Circuitos de convecção natural ou sistemas de circulação natural são empregados em diversas áreas da engenharia. Reatores nucleares refrigerados a água utilizam circuitos de circulação natural como método passivo de seguranca. Em situações críticas, sem qualquer controle externo, o sistema permanece em segurança por suas próprias características de funcionamento (intrinsecamente seguro). O trabalho proposto consiste em estudar numericamente o circuito de circulação natural de água, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear em São Paulo, por meio do uso de modelos matemáticos, objetivando determinar o padrão do escoamento em condições sem mudança de fase líquido-vapor. A comparação dos resultados de temperatura obtidos por cada um dos modelos de turbulência aos pontos instrumentados no circuito experimental, na condição transitória, revelou desvios significativos nas respostas do modelo de zero equação. Desvios intermediário foram observados nos modelos de transporte da viscosidade turbulenta (EVTE), k - ω, SST e SSG e resultados melhores foram vericados nos modelos k - ε e DES (com significativa superioridade do primeiro modelo). / Natural circulation loops apply to many engineering applications such as: water heating solar energy system (thermo-siphons), thermal management of electrical components (voltage converter), geothermal energy, nuclear reactors, etc. In pressurized water nuclear reactors, known as PWR\'s, the natural circulation loops are employed to ensure passive safety. In critical situations, the heat transfer will occur only by natural convection, without any external control or mechanical devices. This feature is desired and has been considered in modern nuclear reactor projects. This work consists of a numerical study of the natural circulation loop, located at the Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear in São Paulo, Brazil, in order to establish the ow pattern in single phase conditions. The comparison of numerical results to experiments in transient condition revealed significant deviations for the Zero Equation turbulence model. Intermediate deviations for the Eddy Viscosity Turbulence Equation (EVTE), k - ω, SST e SSG models. And the best results are obtained by the k - ε e DES models (with better results for the k - ε model).

Este trabalho tem por objetivo estudar através de simulações numéricas a interação fluido-estrutura de um escoamento ao redor de um cilindro livre para vibrar na direção transversal do escoamento, com o objetivo de compreender melhor o fenômeno muito recorrente em estruturas oceânicas, principalmente os dutos de extração de petróleo, chamados risers. A condição a ser estudada é a de escoamento com número de Reynolds igual a 10000, em um cilindro com parâmetro de massa igual a 3,3 e de amortecimento igual a 0,0026. Nestas condições, diversos modelos serão criados para representar toda a faixa de velocidades reduzidas em que ocorre o fenômeno de sincronização. Estes parâmetros foram escolhidos devido à presença de dados experimentais para o comparativo entre as simulações e os dados experimentais, que será apresentado ao final do trabalho. Resultados como a média do coeficiente de arrasto e o RMS do coeficiente de sustentação também serão comparados com dados experimentais disponíveis na literatura e uma análise dos perfis de escoamento na região da esteira é feita para a identificação de padrões recorrentes nestes tipos de caso. / The objective of this work is to study through numerical simulations the fluid-structure interaction in a cylinder, which is free to oscillate in the cross flow direction, aiming to better comprehend the phenomena that frequently appears in offshore structures, mainly in pipelines for oil extraction, called risers, The studied condition is a flow with Reynolds 10000 around a cylinder with mass ratio of 3.3 and damping factor of 0.0026. Under these conditions, multiples models are created to represent the reduced velocities range where the synchronization phenomena happen. Those parameters were chosen due to the availability of experimental data in the literature, which allows the comparison between the simulations and experiments that is presented in the end of the work. Results such as the drag coefficient mean and the lift coefficient RMS are also compared with the experimental data available in the literature and an analysis of the flow in the wake region is done with the intention of identifying the patterns found in this type of case.