two dimensions with great depth, being properly discussed issues of convergence, basis functions, interelement communication, boundary conditions, shock treatment, as well as inviscid and viscous numerical fluxes. As part of this effort, a parallel computer code was developed to simulate the Euler equations of gas dynamics in two dimensions with general boundary conditions over unstructured meshes of triangles. Numerical simulations are addressed in order to demonstrate the characteristics of the Discontinuous Galerkin scheme, as well as to validate the developed solver. It is worth mentioning that the present work can be regarded as new within the Brazilian scientific community and, as such, may be of great importance concerning the introduction of the DG method for Brazilian CFD researchers and practitioners.

Fluidos de corte são compostos utilizados na indústria por sua capacidade de lubrificação e refrigeração nos processos de usinagem. Por serem ricos em compostos orgânicos sofrem ataques constantes de microorganismos que danificam peças, máquina-ferramenta e a saúde humana. Este trabalho se propôs a estudar o ciclo de vida dos fluidos de corte, considerando aspectos mecânicos, químicos e biológicos que, juntos, contribuem para uma análise holística dos aspectos de sustentabilidade industrial. Para atingir esta meta foi necessário estabelecer os requisitos e restrições para decisão do uso de óleos de base mineral, vegetal e sintética, para controlar as alterações das características mecânicas (condições de lubrificação e de refrigeração), químicas e biológicas. Como um dos resultados deste trabalho, foram definidos os requisitos e restrições para o uso da água resultante dos tratamentos de efluentes originários de fluidos de corte usados, pois, a partir destes dados, poder-se-á reutilizar esta água em máquina-ferramenta. Além disto, o estudo do ciclo de vida de fluidos de corte possibilitou o desenvolvimento de um novo fluido de corte vegetal de base óleo de pinhão manso. Este fluido serviu como protótipo para aplicação e demonstração do método de qualificação de fluidos de corte solúveis para processos de usinagem em liga de alumínio e ferro fundido cinzento. Finalmente, como resultado principal do estudo do ciclo de vida dos produtos observou-se que o fluido de corte solúvel dependendo da sua composição e destinação de seus efluentes, podem ter um ciclo de manufatura sustentável.

A recurring problem in high-order simulation of compressible flows is the appearance of spurious oscillations near regions which display abrupt changes of flow properties such as shock waves. If the amplitude of these oscillations is sufficiently high, this phenomenon, known as Gibbs phenomenon, can lead simulation to diverging due to the appearance of non-physical states (negative pressure or density, for example). Among the techniques available to address this problem, it is highlighted the use of limiters. Such methodology was taken to the high-order context by inheriting from Finite Volume methods and tend to be of easier implementation when compared with other possibilities. However, classical limiters have the disadvantage of reducing the local accuracy order to first order even when applied to smooth regions. This thesis proposes itself to study the ENO(Essentially Non-Oscillatory)-based limiting procedure first proposed by Qiu and Shu in 2003. Such schemes have the property of maintain the high-order accuracy on smooth regions while still providing sharp shock transitions. As part of this work, such limiter was implemented in a computer code based on the Discontinuous Galerkin (DG) methodology in order to simulate the gas dynamics Euler equations in two dimensions on unstructured triangular meshes. Tests and simulations were then performed in order to demonstrate that the capacities proposed.

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

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

O deslocamento de bolhas gasosas imersa em meio líquido tem sido bastante estudado nas últimas décadas, devido à aplicabilidade deste fenômeno em diversas áreas da engenharia, tais como: máquinas hidráulicas, turbo bombas, extração de petróleo, processamento de alimentos, bioengenharia, etc. Este trabalho reporta os resultados de uma investigação experimental e numérica do escoamento ao redor e no interior de bolhas de ar esféricas com velocidade ascendente terminal, bem como a determinação de alguns parâmetros adimensionais (números de Reynolds, coeficiente de arrasto, etc.) que caracterizam esse tipo de escoamento. A técnica experimental utilizada para a determinação de tais parâmetros foi a de visualização de escoamento, onde foram captadas imagens de bolhas imersas em meio líquido à velocidade terminal de ascensão. Paralelamente foram medidas a vazão do escoamento e o diâmetro das bolhas, permitindo assim a determinação dos parâmetros adimensionais supracitados. Para a obtenção da solução numérica do problema, utilizou-se um programa computacional, que possibilitou a resolução das equações diferenciais parciais (EDP's) não-lineares de Navier-Stokes e da equação da continuidade (equação da pressão). Tal programa resolveu as EDP's utilizando-se do método de Elementos Finitos. Simultaneamente, foi resolvido uma equação para a função corrente com o intuito de visualizar o campo de linhas decorrentes ao redor e no interior da bolha. Por fim, os resultados numéricos para a bolha de ar foram comparados com os dados experimentais obtidos e com os outros resultados provenientes da literatura específica.

