Este projeto foi desenvolvido objetivando a implementação de ferramentas numéricas para simulação de escoamentos em baixas velocidades em configurações geométricas complexas. O método numérico utilizado é uma variação do algoritmo implícito de fatoração aproximada de Beam e Warming, no qual as variáveis de trabalho são densidade, temperatura e componenetes cartesianas de velocidade. O algoritmo implementado incorpora, ainda, um método para aceleração de convergência que utiliza pressão como variável primitiva ao invés de densidade como forma de simular corretamente escoamentos a baixas velocidades. Configurações geométricas como as de canais e outros dispositivos industriais com escoamento interno são os modelos principais dos estudos desenvolvidos. Busca-se, com os resultados obtidos, uma forma de melhorar a forma geométrica dos canais internos nestes tipos de dispositivos, através da análise das propriedades de escoamento. As equações governantes do modelo são discretizadas especialmente utilizando-se operadores de diferenças centradas, sendo assegurada a estabilidade numérica por um modelo de dissipação artificial não-linear. A solução numérica é obtida para a condição de estado estacionário com a ajuda de aceleração de convergência de método desenvolvido anteriormente. Inicialmente somente o sistema não-viscoso com um tratamento 2-D é pesquisado, de forma a reduzir significativamente o trabalho computacional despendido e ainda assim obter as propriedades de estado necessárias para o melhor conhecimento do sistema físico em questão. O trabalho apresenta simulações de escoamento em configurações cujo objetivo é a validação da metodologia proposta. Comparação de resultados com dados de literatura é feita e demonstra-se que a capacidade de uso do método para configurações verdadeiramente complexas está implementada.

Este trabalho tem como objetivo implementar a capacidade de realizar simulações numéricas em configurações complexas e tridimensionais através da abordagem Chimera. Neste contexto não será feita apenas uma discussão da implementação desta abordagem de malhas de multiblocos sobrepostas, mas também demonstrada a avaliação do código através da comparação com os dados experimentais do VLS obtidos através de ensaios em túnel de vento. A avaliação do código através desta comparação numérico-experimental é fundamental pela própria necessidade de se obter confiança nos resultados numéricos apresentados. Inclusive, neste ponto, é de vital importância se distinguir a diferença entre os possíveis erros oriundos do código e aqueles vindos de um modelo matemático mal aplicado.

A study of the flowfield around axisymmetric launch vehicles in different flight conditions and configurations is performed in this work. Particularly, the VLS second stage flight configuration is analyzed considering the case with and without a propulsive jet in the vehicle base. Among the different cases considered for this configuration there are inviscid as well as viscous turbulent flows. The study is performed using a finite volume cell centered formulation on unstructured grids. Different spatial discretization schemes are compared, including a centered and an upwind scheme. The upwind scheme is a second-order version of the Liou flux vector splitting scheme and a simple scalar advection test problem is used to assess the influence of different reconstruction and limiting methods in the second-order extension of the scheme. Turbulence effects are accounted for using two one-equation turbulence closure models, namely the Baldwin and Barth and the Spalart and Allmaras models. An agglomeration multigrid algorithm is used to accelerate the convergence to steady state of the numerical solutions. Mesh refinement procedures as well as hybrid and adaptive meshes are discussed.

O escoamento laminar incompressível do fluido de um mancal hidrodinâmico, escoamento este regido pelas equações de Navier-Stokes, foi analisado aplicando-se o método dos elementos finitos associado a formulação variacional de Galerkin. O elemento adotado para a discretização da parte geométrica do problema foi um paralelepípedo, com 20 nós. Após a discretização das equações de Navier-Stokes e sua conveniente expressão em termos de funções de forma, o sistema de equações a ser resolvido passou por uma adaptação necessária para solucionar as oscilações de pressão que comprometiam a convergência. Esta adaptação consistiu na introdução de uma equação de Poisson para pressão, a ser resolvida conjuntamente às demais equações. Sua adoção trouxe estabilidade e convergência ao programa FluidFlow, escrito paralelamente às etapas acima mencionadas. Quanto às simulações, primeiramente foram simulados escoamentos de Couette e Poiseuille (ambos em coordenadas retangulares), dada a similaridade entre estes e o escoamento de um mancal no qual o raio adotado foi considerado infinito. Posteriormente uma seção de um mancal hidrodinâmico foi simulada, com diferentes malhas e condições de contorno. Os resultados obtidos foram satisfatórios e validaram os procedimentos por nós adotados.