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o escoamento de ar em dutos com múltiplas saídas que são identificados como caixas sopradoras, quando instalados em máquinas desaguadoras de celulose. Estas caixas auxiliam o processo de secagem conduzindo ar aquecido até um conjunto de orifícios que produzem jatos que são impingidos sobre as folhas de celulose fabricadas. É realizada revisão bibliográfica abordando processos e equipamentos de secagem, com foco no escoamento de ar, métodos para solução numérica de escoamentos, seus modelos e parâmetros, e abordagem semi-empírica para fluxos de ar na saída de dutos. O escoamento do ar no interior da caixa sopradora e nos jatos de saída são estudados através de simulação numérica, e de modelo semi-empírico. São propostas duas alternativas de geometria para estes dutos de modo que se garanta a maior uniformidade possível na vazão e na velocidade média do ar que saí através dos orifícios Na primeira alternativa considera-se que a seção transversal da caixa sopradora se mantém constante. Na segunda se considera que a seção transversal seja reduzida de modo uniforme ao longo da caixa sopradora. Um estudo experimental sobre o comportamento do escoamento de ar para caixas sopradoras em escala reduzida apresenta resultados que possibilitam validar um conjunto de valores numéricos obtidos na simulação e também estabelecer características para o escoamento de modo a atender o processo de secagem. Para cada alternativa são adotadas duas condições de vazão de ar. Os resultados obtidos pela da simulação numérica e modelagem semi-empírica validam um perfil geométrico adequado para que a caixa sopradora produza um conjunto de jatos nas suas saídas com valores de velocidade média. Um dos principais resultados foi obtido para a caixa com 275 orificios, na qual as velocidades médias estiveram dentro do intervalo de 32,5 m/s e 33,1 m/s, que representou um ótimo resultado em termos de balanceamento e uniformidade das vazões de ar. / This study presents an analysis about airflow in ducts with multiple outlets that are identified as blow boxes, when installed in pulp dewatering machines. These boxes work in the drying process leading heated air to a set of nozzles that produce air jets that are impinged against the pulp sheet. It is performed literature review about drying processes and equipment, with a focus on air flow, methods for numerical solution of airflows, their models and parameters, and semi-empirical approach about airflow at the outlets of the duct. The airflow inside the blow box and the output jets are studied by numerical simulation, and semi-empirical model. It is proposed two alternative geometries for these ducts in order to guarantee the greatest possible uniformity in flow rate, and in the average velocity of air jets. In the first alternative is considered that the cross section of the blow box remains constant. In the second one it is considered that the cross section is reduced uniformly along the blow box. An experimental study about the behavior of the airflow in blow boxes, using scaled models, presents results that can validate a set of numerical values obtained in the simulation and also establish characteristics for the drying process. For each alternative two conditions of airflow are adopted. The results obtained through numerical simulation and semi-empirical modeling validates an appropriate geometrical profile for the blow box in order to set the values of average speed within the range required by the drying process. One of the principal results, obtained for the case of boxes with 275 holes, was the average speed within the range of 32,5 m/s and 33,1 m/s, this range represents a great result in tterms of balance and uniformity of air flow.

