Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento incompressível axial laminar em feixes de barras. Para discretização das equações de transporte é empregado o método de volume-de-controle aplicado a um sistema de coordenadas generalizadas. Os resultados reproduzem primeiramente o escoamento em dutos de várias formas através do mapeamento do campo físico (X,Y) no domínio computacional (n). Soluções numéricas e analíticas são comparadas com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostradas soluções para o escoamento em feixes de barras dispostos em arranjos triangular e quadrado. Também nestes casos os resultados apresentam concordância satisfatória com soluções analíticas existentes.

The necessity for high performance axial compressors for various applications is shown. The basic theory associated with the study of these machines is presented. A method for calculating the properties of the flow along the compressor is presented. Depending on the design requirements the number of stages is selected and an appropriate shape of the channel studied. Then the compressor blading is made, row-by-row, from the calculation of the flow using a non-viscous flow associated with a loss model that allows, from the known flow at the leading edge, calculate the flow at the trailing edge. The calculations are made on streamlines initially positioned by the criterion of the same area and then repositioned according to the flow calculation in each row until the streamlines do not change their position anymore. Then the boundary-layer on hub and casing walls is evaluated, calculating the blockage coefficients, initially arbitrated. An iterative procedure is done until the blockage coefficients no longer vary. At the end, there are all the dimensions of the compressor and the properties of the flow on the streamlines at the leading and trailing edges of each row. With the geometry fixed and varying the inlet mass flow the maximum mass flow that would result in choke and the minimum one that would result in stall, or even surge, of the compressor can be determined. The computer program was written aiming at being used in a design optimization research.

The influence of physical properties on heat transfer between solid and fluid phases is investigated for laminar and turbulent flows in a channel filled with a moving porous material. Concurrent, counterflow and crossflow configurations are analyzed. To simulate flow and heat transfer between phases, a two-energy equation model using a thermal non-equilibrium condition is applied. Transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations are made for laminar model under concurrent and counterflow configurations. Effects of thermal and hydrodynamic properties on heat transfer for several conditions are analyzed and compared with analytical results in the literature. For concurrent laminar flow, simulations indicate that, when the speed of the solid approaches that of the fluid, the strong axial convection of the solid phase, as well as the reduction of the relative velocity, cause an increase in the axial length needed for thermal equilibrium between phases to occur. Longer thermal developing lengths are also found for higher permeability and porosity. Results for a counterflow moving bed indicate that motion of the solid material, contrary to the direction of the fluid, enhances heat transfer between phases. The same effect is observed for smaller Darcy number and porosity, as well as for higher solid-to-fluid thermal capacity and thermal conductivity ratios. In the case of crossflow, where there are two fluid inlets, more energy is convected into the system in both longitudinal and transversal directions .The fluid temperature reaches the highest values in the symmetry region of the channel. This occurs mainly for high velocity, high thermal capacity and high thermal conductivity ratios between fluid and solid phases. These behaviors were observed for laminar and turbulent flows, in both fully filled and half filled channels. The studies presented here might have applications to problems involving engineering equipment in which a moving porous bed is identified.

The present thesis discuss in a didactic and detailed way the high-order scheme known as the Discontinuous Galerkin (DG) method, with special focus on applications in aerodynamics. The theoretical formulation of the method is presented in one and two dimensions with great depth, being properly discussed issues of convergence, basis functions, interelement communication, boundary conditions, shock treatment, as well as inviscid and viscous numerical fluxes. As part of this effort, a parallel computer code was developed to simulate the Euler equations of gas dynamics in two dimensions with general boundary conditions over unstructured meshes of triangles. Numerical simulations are addressed in order to demonstrate the characteristics of the Discontinuous Galerkin scheme, as well as to validate the developed solver. It is worth mentioning that the present work can be regarded as new within the Brazilian scientific community and, as such, may be of great importance concerning the introduction of the DG method for Brazilian CFD researchers and practitioners.

Fluidos de corte são compostos utilizados na indústria por sua capacidade de lubrificação e refrigeração nos processos de usinagem. Por serem ricos em compostos orgânicos sofrem ataques constantes de microorganismos que danificam peças, máquina-ferramenta e a saúde humana. Este trabalho se propôs a estudar o ciclo de vida dos fluidos de corte, considerando aspectos mecânicos, químicos e biológicos que, juntos, contribuem para uma análise holística dos aspectos de sustentabilidade industrial. Para atingir esta meta foi necessário estabelecer os requisitos e restrições para decisão do uso de óleos de base mineral, vegetal e sintética, para controlar as alterações das características mecânicas (condições de lubrificação e de refrigeração), químicas e biológicas. Como um dos resultados deste trabalho, foram definidos os requisitos e restrições para o uso da água resultante dos tratamentos de efluentes originários de fluidos de corte usados, pois, a partir destes dados, poder-se-á reutilizar esta água em máquina-ferramenta. Além disto, o estudo do ciclo de vida de fluidos de corte possibilitou o desenvolvimento de um novo fluido de corte vegetal de base óleo de pinhão manso. Este fluido serviu como protótipo para aplicação e demonstração do método de qualificação de fluidos de corte solúveis para processos de usinagem em liga de alumínio e ferro fundido cinzento. Finalmente, como resultado principal do estudo do ciclo de vida dos produtos observou-se que o fluido de corte solúvel dependendo da sua composição e destinação de seus efluentes, podem ter um ciclo de manufatura sustentável.

