Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7657_1.pdf: 2325854 bytes, checksum: 6496bca0734df36244ba2f1e7c9a0687 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2004 / Este trabalho apresenta uma formulação numérica para a solução da equação de condução de calor através do método dos volumes finitos (MVF) usando uma integração explicita no tempo, do tipo Euler em avanço (do inglês forward) em geometrias tridimensionais. Como motivação para o uso deste, temos o fato do MVF satisfazer o princípio de conservação, tanto local como globalmente, uma vez que é derivado diretamente das leis de conservação na forma integral, além do que, o MVF é flexível para lidar com modelos geométricos regulares ou irregulares (complexos ou não). O volume de controle empregado é do tipo centrado no vertíce (do inglês Vertex-Center), sendo formado pelo encontro das medianas com o baricentro dos elementos finitos. Devido a melhor representação do contorno para a maioria dos solídos reais, utilizamos malhas não-estruturadas (baseada em elementos tetraédricos), estas também apresentam algumas desvantagens como: alocação da informação de forma indireta, grande quantidade de memória requerida, etc. Visando minimizar os aspectos mencionados, adotamos uma estrutra de dados alternativa, armazenando agora as informações da malha sobre as arestas de cada elemento tetraédrico. Esta escolha permite não somente a capacidade de lidar-se com malhas quaisquer (nãoestruturadas ou estruturadas), como também, uma implementação computacional mais simples e eficiente na etapa de processamento da solução do problema. Foi implementado um programa em Fortran90 que esta divido em três módulos: o primeiro módulo importa a geometria, a malha e condições de contorno geradas pelo programa comercial MSC.Patran (versão 2001 r2a), o segundo modulo é o responsável pela conversão da estrutura de elementos, para a estrutura de dados por aresta (do inglês Edge-based). Por último, o terceiro módulo, resolve problemas de condução de calor nos regimes estacionário e transiente empregando a estrutura de dados baseada em aresta. Os resultados obtidos são comparados com o solver comercial MSC.Nastran (versão 2001) e visualizados na ferramenta livre disponibilizada pela IBM, o OpenDX

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:41:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7690_1.pdf: 1967176 bytes, checksum: 4322ef47c9f61269f330dadd4bba0d78 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2004 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Algumas das principais causas de cegueira na população são as doenças degenerativas da retina, tais como retinose pigmentar (RP) e degeneração macular (AMD). Ambas provocam a degeneração das células fotorreceptoras tornando, assim, o sistema visual insensível à luz (Peachey & Chow, 1999). Um meio desenvolvido recentemente para restaurar o sistema visual envolve a aplicação de estímulos elétricos externos. Baseando-se neste princípio, estão sendo fabricados implantes ou próteses visuais que são pequenos chips, dotados de eletrodos capazes de estimular eletricamente áreas em torno do implante e, assim, ativar o sistema visual. Porém, o calor gerado a partir dos sensores eletrônicos pode danificar o tecido neural adjacente e até mesmo o próprio implante. Além disto, a elevação de temperatura pode tornar o ambiente propício à proliferação de bactérias podendo causar infecções (Schwiebert et al., 2002). A análise da transferência de calor no olho humano devida a implantes artificiais na retina é o objetivo do presente trabalho. Os danos térmicos causados no tecido pela exposição a altas temperaturas podem ser quantificados através da função dano. A análise da transferência de calor no olho é feita através de uma formulação do método dos volumes finitos anteriormente desenvolvida para tratar modelos bidimensionais (Guimarães, 2003; Lyra et al., 2002). Esta formulação utiliza volume de controle centrado no nó e foi implementada fazendo uso de uma estrutura de dados baseada nas arestas da malha. O modelo físico-matemático é aqui descrito detalhadamente em conjunto com a função dano. Faz-se uma breve descrição da formulação numérica bidimensional da implementação computacional, da modelagem geométrica, da geração da malha discreta e do préprocessamento dos dados adotados. Apresentam-se os resultados da análise térmica dos tecidos oculares, inicialmente na ausência, e em seguida, na presença de implantes do tipo subretinal e epirretinal. Posteriormente, esta formulação bidimensional foi estendida para lidar com modelos axissimétricos. Para validar a ferramenta, a mesma foi aplicada em problemasmodelo tridimensionais axissimétricos de transferência de calor, que apresentam solução analítica

