Escoamentos sobre superfícies côncavas, como os que ocorrem no intradorso de uma pá de turbina, estão sujeitos à instabilidade centrífuga. A esse tipo de configuração atribui-se possibilidade de transição à turbulência devido a formação dos vórtices de Görtler. Estudos são propostos no sentido de identificar possível influência do gradiente de pressão nos mecanismos de desenvolvimento desses vórtices e sua interação com outras perturbações na transição. O processo de investigação dá-se numericamente por meio do desenvolvimento e uso de um código numérico paralelizado e de alta ordem de precisão. Resultados obtidos caracterizam o gradiente de pressão adverso como mais instável se comparado ao caso neutro ou favorável. Variações no gradiente de pressão não se mostram eficientes no processo de controle da instabilidade. Ao gradiente adverso atribui-se antecipação da região de saturação dos vórtices. Ressalta-se ainda a natureza desestabilizadora do gradiente adverso quanto aos mecanismos de amplificação dos modos varicoso e sinuoso associados à instabilidade secundária. / Flows over concave surfaces are subjected to centrifugal instability and may transition to turbulence. Studies are conducted to identify the role of the external pressure gradient on the development of the Görtler vortices and their interaction with other flow disturbances. Numerical simulations are carried out by the development and use of an in-house parallel code with highorder of accuracy. Adverse pressure gradient configurations are observed to be more unstable than the neutral and favourable ones. Pressure gradient variations do not prove to be an efficient way to control the centrifugal instability. The destabilizing behaviour that is observed by the adverse pressure gradient justifies its influence on the anticipation of the saturation of the primary vortices and growth of the sinuous and varicose secondary modes.

Escoamentos sobre superfícies côncavas, como os que ocorrem no intradorso de uma pá de turbina, estão sujeitos à instabilidade centrífuga. A esse tipo de configuração atribui-se possibilidade de transição à turbulência devido a formação dos vórtices de Görtler. Estudos são propostos no sentido de identificar possível influência do gradiente de pressão nos mecanismos de desenvolvimento desses vórtices e sua interação com outras perturbações na transição. O processo de investigação dá-se numericamente por meio do desenvolvimento e uso de um código numérico paralelizado e de alta ordem de precisão. Resultados obtidos caracterizam o gradiente de pressão adverso como mais instável se comparado ao caso neutro ou favorável. Variações no gradiente de pressão não se mostram eficientes no processo de controle da instabilidade. Ao gradiente adverso atribui-se antecipação da região de saturação dos vórtices. Ressalta-se ainda a natureza desestabilizadora do gradiente adverso quanto aos mecanismos de amplificação dos modos varicoso e sinuoso associados à instabilidade secundária. / Flows over concave surfaces are subjected to centrifugal instability and may transition to turbulence. Studies are conducted to identify the role of the external pressure gradient on the development of the Görtler vortices and their interaction with other flow disturbances. Numerical simulations are carried out by the development and use of an in-house parallel code with highorder of accuracy. Adverse pressure gradient configurations are observed to be more unstable than the neutral and favourable ones. Pressure gradient variations do not prove to be an efficient way to control the centrifugal instability. The destabilizing behaviour that is observed by the adverse pressure gradient justifies its influence on the anticipation of the saturation of the primary vortices and growth of the sinuous and varicose secondary modes.

