Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento turbulento formado por duas correntes coaxiais passando através de contrações e expansões em tubo de seção circular com parede senoidal. O conhecido método de Patankar-Spalding para solução das equações de transporte é empregado. O modelo k-e, em sua forma "standard", é utilizado na modelagem da turbulência. Os resultados apresentados reproduzem primeiramente o caso laminar, com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostradas soluções para o escoamento turbulento desenvolvido e em desenvolvimento no interior de tubos. Também são apresentados resultados para o campo médio e turbulento através da contração e da expansão ambos com as formas senoidal e cônica. Os resultados indicam o decréscimo do transporte turbulento nas contrações e seu incremento ao longo de difusores.

Este trabalho consiste na simulação de escoamentos em grades lineares de perfis. São simuladas grades bidimensionais, em regimes subsônicos, transônicos e supersônicos. As equações de Euler e Navier-Stokes são empregadas, respectivamente, para simulações não-viscosas e viscosas sem incluir os efeitos de turbulência. O método de diferenças finitas é utilizado. Malhas computacionais tipo "H" foram geradas baseadas em geradores algébricos e elípticos. O algoritmo computacional utilizado baseia-se no modelo implícito de fatoração aproximada de Beam & Warming. As variáveis dependentes originais do modelo citado são subistituídas por pressão, componentes de velocidade e temperatura, também chamadas variáveis primitivas. Estas variáveis relacionam-se com o vetor de variáveis conservadas através de uma matriz jacobiana. Um modelo de dissipação artificial não-linear é empregado para proporcionar estabilidade numérica. Nas simulações viscosas, a aproximação pelo modelo de camada fina é utilizada. Empregam-se condições de contorno não-reflexivas nas fronteiras computacionais de entrada e saída do escoamento com base em equações características. Condições de contorno periódicas implícitas são utilizadas. Resultados são apresentados para a formação de um banco de dados e para comparações com dados disponíveis na literatura para uma análise do presente algoritmo de cálculo.

Foi aplicada a técnica de multigrid na implementação de dois programas computacionais visando a solução numérica de problemas em regime permanente de escoamentos laminares com geometrias simples e de um problema simples de transferência de calor em que o campo de velocidade é conhecido e constante, todos bidimensionais em coordenadas cartesianas. Os programas empregaram malhas computacionais estruturadas e ortogonais, estando os mesmos generalizados ao uso de malhas não-uniformes. As equações algébricas foram obtidas segundo uma formulação em volumes finitos, com as variáveis armazenadas no centro dos volumes elementares segundo um arranjo localizado e foram utilizados esquemas de interpolação distintos para cada classe de problema. O sistema de equações resultante foi relaxado através dos algoritmos Gauss-Seidel e TDMA - TriDiagonal Matrix Algorithm. O acoplamento pressão-velocidade foi feito segundo o método SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations. O algoritmo multigrid foi implementado na formulação correction storage em ambos os programas. A técnica foi demonstrada para alguns problemas bench-mark, com os resultados apresentando uma aceleração significativa do processo de convergência da solução numérica multigrid em relação às soluções em malha única, especialmente nas situações em que foram empregadas malhas bastante refinadas e foi exigida elevada precisão.