Este trabalho apresenta uma nova técnica de visualização que aproveita as vantagens do rendering volumétrico direto e do rendering de superfícies em um ambiente híbrido. O método faz uso de uma pré-visualização sobre o bordo do volume que viabiliza uma interação em tempo real com objetos volumétricos modelados por meio de malhas não estruturadas. Além disso, essa nova abordagem de visualização é paralelizável e pode se acelerada com placas gráficas comuns. / This work presents a new visualization technique that exploits the advantages of direct volume rendering and surface rendering in a hybrid environment. The method developed here makes use of a pre-visualization on the volume boundary to enable real time interaction with unstructured volumetric meshes. Furthermore, this new visualization approach can be implemented on existing parallel architectures and speed up by conventional graphical hardware.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In reservoir simulation, the compositional model is one of the most used models for enhanced oil recovery. However, the physical model involves a large number of equations with a very complex interplay between equations. The model is basically composed of balance equations and equilibrium constraints. The way these equations are solved, the degree of implicitness, the selection of the primary equations, primary and secondary variables have a great impact on the computation time. In order to verify these effects, this work proposes the implementation and comparison of some implicit and semi-implicit methods. The following formulations are tested: an IMPEC (implicit pressure, explicit composition), an IMPSAT (implicit pressure and saturations), and two fully implicit formulations, in which one these formulations is being proposed in this work. However, the literature reports some intrinsic inconsistencies of the IMPSAT formulation mentioned. In order to verify it, an iterative IMPSAT is implemented to check the quality of the IMPSAT method previously mentioned. The finite volume method is used to discretize the formulations using Cartesian grids and unstructured grids in conjunction with the EbFVM (Element based finite volume method) for 2D and 3D reservoirs. The implementations have been performed in the UTCOMP simulator from the University of Texas at Austin. The results of several case studies are compared in terms of volumetric oil and gas rates and the total CPU time. It was verified that the FI approaches increase their performance, when compared to the other approaches, as the grid is refined. A good performance was observed for the IMPSAT approach when compared to the IMPEC formulation. However, as more complex stencils are used, the IMPSAT performance reduces. / Em simulaÃÃo de reservatÃrios, o modelo composicional à um dos mais usados para a recuperaÃÃo avanÃada de petrÃleo. Entretanto, o modelo fÃsico envolve um grande nÃmero de equaÃÃes com uma complexa interelaÃÃo entre elas. O modelo à basicamente composto por equaÃÃes de balanÃo e restriÃÃes de equilÃbrio. A forma como essas equaÃÃes sÃo resolvidas como, o grau de implicitude, a seleÃÃo das equaÃÃes primÃrias, variÃveis primÃrias e secundÃrias tem um grande impacto no tempo de computaÃÃo. Com o intuito de verificar esse efeito, esse trabalho propÃe a implementaÃÃo e comparaÃÃo de alguns mÃtodos implÃcitos e semi-implÃcitos. As seguintes formulaÃÃes sÃo testadas: uma IMPEC (implicit pressure, explicit composition), uma IMPSAT (implicit pressure and saturations), e duas formulaÃÃes totalmente implicitas, das quais uma destas està sendo proposta neste trabalho. Entretanto, a literatura relata algumas inconsistÃncias intrÃnsecas da formulaÃÃo IMPSAT mencionada. Para verificar isso, um IMPSAT iterativo foi implementado para verificar a qualidade nos resultados do mÃtodo IMPSAT prÃviamente mencionado. O mÃtodo de volumes finitos à usado para discretizar as formulaÃÃes usando malhas Cartesianas e nÃo-estruturadas em conjunto com o EbFVM (Element based finite volume method) para reservatÃrios 2D e 3D. A implementaÃÃo foi realizada no simulador UTCOMP da Univeristy of Texas at Austin. Os resultados de diversos casos de estudo sÃo comparados em termos das vazÃes volumÃtricas de Ãleo e gÃs e do tempo total de CPU. Verificou-se que as abordagens totalmente implÃcitas melhoram sua performance, quando comparado com os demais mÃtodos, a medidaque a malha à refinada. Um bom desempenho foi observado para as formulaÃÃes IMPSAT quando comparadas com a formulaÃÃo IMPEC. Entretando, com o uso de conexÃes mais complexas entre os blocos da malha, o desempho da formulaÃÃo IMPSAT reduziu.

Este trabalho apresenta uma nova técnica de visualização que aproveita as vantagens do rendering volumétrico direto e do rendering de superfícies em um ambiente híbrido. O método faz uso de uma pré-visualização sobre o bordo do volume que viabiliza uma interação em tempo real com objetos volumétricos modelados por meio de malhas não estruturadas. Além disso, essa nova abordagem de visualização é paralelizável e pode se acelerada com placas gráficas comuns. / This work presents a new visualization technique that exploits the advantages of direct volume rendering and surface rendering in a hybrid environment. The method developed here makes use of a pre-visualization on the volume boundary to enable real time interaction with unstructured volumetric meshes. Furthermore, this new visualization approach can be implemented on existing parallel architectures and speed up by conventional graphical hardware.