Escoamentos sobre superfícies côncovas estão sujeitos à instabilidade centrífuga, dando origem a vórtices longitudinais, conhecidos como vórtices de Görtler. Esses vórtices são responsáveis por gerar distorções fortes nos perfis de velocidade. Como os vórtices são contra-rotativos, duas regiões surgem entre os mesmos: uma região de upwash e uma região de downwash. Na região de upwash o fluido próximo à parede é jogado para longe da mesma. Na região de downwash acontece o contrário, o fluido que se desloca a uma velocidade maior é jogado em direção à parede. Os vórtices se amplificam inicialmente de forma linear. À jusante na região não linear de desenvolvimento dos vórtices, a amplitude dos mesmos já é elevada, e há a formação de uma estrutura do tipo cogumelo com a distribuição da componente de velocidade na direção principal do escoamento . Essa nova distribuição de velocidade é tridimensional e difere em muito da camada limite obtida com a solução das equações de Blasius. Levando-se em consideração a camada limite térmica, já foi observado que, na média, há um aumento de transferência de calor na direção da parede. No presente trabalho, é verificado numericamente a transferência de calor na presença de vórtices de Görtler. Para tal, foi desenvolvido e implementado um código de simulação numérica direta espacial (DNS - do inglês Direct Numerical Simulation). Os resultados deste trabalho mostram a intensificação da transferência de calor através dos vórtices de Görtler, tanto no regime não-linear como na instabilidade secundária / Flows over concave surfaces are subject to centrifugal instability. It gives rise to stramwise vortices known as Görtler vortices. These vortices are responsible for generating strong distortions in the velocity profiles. As the vortices are counterrotating, two regions arise between them: a region of uowash and a region of downwash. In the upwash region, the fluid near the wall is convected away from it. In the downwash region the opposite happens, the fluid moving at a faster speed is moved towards the wall. The vortices initially amplify linearly in the downstream. When their amplitude is already high, in the non-linear development region, a mushroom-type structure, with the velocity distribution in the main flow direction, is formed. This new three-dimensional velocity distribution is different from the boundary layer obtained with the solution of Blasius equations. Taking into account a thermal boundary layer, on average, an increase in the heat transfer in the wall direction has been observed. In the present work, it is verified numerically the heat transfer in the presence of Görtler vortices. A simulation code was developed and implemanted usin Direct Numerical Simulation (DNS). The results of this work show the intensification of heat transfer through the Görtler vortices both in the non-linear regime and in the secondary instability

Escoamentos sobre superfícies côncovas estão sujeitos à instabilidade centrífuga, dando origem a vórtices longitudinais, conhecidos como vórtices de Görtler. Esses vórtices são responsáveis por gerar distorções fortes nos perfis de velocidade. Como os vórtices são contra-rotativos, duas regiões surgem entre os mesmos: uma região de upwash e uma região de downwash. Na região de upwash o fluido próximo à parede é jogado para longe da mesma. Na região de downwash acontece o contrário, o fluido que se desloca a uma velocidade maior é jogado em direção à parede. Os vórtices se amplificam inicialmente de forma linear. À jusante na região não linear de desenvolvimento dos vórtices, a amplitude dos mesmos já é elevada, e há a formação de uma estrutura do tipo cogumelo com a distribuição da componente de velocidade na direção principal do escoamento . Essa nova distribuição de velocidade é tridimensional e difere em muito da camada limite obtida com a solução das equações de Blasius. Levando-se em consideração a camada limite térmica, já foi observado que, na média, há um aumento de transferência de calor na direção da parede. No presente trabalho, é verificado numericamente a transferência de calor na presença de vórtices de Görtler. Para tal, foi desenvolvido e implementado um código de simulação numérica direta espacial (DNS - do inglês Direct Numerical Simulation). Os resultados deste trabalho mostram a intensificação da transferência de calor através dos vórtices de Görtler, tanto no regime não-linear como na instabilidade secundária / Flows over concave surfaces are subject to centrifugal instability. It gives rise to stramwise vortices known as Görtler vortices. These vortices are responsible for generating strong distortions in the velocity profiles. As the vortices are counterrotating, two regions arise between them: a region of uowash and a region of downwash. In the upwash region, the fluid near the wall is convected away from it. In the downwash region the opposite happens, the fluid moving at a faster speed is moved towards the wall. The vortices initially amplify linearly in the downstream. When their amplitude is already high, in the non-linear development region, a mushroom-type structure, with the velocity distribution in the main flow direction, is formed. This new three-dimensional velocity distribution is different from the boundary layer obtained with the solution of Blasius equations. Taking into account a thermal boundary layer, on average, an increase in the heat transfer in the wall direction has been observed. In the present work, it is verified numerically the heat transfer in the presence of Görtler vortices. A simulation code was developed and implemanted usin Direct Numerical Simulation (DNS). The results of this work show the intensification of heat transfer through the Görtler vortices both in the non-linear regime and in the secondary instability

