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The lattice Boltzmann method (LBM) is widely studied andused in the last years to replace the conventional numerical solvers forthe Navier-Stokes equations. In this work, a general introduction tofluid dynamics equations and the changes when the flow is a reactivemulti-species one will be given first. The lattice Boltzmann method andalgorithm will then be explained in details with the kinetic theorybehind, tested and validated for canonical test cases of doubly shearlayer flow in reactive and non-reactive flows. Finally the method willbe applied to simulate a non-reacting propane jet and the results willbe validated using experimental data. The objectives of this thesis are mainly: first a better understandingof the LBM, the combustion reactions, the jets and how they work, secondthe use of this method to produce a simple code that works for a basictest case, third validate this code with more developed methods, andfinally apply this method to simulate a more complex configuration whichis the non-reacting propane jet flame into co-flowing air / Gitter Boltzmann-metoden LBM studeras och används i stor utsträckning under de senaste åren för att ersätta de konventionella numeriska lösare för Navier-Stokes ekvationer.I detta arbete kommer en allmän introduktion till vätskedynamikekvationer och förändringarna när flödet är en reaktiv multiart att ges först.Gitter Boltzmann metod och algoritm kommer sedan att förklaras i detaljer med kinetisk teori bakom, testas och valideras för kanoniska testfall av dubbelt savskikt flöde i reaktiva och icke-reaktiva flöden.Slutligen kommer metoden att tillämpas för att simulera en icke-reagerande propanstråle och resultaten kommer att valideras med hjälp av experimentella data.\\ \\ Målen för denna avhandling är främst: först en bättre förståelse av LBM, förbränningsreaktionerna, jetstrålarna och hur de fungerar, för det andra användningen av denna metod för att producera en enkel kod som fungerar för ett grundläggande testfall, tredje validera denna kod med mer utvecklade metoder och slutligen tillämpa denna metod för att simulera en mer komplex konfiguration som är den icke-reagerande propanstrålelågan i co-flowing luft.

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e otimização de uma metodologia baseada em código comercial para previsão de ruído em um eslate, além do estudo da dependência do ruído ao variar a camada limite do aerofólio. Com a contínua redução do ruído produzido por motores em aeronaves e as sucessivas restrições nos níveis de certificação, o ruído produzido por dispositivos aerodinâmicos tem ganhado importância no projeto de uma aeronave. Durante o pouso, o ruído gerado pelos dispositivos hiper-sustentadores é classificado dentre os mais relevantes, sendo o eslate um de seus componentes. Este trabalho busca criar e otimizar uma metodologia baseada no código PowerFLOW, assim como estudar a influência das camadas limite do aerofólio na geração de ruído. Tal código é baseado na formulação de Lattice- Boltzmann. As fontes acústicas simuladas são propagadas utilizando uma analogia acústica de Ffowcs-Williams e Hawkings e, então, analisadas utilizando métodos estatísticos de análise de sinais. Estudos de validação e verificação do código baseados em soluções analíticas são apresentados, tais como uma camada de mistura periódica no espaço e a solução dos vórtices de Taylor-Green. A seguir, o aerofólio 30P30N é utilizado em todo o estudo relacionado a eslates, analisando primeiramente a independência da solução em relação ao nível de refinamento da malha e do tamanho do domínio empregados. Baseado nas recomendações de tal estudo, o resultado é comparado com simulações disponíveis na literatura. Com uma maior confiança na metodologia, o trabalho então apresenta estudos variando a camada limite em regiões do eslate, assim como removendo-a completamente em certas regiões do aerofólio ao empregar condições de contorno de livre-escorregamento. O trabalho mostra que a influência das camadas limite do aerofólio é desprezível em relação ao erro do método. Isso é causado pela aparente independência do ruído do eslate em relação ao escoamento perto de sua cúspide. Tal independência permite que a malha computacional seja otimizada, reduzindo o custo da simulação em até 60%. / This dissertation presents the development and optimization of a methodology based on a commercial software to predict slat noise, also studying noise dependency when