Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-09-16Bitstream added on 2014-06-13T19:50:37Z : No. of bitstreams: 1 bornschlegell_as_me_ilha.pdf: 1868861 bytes, checksum: b2f9910d0ae7f6f842769165c54b95de (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Durante as últimas décadas, grandes esforços têm sido dirigidos ao desenvolvimento de técnicas numéricas capazes de tratar escoamentos envolvendo geometrias complexas e/ou móveis. Neste contexto, o chamado método de fronteira imersa, que permite a resolução desta classe de problema usando malha cartesiana fixa independentemente do tipo de geometria tratada, tem recebido grande atenção por parte da comunidade internacional de dinâmica dos fluidos computacional. No presente trabalho, o método de fronteira imersa, associado ao modelo físico virtual, foi implementado em um código computacional capaz de simular escoamentos isotérmicos, incompressíveis e bidimensionais, utilizando o método dos volumes finitos. Escrito em linguagem Fortran 90, este programa emprega o método SIMPLEC para o acoplamento pressão-velocidade, oferecendo ao usuário diferentes opções para o tratamento dos termos advectivos – Upwind, Diferenças Centrais, Power-Law e QUICK. Embora a linguagem Fortran 90 não possibilite a programação orientada a objetos, procurou-se, na execução deste trabalho, aplicar alguns dos conceitos envolvidos neste tipo de programação, tais como polimorfismo, herança e encapsulamento. Testes exaustivos foram executados para avaliar as funcionalidades (funções e sub-rotinas) introduzidas no código computacional e a performance global do programa. Neste contexto, dois problemas clássicos da literatura foram utilizados como benchmark na validação do programa: o escoamento em torno de um cilindro estacionário e o escoamento ao redor de um cilindro em rotação. Em ambos os casos, os resultados obtidos se mostraram fisicamente consistentes, apresentando uma concordância satisfatória com dados da literatura / In the last decades, considerable efforts have been directed to the development of numerical techniques for solving fluid flow past complex and/or moving geometries. In this context, the so-called immersed boundary method, which allows treating this class of problems by using Cartesian grids independently of the considered geometry, has received large attention from international community of computational fluid dynamics. In this work, the immersed boundary method associated to the physical virtual model has been computationally implemented into a two-dimensional finite volume for simulating incompressible isothermal flows. The SIMPLEC algorithm has been employed to the velocity-pressure coupling, while different schemes – second order upwind, central difference, power-law, and QUICK – were available to discretize the advective terms. The code has been written in FORTRAN 90. Although such a compiler does not provide support to object oriented programming, the concepts of polymorphism, inheritance and encapsulation have been applied during implementation of the virtual physical model. Exhaustive tests have been performed in order to evaluate not only the new functions and subroutines added to the main program, but also the whole program itself. For this, the flows past stationary and rotating circular cylinder have been considered as benchmarks. In both cases, the obtained results are physically consistent, presenting a satisfactory agreement with the available data in the literature

Simulação de fluidos tem sido um dos focos principais de pesquisa em computação gráfica nos últimos anos. O interesse por tal assunto é motivado pelas aplicações na indústria cinematográfica, jogos e sistemas voltados para simulação de fenômenos físicos realísticos em tempo real. Neste trabalho atacamos um problema ainda pouco explorado pela comunidade de computação gráfica, a simulação de fluidos em imagens digitais. Adotamos uma abordagem relacionando fluidos multifásicos, onde propriedades da imagem são incorporadas às equações de Navier-Stokes a fim de permitir que objetos contidos nas imagens \"escoem\" interagindo a forças que agem no sistema / In the last years, fluid simulation has been one of the main focus in Computer Graphics. Such a reason is related to applications to film industry, games and frameworks for realtime physical problem simulations. In this work we aim at accessing a problem which is not so much explored in Computer Graphics: fluid simulation in digital images. We adopt a approach related to multiphase fluids, where properties of the image are set to the Navier-Stokes equations in order to allow that objects into the images \"flow\"in accordance to the forces in the system

O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais, que estabeleceram as diretrizes e a lógica de cálculo, foram criados no contexto deste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a simulação de grandes escalas, associada ao método de fronteira imersa, considerando velocidade de sedimentação conforme aqui modelada, e ainda utilizando a equação de advecção-difusão para o transporte de massa, constituem ferramentas altamente adequadas à estimativa do transporte de sedimentos pela água. / The goal of this work is the research of sediment transport phenomena, deriving from outstanding turbulent eddies estimative. Thus, the mass transport equation (advection-diffusion) was connected with the filtered Navier-Stokes and continuity equations. In this context, the large-eddy simulation and sub-grid viscosity modeling established a convenient description of turbulence effects. The immersed boundary method was applied to model solid/fluid interface, represented here by the shapes of channel bottom. The filtered Navier-Stokes and continuity equations were solved by the fractional step method. The equations were discretized with the finite difference method, applied over staggered grids, whereas explicit Adams-Bashforth schemes (second and forth orders) were used in temporal advancement of velocities and sediment concentration fields. A new analytical formulation for settling velocity was obtained, while fortuitous re-suspension flux was applied like a boundary condition in the channel bottom. The computational code was totally developed in this work. The results of present simulations show that large-eddy simulation coupled to the immersed boundary method, considering, yet, the settling velocity of particles and the advection-diffusion equation for mass transport, constitute potential tools for sediment transport evaluation in water flows.

