No presente trabalho, uma simulação numérica foi adotada para resolver o problema da convecção forçada turbulenta acoplada à condução de calor em um duto de seções transversais quadradas e retangulares. As equações utilizadas para a convecção turbulenta são as equações da conservação de massa, quantidade de movimento e energia (equações médias de Navier Stokes, RANS). Estas equações são acopladas à equação da condução de calor aplicada a quatro placas situadas ao redor do canal. Estas placas são acopladas entre si sem resistência térmica. Assunções foram feitas principalmente no escoamento, tais como condição do escoamento turbulento completamente desenvolvido, incompressível e propriedades constantes. A título de comparação, dois modelos de turbulência foram utilizados para resolver as equações da quantidade de movimento e outros dois modelos para resolver a equação da energia. Isto é, para determinar o campo de velocidade, os modelos de turbulência, k-? não linear (NLEVM) e tensão de Reynolds (RSM) (este último simulado em um código comercial) foram adotados e estudados. O campo de temperatura foi determinado a partir de outros dois modelos: Simple Eddy Diffusivity (SED), baseado na hipótese de Prandtl turbulento constante; e Generalized Gradient Diffusion Hypothesis (GGDH). Neste último, como a transferência de calor turbulenta depende das tensões cisalhantes, a anisotropia foi considerada. Cabe ressaltar que estes dois últimos modelos da equação de energia para o fluido, assim como a equação da condução de calor com incorporação da geração de calor para a parte sólida foram adimensionadas e desenvolvidas no código de programação FORTRAN. Os modelos foram validados baseados nos resultados experimentais e numéricos da literatura. Finalmente, os resultados desta investigação permitem avaliar o campo de temperatura do fluido para diferentes seções da seção transversal ao longo da direção principal do escoamento, o qual é influenciado principalmente pela distribuição da temperatura na parede.

The present work is concerned with studying fluid-structure interaction problems using a high-fidelity representation for the fluid. In particular, the research aims to analyze the aeroelastic behavior of rigid airfoils and cylinders with elastic constraints, with emphasis in the effects of the inclusion of viscous terms in the aerodynamic formulation. The aerodynamic operator is constructed from the results of flow simulations using a computational fluid dynamics (CFD) tool which solves the 2-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with appropriate turbulence closures. Both low and high Reynolds number flow conditions are addressed in the present investigation. An in-house developed CFD solver is used for the simulations. Studies of low Reynolds number flows are directed towards addressing the physical phenomena present in the wake of cylinders, as well as their effects on the bodies present in the flow. The typical applications of interest in such cases are vortex-induced vibration problems which can arise in many practical scenarios, ranging from satellite launch vehicles at the launch platform to underwater risers in the petroleum industry. The study of such low Reynolds number flows has also been used as a building block in the process of developing the computational tools for addressing the fluid-structure interaction problems of interest here, since the computational requirements in such cases are much less stringent. Studies performed at high Reynolds number flows are directed towards typical aeroelastic stability analyses of lifting surfaces at transonic conditions. The aeroelastic system of interest is represented by a rigid NACA 0012 airfoil-based typical section with both plunge and pitch elastic degrees of freedom. Root locus stability analyses of the aeroelastic system are performed in order to predict the flutter onset point for a given flight condition. Results obtained in the present work indicate that the simulation capability implemented is adequate for handling the fluid-structure interaction problems of interest. However, as expected, computational requirements become very severe for the high Reynolds number flows and several numerical techniques have to be brought to bear in order to allow treatment of such aeroelastic problems in a sufficiently efficient manner.

The present work is aimed at studying the influence of viscous effects in transonic aeroelastic analyses. To achieve this goal, a two-dimensional and viscous aeroelastic computational solver, for CAE analysis, is developed, which uses unstructured computational meshes and which is able to capture the main aeroelastic phenomena relevant in the transonic regime of flight. The aeroelastic system considered to test the present methodology is the classical typical section model. The system has two structural degrees of freedom. These are pitching and plunging, or heaving. The structural degrees of freedom can be treated within solver in a coupled manner or separately, in a loosely coupled fashion. The typical section model is an approximation to the treatment of a full wing, in which the airfoil at 75% of the semi-span is analyzed. The structural response is obtained by solving a set of a second order ordinary differential equations in time, with aerodynamic forcing. The coupling of the structural degrees of freedom occurs primarily through the aerodynamic forcing terms. The unsteady aerodynamic problem is treated through the numerical solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. These equations are solved using a finite volume method for unstructured computational grids, which uses a second-order centered spatial discretization and a second order time marching scheme. Turbulence closure is achieved through the Spalart-Allmaras one-equation eddy viscosity turbulence model. A reduction of the computational time for the unsteady aerodynamic simulations is obtained through the implmentation of a few convergence acceleration methods, which include the use of a constant CFL number, implicit residual smoothing and unsteady multigrid methods. The aeroelastic problem is solved through the coupling of the aerodynamic and structural formulations. In the present case, the structural equations are cast in a modal formulation and the unsteady aerodynamic responses are represented by aerodynamic states obtained by rational interpolating polynomials. The complete system of equations is written in state space format in the Laplace domain. The aeroelastic stability condition can, then, be determined by standard eigenvalue analyses of the system dynamic matrix.

O presente trabalho apresenta uma metodologia para simular, numericamente, o comportamento de um corpo flexível quando exposto a um determinado escoamento. Assim, objetiva-se criar a capacidade de efetuar análises aeroelásticas em ambientes industriais, em especial na indústria aeronáutica, através de procedimentos eficientes para o acoplamento de programas computacionais comerciais de dinâmica dos fluidos e de análise estrutural. O acoplamento pretendido é do tipo "transferência nos dois sentidos", em que o fluido gera cargas para a estrutura e esta, por sua vez, responde deformando-se; sendo que a nova geometria deformada fornece novas condições de contorno para a análise aerodinâmica. O ciclo de solução concomitante dos dois conjuntos de equações é repetido até que se possa caracterizar o comportamento aeroelástico da aeronave, ou da configuração de uma maneira geral, para dada condição de voo. Alguns dos fenômenos aeroelásticos que se tem interesse em analisar incluem divergência aeroelástica e flutter. Nos casos de aeroelasticidade estática, basta a utilização de simulações em regime permanente, devidamente acopladas ao modelo estrutural. O estudo de flutter consiste, por sua vez, em problemas de caracterização dinâmica do sistema aeroelástico, sendo necessário simular o regime transitório do sistema. Devido à existência de dados disponíveis na literatura, é utilizada a configuração da asa AGARD 445.6 para comparação de resultados. Os resultados obtidos demonstram que a metodologia proposta neste trabalho é válida para realizar análises aeroelásticas em um ambiente industrial.