varying airfoil boundary layers. Due to continuous reduction on aircraft engine noise and successive restrictions on noise certification levels, airframe noise has been gaining importance on aircraft design. During landing, high-lift noise is ranked as one of the most relevant ones, being slat noise one of its components. This work focuses on creating and optimizing a noise prediction methodology based on the software PowerFLOW, and also on studying the influence of airfoil boundary layers on noise generation. Such software is based on Lattice-Boltzmann formulation. The simulated sound sources are propagated using Ffowcs-Williams and Hawkings acoustic analogy and then analyzed by signal analysis methods. Code validation and verification studies based on analytical solutions are presented, such as the spacially-periodic mixing layer and the Taylor-Green vortices solutions. Following, the 30P30N airfoil is employed through the rest of this work, firstly studying the solution independency related to mesh refinement level and computational domain size. Based on recommendations from this study, the results are compared to simulations from the literature. With higher confidence levels on this methodology, the work then presents studies varying the slat boundary layer and also removing it completely by employing free-slip boundary conditions on certain airfoil regions. This work presents that the airfoil boundary layer influence is neglectable when compared to the method error. This is caused by the apparent slat noise independency related to the flowfield near the slat cusp. Such independency allows the computational mesh to be optimized, reducing the simulation cost by up to 60%.

Oriunda da etapa de destilação do caldo do caldo da cana-de-açúcar, a vinhaça é um subproduto da produção de etanol. Apesar de seu difundido uso na agricultura canavieira como fertirrigação, sua disposição no solo tem sido questionada quanto a possíveis riscos ambientais. Uma destinação alternativa à vinhaça e seu tratamento anaeróbio, considerado bastante atrativo haja vista a possibilidade de recuperação de energia na forma de biogás, sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Entre os sistemas de tratamento anaeróbios, os reatores de leito fixo têm sido amplamente utilizados devido à sua estabilidade operacional. A modelagem abrangente destes tipos reatores tende a ser complexa de forma que o estudo dos escoamentos em seu interior do reator é vital. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar e simular numericamente a hidrodinâmica de reator de leito fixo de fluxo ascendente tipo APBR (anaerobic packed bed reactor). Em termos gerais, os resultados obtidos por simulação foram confrontados tanto com os correspondentes valores experimentais como com aqueles obtidos a partir dos modelos uniparamétricos comumente usados para representar reatores não ideais. Para tanto, foram empregados dados pré-existentes de ensaios hidrodinâmicos conduzidos no início e no final da operação, com biorreator alimentado com solução-traçador na forma de degrau a vazões de 4,6 L/dia e 2,3 L/dia. Foram considerados os modelos de dispersão de pequena e grande intensidade bem como o modelo de tanques agitados em série. Quanto às simulações numéricas, foi usado o software de CFD (fluidodinâmica computacional)COMSOL Multiphysics ® 4.3b.As curvas DTR obtidas via simulação e com base nos modelos para reatores não ideais foram confrontadas com as curvas obtidas experimentalmente. Para o reator operando com vazão de 2,3 L/dia, nenhum dos modelos propostos mostrou-se adequado quanto ao final da operação, em razão da incapacidade em representar o surgimento de picos de concentração que podem estar associados ao acúmulo de biomassa no interior do biorreator, mas também ao tipo de traçador utilizado para a realização do experimento. As demais curvas DTR sugerem que o reator em questão aproxima-se do tipo pistonado. O simulador CFD representou de forma bem adequada os dados experimentais em comparação com resultados obtidos a partir dos modelos para reatores não ideais. A simulação numérica de biorreatores para tratamento de efluentes mostrou-se, pois, capaz de fornecer informações mais detalhadas e precisas, geralmente úteis a engenharia do processo. Adicionalmente, foi implementado um simulador com base no método de Boltzmann em rede (lattice Boltzmann method, LBM) capaz de simular escoamento laminar bidimensional em regime permanente no interior de um canal. No escopo de uma