Difusores de ar é um tema de particular interesse na indústria dos sistemas de ar condicionado e climatização. O difusor swirl (ou tangencial) é um tipo de difusor já utilizado em alguns ambientes climatizados. O seu comportamento é mais conhecido em aplicações no campo da combustão, mas, em aplicações de sistemas de ar condicionado o Número de Reynolds é bem menor, não há a combustão e as condições de contorno são diferentes. Além disso, têm-se poucos estudos voltados para estes difusores num domínio 3D. Com esta motivação, o presente trabalho apresenta as simulações de um difusor tangencial em vazões típicas de aplicações de conforto térmico personalizado, utilizando a modelo de turbulência Reynolds Stress em um domínio 3D. Algumas simulações em um domínio 2D são realizadas a fim de se obter algumas características essenciais do escoamento, como abertura e comprimento do jato. Porém, comparados ao experimento, os resultados 2D precisam ser melhorados. Esquemas de discretização de maior ordem são utilizados para se avaliar o desempenho. Nas simulações no domínio 3D, verifica-se que um resultado melhor é alcançado quando se refina a malha na região central do jato, logo abaixo do difusor. Dois métodos de especificação da condição de contorno de entrada são estudados: o primeiro consiste em utilizar os dados experimentais obtidos na saída do difusor para simular o escoamento sem a geometria do difusor e o segundo simula o difusor completo, aplicando a magnitude da velocidade perpendicularmente à superfície de entrada com base na vazão calculada pelos dados do experimento do PIV (Particle Image Velocimetry). Os resultados numéricos são comparados com o experimento. Verifica-se que o método de simulação sem o difusor apresenta resultados mais precisos com relação ao experimento e apresenta maiores vantagens na simulação numérica. / Air diffusers are a topic of particular interest in the industry of acclimatization and air conditioning systems. The swirl (or tangential) diffuser is a type of device already used in some air conditioned environments. Their behavior is best known in combustion applications, but in air conditioning systems applications, the Reynolds number is much lower, there is no combustion and the boundary conditions are different. In addition, there have been few studies on these diffusers in 3D domain. With this motivation, this work presents simulations of a tangential flow diffuser for applications of thermal comfort. The numerical study uses the Reynolds stress turbulence model in a 3D domain. Some simulations in a 2D domain are performed in order to obtain some essential features of the flow, as the width and length of the jet. However, compared to the experiment, the 2D results need to be improved. Higher order discretization schemes are used to evaluate performance. In 3D domain simulations, it is verified that a better result is achieved when the mesh is refined in the jets central region, just below the diffuser. Two methods of the inlet boundary conditions are studied: the first consists of using the experimental data obtained at the exit of the diffuser to simulate the flow without the geometry of the diffuser and the second method simulates the diffuser completely, applying the velocity magnitude perpendicular to the inlet surface based on the calculated flow rate with experimental data of PIV (Particle Image Velocimetry). The numerical results are compared with experiment. It is noted that a simulation method without the geometry of the diffuser provides more accurate results with the experiment and has major advantages in the numerical simulation.

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.

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.

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.

Nos últimos anos, o estudo de métodos de animação de escoamento de fluidos tem sido uma área de intensa pesquisa em Computação Gráfica. O principal objetivo desse projeto é desenvolver novas técnicas em GPGPU baseadas na arquitetura CUDA para simular o escoamento de fluidos não-newtonianos, tais como fluidos viscoplásticos e viscoelásticos. Ao invés dos tradicionais métodos com malha diferenças finitas e elementos finitos, essas técnicas são baseadas em uma discretização lagrangeana das equações de governo desses fluidos através do método sem malha conhecido como SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) / I n recent years, the study of methods of animating fluid flow has been an area of intense research in Computer Graphics. The main objective of this project is to develop new techniques based on the CUDA GPGPU architecture to simulate the flow of non-Newtonian fluids, such as viscoelastic and viscoplastic fluids. Instead of traditional methods with mesh - finite differences and finite elements, these techniques are based on a Lagrangian discretization of the governing equations of these fluids through the mesh free method known as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)

A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível / The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid

Nos últimos anos, o estudo de métodos de animação de escoamento de fluidos tem sido uma área de intensa pesquisa em Computação Gráfica. O principal objetivo desse projeto é desenvolver novas técnicas em GPGPU baseadas na arquitetura CUDA para simular o escoamento de fluidos não-newtonianos, tais como fluidos viscoplásticos e viscoelásticos. Ao invés dos tradicionais métodos com malha diferenças finitas e elementos finitos, essas técnicas são baseadas em uma discretização lagrangeana das equações de governo desses fluidos através do método sem malha conhecido como SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) / I n recent years, the study of methods of animating fluid flow has been an area of intense research in Computer Graphics. The main objective of this project is to develop new techniques based on the CUDA GPGPU architecture to simulate the flow of non-Newtonian fluids, such as viscoelastic and viscoplastic fluids. Instead of traditional methods with mesh - finite differences and finite elements, these techniques are based on a Lagrangian discretization of the governing equations of these fluids through the mesh free method known as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)

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.

