O jato livre ocorre quando um fluido é expandido por meio de um bocal ou orifício para um meio no qual o escoamento não é diretamente afetado por um contorno fixo. Este tipo de escoamento possui uma considerável importância para aplicações industriais, automotivas e aeroespaciais sendo ainda que a melhor compreensão deste tipo de escoamento contribui para otimização de processos e provê análises importantes para o entendimento de fenômenos mais complexos tais como os escoamentos bifásicos e reativos. Desta forma, se faz cada vez mais necessária à realização de análises detalhadas sobre a abordagem de modelagem da turbulência, verificação de hipóteses assumidas para regiões do jato e avaliação de parâmetros que influenciam o escoamento cisalhante livre. Neste trabalho, o problema do jato livre circular axissimétrico foi analisado numericamente. As equações da conservação de massa, quantidade de movimento, energia e da turbulência foram discretizadas aplicando o método de volume finitos. Três diferentes modelos de turbulência, o k- padrão, k- realizável e o v2-f, disponíveis no programa Fluent foram avaliados para jatos livres turbulentos incompressíveis, subsônico e supersônico. Resultados numéricos para cada caso simulado foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente hipóteses feitas pela teoria da auto-similaridade na região denominada desenvolvida foram avaliadas. Entre os resultados obtidos se destacam que os modelos testados devem ser utilizados criteriosamente para uma determinada condição de escoamento, o esquema de discretização de segunda ordem apresenta-se como o mais indicado para condições supersônicas, enquanto para o escoamento incompressível e subsônico os esquemas de primeira e segunda ordem fornecem soluções semelhantes. Os parâmetros da região desenvolvida variam com a condição de origem do jato e não somente com a quantidade de momento na saída do jato, como supunha a teoria clássica da similaridade.

Os ejetores possuem diferentes aplicações como na propulsão, refrigeração e aeroespacial. Este dispositivo não possui partes móveis e por isso é um equipamento simples, confiável, com potencial de vida longa e pode ser fabricado a um custo relativamente baixo, além disso, podem ser utilizados materiais baratos para sua construção. Por estas razões, pesquisas vêm sendo realizadas com a finalidade de melhorar o desempenho deste dispositivo. O objetivo do presente trabalho é analisar ejetores supersônicos a gás utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamic - Dinâmica dos Fluidos Computacional) para estudar os fenômenos físicos, os efeitos da geometria e das condições de operação no escoamento variando os seguintes parâmetros: vazão na entrada secundária, o comprimento e o tipo da câmara de mistura. As equações do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelos de turbulência k-?-realizável e k-?-SST) são resolvidas numericamente empregando o método de volumes finitos. Um estudo com várias malhas foi realizado para garantir independência dos resultados em relação a estas e para validação do procedimento numérico foram utilizados dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados da validação mostraram que o modelo de turbulência k- ?- SST e o esquema de discretização de 1 ordem apresentaram melhor desempenho para reproduzir os dados experimentais disponíveis para este ejetor. Os resultados para o comprimento da câmara de mistura de pressão constante indicam que para este modelo do ejetor, o comprimento ideal encontrado de acordo com uma equação, pois este é influenciado pela vazão na entrada secundária. Outros resultados também mostraram que com o aumento da vazão na entrada secundária, a diferença de pressão entre a saída e a entrada secundária diminui.

No presente trabalho, uma simulação numérica foi adotada para resolver o problema da convecção forçada turbulenta acoplada à condução de calor em um duto de seções transversais quadradas e retangulares. As equações utilizadas para a convecção turbulenta são as equações da conservação de massa, quantidade de movimento e energia (equações médias de Navier Stokes, RANS). Estas equações são acopladas à equação da condução de calor aplicada a quatro placas situadas ao redor do canal. Estas placas são acopladas entre si sem resistência térmica. Assunções foram feitas principalmente no escoamento, tais como condição do escoamento turbulento completamente desenvolvido, incompressível e propriedades constantes. A título de comparação, dois modelos de turbulência foram utilizados para resolver as equações da quantidade de movimento e outros dois modelos para resolver a equação da energia. Isto é, para determinar o campo de velocidade, os modelos de turbulência, k-? não linear (NLEVM) e tensão de Reynolds (RSM) (este último simulado em um código comercial) foram adotados e estudados. O campo de temperatura foi determinado a partir de outros dois modelos: Simple Eddy Diffusivity (SED), baseado na hipótese de Prandtl turbulento constante; e Generalized Gradient Diffusion Hypothesis (GGDH). Neste último, como a transferência de calor turbulenta depende das tensões cisalhantes, a anisotropia foi considerada. Cabe ressaltar que estes dois últimos modelos da equação de energia para o fluido, assim como a equação da condução de calor com incorporação da geração de calor para a parte sólida foram adimensionadas e desenvolvidas no código de programação FORTRAN. Os modelos foram validados baseados nos resultados experimentais e numéricos da literatura. Finalmente, os resultados desta investigação permitem avaliar o campo de temperatura do fluido para diferentes seções da seção transversal ao longo da direção principal do escoamento, o qual é influenciado principalmente pela distribuição da temperatura na parede.

Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento turbulento formado por duas correntes coaxiais passando através de contrações e expansões em tubo de seção circular com parede senoidal. O conhecido método de Patankar-Spalding para solução das equações de transporte é empregado. O modelo k-e, em sua forma "standard", é utilizado na modelagem da turbulência. Os resultados apresentados reproduzem primeiramente o caso laminar, com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostradas soluções para o escoamento turbulento desenvolvido e em desenvolvimento no interior de tubos. Também são apresentados resultados para o campo médio e turbulento através da contração e da expansão ambos com as formas senoidal e cônica. Os resultados indicam o decréscimo do transporte turbulento nas contrações e seu incremento ao longo de difusores.

Este trabalho consiste na simulação de escoamentos em grades lineares de perfis. São simuladas grades bidimensionais, em regimes subsônicos, transônicos e supersônicos. As equações de Euler e Navier-Stokes são empregadas, respectivamente, para simulações não-viscosas e viscosas sem incluir os efeitos de turbulência. O método de diferenças finitas é utilizado. Malhas computacionais tipo "H" foram geradas baseadas em geradores algébricos e elípticos. O algoritmo computacional utilizado baseia-se no modelo implícito de fatoração aproximada de Beam & Warming. As variáveis dependentes originais do modelo citado são subistituídas por pressão, componentes de velocidade e temperatura, também chamadas variáveis primitivas. Estas variáveis relacionam-se com o vetor de variáveis conservadas através de uma matriz jacobiana. Um modelo de dissipação artificial não-linear é empregado para proporcionar estabilidade numérica. Nas simulações viscosas, a aproximação pelo modelo de camada fina é utilizada. Empregam-se condições de contorno não-reflexivas nas fronteiras computacionais de entrada e saída do escoamento com base em equações características. Condições de contorno periódicas implícitas são utilizadas. Resultados são apresentados para a formação de um banco de dados e para comparações com dados disponíveis na literatura para uma análise do presente algoritmo de cálculo.

Foi aplicada a técnica de multigrid na implementação de dois programas computacionais visando a solução numérica de problemas em regime permanente de escoamentos laminares com geometrias simples e de um problema simples de transferência de calor em que o campo de velocidade é conhecido e constante, todos bidimensionais em coordenadas cartesianas. Os programas empregaram malhas computacionais estruturadas e ortogonais, estando os mesmos generalizados ao uso de malhas não-uniformes. As equações algébricas foram obtidas segundo uma formulação em volumes finitos, com as variáveis armazenadas no centro dos volumes elementares segundo um arranjo localizado e foram utilizados esquemas de interpolação distintos para cada classe de problema. O sistema de equações resultante foi relaxado através dos algoritmos Gauss-Seidel e TDMA - TriDiagonal Matrix Algorithm. O acoplamento pressão-velocidade foi feito segundo o método SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations. O algoritmo multigrid foi implementado na formulação correction storage em ambos os programas. A técnica foi demonstrada para alguns problemas bench-mark, com os resultados apresentando uma aceleração significativa do processo de convergência da solução numérica multigrid em relação às soluções em malha única, especialmente nas situações em que foram empregadas malhas bastante refinadas e foi exigida elevada precisão.

Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento formado por duas correntes coaxiais, confinados em tubo circular. O popular método de Patankar-Spalding para solução das equações de transporte é empregado. O modelo K-E, em sua forma "standard", é utilizado na modelagem de turbulência. Os resultados apresentados reproduzem primeiramente o caso laminar, com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostrados soluções para o escoamento em desenvolvimento e desenvolvido no interior de dutos circulares. Os resultados obtidos mostram-se em concordância satisfatória com valores experimentais. Finalmente, resultados para jatos turbulentos, coaxiais, são apresentados e comparados com valores experimentais disponiveis.

Após um rápido estudo das questões relativas à transferência de calor entre a superfície de um corpo com alta velocidade e o escoamento de um gás perfeito ou de ar dissociado em equilíbrio, nos regimes laminar, transicional e turbulento, apresenta-se algumas fórmulas e métodos para se calcular o fluxo térmico convectivo sobre superfícies de revolução com ângulo de ataque. Emprega-se a analogia axissimétrica tradicional, de modo que os fluxos térmicos são estimados aplicando, ao longo de linhas de corrente superficiais invíscidas, fórmulas válidas para corpos de revolução com ângulo de ataque nulo. Especial atenção é dada às questões de previsão do início do regime de transição laminar-turbulento, do cálculo da extensão da região de transição, e do cálculo do fluxo térmico transicional. Os resultados dos métodos foram validados por comparação com resultados exatos e dados experimentais. Concluiu-se que as presentes abordagens podem ser empregadas em estimativas de engenharia, nas fases de análise preliminar e de otimização de projetos de veículos espaciais, no tocante aos problemas de aquecimento decorrentes do vôo com alta velocidade em atmosfera densa, em trajetórias ascendentes ou descendentes.

O trabalho apresenta uma modificação aplicada a um método de diferenças finitas para resolução de escoamentos em qualquer regime de velocidade. O método original se baseia no algoritmo padrão de fatoração aproximada de Beam e Warming, próprio para resolução de escoamentos compressíveis. Uma escolha apropriada das variáveis dependentes, que no presente trabalho são pressão, componentes cartesianas de velocidade e temperatura, asseguram um bom desempenho do algoritmo para uma larga faixa de números de Mach. É proposto um método de aceleração de convergência para este algoritmo. Este método se baseia no algoritmo diagonal aplicado ao esquema de fatoração aproximada implícito padrão, o qual apresenta reduções significativas no custo computacional, mantendo as mesmas características de estabilidade e precisão. É mostrado que o algoritmo diagonal é também aplicável ao algoritmo para todo regime de velocidade na resolução de escoamentos. Experimentos numéricos mostram uma redução de mais de 50% do tempo de convergência tanto para escoamentos internos como externos. Por fim, são introduzidos termos viscosos no lado direito do algoritmo. Deste modo, a captura de fenômenos que não podem ser descritos apenas pelas equações de Euler torna-se possível. A adição de termos de viscosidade é feita apenas no lado direito, uma vez que se está interessado apenas na solução de problemas de estado estacionário.

Este trabalho descreve modelos de escoamento reativo considerando desequilíbrio químico, em bocais convergente-divergente. O objetivo e a estimativa, com maior precisão das variações das propriedades e fatores de desempenho ao longo do bocal. O primeiro modelo considera o escoamento como unidimensional e é usado o método de Multivalores de GEAR para integração do sistema de equações diferenciais, pois este apresenta características de "stiffness". O segundo modelo considera o escoamento bidimensional e é usado o método das características para calcular a região supersônica. Duas técnicas numéricas são usadas para integrar as equações deste modelo: o método P(EC) é usado ao longo das linhas de Mach e o método de Multivalores de GEAR é usado ao longo das linhas de corrente. Dois sistemas reativos foram usados para os cálculos, um baseado nas reações entre H2 e F2 e o outro baseado nas reações entre H2 e O2. Os resultados obtidos para o sistema H2 e F2 foram comparados com outros cálculos descritos na literatura. A concordância entre os resultados foi boa tanto para o modelo unidimensional como para o bidimensional. Para o sistema H2 e O2 os cálculos foram comparados com resultados experimentais para um bocal de geometria ótima, com razão de expansão de 1030:1. A concordância com as medidas foi boa, sendo que o impulso específico foi previsto pelo modelo bidimensional com um erro de 0,3% do valor experimental. Todos os cálculos foram feitos num microcomputador compatível com IBM-PC, AT 386, 33MHz, com tempos de computação da ordem de algumas horas.