O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais, que estabeleceram as diretrizes e a lógica de cálculo, foram criados no contexto deste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a simulação de grandes escalas, associada ao método de fronteira imersa, considerando velocidade de sedimentação conforme aqui modelada, e ainda utilizando a equação de advecção-difusão para o transporte de massa, constituem ferramentas altamente adequadas à estimativa do transporte de sedimentos pela água. / The goal of this work is the research of sediment transport phenomena, deriving from outstanding turbulent eddies estimative. Thus, the mass transport equation (advection-diffusion) was connected with the filtered Navier-Stokes and continuity equations. In this context, the large-eddy simulation and sub-grid viscosity modeling established a convenient description of turbulence effects. The immersed boundary method was applied to model solid/fluid interface, represented here by the shapes of channel bottom. The filtered Navier-Stokes and continuity equations were solved by the fractional step method. The equations were discretized with the finite difference method, applied over staggered grids, whereas explicit Adams-Bashforth schemes (second and forth orders) were used in temporal advancement of velocities and sediment concentration fields. A new analytical formulation for settling velocity was obtained, while fortuitous re-suspension flux was applied like a boundary condition in the channel bottom. The computational code was totally developed in this work. The results of present simulations show that large-eddy simulation coupled to the immersed boundary method, considering, yet, the settling velocity of particles and the advection-diffusion equation for mass transport, constitute potential tools for sediment transport evaluation in water flows.

The main contribution of the present work is the proposition of a framework for analysis of active suspensions using the Caenorhabditis elegans nematode as the living model. To do so, five different perspectives are used: kinematics, macro-reological, numerical, theoretical and micro-reological. First, a theoretical and experimental analysis of the kinematic motion of the nematodes suspended in a biological fluid is presented. Two different populations are examined: starving and well fed nematodes. We show that the relationship between the length of an individual nematode and the wavelength of its movement is linear and can be adjusted by a theoretical prediction proposed in this work. A deep discussion on propulsive mechanics based on a scale analysis that identifies three major forces acting on an individual nematode is made. In addition, we investigated the shear viscosity of Caenorhabditis elegans suspensions. The oscillatory shear experiments revealed an anomalous viscosity behavior with the variation of the volumetric fraction of suspension, ?. The effective viscosity of the suspension decreased with increasing nematode volumetric fraction at low concentrations. Based on the experimental data, a phenomenological equation for the effective viscosity of the suspension as a function of the volumetric fraction of particles is proposed. The collective behavior of the nematodes is also observed in linear regime through the difference of normal stresses. Finally, step strain tests are conducted to obtain the relaxation times. The presence of a negative active stress due to the nematoid driving behavior persists for a period of time, leading to a negative undershoot and an oscillatory behavior in the relaxation function. In order to propose a rheological model, simplifications are made in the model and immersed boundary method simulations are conducted in a flexible filament, varying the type of movement that it performs. It is observed that the presence of asymmetries in its undulating movement generates drastic changes on its kinematic responses. A rheological model as a function of filament orientation is proposed and validated with experimental data in linear regime. After validation of the proposed constitutive equation, the model is observed under the nonlinear regime of oscillatory shear, in which the rheological characterizations are made based on existing frameworks using Lissajous-Bowditch curves and Pipkin diagrams. Finally, a protocol for analysis of suspensions in a microrheometer is presented. Particles are added and tracked as unidirectional oscillatory shear (pulsatile flow) is applied. The velocity and shear rate profiles are obtained, as well as the rheological signals equivalent to the strain rate and stress. Signal analysis tools are used and an artificial intelligence system is proposed to remove the component added to the signal by unidirectional shear, aiming to reconstruct the signal with null temporal average and allowing the application of well known rheological theories, such as the decomposition of stresses in coefficients of Chebyshev, for the calculation of viscommetric quantities of compliances and fluidities. The major contribution