With the advent of powerful computer hardware, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been vastly used by researches and scientists to investigate flow behavior and its properties. The cost of CFD simulation is very small compared to the experimental arsenal as test facilities and wind-tunnels. In the last years many CFD commercial packages were developed and some of them possess prominence in industry and academia. However, some specific CFD calculations are particular cases and sometimes need special attention due to the complexity of the flow. In these cases, meticulous research becomes necessary. This is the case of turbomachinery flow calculations. The development of CFD codes applied to turbomachinery flow simulations and its implementation issues are not available. A few institutions have this type of knowledge. Each CFD code has its particularities. Developing a CFD code is very interest subject in academia. In this work, a computational code, written in FORTRAN, was developed to calculate internal flows in turbomachines using CFD techniques. The solver is capable of calculating the three-dimensional flows not only for turbomachines. For instance, internal and external flows of nozzles and airfoils can be calculated. The approach used allows the use of unstructured meshes of hexahedral elements. Euler, Navier-Stokes and turbulent equations can be calculated depending on the user settings. Diferent numerical schemes were implemented for time and space integration. Numerical tools to improve the stability and to increase the time-step (local time-step and implicit residual smoothing) were also implemented and all details are described in this work. The origin of this solver is to simulate flows in compressors and turbines. Therefore, both rotating and nonrotating frames of reference are calculated simultaneously. Hence, the verification and validation processes were run for both inertial and non-inertial systems. A step-by-step design procedure is presented in this work. It is very important to mention that to have a complete understanding of the flow physics in compressors and turbines the designer must have a solid knowledge of the operation of gas turbine components.

Este trabalho tem como objeto de estudo a análise de escoamentos da dupla - difusão em um meio poroso rígido, isotrópico e homogêneo totalmente saturado por um fluido incompressível e monofásico para os regimes laminar e turbulento. As equações de transporte mássico e de energia macroscópicas apresentadas são obtidas a partir do conceito de "Dupla Decomposição", o qual considera tanto as flutuações temporais quanto os desvios espaciais dos valores médios. Pretende-se demonstrar os mecanismos adicionais de transporte matematicamente derivados das flutuações temporais e desvios espaciais da temperatura, concentração mássica e da velocidade em todo domínio de análise. Estas equações são discretizadas pelo método dos volumes finitos com arranjo co-localizado num sistema de coordenada não-ortogonal e as equações algébricas resultantes são resolvidas pelo algoritmo SIP (Scheme Implicit Proceding). O método SIMPLE é usado para o acoplamento pressão - velocidade. Os resultados são comparados com dados numéricos disponíveis na literatura.

O comportamento transiente do escoamento de combustível e do ar no interior de tanques de aeronaves é uma informação que é obtida tradicionalmente somente através de ensaios. Esta dissertação propõe uma metodologia para simular o comportamento do combustível no interior de tanques através de métodos computacionais. Com o estudo do comportamento do combustível para condições de reabastecimento e durante manobras é possível avaliar aspectos importantes para otimizar o projeto dos tanques em função do tipo de operação da aeronave. As ferramentas utilizadas para efetuar as simulações têm como base casos matemáticos e simulações em CFD. Esta dissertação propõe a avaliação do comportamento do combustível em um tanque para duas situações: a primeira considerando somente a ação da gravidade com o intuito de simular o movimento do combustível após uma manobra e a segunda situação considerando o processo de reabastecimento. A avaliação do comportamento do combustível tem como finalidade prover informações sobre o tempo de reabastecimento, tempo de estabilização do movimento do combustível, posicionamento da fronteira combustível-ar, dados de velocidade e pressão. Através das informações referentes ao comportamento do combustível é possível a identificação de problemas em fase prematura de projeto, redução de custos de projeto, e redução da necessidade de ensaios em bancada e em vôo.

Neste trabalho é simulado numericamente o escoamento de um jato incidente em placa coberta com uma camada porosa. As equações macroscópicas para a conservação de massa e quantidade de movimento são obtidas baseadas no conceito de media volumétrica. Dois modelos macroscópicos são empregados para avaliar a transferência de calor, denominados: Modelo de uma equação de energia, baseado na consideração de Equilíbrio Térmico Local (LTE), e o modelo de duas equações de energia, em que são empregadas duas equações de energia, uma para o fluido e outra para a matriz porosa e é considerada a transferência de calor entre as fases também chamada de hipótese de Não Equilíbrio Térmico Local (LTNE). A técnica numérica empregada para a discretização das equações governantes foi o método de volume de controle com um sistema de coordenadas não ortogonal. O algoritmo SIMPLE foi utilizado para o acoplamento pressão-velocidade. Parâmetros como porosidade, espessura da camada porosa, permeabilidade do material e razão de condutividade térmica são variados com o intuito de avaliar seus efeitos no escoamento e transferência de calor. Os resultados indicam que para baixas porosidades, baixas permeabilidades, finas espessuras de camada porosa e altas razões de condutividade térmica, diferentes distribuições no número de Nusselt local na parede são calculados dependendo do modelo de energia aplicado. O uso do modelo de Não Equilíbrio Térmico local (LNTE) indica que é vantajoso utilizar uma camada porosa com alta condutividade térmica e alta porosidade junto à placa aquecida.