Em função de recentes desenvolvimentos no processo de cálculo de sistemas térmicos de proteção contra gelo em aerofólios, foi identificada a importância da camada limite transicional para a correta previsão do coeficiente de troca de calor externo. O presente trabalho discute os métodos utilizados na modelagem numérica de turbulência e transição, testa a capacidade de um modelo k-epsilon de baixo Reynolds avaliar corretamente a transição para o escoamento em uma placa plana bidimensional e mostra que o acoplamento de uma função de transporte de intermitência ao modelo de turbulência de duas equações é uma alternativa eficiente para se aumentar a qualidade da previsão da transição calculada. A filtragem pela variável de intermitência atua corrigindo os níveis de turbulência fornecidos pelo modelo de duas equações durante a transição. Entre os atrativos da função de transporte de intermitência estão a simplicidade das condições de contorno e o fato de serem expansíveis para escoamentos tridimensionais. Uma equação de transporte de intermitência é implementada e acoplada com um modelo de duas equações do programa Fluent. O modelo é testado para três níveis de turbulência do escoamento livre. Os resultados obtidos são comparados com experimentos e com aqueles fornecidos pelo modelo original sem modificações. As distribuições do coeficiente de atrito e de fator de forma ao longo da placa com a função de intermitência mostram boa concordância com os valores verificados experimentalmente, apresentando significativa melhora em relação àqueles obtidos com o modelo \\ke\\ baixo Reynolds. / As a result of recent developments in the field of thermal anti-ice protection in airfoils, was ideintified the relevance of accurately modeling the transitional boundary layer in order to predict the external heat transfer coefficient. The present work reviews the existing alternatives to turbulence and transition modeling, tests the ability of a low-Reynolds \\ke\\ model in the evaluation of transition for a bidimensional flat plate and shows that the coupling of an intemittency transport function with a two equation turbulence model improves the prediction of transition. The filtering with the intermittency function acts correcting the turbulence intensity levels provided by the two equation model during transition. The simple boundary conditions and the expandability to tridimensional flows are other important characteristics of the intermittency functions. An intermittency transport equation is implemented and tested with a two equation turbulence model of the software Fluent. The model is tested for three freestream turbulence levels and the results are compared with experiments and with those obtained with the original model without modifications. The heat transfer coefficient and boundary layer shape factor evolution calculated with the coupled intermittency transport function show good agreement with experiments, improving the quality of the results of the original model.

Dispositivos de reação miniaturizados tendem a ganhar espaço na indústria de processos químicos por elevarem o transporte de massa e de calor e a segurança dos processos. Para compreender o papel de cada elemento constituinte de um microrreator sobre seu campo de velocidades e fenômenos de mistura, foram simulados um conjunto de dois canais, uma junção em T, 30 canais em formato de serpentina e um microchip completo através da fluidodinâmica computacional. A seção transversal destes microdispositivos têm dimensões entre 100 e 300 µm, enquanto o comprimento dos canais varia de 3000 a 25190 µm. Os modelos computacionais foram discretizados por malhas hexaédricas e os campos de velocidade em estado estacionário foram calculados para vazões de alimentação entre 12,5 e 2000 µL min-1, considerando regime laminar. A mistura foi avaliada pela injeção de traçadores não-reativos e distribuição das respectivas frações mássicas. As simulações foram validadas usando microvelocimetria por imagens de partículas. Os campos de velocidade possuem magnitudes significativas apesar das dimensões reduzidas e baixas vazões de operação dos sistemas. As imagens experimentais do escoamento evidenciaram o formato parabólico do campo de velocidades e o deslocamento de seu ponto máximo nas regiões curvas causado pela força centrífuga, como estimado pelo modelo computacional. Tal força, em conjunto com as forças viscosas na parede, gera fluxos secundários no escoamento. A distribuição de traçadores não-reativos evidenciou a importância dos fluxos secundários para promover mistura na direção ortogonal ao escoamento principal, ocorrendo sob o regime estacionário nas vazões analisadas. O estudo aqui realizado evidencia o emprego da fluidodinâmica computacional como ferramenta para melhor compreensão da fluidodinâmica e como apoio ao projeto de microdispositivos. / Miniaturized reaction vessels are drawing attention of chemical industries because they promote better mass and heat transfer and also enhance process safety. To understand the relevance of each element of a microreactor on the velocity field of the equipment and the corresponding mixing processes, several microdevices were simulated using computational fluid dynamics: an assembly of two channels, a T-junction, 30 channels in a serpentine assembly and a full microreactor. The cross section of the devices is 100 - 300 µm wide and the length of the channels varies between 3000 and 25190 µm. Computational domains were discretized using hexahedral meshes and steady-state velocity fields were computed considering laminar flow for flow rates between 12,5 and 2000 µL min-1. Mixing was evaluated by injecting inert tracers and monitoring their distribution. Simulations were validated against experimental micro particle image velocimetry data. Velocities throughout the devices are relatively high despite the small dimensions of the cross sections and small flow rates. Experimental images of the flow elucidated the parabolic shape of the velocity profile and its distortion on curved segments caused by centrifugal forces, matching predictions of the computational model. Tracer maps indicated secondary flows play an important role in mixing stream perpendicular to the main flow direction. This study emphasizes the use of computational fluid dynamics as a tool for understating flow throughout microdevices and supporting their design.