Neste trabalho propomos um novo método para determinar a temperatura rotacional a partir de um espectro ro-vibracional quando uma única distribuição de Boltzmann é insuficiente. Esta temperatura é uma estimativa da temperatura do gás e, este parâmetro está relacionado às taxas de reações físico-químicas que ocorrem no plasma. Nosso procedimento é baseado em uma forma de estatística conceitualmente bem estabelecida que foi desenvolvida por C. Tsallis. Estudamos o Primeiro Sistema Negativo da molécula de nitrogênio e o Segundo Sistema Positivo de seu íon molecular ( que ocorrem em plasmas frios. Nossos resultados indicam que uma única distribuição de equilíbrio de Tsallis é capaz de descrever a ocupação dos níveis rotacionais dos sistemas estudados, mesmo quando classicamente são necessárias mais de uma distribuição de equilíbrio de Boltzmann. Nossos resultados mostram que a temperatura obtida por esta nova abordagem (TS) coincide com aquela escolhida como estimativa da temperatura rotacional através do método de combinação linear de distribuições de Boltzmann. Numericamente, reduzimos o número de parâmetros livres para: a temperatura do sistema TS e o parâmetro entrópico q. Conceitualmente atribuímos apenas uma temperatura aos sistemas estudados. Esta nova forma de interpretar a ocupação dos níveis rotacionais, baseada na estatística não extensiva de Tsallis, pode ser usada em outros tipos de moléculas, o que facilitaria a estimativa da temperatura em outros tipos de plasmas frios moleculares.

A recurring problem in high-order simulation of compressible flows is the appearance of spurious oscillations near regions which display abrupt changes of flow properties such as shock waves. If the amplitude of these oscillations is sufficiently high, this phenomenon, known as Gibbs phenomenon, can lead simulation to diverging due to the appearance of non-physical states (negative pressure or density, for example). Among the techniques available to address this problem, it is highlighted the use of limiters. Such methodology was taken to the high-order context by inheriting from Finite Volume methods and tend to be of easier implementation when compared with other possibilities. However, classical limiters have the disadvantage of reducing the local accuracy order to first order even when applied to smooth regions. This thesis proposes itself to study the ENO(Essentially Non-Oscillatory)-based limiting procedure first proposed by Qiu and Shu in 2003. Such schemes have the property of maintain the high-order accuracy on smooth regions while still providing sharp shock transitions. As part of this work, such limiter was implemented in a computer code based on the Discontinuous Galerkin (DG) methodology in order to simulate the gas dynamics Euler equations in two dimensions on unstructured triangular meshes. Tests and simulations were then performed in order to demonstrate that the capacities proposed.

Este trabalho investiga a eficiência do método multigrid quando usado na obtenção de campos de velocidade e temperatura bidimensionais laminares em domínios retangulares. A análise numérica é baseada no esquema de discretização em volumes finitos aplicado a malhas estruturadas ortogonais regulares. O desempenho do algoritmo multigrid correction storage (CS) é analisado para diferentes números de Reynolds na entrada (Rein) e para um número distinto de malhas. Até quatro malhas computacionais foram usadas para ambos os ciclos V e W. Soluções para os campos de temperatura e velocidade obtidos simultaneamente e não-simultaneamente foram investigados. As vantagens do uso de mais de uma malha computacional são discutidas. Para as soluções simultâneas os resultados indicam um aumento do esforço computacional com o incremento do número de Reynold Rein. O número ótimo de relaxações intermadiárias para os ciclos V e W é discutido.

O estudo do comportamento dinâmico de um motor foguete a propelente líquido é de fundamental importância durante as fases preliminares do projeto. O presente trabalho está dividido em quatro partes. Na primeira parte faz-se uma análise do princípio de funcionamento do motor foguete e de seus principais subsistemas. Na segunda parte, faz-se uma análise da metodologia de sistemas físicos por meio de grafos de ligação. Na terceira parte, é feito um acoplamento das duas primeiras partes e se obtém os modelos matemáticos para os diversos subsistemas do motor foguete. No início da quarta parte é feita uma análise qualitativa do sistema de controle de empuxo do motor foguete e, finalmente são feitas simulações computacionais de um modelo de motor foguete simplificado.

Neste trabalho é analisado o transporte de calor em meios porosos rígidos, homogêneos e saturados com um fluido incompressível e monofásico, para os regimes de escoamento laminar e turbulento. As equações de transporte de energia macroscópicas para o fluido e para a matriz porosa (sólido), são obtidas com o auxílio do conceito de dupla decomposição, donde surge o termo de 'dispersão térmica turbulenta'. A hipótese de Equilíbrio Térmico Local é utilizada para obter um modelo de uma-equação para o meio poroso. Os fluxos térmicos devido à tortuosidade e dispersão, que aparecem no processo de aplicação das médias temporal e volumétrica, são representados por um modelo de difusão proporcional ao gradiente da média intrínseca da temperatura média no tempo. Os tensores de condutividade térmica resultantes desse modelo são obtidos de dois modos: a) Para as componentes turbulentas, devidas às flutuações temporais da velocidade e temperatura, é utilizado o modelo de difusividade térmica turbulenta onde a viscosidade turbulenta macroscópica é obtida através do modelo k-e macroscópico, e b) Para as componentes de tortuosidade e dispersão, devidas aos desvios espaciais da velocidade e temperatura, são utilizados os resultados obtidos para os campos microscópicos de velocidade e temperatura em uma célula unitária com condições de contorno periódicas para o escoamento e um gradiente de temperatura imposto. O modelo macroscópico assim obtido, juntamente com as condições de contorno/interface apropriadas, é então utilizado na solução de problemas em meios híbridos, i.e., regiões compostas por meios sólidos e/ou porosos e/ou meio limpo (apenas fluido) num único domínio de cálculo.