In this work, a DNS code was developed to investigate problems on transition in subsonic compressible boundary layer on a flat plate. Code validation tests were performed for linear and nonlinear stages of transition, on incompressible and compressible regimes. The focus of the present work is to investigate natural transition in subsonic boundary layers modeled by wave packets; and perform a preliminary study of transition induced by white noise. Three main problems were considered, namely, a DNS simulation and analysis of the ex- periment (MEDEIROS; GASTER, 1999b) of wave packet evolution on incompressible boundary layer, the influence of compressibility on wave packet evolution at subsonic Mach numbers and finally, a preliminary study of the evolution of a white noise perturbation in the boundary layer at Mach 0.2 and Mach 0.9. Comparisons between numerical and experimental results show remarkably good agreement in the linear and nonlinear stages, in both, spatial and Fourier spaces. A numerical simulation of this experiment and the analysis carried out is not available in the literature for wave packets in the incompressible boundary layer. The nonlinear modal analysis performed established the existence of tuned fundamental and subharmonic resonance of H-type and K-type in the packet. Influence of compressibility in the wave packet evolution was here investigated in boundary layers at Mach 0.7 and Mach 0.9. There are no works reported in the literature on wave packets in compressible subsonic boundary layer. In the linear regime, the oblique modes were the most unstable for Mach > 0.7, as expected by the results of the literature. In the nonlinear regime, strong streaks were observed, associated with low frequency modes that eventually decay downstream. An isolated wave packet at Mach 0.9 showed nonlinear amplification only in the subharmonic band, which may be associated to H-type or detuned resonance. However this packet has a relatively stable character. On the other hand, at Mach 0.9 spanwise interaction of wave packet pairs were more unstable than the isolated case, because stable modes for the isolated packet evolution becomes unstable in the wave packet interaction. This scenario evidenced the presence of oblique transition. Finally, the nonlinear evolution of the same white noise disturbance at Mach 0.2 and Mach 0.9 were observed to be completely different. In the incompressible boundary layer localized lambda vortex structures were observed, that could be associated to the local presence of H-type and/or K-type resonance. In the compressible regime, longitudinal vortex structures distributed across the entire domain seemed to be linked to oblique transition. In the white noise evolution, compressibility seems to have a stronger effect than in the wave packet evolution. In the conditions considered, the wave packet interaction appear to be a better representation of white noise compressible transition scenario. / No presente trabalho, um código DNS (Direct Numerical Simulation) foi desenvolvido para abordar problemas de transição para turbulência em camada limite subsônica compressível em uma placa plana. Foram realizados testes de validação de código , nos regimes linear e não linear do processo de transição, nos regimes incompressível e compressível. O foco do presente trabalho é estudar transição natural modelada por meio de pacotes de onda em camada limite compressível subsônica, e realizar uma análise preliminar da transição induzida por ruído branco. Três assuntos principais foram considerados: uma simulação DNS e uma análise comparativa com o experimento (MEDEIROS; GASTER, 1999b) sobre a evolução de um pacote de ondas em camada limite incompressível, a influência da compressibilidade na evolução de pacotes de ondas no regime subsônico, e por último, um estudo preliminar da transição induzida por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9. As comparações realizadas entre a solução numérica e os dados experimentais mostram uma boa concordância, nos regimes linear e não linear, tanto no espaço físico quanto no espaço de Fourier. A simulação numérica deste experimento e a análise realizada neste trabalho, não são encontradas na literatura para o regime incompressível. A análise modal não linear aplicada aos resultados, permitiu identificar a presença das ressonâncias tipo H e tipo K no pacote de ondas. A influência da compressibilidade na evolução dos pacotes de onda foi estudada em Mach 0.7 e Mach 0.9. Na literatura não há trabalhos sobre pacotes de ondas no regime sub- sônico. No regime linear da transição, os modos oblíquos resultam ser os mais instáveis para Mach > 0.7, como era de esperar, de acordo com os resultados da literatura. No regime não linear, foram observadas estrias de moderada amplitude, associadas com modos de baixa frequência que acabam decaindo. O pacote de ondas em Mach 0.9 apresentou amplificação não linear somente na banda subharmônica, que pode ser associada com transição tipo H ou ressonância dessintonizada. No entanto, o comportamento geral neste regime é estabilizante. Por sua vez, a interação entre pacotes de ondas em Mach 0.9 mostrou um comportamento desestabilizante, pois a interação acaba gerando amplificação não linear em modos que decaem no pacote isolado. Os modos amplificados sugerem a presença do mecanismo de transição oblíqua. Finalmente, a evolução da mesma perturbação constituída por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9, resultaram ser completamente diferentes. Na camada limite incompressível foram observados vórtices tipo lambda, que poderiam ser gerados pela presença localizada das ressonâncias tipo H e/ou tipo K. No regime compressível foram observados vórtices distribuidos em todo o domínio, o que sugere a presença da transição oblíqua. Na transição gerada por ruído branco a compressibilidade teve uma influência maior que no pacote de ondas. Nas condições estudadas, a interação entre pacotes de ondas parece ser uma melhor representação do ruído branco no regime compressível.

