A simulação numérica de escoamentos de fluidos em uma grande variedade de aplicações requer a utilização de técnicas numéricas de alta eficência e recursos computacionais de alto desempenho. O objetivo deste trabalho é iniciar uma investigação de escoamentos de fluido durante o enchimento de compartimentos de reservatórios. Uma abordagem inicial foi tratar problemas de escoamento em um canal, rebuscando a geometria do domínio para contemplar problemas mais complexos. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e os resultados obtidos de um método numérico para simulação de escoamento de fluido incompressível em um domínio tridimensional, onde as equações de Navier-Stokes são desenvolvidas em uma formulação euleriana e discretizadas pelo método de elementos finitos. Os termos convectivos destas equações foram tratados pelo método semi-lagrangeano e o método de Galerkin foi utilizado para discretização espacial, um método baseado em decomposição LU foi utilizado para desacoplar as componentes de velocidade e pressão, sendo esta última calculada utilizando-se uma aproximação hidrostática. O domínio tridimensional foi representado por uma malha manipulada por uma estrutura de dados topológica, formada por células que definem elementos prismáticos lineares. Foram realizados experimentos sob várias alterações na geometria do domínio e também sob diferentes condições iniciais. Os resultados mostraram uma boa aproximação do método, quando analisado comparativamente a uma solução analítica / The numerical simulation of fluid flow over many applications require the use of numerical techniques of high efficiency and demand high computational power. This work aims at initiating an investigation about fluid flows while filling reservoirs. The initial approach was to deal with fluid flows in a retangular duct, as increasing the complexity of its geometry in order to model more complex cases. This document describes the development of a numerical method for the simulation of incompressible fluid flow over a threedimentional domain, where the Navier-Stokes equations were written under an Eulerian formulation and discretized by the Finite Elements Method. The semi-Lagrangean method was used to discretize the convective terms and the components of velocity and pressure were decoupled through the use of a method based on LU decomposition, where the final pressure was determined by using a hidrostatic aproximation. The threedimentional domain was represented by a mesh, manipulated by a topologic data structure, formed with cells that define linear prismatic elements. Many experiments were performed under different geometries of the domain and also under different initial conditions. The result showed a good approximation of the described method, when compared with an analitical solution