linha de pesquisa em simulação LBM de biossistemas agroindustriais, trata-se de um esforço inicial quanto à simulação LBM da hidrodinâmica de biorreatores para tratamento de efluentes em geral. / Resulting from sugarcane juice distillation, vinasse is a by-product from ethanol industry. Despite its widespread use as fertirrigation at crops, direct deposition of vinasse into soils has raised environmental issues. Alternatively, it may undergo anaerobic treatment, which is very attractive in view of energy recovery as biogas while preserving vinasse quality as biofertilizer. Among anaerobic treatment systems, fixed-bed reactors come forward due to their operational stability. Their comprehensive modeling is prone to be complex so that the study of fluid flows prevailing inside is fundamental. Accordingly, the goal of this work was to numerically analyze and simulate the hydrodynamics within a particular upflow fixedbed reactor, namely anaerobic packed bed reactor. In general, results from simulations were compared with experimental counterparts as well as against results from well-known single-parameter models for non-ideal reactors. Existing data from hydrodynamic tests were then used, concerning operation at both start-up and shut-down and bioreactor stepwise feeding with tracer solution flow at 4,6 L/day and 2,3 L/day. Non-ideal reactor models comprised either low or high-dispersion together with continuous stirred-tank reactor model while COMSOL Multiphysics ® 4.3b CFD (computational fluid dynamics) software was employed for simulations. Retention time distribution (RTD) curves from simulations and from model calculations were compared to experimental ones. For operation at 2,3 L/day flow, no models proved to be suitable as far as shut-down operation is concerned, due to biomass accumulation inside the bioreactor. Remaining RTD curves suggested that reactor behavior resembles plug-flow type. Compared to non-ideal reactor models, CFD simulations proved to properly reproduce experimental data while being able to provide detailed and accurate information for process engineering towards effluent treatment. Furthermore, a numerical simulator was implemented as based on the lattice Boltzmann method (LBM) in order to deal with two-dimensional steady-state laminar flow inside a channel. As part of research work on LBM simulation of agroindustrial biosystems, aforesaid simulator contributed to LBM simulation of hydrodynamics within bioreactors for wastewater treatment in general.

Com o desenvolvimento para aeronaves de propulsores turbo-fan com elevada razão de derivação, componentes da estrutura do avião passaram a ter relevância na geração de ruído aerodinâmico, principalmente durante a aproximação e o pouso. Dentre esses componentes, o eslate se destaca por ser uma fonte que se estende ao longo de praticamente toda a envergadura da asa. Neste trabalho, simulações numéricas foram feitas no intuito de considerar configurações práticas nas análises do ruído aeroacústico gerado pelo eslate. Um código comercial baseado no Método Lattice-Boltzmann foi usado no cálculo do escoamento transiente em torno do aerofólio MD30P30N. O domínio computacional simulado imitou a configuração geométrica de um túnel de vento. Foi levado em consideração o efeito da presença de duas formas de excrescência que são comuns na cova do eslate de aeronaves comerciais. Uma delas foi um selo que fica posicionado na parede da cova e a outra, um tubo do sistema anti-gelo. Tanto o escoamento transiente na região da cova quanto as características do ruído aeroacústico propagado para o campo distante foram analisados. Uma metodologia que impõe condição de parede com escorregamento livre no es- late e elemento principal, permitindo assim uma redução do custo computacional, foi usada. A abordagem foi ainda testada para a condição de um aerofólio submetido a escoamento cruzado, simulando uma asa infinita com enflechamento. Também uma modificação na metodologia, para que ela possa ser empregada em aerofólios com elevados ângulos de ataque, foi proposta e testada. O código híbrido MSES foi usado para o cálculo da espessura de deslocamento na camada limite do aerofólio. A modificação na geometria baseada em \'delta\'* causou uma melhora da solução aeroacústica de uma simulação empregando paredes com escorregamento livre, tomando como base de comparação a solução com paredes sem escorregamento. Simulações com selo dentro da cova, perto do recolamento, mostraram que, em certas