The present work is primarily concerned with studying the influence of an upwind spatial discretization on the capability of representing turbulent flows on aerospace applications, in the context of a flow simulation code that is fairly close to a production code. Therefore, the work addresses the issues of implementing and validating an advanced turbulence model for high Reynolds number aerospace applications in the context of an existing flux-vector splitting simulation tool, which incorporates several advances in current CFD practice, including parallel processing. The flow simulation tool used in the present work was originally developed for high speed, high altitude, hypersonic applications. Hence, the code did not include any provisions for turbulence modeling, since most flows at these conditions can be adequately treated as laminar flows. Moreover, due to the presence of strong shock waves, which are typical of hypersonic applications, a very dissipative spatial discretization scheme, based on the upwind flux vector splitting concept, was employed in the construction of the inviscid numerical fluxes. Therefore, the use of such a tool for the simulation of turbulent aerospace flows requires the implementation of a turbulence closure, as well as an adequate treatment of the excessive artificial dissipation automatically generated by the original spatial discretization scheme. In the present case, the flows of interest are simulated using the three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The turbulence closure considered is the one-equation, eddy viscosity, Spalart-Allmaras model. The work discusses in detail the theoretical and numerical formulation of the selected model, as well as the validation studies. The work also demonstrates how the spatial discretization scheme is selectively modified such that the flow simulation tool remains robust for high speed applications at the same time that it can accurately compute turbulent boundary layers. Furthermore, the work also addresses the parallelization and other high performance computational issues, demonstrating that the resultant flow simulation code can achieve adequate performance on current multi-CPU, multi-core computational clusters. Finally, the work discusses issues that could be considered for the continuation of the research effort here undertaken.

O método WENO (Esquema Ponderada Essencialmente Não-Oscilatório) é o produto evolutivo de uma sequência de estudos adicionais, que começou com o trabalho seminal de Godunov nos últimos anos da década de 50 do século passado. A partir da reconstrução clássica de Riemann de Godunov os esquemas de alta resolução passaram pelos esquemas MUSCL ("Esquema Monotonicamente Centrado para Leis de Conservação"), o ENO ("Esquema Essencialmente Não-Oscilatório"), chegando finalmente ao estágio do esquema WENO. Esquemas WENO são esquemas de ordem mais alta precisão projetados para problemas com soluções contínuas por partes contendo descontinuidades. A idéia-chave reside no nível de aproximação, quando um procedimento não-linear adaptativo é utilizado para escolher automaticamente o estêncil mais suave localmente, evitando assim que descontinuidades surjam no procedimento de interpolação como tanto quanto possível. Seguindo de perto este caminho evolutiva, uma outra característica muito importante está relacionada com a aproximação tão acurada quanto possível, dos fluxos de Riemann nas junções entre as fronteiras das células. Muitas idéias para essa aproximação apareceram ao longo do caminho. Os esquemas de Lax-Friedrichs, Roe, Steger-Warming, AUSM, AUSMPW, HLL, HLLE, estão todos em uso hoje. Um código computacional baseado em algoritmos de alta ordem e alta resolução, baseado nos algoritmos WENO e MUSCL, chamado HYNE2D, para a simulação de escoamentos viscosos em altas velocidades e com eventualmente soluções constantes por partes, foi desenvolvido pelos autores. Muitos dos esquemas mais eficientes para o cálculo do fluxo foram implementadas, e, neste trabalho, uma comparação completa entre Lax-Friedrichs, Roe, AUSM+ e AUSMPW será explorado estritamente para uma formulação em volumes finitos baseada em arestas em malhas não-estruturadas. Os problemas de validação são todos os casos teste de aferição normalmente encontrados na literatura.