Nesta tese estudamos dois problemas diferentes na área de átomos ultra frios: Ondas de choque em condensados de Bose-Einstein e Espalhamento inelástico de átomos em um potencial de dois poços. No primeiro problema, estudamos o fluxo supersônico de um condensado de Bose-Einstein (BEC) através de um obstáculo macroscópico impenetrável delgado no sistema da equação de Schrödinger não-linear (NLS) bidimensional. Assumindo-se que a velocidade do fluxo é suficientemente alta, reduzimos assintoticamente o problema bidimensional original de valor de contorno para o fluxo estacionário através de um obstáculo alongado ao problema do pistão dispersivo unidimensional descrito pela NLS 1D dependente do tempo, no qual a coordenada original x reescalonada faz o papel de tempo e o movimento do pistão está vinculado à geometria do obstáculo. Duas ondas de choque dispersivas (DSWs) são geradas no fluxo, cada uma sendo formada em uma extremidade (frontal e traseira) do obstáculo. A DSW frontal é descrita analiticamente construindo-se soluções de modulação exatas para as equações de Whitham e a para a DSW traseira, empregamos a regra de quantização de Bohr-Sommerfeld generalizada para descrever a distribuição dos sólitons escuros. Propomos uma extensão da solução de modulação tradicional, a fim de incluir o padrão de ship-wave linear formado fora da região da DSW frontal. Realizamos simulações numéricas 2D completas e verificamos a validade das previsões analíticas. Os resultados deste problema podem ser relevantes para experimentos recentes sobre o fluxo de BECs através de obstáculos. No segundo problema, estudamos uma mistura atômica de dois átomos fermiônicos leves de spin 1/2 e dois átomos pesados em um potencial de dois poços. Processos de espalhamento inelástico entre ambas as espécies atômicas excitam os átomos pesados e renormalizam a taxa de tunelamento e a interação entre os átomos leves (efeito polarônico). A interação efetiva dos átomos leves muda de sinal e se torna atrativa quando o espalhamento inelástico é forte. Observamos também o cruzamento de níveis de energia, de um estado onde cada poço contém apenas um férmion (espalhamento inelástico fraco) para um estado onde um poço contém um par de férmions e ou outra está vazio (espalhamento inelástico forte). Identificamos o efeito polarônico e o cruzamento dos níveis de energia estudando-se a dinâmica quântica do sistema. / In this thesis we study two different problems in the field of ultracold atoms: Shock waves in Bose-Einstein condensates and Inelastic scattering of atoms in a double well. In the first problem, we study the supersonic flow of a Bose-Einstein condensate (BEC) past a slender impenetrable macroscopic obstacle in the framework of the twodimensional (2D) defocusing nonlinear Schr¨odinger equation (NLS). Assuming the oncoming flow speed sufficiently high, we asymptotically reduce the original boundary-value problem for a steady flow past a slender body to the one-dimensional dispersive piston problem described by the nonstationary NLS equation, in which the role of time is played by the stretched x-coordinate and the piston motion curve is defined by the spatial body profile. Two steady oblique spatial dispersive shock waves (DSWs) spreading from the pointed ends of the body are generated in both half-planes. These are described analytically by constructing appropriate exact solutions of the Whitham modulation equations for the front DSW and by using a generalized Bohr-Sommerfeld quantization rule for the oblique dark soliton fan in the rear DSW. We propose an extension of the traditional modulation description of DSWs to include the linear ship-wave pattern forming outside the nonlinear modulation region of the front DSW. Our analytic results are supported by direct 2D unsteady numerical simulations and are relevant to recent experiments on Bose-Einstein condensates freely expanding past obstacles. In the second problem, we study a mixture of two light spin-1/2 fermionic atoms and two heavy atoms in a double well potential. Inelastic scattering processes between both atomic species excite the heavy atoms and renormalize the tunneling rate and the interaction of the light atoms (polaron effect). The effective interaction of the light atoms changes its sign and becomes attractive for strong inelastic scattering. This is accompanied by a crossing of the energy levels from singly occupied sites at weak inelastic scattering to a doubly occupied and an empty site for stronger inelastic scattering. We are able to identify the polaron effect and the level crossing in the quantum dynamics.

O controle de emissões em veículos pesados está em foco desde a década de 90, com a criação de regulamentações nacionais e internacionais que impõe limites cada vez mais rígidos para as concentrações de poluentes emitidos por estes veículos. O desenvolvimento de novas tecnologias possui papel fundamental neste processo, buscando redução nos níveis de emissões com mínimo impacto negativo no desempenho e no consumo do veículo. Para tanto, o presente trabalho visa avaliar a influência da posição dos dutos de admissão de ar de cabeçotes de motores a combustão interna, especificamente em motores de ignição por compressão (MIC) de 4 válvulas, no escoamento de ar dentro do cilindro. O escoamento do ar e o movimento de swirl são fatores importantes para a mistura e distribuição do combustível injetado, e quando otimizados para uma queima melhor distribuída, contribuem para redução nos níveis de emissões. Procura-se investigar quais direções características dos dutos são determinantes para o escoamento e para o comportamento de swirl do motor através de simulações em fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) utilizando o programa CD-adapco STAR-CCM+®. Os resultados de alguns dos cenários simulados são comparados a resultados de testes experimentais realizados em bancada de medição de swirl, no âmbito de outro trabalho sendo desenvolvido no mesmo grupo de projeto. / The emissions control in heavy-duty vehicles has been in focus since the 1990\'s, with the creation of national and international regulations which impose strict limits for pollutant concentrations released by these vehicles. The development of new technologies has a fundamental role in this process, aiming the reduction of emission levels with minimum impact on the performance and fuel consumption of the vehicle. Therefore, the present study aims to evaluate the influence of the position of intake ports in cylinder heads from internal combustion engines, specifically 4-valves compression-ignition (CI) engines, in the in-cylinder air flow. The air flow and swirl motion are important factors for the mixture and distribution of injected fuel, and when optimized for a better distributed combustion, contribute for the reduction of emission levels. This study investigates the characteristic directions of ports which are determinant for the air flow and swirl behaviour of the engine through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using CD-adapco software STAR-CCM+®. The results from a group of simulated cases are compared to experimental test results from another project, developed on the same project group, performed in a swirl meter test rig.

