Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work is dedicated to perform the mathematical modeling and DNS and LES simulations of a three-dimensional, temporally evolving incompressible plane wake are performed, seeking to evidence differences in stability, transition and onset of both coherent and small scale structures, when the flow is subjected to random perturbations of different amplitudes. The perturbations are generated using the Random-Flow-Generator (RFG) technique, being imposed to the flow as initial conditions. The Navier-Stokes equations are solved in a prismatic domain, with periodic boundary conditions in all directions, using Fourier pseudospectral method. The invariants of the velocity gradient tensor, Q and R, are analyzed for random perturbations with magnitudes 10−3, 10−4 and 10−5, showing the onset of their characteristic teardrop correlation map. Moreover, maps of the second and third invariants of the rate-of-strain tensor, QS and RS, are shown, in order to evidence the differences in local flow strain and topological characteristics of the dissipation of kinetic energy. Isosurface plots of Q and QW, as well as vorticity contours are shown, allowing visual identification of the coherent structures and confirming patterns predicted by the invariant maps. / O presente trabalho se dedica a modelagem matemática e a simulações numéricas DNS e LES de uma esteira tridimensional, incompressível, em desenvolvimento temporal, buscando evidenciar diferenças na estabilidade, transição e no desenvolvimento de estruturas coerentes e de pequena escala, quando o escoamento é submetido a perturbações randômicas de diferentes amplitudes. As perturbações são geradas utilizando-se a técnica Random Flow Generator (RFG), sendo sobrepostas à condição inicial do escoamento. As equações de Navier-Stokes são resolvidas em um domínio prismático, com condições de contorno periódicas em todas as direções, utilizando-se o método pseudoespectral de Fourier. Os invariantes do tensor gradiente de velocidade, Q e R, são analisados para perturbações de magnitude 10−3, 10−4 and 10−5, mostrando a formação de uma correlação no formato de gota, característica da resolução das equações de Navier-Stokes. Além disso, são apresentados mapas do segundo e terceiro invariante do tensor taxa de deformação, QS e RS, a fim de evidenciar as diferenças locais no escoamento e as características topológicas na taxa de dissipação de energia cinética. Isosuperfícies de Q e QW, bem como contornos de vorticidade são apresentados, possibilitando a identificação visual das estruturas coerentes, e confirmando os padrões de estruturas previstos pelos mapas de invariância. / Mestre em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Modern engineering increasingly requires the comprehension of phenomena related to combustion, aeroacustics, turbulence transition, among others. For these purposes the Computational Fluids Dynamics (CFD) requires the used high order methods. One of these methods is the Fourier pseudo-spectral method, that provides an excellent numerical accuracy, and with the use of the Fast Fourier Transform algorithm (FFT), it presents a low computational cost in comparison to anothers high-order methods. Another important issue is the projection method of the pression term, which does not require the pressure computation from the Navier-Stokes equations. The procedure to calculate the pression field is usually the most onerous in classical methodologies. Nevertheless, the pseudo-spectral method can be only applied to periodic boundary flows, thus limiting its use. Aiming to solve this restriction, a new methodology is proposed at the present work, which has the objective of simulating nonperiodic flows using the Fourier pseudo-spectral method. For this purpose the immersed boundary method, that represents the boundary conditions through a force field imposed at Navier-Stokes equations is used. As a test to this new methodology, a classic problem of Computational Fluid Dynamics, The Lid Driven Cavity was simulated. The obtained results are promising and demonstrate the possibility to simulating non-periodic flows making use of the Fourier pseudo-spectral method. / Para compreender fenômenos relacionados à combustão, aeroacústica, transição a turbulência entre outros, a Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD) utiliza os métodos de alta ordem. Um dos mais conhecidos é o método pseudo-espectral de Fourier, o qual alia: alta ordem de precisão na resolução das equações, com um baixo custo computacional. Este está ligado à utilização da FFT e do método da projeção do termo da pressão, o qual desvincula os cálculos da pressão da resolução das equações de Navier-Stokes. O procedimento de calcular o campo de pressão, normalmente é o mais oneroso nas metodologias convencionais. Apesar destas vantagens, o método pseudo-espectral de Fourier só pode ser utilizado para resolver problemas com condições de contorno periódicas, limitando o seu uso no campo da dinâmica de fluídos. Visando resolver essa restrição uma nova metodologia é proposta no presente trabalho, que tem como objetivo simular escoamentos não-periódicos utilizando o método pseudo-espectral de Fourier. Para isso, é utilizada a metodologia da Fronteira Imersa, a qual representa as condições de contorno de um escoamento através de um campo de força imposto nas equações de Navier-Stokes. Como teste, para essa nova metodologia, foi simulada uma cavidade com tampa deslizante (Lid Driven Cavity), problema clássico da mecânica de fluídos, que objetiva validar novas metodologias e códigos computacionais. Os resultados obtidos são promissores e demostram que é possível simular um escoamento não-periódico com o método pseudo-espectral de Fourier. / Mestre em Engenharia Mecânica