In this work, a DNS code was developed to investigate problems on transition in subsonic compressible boundary layer on a flat plate. Code validation tests were performed for linear and nonlinear stages of transition, on incompressible and compressible regimes. The focus of the present work is to investigate natural transition in subsonic boundary layers modeled by wave packets; and perform a preliminary study of transition induced by white noise. Three main problems were considered, namely, a DNS simulation and analysis of the ex- periment (MEDEIROS; GASTER, 1999b) of wave packet evolution on incompressible boundary layer, the influence of compressibility on wave packet evolution at subsonic Mach numbers and finally, a preliminary study of the evolution of a white noise perturbation in the boundary layer at Mach 0.2 and Mach 0.9. Comparisons between numerical and experimental results show remarkably good agreement in the linear and nonlinear stages, in both, spatial and Fourier spaces. A numerical simulation of this experiment and the analysis carried out is not available in the literature for wave packets in the incompressible boundary layer. The nonlinear modal analysis performed established the existence of tuned fundamental and subharmonic resonance of H-type and K-type in the packet. Influence of compressibility in the wave packet evolution was here investigated in boundary layers at Mach 0.7 and Mach 0.9. There are no works reported in the literature on wave packets in compressible subsonic boundary layer. In the linear regime, the oblique modes were the most unstable for Mach > 0.7, as expected by the results of the literature. In the nonlinear regime, strong streaks were observed, associated with low frequency modes that eventually decay downstream. An isolated wave packet at Mach 0.9 showed nonlinear amplification only in the subharmonic band, which may be associated to H-type or detuned resonance. However this packet has a relatively stable character. On the other hand, at Mach 0.9 spanwise interaction of wave packet pairs were more unstable than the isolated case, because stable modes for the isolated packet evolution becomes unstable in the wave packet interaction. This scenario evidenced the presence of oblique transition. Finally, the nonlinear evolution of the same white noise disturbance at Mach 0.2 and Mach 0.9 were observed to be completely different. In the incompressible boundary layer localized lambda vortex structures were observed, that could be associated to the local presence of H-type and/or K-type resonance. In the compressible regime, longitudinal vortex structures distributed across the entire domain seemed to be linked to oblique transition. In the white noise evolution, compressibility seems to have a stronger effect than in the wave packet evolution. In the conditions considered, the wave packet interaction appear to be a better representation of white noise compressible transition scenario. / No presente trabalho, um código DNS (Direct Numerical Simulation) foi desenvolvido para abordar problemas de transição para turbulência em camada limite subsônica compressível em uma placa plana. Foram realizados testes de validação de código , nos regimes linear e não linear do processo de transição, nos regimes incompressível e compressível. O foco do presente trabalho é estudar transição natural modelada por meio de pacotes de onda em camada limite compressível subsônica, e realizar uma análise preliminar da transição induzida por ruído branco. Três assuntos principais foram considerados: uma simulação DNS e uma análise comparativa com o experimento (MEDEIROS; GASTER, 1999b) sobre a evolução de um pacote de ondas em camada limite incompressível, a influência da compressibilidade na evolução de pacotes de ondas no regime subsônico, e por último, um estudo preliminar da transição induzida por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9. As comparações realizadas entre a solução numérica e os dados experimentais mostram uma boa concordância, nos regimes linear e não linear, tanto no espaço físico quanto no espaço de Fourier. A simulação numérica deste experimento e a análise realizada neste trabalho, não são encontradas na literatura para o regime incompressível. A análise modal não linear aplicada aos resultados, permitiu identificar a presença das ressonâncias tipo H e tipo K no pacote de ondas. A influência da compressibilidade na evolução dos pacotes de onda foi estudada em Mach 0.7 e Mach 0.9. Na literatura não há trabalhos sobre pacotes de ondas no regime sub- sônico. No regime linear da transição, os modos oblíquos resultam ser os mais instáveis para Mach > 0.7, como era de esperar, de acordo com os resultados da literatura. No regime não linear, foram observadas estrias de moderada amplitude, associadas com modos de baixa frequência que acabam decaindo. O pacote de ondas em Mach 0.9 apresentou amplificação não linear somente na banda subharmônica, que pode ser associada com transição tipo H ou ressonância dessintonizada. No entanto, o comportamento geral neste regime é estabilizante. Por sua vez, a interação entre pacotes de ondas em Mach 0.9 mostrou um comportamento desestabilizante, pois a interação acaba gerando amplificação não linear em modos que decaem no pacote isolado. Os modos amplificados sugerem a presença do mecanismo de transição oblíqua. Finalmente, a evolução da mesma perturbação constituída por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9, resultaram ser completamente diferentes. Na camada limite incompressível foram observados vórtices tipo lambda, que poderiam ser gerados pela presença localizada das ressonâncias tipo H e/ou tipo K. No regime compressível foram observados vórtices distribuidos em todo o domínio, o que sugere a presença da transição oblíqua. Na transição gerada por ruído branco a compressibilidade teve uma influência maior que no pacote de ondas. Nas condições estudadas, a interação entre pacotes de ondas parece ser uma melhor representação do ruído branco no regime compressível.