Calcula-se o escoamento turbulento na entrada de tubos e entre placas paralelas com as versões de Launder-Sharma e Lam-Bremhorst do modelo ';k-épsilon';, válidas paraescoamentos próximos a superfícies sólidas e a baixos números de Reynolds. Resolvem-se numericamente as equações da continuidade, de quantidade de movimento axial, de energia, de k (energia cinética turbulenta) e de ';épsilon'; (taxa de dissipação da energia cinética turbulenta), admitindo as simplificaçãoes da camada limite. A cada passo axial de integração das equações, prvê-se o gradiente de pressão pelo método de Patankar-Spalding e a cada iteração, realizadas para resolver as equações não lineares, este gradiente é corrigido por um método proposto, que é baseado na equação exata do gradiente axial da pressão. Para realizar uma validação do programa decomputador desenvolvido, compararam-se os resultados, primeiro para o escoamento laminar na região de entrada, e depois para o escoamento turbulento desenvolvido. Em seguida obtiveram-se resultados para escoamento turbulentos, com altos valores do número de Reynolds, na região de entrada de tubos e entre placas paralelas; com uma distribuição de k na entrada dos dutos de acordo com os resultados experimentais para a saída da contração, que dirige o escoamento à boca de entrada dos dutos. A concordância entre os resultados teóricos e osexperimentais é muito boa até o ponto onde a velocidade na linha de centro atinge o pico de máximo (overshoot), que corresponde aproximadamente ao encontro das camadas limites. A interação as camadas limites acarreta uma produção negativa de turbulência (supressão), que não é simulada corretamente pelo modelo ';k-épsilon';. Após este ponto de máximo, a discordância entre os resultados é um pouco maior, apesar deainda se prever que a velocidade na linha de centro não tende monotonicamente laminar. Os resultados teóricos para o perfil de tensão turbulenta, ';uv BARRA';, tem um desenvolvimento muito semelhante ao de uma camada limite externa até o ponto de encontro das camadas limites e depois se ajustam a variação linear do escoamento desenvolvido; de acordo com a explicação de Bradshaw para o pico da velocidade média na linha de centro. Obtiveram-se, tambem, os resultados para escoamento a menores números de Reynolds, inclusive, segundo os resultados experimentais para o número de Nusselt, com transição laminar-turbulento. Os resultados teóricos para o número ne Nusselt, obtidos com a versão do modelo ';k-épsilon'; de Launder-Sharma, reproduzem o comportamento dos resultados experimentais, com boa concordância e inclusive com previsão do mínimo no início da transição. Analisando o desenvolvimento da tensão ';uv BARRA'; ao longo do tubo, nota-se que o perfil imposto na boca de entrada, tende a diminuir na região onde o número de Nusselt decai, e cresce abruptamente após o mínimo do número de Nusselt. Como neste caso não havia resultados experimentais da tensão ';uv BARRA'; para comparação, não se pode afirmar, que esta versão do modelo ';k-épsilon'; prevê a transição corretamente neste escoamento. Pelas comparações realizadas, entre resultados teóricos e experimentais, verificou-se que, nos escoamentos analisados, a versão do modelo ';k-épsilon'; de Launder-Sharma apresentou uma performance melhor que a de Lam-Bremhorst.

O tamanho de turbinas eólicas comerciais tem aumentado consideravelmente nos últimos 25 anos desde aproximadamente uma potência de 50KW com rotores de entre 10 e 15 metros de diâmetro até as turbinas comerciais atuais de 5MW de potência com diâmetros de mais de 120 metros. Este desenvolvimento requer o uso de ferramentas numéricas que permitam prever os carregamentos aerodinâmicos estacionários e não estacionários, não somente nas pás de turbinas, mas também o sistema como um todo, incluindo torre, rotor e sistemas de controle. Neste contexto, este trabalho apresenta um programa computacional baseado na teoria de elemento de pá, a fim de predizer parâmetros geométricos e velocidades relativas ótimos para a obtenção de máxima potência. O método de painéis foi adaptado de forma a incluir os efeitos rotacionais das pás a fim de predizer cargas aerodinâmicas em estado estacionário. A formulação é tridimensional e conta com efeitos de esteira e velocidades angulares. Um estudo de caso para uma pá de turbina eólica de 2MW de potência foi utilizado para demonstrar as capacidades do código desenvolvido. Para avaliar as capacidades do código, foram feitas três tipos de validações. Primeiro foram comparados resultados da literatura da teoria de elemento de pá e do método de elemento fonte-dipolo, "Doublet-Source Lattice", (por separado) com os resultados obtidos pelo código. Uma última validação quantitativa foi feita mediante a comparação com os resultados de um software de fluidodinâmica computacional. O trabalho apresentado não pretende concorrer com os pacotes comerciais de CFD. O que se pretende é desenvolver uma ferramenta de projeto preliminar de pás de turbinas eólicas que permita obter um projeto ótimo em um tempo relativamente curto. Futuramente se pretende continuar esta investigação aderindo ao código a possibilidade de analisar o comportamento estrutural e aeroelástico de pás de turbina eólica, asas e pás de helicópteros.