A equação de Poisson-Boltzmann tem uma vasta gama de aplicações, desde a ciência coloidal e microfluídica até bioquímica e biofísica. O potencial elétrico na dupla camada elétrica leva a um potencial de força, em termos das equações de Navier-Stokes que é então usado para simular o fluxo resultante. Em escoamentos bifásicos uma simplificação desta equação é usada para se obter o campo de pressão. O presente trabalho tem como principal objetivo estudar o problema de Poisson-Boltzmann com coeficiente constante e propor uma solução através da implementação do método das interfaces imersas utilizando diferenças finitas de altas ordens de precisão numérica. / The Poisson-Boltzmann equation has a wide range of applications, from colloidal and microfluidic science to biochemistry and biophysics. The electrical potential in electric double layer leads to a force potential in terms of the Navier-Stokes equations that is then used to simulate the resulting flow. In biphasic flows a simplification of this equation is used to obtain the pressure field. The present study has as main objective to study the problem of Poisson-Boltzmann with constant coefficient and propose a solution through implementation of the immersed interfaces method using high order finite difference scheme sand thus get high order numerical accuracy.

Circuitos de convecção natural ou sistemas de circulação natural são empregados em diversas áreas da engenharia. Reatores nucleares refrigerados a água utilizam circuitos de circulação natural como método passivo de seguranca. Em situações críticas, sem qualquer controle externo, o sistema permanece em segurança por suas próprias características de funcionamento (intrinsecamente seguro). O trabalho proposto consiste em estudar numericamente o circuito de circulação natural de água, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear em São Paulo, por meio do uso de modelos matemáticos, objetivando determinar o padrão do escoamento em condições sem mudança de fase líquido-vapor. A comparação dos resultados de temperatura obtidos por cada um dos modelos de turbulência aos pontos instrumentados no circuito experimental, na condição transitória, revelou desvios significativos nas respostas do modelo de zero equação. Desvios intermediário foram observados nos modelos de transporte da viscosidade turbulenta (EVTE), k - ω, SST e SSG e resultados melhores foram vericados nos modelos k - ε e DES (com significativa superioridade do primeiro modelo). / Natural circulation loops apply to many engineering applications such as: water heating solar energy system (thermo-siphons), thermal management of electrical components (voltage converter), geothermal energy, nuclear reactors, etc. In pressurized water nuclear reactors, known as PWR\'s, the natural circulation loops are employed to ensure passive safety. In critical situations, the heat transfer will occur only by natural convection, without any external control or mechanical devices. This feature is desired and has been considered in modern nuclear reactor projects. This work consists of a numerical study of the natural circulation loop, located at the Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear in São Paulo, Brazil, in order to establish the ow pattern in single phase conditions. The comparison of numerical results to experiments in transient condition revealed significant deviations for the Zero Equation turbulence model. Intermediate deviations for the Eddy Viscosity Turbulence Equation (EVTE), k - ω, SST e SSG models. And the best results are obtained by the k - ε e DES models (with better results for the k - ε model).

