Este trabalho investiga o tratamento numérico da interface entre uma região porosa e uma região limpa, levando em consideração a influência do coeficiente de salto da tensão cisalhante para a equação da quantidade de movimento, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. As equações que governam o escoamento são discretizadas pelo método de volumes finitos e o sistema de equações algébricas é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedure], sendo que para o acoplamento pressão-velocidade é utilizado o método SIMPLE. Inicialmente é analisado o escoamento laminar e, posteriormente o escoamento turbulento em canais parcialmente preenchido com um material poroso e, com um obstáculo poroso, utilizando para o caso turbulento o modelo k - e de Alto-Reynolds. Os resultados para o escoamento laminar em um canal parcialmente preenchido com material poroso sem a presença do termo não-linear de Forchheimer ou com a presença corroboram os resultados analíticos encontrados na literatura. Observa-se, ainda que, os resultados para escoamento em um canal parcialmente preenchido e com um obstáculo poroso, tanto laminar quanto turbulento, representaram satisfatoriamente os fenômenos físicos. A partir desses fatos conclui-se que a implementação numérica foi realizada de forma correta, sendo possível representar de forma adequada os efeitos do coeficiente, b , na vazão mássica global.

The main objective of the present research work consists of studying turbulent flows over typical aerospace configurations. In order to accomplish such goal, a numerical tool to simulate 3-D compressible flows is validated and improved. A finite difference method for structured grids, written for general curvilinear coordinates, is used. A centred spatial discretisation, which requires explicit addition of artificial dissipation terms, is chosen, and the time marching procedure is explicit. In the validation process, comparative analysis of systematic mesh refinement and grid topology is considered. Subsequently, adequate turbulence models for the applications of interest are implemented. This implementation must be carefully performed in order to robustly and consistently include the turbulence model subroutines into the numerical code. Convergence acceleration techniques such as multigrid and implicit residual smoothing are required in order to avoid the slower convergence rates associated with the more refined and stretched grids that are necessary for turbulent simulations. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is done by comparison of numerical results with experimental or theoretical data. Thereafter, flows about the VLS central body configuration are simulated in order to obtain aerodynamic results necessary for the development phase of the vehicle. In general, good agreement between numerical and experimental results are obtained within engineering error margins. Some limitations of the turbulence models could be observed. These limitations could be addressed with a careful study of the numerical results and previous knowledge of the capabilities of these models. Nevertheless, the conclusions that could be drawn are very positive for this initial effort on advanced turbulence modelling, and these conclusions are important for future development of the numerical code.

O deslocamento de bolhas gasosas imersa em meio líquido tem sido bastante estudado nas últimas décadas, devido à aplicabilidade deste fenômeno em diversas áreas da engenharia, tais como: máquinas hidráulicas, turbo bombas, extração de petróleo, processamento de alimentos, bioengenharia, etc. Este trabalho reporta os resultados de uma investigação experimental e numérica do escoamento ao redor e no interior de bolhas de ar esféricas com velocidade ascendente terminal, bem como a determinação de alguns parâmetros adimensionais (números de Reynolds, coeficiente de arrasto, etc.) que caracterizam esse tipo de escoamento. A técnica experimental utilizada para a determinação de tais parâmetros foi a de visualização de escoamento, onde foram captadas imagens de bolhas imersas em meio líquido à velocidade terminal de ascensão. Paralelamente foram medidas a vazão do escoamento e o diâmetro das bolhas, permitindo assim a determinação dos parâmetros adimensionais supracitados. Para a obtenção da solução numérica do problema, utilizou-se um programa computacional, que possibilitou a resolução das equações diferenciais parciais (EDP's) não-lineares de Navier-Stokes e da equação da continuidade (equação da pressão). Tal programa resolveu as EDP's utilizando-se do método de Elementos Finitos. Simultaneamente, foi resolvido uma equação para a função corrente com o intuito de visualizar o campo de linhas decorrentes ao redor e no interior da bolha. Por fim, os resultados numéricos para a bolha de ar foram comparados com os dados experimentais obtidos e com os outros resultados provenientes da literatura específica.