of the study concerns the observation, characterization, modeling and simulation of a microsized animal that moves in different fashion, depending on the environment, and the surrounding fluid. The rheological properties analyzed, simuations performed and model proposed can be used for both production of artifitial microorganisms and control of living organisms. Moreover, this combination of analyses and techniques can be used to study any type of passive and active suspension providing new and conclusive results regarding the rheological characterization and the physical behavior of the particles. / A principal contribuição do presente trabalho é a proposição de um framework de análise de suspensões ativas utilizando como modelo vivo o nematoide Caenorhabditis elegans. Para tanto, cinco perspectivas diferentes são utilizadas: cinemática, macrorreológica, numérica, teórica e microrreológica. Primeiramente, uma análise teórica e experimental do movimento cinemático das partículas ativas suspensas em um fluido biológico é apresentada. Duas populações diferentes são examinadas: na ausência de alimento e com nematoides bem alimentados. Mostramos que a relação entre o comprimento de um nematoide individual e o comprimento de onda de seu movimento é linear e pode ser ajustada por uma previsão teórica proposta neste trabalho. Uma profunda discussão sobre a mecânica de propulsão com base em uma análise de escala que identifica três forças principais que atuam em um nematoide individual é feita. Além disso, investigamos a viscosidade de cisalhamento das suspensões de Caenorhabditis elegans. Os experimentos em cisalhamento oscilatório revelaram um comportamento anômalo da viscosidade com a variação da fração volumétrica de suspensão, ?. A viscosidade efetiva da suspensão diminuiu com o aumento da fração volumétrica do nematoide para pequenas concentrações. Baseando-se nos dados experimentais, uma equação fenomenológica para a viscosidade efetiva da suspensão em função da fração volumétrica de partículas é proposta. O comportamento coletivo dos nematoides é também observado, em regime linear, pela diferença de tensões normais. Finalmente, o teste de step strain é conduzido para obter os tempos de relaxação. A presença de uma tensão ativa negativa devido ao comportamento impulsor do nematoide persiste por um certo período, levando a um undershoot negativo e a um comportamento oscilatório na função de relaxação. A fim de propor um modelo reológico, simplificações são efetuadas no modelo e simulações usando o método de fronteira imersa são conduzidas em um filamento flexível, variando o tipo de movimento que este realiza. Observa-se que a presença de assimetrias em seu movimento ondulatório gera drásticas mudanças em suas respostas cinemáticas. Um modelo reológico em função da orientação do filamento é proposto e validado com os dados experimentais em regime linear. Após a validação da equação constitutiva proposta, o modelo é observado sob o regime não-linear do cisalhamento oscilatório, no qual as caracterizações reológicas são feitas com base nos frameworks existentes, utilizando curvas de Lissajous-Bowditch e diagramas de Pipkin. Por fim, é apresentado um protocolo de análise de suspensões em um microrreômetro. Partículas são adicionadas e rastreadas à medida que um cisalhamento unidirecional (escoamento pulsátil) é aplicado. Os perfis de velocidade e taxa de cisalhamento são obtidos, assim como os sinais reológicos equivalentes à taxa de deformação e tensão. Ferramentas de análise de sinais são utilizadas e um sistema de inteligência artificial é proposto para remoção da componente constante do sinal adicionada pelo cisalhamento unidirecional, visando reconstruir o sinal com média temporal nula e possibilitando a aplicação de teorias reológicas já conhecidas, como a decomposição de tensões em coeficientes de Chebyshev para o cálculo das quantidades viscométricas de conformidade e fluidez. A principal contribuição do estudo diz respeito à observação, caracterização, modelagem e simulação de um animal microscópico que se movimenta de maneira diferente dependendo do ambiente e do fluido circundante. As propriedades reológicas analisadas, as simulações realizadas e o modelo proposto podem ser utilizados tanto para a produção de microorganismos artificiais quanto para o controle de organismos vivos. Além disso, essa combinação de análises e técnicas pode ser usada para estudo de qualquer tipo de suspensão ativa e passiva, fornecendo resultados novos e conclusivos em relação à caracterização reológica e ao comportamento físico das partículas.