circunstâncias, há um bloqueio dos vórtices da camada de mistura, intensificando picos tonais no espectro do ruído. A variação da posição do selo mostrou um efeito significativo no ruído do eslate, de forma que um selo suficientemente afastado do recolamento modificou o espectro do ruído do eslate. Os resultados com o aerofólio enflechado indicam que, também neste caso, o ruído do eslate não depende diretamente da camada limite na cúspide, mas da circulação do aerofólio. Por sua vez, a presença do tubo na cova aumenta significativamente a intensidade do ruído de banda larga produzido pelo eslate. Em uma asa sem enflechamento, o tubo causa também um aumento substancial na intensidade de picos tonais de baixa frequência. / The development of high by-pass ratio turbo-fan engine turned the airframe noise into an important component in a commercial airplanes\' noise characteristics. Between the airframe noise sources the slat can be highlighted as it extends almost along the whole wing span. Numerical simulation was carried out in order to consider practical configuration in the aeroacoutic noise generated by the slat. The effects of two different excrescences, which are normally present in commercial airplanes\' slat cove, were taken into account. One of them was a seal attached to the cove wall and the outher one was a tube that compose the anti-icing system. Both unsteady flow in cove region and far-field noise characteristics were analysed. A methodology that impose free-slip wall boundary condition on slat and main element surfaces was employed, which allowed the reduction of computational requirements. This approach was also tested for airfoil with crossflow, which simulates an infinite swept wing. Also a modification of the methodology was proposed and tested to extend its application in high-lift airfoils under higher angle of attack. A commercial code based on the Lattice-Boltzmann Method was used to compute the unsteady flow over the MD30P30N airfoil. The simulated computational domain imitates the geometry of a wind tunnel. The hybrid Euler/IBL code MSES was employed to calculate the displacement thickness of the airfoil\'s boundary layers. The geometry modification based on \'delta\'* caused a improvement on the aeroacoustic solution of a free-slip simulation, the no-slip simulation results being taken as reference. Simulations of geometries with relatively small seal close to the reattachment point showed that a blockage of the mixing layer vortices hapens and tonal peaks are intensified in the far-field noise spectrum. The variation of the seal position showed a significant effect on the slat noise, so that a seal farther from the reattachment modified affected both the shape and intensity of the noise spectrum. Results with the swept airfoil indicates that, even in the presence of crossflow, the slat noise does not depend on the cusp boundary layer, namely it is more sensitive to the airfoil circulation. The tube crossing the slat cove augmented significantly the broadband noise generated by the slat. In an unswept wing it also caused a substantial increase in the low-frequency tonal peaks.

La circulation sanguine joue un rôle vital en microcirculation, et ce pour le transport de l'oxygène, le dioxide de carbone et d'autres nutriments. Les globules rouges (GR) constituent la majorité des cellules du sang, c'est pourquoi par "écoulement sanguin", nous entendrons "écoulement d'une suspension de GR". Pendant longtemps l'écoulement sanguin était vu comme un phénomène passif où les GR sont considérés comme des cargos d'oxygène. La vision moderne est tout autre: l'écoulement sanguin est bel et bien un phénomène actif. Les GR ainsi que les cellules endothéliales (qui tapissent les faces internes des vaisseaux sanguins) sont impliquées dans un grand nombre de signalisations biochimiques induites par les contraintes hydrodynamiques, la route vers des régulations vasomotrices sans l'intervention du système nerveux. Par exemple, les GR ne transportent pas que l'oxygène, mais également de l'ATP (adenosine triphosphate), qui est libérée suite à des changements de conformation de protéines membranaires induite par les contraintes hydrodynamiques. Cette thèse est dédiée à la circulation sanguine et son couplage avec la signalisation biochimique ayant lieu en microcirculation. Plus précisément, les questions traités dans cette thèse sont i) la dynamique des GR, ii) le problème de la diffiusion-advection d'espèces chimiques au sein des écoulements