The study in formation and evolution of sprays is essential for developing more detailed physical models and new injection strategies for direct injection internal combustion engines. In the present work, the sprays from a multi-hole injector are evaluated in an effort to characterize the effects of the spray development in a constant surrounding air flow. These interactions are studied in terms of the air turbulence characteristics, the inlet air mass flow and the fuel injection pressure. Ethanol sprays are injected in a constant-flow chamber. The apparatus purpose is to isolate the experiment from the fluid flow properties intrinsic to engine operations, such as instabilities and moving walls. The factors that affects the air-spray interactions were assessed with the air velocity fields in the presence of the ethanol spray. The two-phase particle image velocimetry technique was enhanced to allow measuring in the required experimental conditions. In all conditions, the interaction is based in a pressure gradient formed between the inner and outer regions of the spray. The results indicates a different mechanism when compared to quiescent conditions. The recirculation vortex at the spray border is present only in the initial injection stages. However, the end of injection transient, an instability initiated with the injector needle closing, is still present for these conditions. The interaction mechanism accelerates the velocity distributions towards the spray main boundary. The experiments indicate that the increase of the air mass flow modifies the air penetration velocity but without altering the interaction mechanism characteristics. Higher injection pressures suggests a lower degree of air interaction at the initial instants of the spray development. Turbulent intensity distributions are calculated for the air flow during the injection event. The distributions indicate that the sprays attenuate the turbulent intensity in all conditions, consistent with the observations of the velocity fields. To assess the effects of air turbulence, sets of interchangeable perforated plates are used to limit the integral scales of turbulence. The spectrogram analyses indicate turbulence is reduced not only in the integral scales, but also in all the measured frequency scales. The inlet turbulence integral scales of the air flow have little influence in the spray development. In the turbulence field, the power levels at the end of injection were similar regardless of the inlet turbulence integral scales. / O estudo da formação e evolução dos sprays é essencial para o desenvolvimento de modelos físicos mais detalhados e novas estratégias de injeção para motores de combustão interna de injeção direta. No presente trabalho, os sprays de um injetor multi-furos são avaliados em um esforço para caracterizar os efeitos do desenvolvimento do spray em fluxo de ar constante. Estas interações são estudadas em termos de características de turbulência do ar,do fluxo mássico de ar e da pressão de injeção de combustível. Sprays de etanol são injetados em uma câmara de fluxo constante. O objetivo do aparato é isolar o experimento de propriedades do escoamento intrínsecas ao funcionamento de motores de combustão interna, tais como instabilidades e geometrias móveis. Os fatores que afetam as interações de arspray foram avaliados com os campos de velocidade do ar obtidos na presença de spray. A técnica de velocimetria por imagem de partículas de duas fases foi aprimorada para permitir a medição nas condições experimentais. Em todas as condições, a interação é baseada em um diferencial de pressão formado entre as regiões interna e externa do spray. Os resultados indicam um mecanismo diferente quando comparado com condições quiescentes. O vortex formado na fronteira do spray é observado apenas nos estágios iniciais de injeção. No entanto, o transiente de fim de injeção ainda está presente para essas condições. O mecanismo de interação acelera as distribuições de velocidade em direção à fronteira do jato. Os experimentos indicam que o aumento do fluxo de massa de ar modifica a velocidade de penetração do ar, mas sem alterar as características do mecanismo de interação. Distribuições de intensidade turbulenta são calculadas para o fluxo de ar durante o evento de injeção. As distribuições indicam que os sprays atenuam a intensidade turbulenta em todas as condições, consistente com as observações dos campos de velocidade. Para avaliar os efeitos da turbulência do ar, conjuntos de placas perfuradas intercambiáveis são utilizadas para limitar as escalas integrais de turbulência. As análises do espectrograma indicam que a turbulência é reduzida não apenas nas escalas integrais, mas também em todas as escalas de freqüência medidas. Estas escalas integrais de turbulência do fluxo de ar de entrada têm pouca influência no desenvolvimento do spray. No campo de turbulência, os níveis de potência ao final da injeção foram semelhantes, independentemente das escalas integrais de turbulência de entrada.