The work presents a study of correction techniques to compute unsteady transonic pressure distributions and aeroelastic stability in this flow regime. The methodologies herein investigated are based on corrections of pressure distributions by the weighting of the lifting surface self-induced downwash, resulting from aeroelastic structural displacements or prescribed motions. A number approaches were investigated. An investigation into the linear/nonlinear behavior of unsteady transonic flows was also conducted. It was concluded from such investigation that unsteady transonic flows present a linear behavior with respect to small aeroelastic structural displacements around a steady nonlinear mean flow. Such behavior is the basis for further development of downwash correction methods.The correction of pressure distributions through the weighting of the lifting surface self-induced downwash is also known as downwash weighting method. This method has been enhanced leading to a new downwash correction technique. The procedure may be divided in two steps, where the first step is a nonlinear steady mean flow correction, with nonlinear pressure differences considered as reference conditions to correct the self induced downwash. The second step is the correction of the unsteady component of the downwash, where the corresponding reference unsteady pressure differences are predicted by a linear aerodynamic model, based on the potential flow equations.This extended downwash correction method led to a rational formulation named as "successive kernel expansion method" (SKEM). The unsteady pressures and aeroelastic stability boundaries computations using such method led to good agreement with experimental measurements. This procedure is a rapid form to compute the transonic flutter speed boundaries, compared to computational aeroelasticity and experimental techniques.

The intent of this work is to analyse by means of numerical experiments the characteristics in terms of performance when the penalty method and the pressure Poisson equation formulation are combined to solve convective problems. Besides that, the penalty method and the pressure Poisson equation formulation are applied independently and compared with the coupled formulation. The three methodologies have been applied on four numerical examples: natural convection in a square cavity with Boussinesq and non-Boussinesq hypothesis, forced convection in a square cavity and flow over a backward step. The attention has been focused on the CPU time consumption, mass conservation and solution's accuracy in comparison with benchmark results. The coupled formulation has shown to be efficient for three problems studied, while the pressure Poisson equation formulation has shown convergence problems for the backward facing step flow. For the penalty method applied on the natural convection problem, the solution has diverged for both, Boussinesq and non-Boussinesq approaches. It has been verified that the penalty parameter affects much more the solution than the pressure weight. The CPU time curve against the penalty parameter variation has shown to have bathtub curve comportment, while the mass conservation error is significantly reduced as the penalty parameter is increased. However, for high penalty parameter values spurious solutions have been found. Additionally to mass conservation error, it is necessary to define an error criterion to check the reliability of the solution.

Este trabalho investiga o escoamento turbulento no entorno da interface entre um meio limpo e um meio poroso, com a finalidade de ajustar as condições de contorno de salto de tensão cisalhante e de fluxo difusivo de energia cinética de turbulência, usada na abordagem macroscópica. Como modelo para o meio poroso, são consideradas várias geometrias compostas de hastes de formas diversas (haste cilíndrica, haste elíptica longitudinal e haste elíptica transversal). O comportamento das propriedades do escoamento em função da morfologia da estrutura porosa é analisado. As equações que governam o escoamento são numericamente resolvidas na fase líquida ao redor das hastes sólidas. O método numérico empregado para a discretização das equações é o método dos volumes finitos com arranjo co-localizado num sistema de coordenadas generalizadas. O algoritmo PISO é usado para correção do campo de pressão. Após a obtenção destes resultados, denominado resultados distribuídos, foi utilizado o conceito de média volumétrica, em uma célula de cálculo para transferir os resultados distribuídos do domínio "microscópico" para o domínio macroscópico - denominado resultados integrados. A partir do ajuste de curva dos valores pontuais de velocidade e energia cinética de turbulência no meio poroso e no meio limpo, foram estimados os coeficientes de salto de tensão, ß e de salto de fluxo difusivo de energia cinética, ßk. A metodologia de integração desenvolvida para obtenção dos coeficientes de salto, além de preservar a maioria das informações do escoamento distribuído, resulta em valores fisicamente coerentes de tensão e de fluxo difusivo de energia cinética. Para os casos analisados, os valores do coeficiente de salto de tensão, ß, que melhor acomodam a transferência de quantidade de movimento na interface são, ß=1,4824, para escoamento laminar, e ß=0,6536, para escoamento turbulento, evidenciando a dependência do coeficiente de salto ao regime de escoamento. Além disso, é apresentado o coeficiente de salto de fluxo difusivo de energia cinética de turbulência modificado, ß#c=1,6244, que ajusta a troca de fluxo difusivo de (K)v entre as camadas de fluido acima e abaixo da interface, independentemente dos valores de porosidade, fc, analisados.