Após um rápido estudo das questões relativas à transferência de calor entre a superfície de um corpo com alta velocidade e o escoamento de um gás perfeito ou de ar dissociado em equilíbrio, nos regimes laminar, transicional e turbulento, apresenta-se algumas fórmulas e métodos para se calcular o fluxo térmico convectivo sobre superfícies de revolução com ângulo de ataque. Emprega-se a analogia axissimétrica tradicional, de modo que os fluxos térmicos são estimados aplicando, ao longo de linhas de corrente superficiais invíscidas, fórmulas válidas para corpos de revolução com ângulo de ataque nulo. Especial atenção é dada às questões de previsão do início do regime de transição laminar-turbulento, do cálculo da extensão da região de transição, e do cálculo do fluxo térmico transicional. Os resultados dos métodos foram validados por comparação com resultados exatos e dados experimentais. Concluiu-se que as presentes abordagens podem ser empregadas em estimativas de engenharia, nas fases de análise preliminar e de otimização de projetos de veículos espaciais, no tocante aos problemas de aquecimento decorrentes do vôo com alta velocidade em atmosfera densa, em trajetórias ascendentes ou descendentes.

O trabalho apresenta uma modificação aplicada a um método de diferenças finitas para resolução de escoamentos em qualquer regime de velocidade. O método original se baseia no algoritmo padrão de fatoração aproximada de Beam e Warming, próprio para resolução de escoamentos compressíveis. Uma escolha apropriada das variáveis dependentes, que no presente trabalho são pressão, componentes cartesianas de velocidade e temperatura, asseguram um bom desempenho do algoritmo para uma larga faixa de números de Mach. É proposto um método de aceleração de convergência para este algoritmo. Este método se baseia no algoritmo diagonal aplicado ao esquema de fatoração aproximada implícito padrão, o qual apresenta reduções significativas no custo computacional, mantendo as mesmas características de estabilidade e precisão. É mostrado que o algoritmo diagonal é também aplicável ao algoritmo para todo regime de velocidade na resolução de escoamentos. Experimentos numéricos mostram uma redução de mais de 50% do tempo de convergência tanto para escoamentos internos como externos. Por fim, são introduzidos termos viscosos no lado direito do algoritmo. Deste modo, a captura de fenômenos que não podem ser descritos apenas pelas equações de Euler torna-se possível. A adição de termos de viscosidade é feita apenas no lado direito, uma vez que se está interessado apenas na solução de problemas de estado estacionário.

O conhecimento fisico e a possibilidade de calculo do escoamento transonico turbulento em torno de aerofólios é de grandeimportancia para projetos aeronauticos. O trabalho aqui representadoe uma proposta de ferramenta numerica para analise desse tipo de escoamento. A modelagem matematica do problema fisico corresponde a versao tipo camada fina das equacoes de Navier-Stokes com media de Reynolds. A integracao numerica e implementada por meio do algoritmode Beam e Warming, o qual incorpora um esquema centrado de diferencas finitas, com aplicacao de fatoracao aproximada. A marcha no tempo e efetuada segundo o metodo de Euler implicito, com passo no tempo variavel para acelerar a convergencia ate o estado estacionario. Cuidados especiais sao dedicados a implementacao numerica das condicoes de contorno. A malha de calculo e obtida atraves de geradores algebricos. Os efeitos de turbulencia sao simulados atraves da aplicacao de dois modelos tipo viscosidade de vortice: um modelo algebrico devido a Baldwin-Lomax e outro de transporte devido a Johnson-King. Esses dois modelos sao os mais utilizados atualmente em Dinamica dos Fluidos Computacional. Inicialmente, o codigo desenvolvido e validado, utilizando-se para isso escoamentos tipicos de referencia. Posteriormente sao apresentados resultados para escoamentos sobre perfis, comparando-seos valores obtidos entre si e com resultados experimentais e numericos conhecidos. Os desempenhos dos dois modelos sao analisdos e é estudada a influencia de fatores numericos e fisicos sobre as solucoes obtidas.