Submitted by Filipe dos Santos (fsantos@pucsp.br) on 2018-06-21T12:36:09Z No. of bitstreams: 1 Walter Pichi Junior.pdf: 4132122 bytes, checksum: fb86468f13e878f9ea8613f3fad265a6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-21T12:36:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Walter Pichi Junior.pdf: 4132122 bytes, checksum: fb86468f13e878f9ea8613f3fad265a6 (MD5) Previous issue date: 2018-03-07 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The objective of this work was the development of a teaching kit using simple, mockups, but miniaturized models of chromatographic columns, whether heated or not. Development utilized low-cost material and the do-it-yourself approach. The performance tests of the speakers and their kit demonstrated that the system is reproducible and can be used to teach concepts about fluid manipulation, diffusion and desorption, among others. The purpose of the kit is to facilitate the easy manipulation of its components and their interconnection, proposing new innovations as well as advantages for learning the concepts of ABP and STEM / Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um kit de ensino utilizando modelos simples (mockups), mas miniaturizados, de colunas cromatográficas, aquecidas ou não. O desenvolvimento utilizou material de baixo custo e a abordagem do “faça você mesmo”. Os testes de desempenho das colunas e respectivo kit demonstraram que o sistema é reprodutível e que pode ser utilizado para o ensino de conceitos sobre manipulação de fluidos, difusão e dessorção, entre outros. O kit tem por finalidade favorecer a fácil manipulação, dos componentes que o compõe e a interligação dos mesmos, propondo novas inovações além de vantagens para a aprendizagem dos conceitos de ABP e STEM

A contribuição efetiva do presente trabalho de tese consiste na implementação de esquemas numéricos, MacCormak (1969) e Jameson e Mavriplis (1986), para resolução das equações de Euler no espaço tridimensional , segundo o contexto de volumes finitos e utilizando técnicas estruturadas e não estruturadas de discretização espacial. A aplicação direta seria para simulações de problemas físicos envolvendo, principalmente, escoamentos supersônicos e hipersônicos de "gás frio" em torno de configurações complexas. Em paralelo a este esforço, são apresentados técnicas de aceleração de convergência em uso comum pela comunidade de CFD e alguns operadores de dissipação artificial para esquemas numéricos com discretização espacial simétrica, com o propósito de averigüar suas características no tocante ao desempenho computacional e à qualidade global da solução.

Veículos aeronáuticos e aeroespaciais são sujeitos a cargas externas de rajadas, causando tensões transientes na estrutura. Na determinação das cargas devido à rajada, o histórico temporal da mesma assume uma variedade de formas e de magnitudes, e desta maneira, um histórico temporal específico não será representativo da situação global. Sendo assim, o assunto deve ser, de preferência, tratado com métodos estatísticos baseados em dados experimentais. Uma outra abordagem do problema seria efetuar o cálculo de resposta dinâmica da rajada discreta com variação de intensidade e da penetração da rajada até encontrar as respostas máximas. Um outro fato importante que entra na formulação do problema é a flexibilidade da estrutura, principalmente, para estruturas leves que voam em regimes de altas velocidades.O objetivo do presente trabalho é uma avaliação dos méritos dos dois processos e, eventualmente, chegar a resultados conclusivos sobre a comprovação dos requisitos de certificação.