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-11-13Bitstream added on 2014-06-13T19:29:59Z : No. of bitstreams: 1 vieira_dgsdr_me_ilha.pdf: 39977587 bytes, checksum: 474017fdd0731decbdde37dd533c1a9a (MD5) / Os métodos de fronteira imersa possibilitam a simulação numérica de escoamentos envolvendo contornos complexos e móveis utilizando-se uma malha euleriana fixa para representar o domínio fluido, associada a um conjunto de pontos lagrangianos para descrever interfaces, sem necessidade de remalhagem do domínio de cálculo. No presente trabalho, um método de fronteira imersa baseado no modelo físico virtual foi implementado em um código computacional já existente, com o objetivo de permitir a simulação do escoamento em torno de cilindros de base circular submetidos a oscilações forçadas ou induzidas pelo movimento do fluido. O programa computacional resolve as equações de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas através do método de volumes finitos, utilizando uma discretização implícita no tempo. Para testar as novas implementações, foram realizadas simulações para cilindros estacionários e em movimento oscilatório forçado, posicionados em meio infinito ou no interior de um canal. Além disso, foi resolvido um problema de interação fluido-estrutura, constituído por um cilindro móvel e indeformável posicionado dentro de um canal vertical, a jusante de uma obstrução, oscilando linearmente sob a ação de um escoamento pulsátil ascendente, tal como ocorre no funcionamento de alguns tipos de válvula automática. Em várias simulações, observou-se a reentrada de núcleos de vorticidade na saída do domínio de cálculo, interferindo na qualidade dos resultados obtidos. Uma função de amortecimento foi, então, introduzida nesta região, para evitar a ocorrência de instabilidades numéricas. Uma análise da performance global do programa de simulação indica que, embora já produza resultados satisfatórios, a modelagem empregada ainda necessita de aprimoramentos para corrigir algumas imperfeições. Além disso, o código computacional precisa... / Immersed boundary methods allow numerical simulation of flows around complex bodies by using a stationary Eulerian mesh to represent the fluid domain associated to a set of Lagrangian points to describe the interfaces without global remeshing of the domain. In the present work, an immersed boundary method based on virtual physical model has been implemented in a previously available computational code in order to simulate flows around circular cylinders submitted to forced or induced oscillations. The improved computational program deploys Navier-Stokes equations in Cartesian coordinates by using with finite volume method and implicit temporal time discretization. In order to test the new code several simulations have been performed for a confined flow around a fix circular cylinder as well as submitted to forced oscillation. Additionally, a problem of fluid-structure interaction formed by a rigid oscillating circular cylinder positioned in a vertical channel after an abrupt obstruction has been analyzed. The cylinder can freely oscillate in the streamwise direction due to action of an ascendant pulsating flow. This type of flow problem is very similar to those occurring in many types of automatic valves. In some simulations spurious backflow of vorticity nucleus at the computational domain outlet has been observed, interfering in the quality of results. Therefore, a convenient damping function has been introduced in that region to suppress such numerical instabilities. A general performance analysis of the program shows very satisfactory results, however suitable changes in the code should be considered to avoid some remaining instabilities as well as minimize the overall time required for the simulation runs

Simulação de fluidos tem sido um dos focos principais de pesquisa em computação gráfica nos últimos anos. O interesse por tal assunto é motivado pelas aplicações na indústria cinematográfica, jogos e sistemas voltados para simulação de fenômenos físicos realísticos em tempo real. Neste trabalho atacamos um problema ainda pouco explorado pela comunidade de computação gráfica, a simulação de fluidos em imagens digitais. Adotamos uma abordagem relacionando fluidos multifásicos, onde propriedades da imagem são incorporadas às equações de Navier-Stokes a fim de permitir que objetos contidos nas imagens \"escoem\" interagindo a forças que agem no sistema / In the last years, fluid simulation has been one of the main focus in Computer Graphics. Such a reason is related to applications to film industry, games and frameworks for realtime physical problem simulations. In this work we aim at accessing a problem which is not so much explored in Computer Graphics: fluid simulation in digital images. We adopt a approach related to multiphase fluids, where properties of the image are set to the Navier-Stokes equations in order to allow that objects into the images \"flow\"in accordance to the forces in the system