Simulações dos escoamentos aerodinâmicos sobre um foguete de sondagem típico são apresentadas. Freqüentemente, os foguetes de sondagem utilizam mais de um conjunto de empenas e necessitam que essas empenas possuam um tamanho razoável. A fim de lidar com esse tipo de configuração, o presente trabalho faz uso de uma nova metodologia, que combina simultaneamente malhas multibloco Chimera e justapostas na discretização do domínio computacional. Os escoamentos de interesse são modelados utilizando as equações de Euler em três dimensões e o trabalho descreve os detalhes dos procedimentos de discretização, os quais utilizam uma abordagem de diferenças finitas para malhas estruturadas multibloco que se conformam ao corpo simulado. O método é utilizado para calcular a aerodinâmica de um veículo de sondagem atualmente em desenvolvimento. Os resultados indicam que a presente metodologia pode ser uma ferramenta poderosa de análise aerodinâmica e de projeto.

O objetivo deste trabalho foi apresentar um modelo de tratamento dos termos convectivos da equação de transporte e um modelo de discretização dos termos difusivos e fonte da mesma equação. Este trabalho apresenta um completo desenvolvimento da metodologia em três partes. Na primeira parte, apresenta-se uma nova técnica de volumes finitos para resolver problemas de difusão e convecção, com a finalidade de reduzir a falsa difusão e erros de dispersão. No desenvolvimento do método, foi utilizada, como ponto de partida, a técnica "streamline upwind", disponível na literatura de elementos finitos, desenvolvida originalmente por Rice e Schnipke. Essa técnica consiste, essencialmente, em uma discretização especial dos termos convectivos da equação de convecção-difusão e a clássica discretização dos termos difusivos. Visto que os problemas de convecção pura (hiperbólicos) são descontínuos, nenhum método numérico tem sido desenvolvido até o presente tempo que leve à perfeita conservação da propriedade em estudo. Essa técnica, agora proposta, pode minimizar tais problemas, reforçando a continuidade da massa. É apresentado também um tratamento especial do volume de controle, que reduz a falsa difusão e dispersão numérica. A solução de dois problemas "benchmark", um envolvendo convecção pura e o outro uma forte recirculação, demonstrou que o método proposto é acurado. Na segunda parte, o método é estendido, para ser aplicado na solução das equações de Navier-Stokes em regime laminar. Novamente, o novo método de discretização das equações de momentum e continuidade é apresentado. A equação de pressão é obtida da equação da continuidade. O método PRIME é sugerido e apresentado como um esquema que acelera a convergência. Dois outros problemas "benchmark", como o escoamento de jato laminar bidimensional e isotérmico e o escoamento em uma cavidade, foram resolvidos e os resultados mostraram que o método proposto é bastante acurado e adequado para resolver as equações de Navier-Stokes em regime laminar. Na terceira e última parte, a metodologia apresentada é considerada como adequada para resolver problemas complexos como o de jato duplo paralelo. Aqui, as equações k-e, juntamente com as equações de momentum e continuidade, são discretizadas. Definindo um erro máximo de 10-4 para a equação da continuidade, o problema de jato duplo paralelo foi resolvido e seus resultados comparados com os dados experimentais disponíveis na literatura. Embora tenha sido usada malha pouco refinada (apenas 220 pontos nodais), uma aceitável concordância com os dados experimentais foi obtida para o perfil de velocidade ao longo da linha de conto. Por outro lado, o perfil de velocidade perpendicular à seção transversal na região de escoamento completamente desenvolvido está em excelente acordo com os dados experimentais. Os resultados mostraram que o método proposto pode ser aplicado para resolver complexos problemas de mecânica dos fluidos, encontrados em engenharia aeronáutica e mecânica. Estudos posteriores podem ser feitos para estender sua aplicabilidade a problemas tridimensionais.