No presente trabalho, sao discutidos certos aspectos doescoamento em maquinas de fluxo axiais, com enfase no problema dedimensionamento. Na primeira parte, e feita uma analise simplificadados parametros otimos de funcionamento de um estagio rotor-estator. Introduz-se os conceitos de "potenciais de perdas" hidraulicas e pordifusao, cuja minimizacao indica tendencias de se obter faixasperdas hidraulicas e de pressao, respectivamente. Verifica-se que aminimizacao do potencial de perdas hidraulicas nem sempre conduz aestagios efetivos na producao de pressao estatica, o que nao ocorrecom a minimizacao do potencial de perdas por difusao. Essa ultima,alem disso, possibilita uma reproducao analítica dos Diagramas deCordier em boa concordancia com dados nominais de bombas eventiladores bem projetados. Na segunda parte, apresenta-se umametodologia para analise do escoamento em grades lineares de perfisaerodinamicos. Com base no metodo dos paineis, desenvolve-se umatecnica numerica efetiva para analise do escoamento potencial. A tecnica e aferida para se obter bons resultados com numeromoderado de paineis. Em seguida, ela e aplicada sistematicamente nocaso de grades de perfis da serie NACA 65, para as quais estaodisponiveis dados experimentais confiaveis. Em funcao disso, ehproposta uma correlacao empirica, permitindo definir um ajuste nadistribuicao de pressoes (conforme Gostelow) e no angulo de deflexaodo escoamento, com resultados mais realistas que os potenciais(segundo a condicao de Kutta). Finalmente, a metodologia e aplicada em casos de projeto de rotores de maquinas de fluxo axiais, visandoatender ao criterio de coeficiente de pressao minimo prescrito sobreas pas.

Este trabalho descreve modelos de escoamento reativo considerando desequilíbrio químico, em bocais convergente-divergente. O objetivo e a estimativa, com maior precisão das variações das propriedades e fatores de desempenho ao longo do bocal. O primeiro modelo considera o escoamento como unidimensional e é usado o método de Multivalores de GEAR para integração do sistema de equações diferenciais, pois este apresenta características de "stiffness". O segundo modelo considera o escoamento bidimensional e é usado o método das características para calcular a região supersônica. Duas técnicas numéricas são usadas para integrar as equações deste modelo: o método P(EC) é usado ao longo das linhas de Mach e o método de Multivalores de GEAR é usado ao longo das linhas de corrente. Dois sistemas reativos foram usados para os cálculos, um baseado nas reações entre H2 e F2 e o outro baseado nas reações entre H2 e O2. Os resultados obtidos para o sistema H2 e F2 foram comparados com outros cálculos descritos na literatura. A concordância entre os resultados foi boa tanto para o modelo unidimensional como para o bidimensional. Para o sistema H2 e O2 os cálculos foram comparados com resultados experimentais para um bocal de geometria ótima, com razão de expansão de 1030:1. A concordância com as medidas foi boa, sendo que o impulso específico foi previsto pelo modelo bidimensional com um erro de 0,3% do valor experimental. Todos os cálculos foram feitos num microcomputador compatível com IBM-PC, AT 386, 33MHz, com tempos de computação da ordem de algumas horas.