A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível / The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid

O concreto é um dos materiais de construção civil mais versáteis, podendo se adaptar a formas diversas quando em seu estado fresco e resistindo a grandes cargas de compressão em seu estado rígido. No entanto, em estruturas mais densamente armadas ou com geometrias mais complexas, pode-se apresentar dificuldades para a moldagem, causando falhas no preenchimento da forma, o que reduz a capacidade resistente da peça e sua vida útil. Neste trabalho foi utilizado o método de partículas lagrangeanas Moving Particle Semi-Implicit (MPS) como base para um simulador para o estudo do comportamento do escoamento de pastas e argamassas cujo comportamento pode se aproximado por modelos reológicos como Bingham e Herschel-Bulkley. Foram propostos módulos para a simulação da viscosidade não-newtoniana, variação térmica no processo de cura e modelagem de turbulência. Para modelar a variação de viscosidade de um fluido não-newtoniano foi utilizado o modelo de Herschel-Bulkley. O modelo de Herschel-Bulkley possui uma singularidade para taxas de deformação muito pequenas, que resulta em valores de viscosidade infinitas, dificuldade contornada pela solução proposta por Papanastasiou (1987). Na modelagem térmica foram analisados dois modelos de dissipação, sendo um original do método e outro calculado por meio do divergente do gradiente utilizando os modelos de partículas e que teria melhores resultados para o cálculo da dissipação térmica. Também foi modelada a convecção térmica, utilizando para isso a hipótese de Boussinesq. A reação de hidratação do concreto foi modelada utilizando uma equação do tipo Hill para representar a elevação de temperatura obtida por meio um ensaio adiabático. Para complementar as simulações, foi utilizado o modelo de turbulência Detached Eddy Simulation (DES), baseado no método Large Eddy Simulation (LES), que utiliza um modelo de parede para simular a interação do fluido. Para a implementação deste modelo de turbulência foi proposto um algoritmo para o cálculo da distância da partícula de fluido à parede. Este algoritmo utiliza estruturas de dados já existentes no método de partículas de modo que sua execução requer muito menos recursos que a busca binária. Apesar do trabalho ter se guiado pela simulação do concreto fresco, que é um material particularmente complexo, outros escoamentos encontrados na engenharia civil também podem ser beneficiados pelo método, como os estudos do escoamento em sistemas prediais de água e esgoto, do escoamento e prevenção de erosão em rios e córregos, do escorregamento de encostas, dos reatores para depuração de esgotos, entre outros. / The concrete is one of the more versatile civil construction materials, it can adapt to various forms when in its fresh state while resisting to high compression loads in its rigid state. However, in some cases like densely reinforced concrete structures and complex geometry concrete structures can present issues to the casting, and failure in proper form filling can occur. These failures can reduce the resistance and the lifetime of the structure. This work used a simulator based on the lagrangean particle method called Moving Particle Semi-Implicit (MPS) to study the concrete behavior in its distinctive characteristics. Also, this work proposed modules to simulate the non-Newtonian viscosity, the thermal process of concrete cure and to model the turbulent flow. To model the variation of viscosity of a non-Newtonian fluid, the Herschel-Bulkley model, which relates the shear stress with the strain rate, was applied. The Herschel-Bulkley model has a singularity at low strain rates, which results in infinite viscosities. To overcome this issue, Papanastasiou (1987) proposed a modification in the model in order to eliminate the singularity. For the thermal modeling, two models for thermal dissipation were compared, the original method and other calculated from the divergence of gradient using the differential operators for the particle model and that could present improved results for the thermal dissipation calculation. Also, the thermal convection was modeled using the Boussinesq hypothesis. The hydration reaction of the concrete was modeled using a Hill type equation to reproduce the temperature elevation. In addition, a Detached Eddy Simulation (DES) based turbulence model with a simple wall model in the interaction of wall and fluid was applied in the simulations. To improve the turbulence model, an algorithm to calculate the distance between fluid and the nearest wall particle was proposed. The algorithm uses already calculated information from particles so that the execution requires much less resources than a binary search. Although the work has been focused on to the modeling of fresh concrete simulation, which is a particularly complex material, other flows found in civil engineering can also be benefited by the method, such as studies of drainage in water and sewage systems, drainage and prevention of erosion into rivers and streams, prevention and damage mitigation of landslides, reactors for sewage treatment among many others.