Este trabalho descreve os modelos matemáticos e computacionais utilizados para a simulação numérica do comportamento de motores alternativos de combustão interna. São comparados quatro métodos de diferenças finitas, Filtering Remedy and Methodology (FRAM), MacCormack, Lax-Wendroff de um passo e Lax-Wendroff de dois passos, para a solução das equações do escoamento nos dutos dos sistemas de admissão e exaustão. É apresentada uma metodologia desenvolvida para a obtenção de estabilidade na solução da fronteira dos dutos, em face às variações adversas das propriedades do elemento ao qual o duto está acoplado. Os modelos para plenos, silenciadores, junções e turboalimentadores também são descritos. São mostrados resultados do programa de simulação computacional desenvolvido, para diversas configurações de motores e escoamentos, indicando sua precisão e sua capacidade de tratar as mais diversas configurações de motores.

O presente trabalho tem por objetivo estudar problemas de instabilidade hidrodinâmica e transição para turbulência em escoamentos sobre superfícies côncavas. Para tanto, foi desenvolvido um método computacional de simulação direta das equações de Navier-Stokes, que utiliza o método de diferenças finitas compactas de alta ordem nas direções longitudinal e normal à parede e método espectral na direção transversal ao escoamento. O método é verificado comparando-se os resultados obtidos com resultados obtidos através de análise de estabilidade linear, equações de estabilidade parabolizadas e outros métodos numéricos; e é validado comparando-se os resultados numéricos com resultados experimentais bem documentados. O método desenvolvido permite analisar os processos altamente não lineares que ocorrem nos estágios avançados da transição. São estudados os processos físicos nos estágios mais avançados de desenvolvimento de Vórtices de Görtler, característicos de instabilidade centrífuga em camada limite. Em particular a interação não linear entre Vórtices de Görtler e ondas de Tollmien-Schlichting e a instabilidade secundária em Vórtices de Görtler. As perturbações de 'alta' freqüência desestabilizam os Vórtices de Görtler causando instabilidade secundária. A instabilidade secundária do tipo varicoso, que causa a formação de estruturas do tipo ferradura, é analisada neste estudo.

O difusor de seção anular é frequentemente empregado em turbinas a gás de motores aeronáuticos, dada sua característica de alcançar elevada pressão em espaço físico limitado. Guias e normas que auxiliem no projeto otimizado desse tipo de difusor não contemplam as diversas condições de contorno e regimes de escoamento nos quais o dispositivo pode operar. Para tanto, técnicas de modelagem numérica têm sido aplicadas para predizer o comportamento do escoamento nesse dispositivo e o seu desempenho. Este trabalho propõe a aplicação de ferramenta CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) para análise dos efeitos no desempenho do difusor tipo anular de núcleo paralelo devido às variações do seu ângulo de divergência e dos números de Reynolds e de Mach do escoamento. O programa FLUENT 13.0 é utilizado para execução das simulações de escoamentos em regimes incompressível e compressível, empregando-se o modelo de turbulência - realizável e tratamento de parede melhorado. As equações de conservação de massa, de quantidade de movimento e de energia são resolvidas pelo emprego do Método dos Volumes Finitos (MVF). Adotou-se a formulação bidimensional axissimétrica para o domínio computacional, assim como as hipóteses de escoamento de ar turbulento, subsônico, em regime permanente, ausência de swirl e ação gravitacional desprezível. Nas simulações de escoamento incompressível, as propriedades do ar são constantes e condição de contorno de velocidade é atribuída na entrada do domínio. Em regime compressível, o fluido é tratado como gás ideal e condição de vazão mássica e temperatura total são impostas na entrada. Na saída da geometria é especificada condição da atmosfera padrão. As paredes são tratadas como adiabáticas, não-deslizantes e não-rugosas. Estudo de refinamento de malha é realizado para garantir a independência da malha nos resultados. O método numérico é validado pela comparação dos resultados obtidos para o coeficiente de recuperação de pressão estática ( ) com dados de estudos experimentais disponíveis na literatura. Os resultados são apresentados para os difusores com ângulos de divergência de , e . Dos resultados, percebe-se que as recirculações se acentuam com o aumento do ângulo e que o fenômeno de separação de escoamento pode ocorrer de forma cada vez mais precoce, seguido de perda acentuada de pressão estática. Além disso, variações nas propriedades do fluido próximo à parede do difusor, quando sujeito a escoamento compressível, contribuem com o melhor desempenho do mesmo se comparado aos resultados do difusor sob regime incompressível.

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)