Este trabalho apresenta métodos para simulação de escoamentos a altos números de Mach utilizando diversos esquemas de discretização espacial. Dentre estes esquemas, considerou-se um esquema centrado e os esquemas de separação de vetores de fluxo de va Leer e de Liou. Os esquemas "upwind"foram implementados tanto em suas versões de primeira ordem quanto de segunda ordem de precisão espacial. As versões de segunda ordem de precisão estão baseadas numa abordagem "MUSCL", onde os estados à direita e à esquerda são reconstruídos linearmente e afetados por um limitador. O trabalho também discute uma técnica de geração de malhas não estruturadas bidimensionais, baseada no método de avanço de frente de geração. A malha é gerada através da introdução automática de pontos de domínio computacional. Utilizam-se termos fonte locais, que auxiliam na concentração de pontos em regiões específicas de domínio. Foram implementadas algumas técnicas de melhoramento de malha, tais como troca de diagonais e suavização. A metodologia de simulação de escoamento implementada utiliza ainda um procedimento de refinamento adaptativo, sendo que o processo de refinamento de triângulos usa um sensor baseado em propriedades físicas do escoamento. Os resultados foram obtidos através da simulação do escoamento em uma configuração típica de entrada de ar supersônica/hipersônica. Os diferentes esquemas de discretização espacial utilizados neste trabalho foram capazes de reproduzir adequadamente as características do escoamento.

Neste trabalho são apresentadas soluções numéricas para o escoamento laminar e turbulento em um canal aletado com material poroso, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. A condição de periodicidade espacial ao longo do canal é empregada. As equações do movimento e continuidade de massa são integradas em um volume elementar representativo acarretando em um único conjunto de equações governantes válido para todo o domínio computacional. Estas equações são discretizadas pelo método de volume de controle e o sistema de equações resultante é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedur

Muitos processos industriais utilizam dutos de transporte de fluidos, os quais existem normas para a aferição da velocidade. O dispositivo ideal de medida seria o bocal de Venturi, contudo o método mais comumente utilizado de medição é a placa de orifício. O bocal convergente se mostra mais eficaz, quando comparado à placa de orifício, devido ao fato de não apresentar recirculação na entrada do bocal, além de que bocais convergentes podem efetuar medidas 55% maiores na vazão, usando o mesmo coeficiente beta (r?R) e o diferencial de pressão da placa de orifício. Outra vantagem deste bocal é o menor comprimento, quando comparado ao bocal de Venturi. Geralmente, no ambiente fabril, os fluidos nos dutos se apresentam turbulentos, por ter restrições no escoamento, ao longo da tubulação, assim podem causar diferenças na medição da vazão por gerar turbulências no escoamento da entrada, distintos das especificações da norma. Neste contexto, o presente trabalho demonstra os efeitos de rotação em fluidos no bocal de entrada presente no medidor de vazão do tipo convergente, utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics). Dessa forma, serão resolvidas as equações governantes (massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência), usando, para isso, o método de volumes finitos. Logo, o acoplamento entre os campos de pressão e velocidade são estabelecidos aplicando o algorítimo SIMPLE. Inicialmente, um estudo de refinamento de malha será realizado para a determinação do coeficiente de descarga em um escoamento sem rotação na entrada do bocal. A comparação entre os resultados do coeficiente de descarga para bocais convergentes apresentados na norma ISO 5167-3 e os resultados numéricos para o mesmo bocal, é realizada e obtiveram boa correlação na faixa de 3% de desvio. Em seguida, o estudo do decaimento do Swirl ao longo de um duto liso e de um duto com bocal convergente é levantado e os resultados mostraram que o decaimento está mais associado com a velocidade axial (Reynolds) do escoamento do que da rotação imposta ao fluido.

In this study the influence of physical properties on heat transfer between the fluid and solid phases for laminar and turbulent flow in a square cavity filled with porous material, heated by one side and cooled by the opposite one is investigated. In order to simulate flow and heat transfer between the phases models, one and two-energy-equation models are used. The transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations were perfomed first for the case of clean cavity, using Laminar and High Reynolds Turbulent model, and the results are in agreement with the existing literature. In the case of porous cavities, simulation runs were performed using the 1EEM and 2EEM. Overall, this study showed that as porosity increases, the value of the average Nusselt at hot wall, for the same Ram, decreases. It is also shown that the average Nusselt decreases, from a critical Rayleigh , as the ratio between the thermal conductivities of the phases increases. Comparisons were made between both energy models and 2EEM shown smaller results for average Nusselt as ks/kf increases. Also found that the critical Rayleigh depends directly on the ratio ks/kf, being larger as it also grows. Still object of this work, it has been discovered that as the porosity decreases and the ratio between thermal conductivities increases, the turbulence within cavity increases as well. In general, the results and analysis obtained by this work can be used in real engineering situations where the porous cavities may be used.