Este trabalho objetiva prover subsídios para análise de estabilidade de sistemas eixo-mancal de deslizamento carregados dinamicamente, sob lubrificação hidrodinâmica por filme fluido. A equação da pressão na qual se baseia todo o desenvolvimento apresentado neste trabalho foi concebida por Sommerfeld. Sendo esta fundamentada na teoria de mancais infinitamente longos, assume-se que o mancal de deslizamento considerado insere-se neste contexto. As expressões para as componentes de força radial e tangencial do sistema eixo-mancal em questão podem ser obtidas para as conhecidas soluções de Half Sommerfeld e Full Sommerfeld, integrando a equação da pressão de Sommerfeld. A resolução dessa integração foi obtida através da utilização de fórmulas recursivas tabeladas por Booker, para integrais que apresentam uma mesma forma característica, denominadas Integrais de Booker, e nas quais resulta o desmembramento da integral principal. Linearizando as forças por expansão de Taylor de primeira ordem, geram-se os coeficientes das matrizes características do sistema. A implementação numérica foi feita sobre as forças e matrizes obtidas para Half Sommerfeld utilizando o Método de Newmark, e abrangendo dois casos, ordem zero e primeira ordem. Ambos são analisados e confrontados no que concerne os resultados de convergência e divergência numéricas, e efeito half-speed whirl. Conclusões e considerações finais são tecidas com respeito às características, vantagens e desvantagens, e relevância para aplicação prática. Sobre estes propósitos, observa-se que a formulação em primeira ordem mostra-se mais vantajosa por permitir utilização de intervalos de tempo maiores para descrever a trajetória assumida pelo centro do eixo. Outra contribuição deste trabalho, e não menos importante, é a obtenção de uma formulação geral para as expressões das componentes de força, bem como das matrizes de rigidez e amortecimento. Além de se poder obter as mesmas expressões resultado geradas pelas soluções de Half e Full Sommerfeld, os limites de integração são livres para assumir quaisquer valores de posicionamento angular, e não restringem o intervalo de integração a ? ou a 2?.

Um estudo experimental da interação de dois jatos de ar planos e paralelos, oriundos de bocais retangulares, foi efetuado com um sistema de Velocimetria Doppler, utilizando um laser de He-Ne. Os resultados obtidos apresentam uma boa concordância com trabalhos experimentais anteriores realizados por outros autores, isto é, os perfis de velocidade média exibiram as três regiões distintas conhecidas como região de recirculação, região de jatos duplos e região de jato único. Entretanto, tornou-se claro que alguns melhoramentos podem ser feitos no gerador de jatos, no sistema usado para o mapeamento do campo de fluxo e no Sistema de Velocimetria Doppler, cujo volume de prova deve ser feito tão pequeno quanto possível.

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.

Este trabalho trata da simulação numérica do escoamento incompressível, laminar e turbulento, ao longo de cavidades rasas bidimensionais. O estudo é focado, principalmente, na análise da influência dos seguintes parâmetros: (i) alongamento da cavidade; (ii) número de Reynolds e (iii) nível de turbulência do escoamento não-perturbado. A meta principal é descobrir qual a condição mais favorável no sentido de se ter o menor efeito convectivo do escoamento ao longo do piso da cavidade. As equações de transporte que modelam o problema físico são discretizadas utilizando a técnica de volumes finitos. O algoritmo SIMPLER, desenvolvido por Patankar, é utilizado para solucionar as equações discretizadas em uma malha deslocada. Os resultados obtidos demonstram que a topologia do escoamento na cavidade é diretamente afetada pela varição dos parâmetros acima considerados e que existe um regime bem definido de baixa convecção na cavidade.

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento, implementação e análise de métodos numéricos baseados em técnicas de malhas de blocos múltiplos. As malhas de blocos múltiplos se dividem em malhas de blocos múltiplos justapostos e malhas de blocos múltiplos sobrepostos. Dentre as classes existentes destes métodos, o trabalho vai se concentrar em técnicas de malhas sobrepostos. Dentre as classes existentes destes métodos, o trabalho vai se concentrar em técnicas de malhas sobrepostas, porque estas oferecem uma maior flexibilidade para o procedimento de geração de malhas estruturadas. Estas técnicas são particularmente adequadas para configurações realisticamente complexas. O presente trabalho analisa a técnica Chimera, explicando os processos a serem feitos para a criação de uma malha adequada para aplicação desta técnica. O trabalho compreeende também o desenvolvimento e validação de códigos de simulação baseados em uma formulação bidimensional e tridimensional. O algoritmo numérico para a solução de equações Euler/Navier-Stokes usa um esquema centrado com dissipação artificial no contexto de diferenças finitas. As aplicações realizadas com esta técnica foram feitas sobre geometrias de interesse em aerodinâmica.