No desenvolvimento de códigos paralelos, a biblioteca PETSc se destaca como uma ferramenta prática e útil. Com o uso desta ferramenta, este trabalho apresenta um estudo sobre resolvedores de sistemas lineares aplicados a escoamentos incompressíveis de fluidos em microescala, além de uma análise de seu comportamento em paralelo. Após um estudo dos diversos aspectos dos métodos de fronteira imersa, é apresentado um método de fronteira imersa paralelo de primeira ordem. Na sequência, é apresentada uma proposta de melhoria na precisão do método, baseada na minimização da distância entre a condição de contorno exata e aproximada, no sentido de mínimos quadrados. O desenvolvimento de uma ferramenta paralela eficiente é demonstrado na solução numérica de problemas envolvendo escoamentos incompressíveis de fluidos viscosos com fronteiras imersas / In the development of parallel codes, PETSc library has an important position as a practical and useful tool. With this tool, this work presents a study about linear system solvers applied to incompressible flow in microscale problems, furthermore an analysis of the parallel behavior of these methods is presented. After a study of several aspects of immersed boundary methods, and taking advantage of the flexibility of PETSc, a parallel first order immersed boundary method is presented. Thereafter, an improvement in the accuracy of the method is presented, based on the minimization of the distance between exact and approximated boundary conditions, in the least square sense. The development of a parallel and efficient tool is demonstrated in the numerical solution of incompressible viscous flow problems with immersed boundary

Neste trabalho, desenvolve-se um método de fronteira imersa para o estudo de escoamento compressível modelado pelas equações de Euler bidimensionais. O método de discretização de diferenças finitas é empregado, usando o método de Steger-Warming de ordem dois para discretizar as variáveis espaciais e o esquema de Runge-Kutta de ordem quatro para discretizar as variáveis temporais. O método da fronteira imersa foi empregado para o estudo de aeroelasticidade computacional em uma seção típica de aerofólio bidimensional com dois movimentos prescritos: torsional e vertical, com o objetivo de se verifcar a eficiência do método e sua aplicabilidade para problemas em aeroelasticidade computacional. Neste estudo desenvolveu-se também um programa de computador para simular escoamentos compressíveis de fluido invíscido utilizando a metodologia proposta. A verificação do código gerado foi feita utilizando o método das soluções manufaturadas e o problema de reflexão de choque oblíquo. A validação foi realizada comparando-se os resultados obtidos para o escoamento ao redor de uma seção circular e de uma seção de aerofólio NACA 0012 com os resultados experimentais, para cada caso. / In this work, an immersed boundary method is developed to study compressible flow modeled by the two-dimensional Euler equations. The finite difference method is employed, using the second order Steger-Warming method to discretizate the space variables and the fourth order Runge-Kutta method to discretizate the time variables. The immersed boundary method was employed to study computational aeroelasticity on a typical two-dimensional airfoil section with two prescribed motion: pitching and plunging, in order to verify the efficiency of the numerical method and its applicability in computational aeroelasticity problems. In this work, a computer program was developed to simulate compressible flows for inviscid fluids using the methodology proposed. The verification of the computational code was performed using the method of manufactured solutions and the oblique shock wave reflection problem. The validation was performed comparing the obtained results for flows around a circular section and a NACA 0012 airfoil section with the experimental results, for each case.

No desenvolvimento de códigos paralelos, a biblioteca PETSc se destaca como uma ferramenta prática e útil. Com o uso desta ferramenta, este trabalho apresenta um estudo sobre resolvedores de sistemas lineares aplicados a escoamentos incompressíveis de fluidos em microescala, além de uma análise de seu comportamento em paralelo. Após um estudo dos diversos aspectos dos métodos de fronteira imersa, é apresentado um método de fronteira imersa paralelo de primeira ordem. Na sequência, é apresentada uma proposta de melhoria na precisão do método, baseada na minimização da distância entre a condição de contorno exata e aproximada, no sentido de mínimos quadrados. O desenvolvimento de uma ferramenta paralela eficiente é demonstrado na solução numérica de problemas envolvendo escoamentos incompressíveis de fluidos viscosos com fronteiras imersas / In the development of parallel codes, PETSc library has an important position as a practical and useful tool. With this tool, this work presents a study about linear system solvers applied to incompressible flow in microscale problems, furthermore an analysis of the parallel behavior of these methods is presented. After a study of several aspects of immersed boundary methods, and taking advantage of the flexibility of PETSc, a parallel first order immersed boundary method is presented. Thereafter, an improvement in the accuracy of the method is presented, based on the minimization of the distance between exact and approximated boundary conditions, in the least square sense. The development of a parallel and efficient tool is demonstrated in the numerical solution of incompressible viscous flow problems with immersed boundary