This thesis addresses the important problem of shock wave--boundary layer interaction (SBLI) flows for aerospace engineering applications. Moreover, the work emphasizes the need for high fidelity simulations for the appropriate treatment of such flows. In this context, RANS solvers appear as a cost effective CFD approach. Therefore, the present work conducts studies in such a way to identify and to understand limitations, strengths and capabilities of RANS simulations for SBLI flows. Since turbulence modeling is an important issue on the accuracy of such simulations, the efforts here are concentrated on assessing the capabilities of several models that range from linear eddy-viscosity models (EVM) to Reynolds-stress closures (RSM). It would be expected that a RSM-type model could provide better solutions for a 3-D turbulent boundary layer under the action of high adverse pressure gradients, once such models allow for anisotropy between the Reynolds stress components. In order to achieve such goals, the configurations presented at the 2010 AIAA SBLI Workshop are chosen as the current test cases. Such test cases deal with high speed flows and very complex phenomena, including boundary layer separation. Meshes, composed of hexahedral and wedge elements, have been built. Mesh refinement and grid convergence studies are performed in order to identify a grid with a good compromise between accuracy and computational cost. In any event, even using the baseline grids, the present work has found that the computations are considerably expensive. Several simulations are presented for the test cases. Although no turbulence model has remarkably shown an outstanding performance over the others, the present work indicates that the SST and SA closures are the ones providing the best results for the test cases of interest here. Nonetheless, the two closures still present shortcomings in the simulation of SBLI flows. The overall simulation results using the RSM closure for the present SBLI test cases are not better than the SA and SST results. One must observe that the latter are much simpler turbulence models. Additional studies shall be focused on providing more robustness to the simulations with the 7-equation RSM turbulence model.

Este trabalho apresenta simulações numéricas de escoamento de fluidos através de placas de orifício, elementos primários de medição de vazão, em comparação aos resultados esperados por normas internacionais. O coeficiente de descarga usado para a determinação da vazão de um escoamento em uma tubulação foi obtido numericamente através da aplicação do modelo de turbulência de baixo Reynolds proposto por Launder-Sharma, resolvido através de um código aberto de Dinâmica de Fluidos Computacional. Diferentes configurações de placa de orifício foram analisadas, tais como: diâmetro do orifício de restrição, número de Reynolds, posição de instalação, ângulo de chanfro. A principal abordagem deste trabalho é apresentar uma metodologia para determinação do coeficiente de descarga para a montagem invertida da placa de orifício e apresentar os parâmetros que influenciam na determinação da vazão nesta condição. Foi observado que os melhores resultados foram obtidos para os maiores diâmetros de placa de orifício, salientando que todos os resultados apresentaram desvios inferiores a 2% em relação à norma ISO-5167 (2003). Na montagem invertida da placa de orifício foi observada uma redução na diferença de pressão entre as faces da placa de orifício em comparação à montagem correta, resultando em um maior valor necessário para o coeficiente de descarga. De acordo com os resultados deste trabalho a determinação do coeficiente de descarga para a montagem invertida da placa de orifício depende do número de Reynolds, ângulo de chanfro e da dimensão do orifício de restrição. Este trabalho apresenta ainda resultados para a determinação da vazão em condição de montagem invertida da placa, que podem ser abordados em trabalhos futuros para estimativa do coeficiente de descarga em condições adversas de montagem.

This work is part of the research and development, at the Institute for Advanced Studies (IEAv), of the first Brazilian hypersonic vehicle prototype, the 14-X airplane. As this vehicle will be propelled by scramjet (supersonic combustion ramjet) engines, this work presents detailed two-dimensional CFD analyses of the airflow in the intake system of such engines based on the 14-XB scramjet geometry and the expected flight conditions. The main objective is to study the airflow in the intake of the 14-XB at nominal flight condition and also for some off-design flight conditions and geometry using numerical methods and models available in the Fluent code. Off-design values of the vehicle velocity, angle of attack and altitude as well as of the angle of the inlet compression ramp and the number of inlet compression ramps were chosen to show how these changes impact the overall intake airflow. In this study are presented results for the airflow in the entire intake system and of specific flow variables at the engine combustor entrance, as well as calculation results of some intake performance parameters. Both, wall temperature and free stream flow turbulence effects on the intake airflow have also been analyzed. Investigation of viscous flow modeling and of the effects of temperature-dependent air properties has also been performed. Inviscid flow calculations have been performed to serve as a comparison basis for the viscous flow effects and as preliminary information of the airflow. A model validation analysis of the k-kl-? and Transition SST transition models has shown that both models can calculate BL and shock wave interactions (SWBLI) quite well, although, the k-kl-? is better to calculate the separation region whereas the Transition SST is superior to predict the reattachment point. Wall temperature has shown to affect quite significantly SWBLI while viscous flow modeling has shown to have an important impact on the intake airflow with some degradation of the intake system performance.