Moldagem por injeção é um dos mais importantes processos industriais para produção de produtos plásticos finos. Esse processo é dividido essencialmente em quatro estágios: plastificação, preenchimento, empacotamento e resfriamento. O escoamento de um fluido caracterizado por alta viscosidade em uma cavidade estreita é um problema tipicamente encontrado em processos de moldagem por injeção.Neste caso, o escoamento pode ser descrito por uma formulação conhecida como aproximação de Hele-Shaw. Tal formulação pode ser derivada das equações de conservação tridimensionais usando um número de suposições a respeito do polímero injetado e da geometria da cavidade do molde, juntamente com a integração e o acoplamento das equações da conservação da quantidade de movimento e da continuidade. Essa formulação, referindo às limitações da geometria do molde como sendo canais estreitos e quase sem curvatura, é comumente denominada formulação 2 1/2D. Neste trabalho, é apresentada uma técnica para a simulação da fase de preenchimento de um processo de moldagem por injeção, usando essa formulação 2 1/2D, com um método de volumes finitos e malhas não estruturadas. O modelo de Cross modificado com dependência da temperatura de Arrhenius é empregado para descrever a viscosidade do polímero fundido. O campo de distribuição de temperatura é tridimensional e é resolvido usando um esquema semi-Lagrangeano baseado em volumes finitos. As malhas não estruturadas utilizadas são geradas por triangulação de Delaunay e o método numérico implementado usa a estrutura de dados topológica SHE - Singular Handle Edge, que é capaz de lidar com condições de contorno e singularidades, aspectos comumente encontrados em simulações numéricas de escoamento de fluidos. / Injection molding is one of the most important industrial processes for the manufacturing of thin plastic products. This process can be divided into four stages: plastic melting, filling, packing and cooling phases. The flow of a fluid characterized by high viscosity in a narrow gap is a problem typically found in injection molding processes. In this case, the flow can be described by a formulation known as Hele-Shaw approach. Such formulation can be btained from the three-dimensional conservation equation using a number of assumptions regarding the injected polymer and the geometry of the mold, together with the integration and the coupling of the momentum and continuity equations. This approach, referring to limitations of the mould geometry to narrow, weakly curved channels, is usually called 2 1/2D approach. In this work a technique for the simulation of the filling stage of the injection molding process, using this 2 1/2D approach, with a finite volume method and unstructured meshes, is presented. The modified-Cross model with Arrhenius temperature dependence is employed to describe the viscosity of the melt. The temperature field is 3D and it is solved using a semi-Lagrangian scheme based on the finite volume method. The employed unstructured meshes are generated by Delaunay triangulation and the implemented numerical method uses the topological data structure SHE - Singular Handle Edge, capable to deal with boundary conditions and singularities, aspects commonly found in numerical simulation of fluid flow.

The present work describes the efforts towards the implementation of upwind schemes to simulate supersonic and hypersonic cold gás flows. The class of flux vector splitting schemes has been chosen, and the particular methods implemented are the van Leer and Liou schemes. Results for different freestream Mach numbers and mesh topologies are discussed in order to assess the comparative performance of the various spatial discretization schemes. The flow is modeled by 3-D Euler equations through the use of a cell centered, face-based data structure finite voluma method applied in an unstructured grid context. Time integration of the system of equations is performed using an explicit, 5-stage, Runge-Kutta scheme. Mesh refinement routines are available in the original code and they are able to handle tetrahedra, hexahedra, triangular-base prisms and square-base pyramids. The full multigrid procedure is also available in the base code to accelerate the convergence to steady state. In the present work, the author has studied possible forms of integrating the multigrid and the mesh refinement procedures, which were both originally available in the base code. The results obtained provide evaluation and comparison of the present methods with regard to oblique shock wave capturing, as well as the behavior of property values such as pressure, density and Mach number contours. Finally, the work presents a discussion on the relative characteristics of each method.

O presente trabalho se insere no desenvolvimento de códigos de simulação em CFD utilizados pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço (DCTA/IAE) e pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (DCTA/ITA) para o cálculo do desempenho aerodinâmico de configurações aeroespaciais diversas. O trabalho enfoca configurações aeronáuticas em condições de alta sustentação e, usualmente, com dispositivos hiper-sustentadores estendidos. A análise do escoamento nestas condições de altos valores de sustentação é muito complexa devido à não linearidade do escoamento e à iminência da separação do mesmo. Para tanto, será utilizado um código computacional em desenvolvimento no Laboratório de Aerodinâmica Computacional do DCTA/IAE/ALA, que utiliza uma formulação de Navier-Stokes com média de Reynolds juntamente com fechamentos de turbulência apropriados. O trabalho também utiliza códigos comerciais de uso corrente na comunidade aeroespacial. É parte integrante do trabalho contribuir para a validação e calibração do código em desenvolvimento para as aplicações de interesse, assim como para a avaliação dos códigos comerciais nestas mesmas aplicações. Tal esforço inclui a análise de modelos de turbulência mais adequados e estudos detalhados de refinamento e topologia de malhas, bem como permitir recomendações quanto aos requisitos para tratar tais problemas em um ambiente industrial. Os estudos consideram configurações bidimensionais de aerofólios com dispositivos hiper-sustentadores. Além disso, foi implementado um método de pré-condicionamento, que é construído a partir de modificações sobre os esquemas compressíveis usuais. Desta forma, obtém-se métodos numéricos mais robustos para o tratamento dos escoamentos encontrados nas faixas de velocidade relevantes para a análise de dispositivos hiper-sustentadores. Com base em uma análise preliminar e resultados obtidos com o código computacional em uma geometria simplificada, constatou-se que as malhas computacionais necessárias para discretizar uma geometria realística de interesse, como, por exemplo, uma configuração 3-D asa-fuselagem, seria da ordem de alguns milhões de volumes. Portanto, foi necessária a paralelização do código computacional para que o mesmo pudesse ser compilado e executado em máquinas com diversos processadores ou em várias máquinas distintas. Este trabalho de paralelização constituiu-se em uma contribuição adicional do presente esforço.