Muitos processos industriais utilizam dutos de transporte de fluidos, os quais existem normas para a aferição da velocidade. O dispositivo ideal de medida seria o bocal de Venturi, contudo o método mais comumente utilizado de medição é a placa de orifício. O bocal convergente se mostra mais eficaz, quando comparado à placa de orifício, devido ao fato de não apresentar recirculação na entrada do bocal, além de que bocais convergentes podem efetuar medidas 55% maiores na vazão, usando o mesmo coeficiente beta (r?R) e o diferencial de pressão da placa de orifício. Outra vantagem deste bocal é o menor comprimento, quando comparado ao bocal de Venturi. Geralmente, no ambiente fabril, os fluidos nos dutos se apresentam turbulentos, por ter restrições no escoamento, ao longo da tubulação, assim podem causar diferenças na medição da vazão por gerar turbulências no escoamento da entrada, distintos das especificações da norma. Neste contexto, o presente trabalho demonstra os efeitos de rotação em fluidos no bocal de entrada presente no medidor de vazão do tipo convergente, utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics). Dessa forma, serão resolvidas as equações governantes (massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência), usando, para isso, o método de volumes finitos. Logo, o acoplamento entre os campos de pressão e velocidade são estabelecidos aplicando o algorítimo SIMPLE. Inicialmente, um estudo de refinamento de malha será realizado para a determinação do coeficiente de descarga em um escoamento sem rotação na entrada do bocal. A comparação entre os resultados do coeficiente de descarga para bocais convergentes apresentados na norma ISO 5167-3 e os resultados numéricos para o mesmo bocal, é realizada e obtiveram boa correlação na faixa de 3% de desvio. Em seguida, o estudo do decaimento do Swirl ao longo de um duto liso e de um duto com bocal convergente é levantado e os resultados mostraram que o decaimento está mais associado com a velocidade axial (Reynolds) do escoamento do que da rotação imposta ao fluido.

This thesis addresses the important problem of shock wave--boundary layer interaction (SBLI) flows for aerospace engineering applications. Moreover, the work emphasizes the need for high fidelity simulations for the appropriate treatment of such flows. In this context, RANS solvers appear as a cost effective CFD approach. Therefore, the present work conducts studies in such a way to identify and to understand limitations, strengths and capabilities of RANS simulations for SBLI flows. Since turbulence modeling is an important issue on the accuracy of such simulations, the efforts here are concentrated on assessing the capabilities of several models that range from linear eddy-viscosity models (EVM) to Reynolds-stress closures (RSM). It would be expected that a RSM-type model could provide better solutions for a 3-D turbulent boundary layer under the action of high adverse pressure gradients, once such models allow for anisotropy between the Reynolds stress components. In order to achieve such goals, the configurations presented at the 2010 AIAA SBLI Workshop are chosen as the current test cases. Such test cases deal with high speed flows and very complex phenomena, including boundary layer separation. Meshes, composed of hexahedral and wedge elements, have been built. Mesh refinement and grid convergence studies are performed in order to identify a grid with a good compromise between accuracy and computational cost. In any event, even using the baseline grids, the present work has found that the computations are considerably expensive. Several simulations are presented for the test cases. Although no turbulence model has remarkably shown an outstanding performance over the others, the present work indicates that the SST and SA closures are the ones providing the best results for the test cases of interest here. Nonetheless, the two closures still present shortcomings in the simulation of SBLI flows. The overall simulation results using the RSM closure for the present SBLI test cases are not better than the SA and SST results. One must observe that the latter are much simpler turbulence models. Additional studies shall be focused on providing more robustness to the simulations with the 7-equation RSM turbulence model.