As bombas ejetoras são dispositivos apropriados para aspirar e bombear um fluido que pode ser líquido, gás ou vapor ou uma mistura bifásica. Tais dispositivos são caracterizados pela troca da energia cinética de uma corrente de fluido primária com a uma corrente de fluido secundária em uma câmara de mistura. Devido à simplicidade na estrutura, na ausência de partes móveis e na conveniência da manutenção, bombas ejetoras têm sido usadas extensivamente em muitos campos da Engenharia para várias finalidades. Bombas ejetoras são usadas principalmente em atividades como: bombeamento ou sucção de fluidos, dragas, bombeamento de produtos químicos, transporte de partículas sólidas grandes ou até mesmos produtos alimentícios. Uma bomba ejetora é geometricamente simples consistindo de 4 componentes principais: um bocal, câmara de sucção, garganta misturadora e difusor. Nesta dissertação, a ferramenta de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) foi utilizada para calcular o escoamento tridimensional no interior de uma bomba ejetora com dados geométricos e de desempenho disponíveis na literatura com o objetivo principal de avaliar a qualidade dos resultados obtidos. Para tanto as equações de conservação da massa, 2 Lei de Newton, conservação de energia e para o modelo de turbulência k- foram resolvidas utilizando o método de volumes finitos com um algoritmo segregado para o acoplamento dos campos de velocidade e pressão. Para obtenção da solução foi utilizado o código comercial Fluent versão 6.3.17. Os resultados numéricos obtidos para eficiência da bomba ejetora foram comparados com resultados experimentais e com os de uma formulação unidimensional onde os coeficientes de perda por atrito foram medidos experimentalmente nas seções da bomba ejetora ensaiada experimentalmente e simulada numericamente. Os resultados apresentaram boa concordância em toda a faixa disponível de resultados experimentais. A ferramenta de CFD também permitiu analisar os campos de velocidade e a distribuição de pressão nos componentes da bomba ejetora (bocal, garganta misturadora e difusor).

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.

The objective of the present research work consists in studying complex aerodynamic flows about typical aerospace configuration, in which turbulence effects play a fundamental role. Such study is performed with an available computational tool that is being developed at CTA/IAE. This is a finite-volume code for unstructured 3-D meshes that solves the compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Turbulence effects are added to this numerical tool through turbulence models. Similar work had already been initiated by the author in his master thesis at ITA with less advanced model in that context. Turbulence effects are critical for complex aerospace configurations, such as supercritical or high-lift aerofoils, or space vehicles at atmospheric transonic or supersonic flight, and less advanced turbulence models fail to adequately describe such flows. The investment in more complex turbulence models, such as {em nonlinear} eddy viscosity and Reynolds-stress transport closures, is of fundamental importance to better capture such flows, which are very important in the context of the developments within the aerospace area at CTA/IAE and Embraer. Furthermore, in order to allow for a robust and efficient numerical framework, effort is also driven towards convergence acceleration techniques such as multigrid and variable time stepping procedures, as well as convective flux computation schemes suitable for boundary layer and shocked flows. These flux schemes must be robust and accurate even for highly stretched meshes that support these flow phenomena at reasonable computational costs. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is performed by comparison of numerical results with experimental or theoretical data for several flow cases. Flows involving laminar boundary layers and shock waves are used to assess the quality of the convective flux computation schemes. Traditional turbulent-flow validation cases, such as the turbulent boundary layers over a flat plate or within a parallel-wall channel, are considered to address the level of physical representativeness of the chosen models. Finally, typical aerospace flows are evaluated with the best numerical settings resulting from the previously mentioned efforts. Such cases involve transonic and high-lift aerofoils, and transonic and supersonic flows about a space vehicle. In general, good agreement of numerical results with the reference data is obtained.