sanguins, et iii) le rôle de la géométrie des réseaux vasculaires dans le processus de la signalisation biochimique mentionnés plus haut. Dans un premier temps nous analysons la dynamique de GR dans un écoulement de Poiseuille en présence de valeurs réalistes de contraste de viscosité. Dans un deuxième temps nous développons un modèle de diffusion-advection et le couplons aux écoulements sanguins en adoptant la méthode de Boltzmann sur réseaux; nous exploitons ensuite formulation en l'appliquant au problème de la libération de l'ATP par les GR sous écoulement. Enfin nous présentons des résultats préliminaires pour la problématique générale de l'écoulement sanguin mettant en jeu l'ATP libéré par les GR et la signalisation de calcium par les cellules endothéliales. Cette étude constitue un premier pas vers le problème général et ambitieux de la régulation locale mechano-biochimique impliquée dans la microcirculation. / Blood flow in microcirculation is vital for oxygen, carbon dioxide and nutrients transport. Most of blood cells are red blood cells (RBCs), so that by blood flow we mean flow of a suspension of RBCs. For long time blood flow has been mainly considered as a passive phenomenon, in which RBCs are viewed as passive carriers of oxygen. The modern view is completely different: blood flow is more active than we thought. The RBCs as well as vascular endothelial cells covering the internal walls of blood vessels are involved in a number of biochemical signaling processes that are triggered by shear stress eliciting a number of biochemical events, and ultimately resulting into vasomotor regulation without participation of the nerve system. For example, RBCs do not only carry oxygen but also ATP (adenosine triphosphate) , the release of which occurs thanks to changes of RBC membrane protein conformations caused by shear stress. Released ATP reacts with some endothelial membrane receptors leading to vasodilation. This thesis is devoted to blood flow and its coupling to biochemical signaling. More precisely, we investigate i) the dynamics of RBCs, ii) the advection diffusion of chemicals in blood flow and the role of iii) the geometry of vessel networks, in the mentioned signaling processes in microcirculations. Firstly, we study the RBC dynamics in a pipe flow with realistic viscosity contrast values, where a link between shape dynamics and rheology is established. Secondly, we develop an advection-diffusion solver that can handle general moving curved boundaries based on lattice-Boltzmann method (LBM); we then implement it for the study of the problem of ATP release from RBCs under shear flow. Membrane tension and deformation induced by shear stress together with vessel network geometry contribute to ATP release. Finally we demonstrate the capability of applying our model and our numerical tool to the complete problem of blood under flow involving ATP release from RBCs and endothelial calcium signaling as a preliminary step to the ambitious task of mechano-involved local regulation events in microcirculation.

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Este trabalho aborda a utilização do método de Lattice Boltzmann como ferramenta de simulação para a área de dinâmica de fluidos. Além disso, apresenta o programa LBSim desenvolvido durante o período de pesquisa, construído para ser flexível e extensível (através do emprego de técnicas de orientação a objetos) e com uma interface gráfica mais amigável do que outros projetos semelhantes. Como resultado deste trabalho, o software LBSim implementa uma série de módulos diferentes que utilizam o método de Lattice Boltzmann como base, permitindo a simulação de casos monofásico, multifásico, multicomponente, com suporte à gravidade, meios porosos, difusão, transferência de calor e paredes deslizantes. / This work approaches the use of the Lattice Boltzmann method as a simulation tool for the fluid dynamics area. Beyond that, it presents the LBSim software, developed during the period of the research and built to be flexible and extensible (through the application of techniques of the object oriented paradigm) and with a graphical interface more friendly than other similar projects. As a result of this work, the LBSim software implements a series of different modules that uses the Lattice Boltzmann method as a base, allowing the simulations of the following cases: monophase, multiphase, multicomponent, with support of gravity, porous media, diffusion, heat transfer and moving walls.