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Formulações integral e diferencial aplicadas à análise de escoamentos sobre rotores eólicos / Differential and integral formulation applied in analysis of flow around wind rotorsMelo, Rafael Romão da Silva 19 April 2013 (has links)
This work presents the coupling between two different formulations applied to flow simulation and
analysis of wind rotors, integral and differential formulations. First, for the integral formulation is
defined a control volume where the variables problem are defined, as well as the necessaries working
hypothesis, then a proposed mathematical modeling is defined. Simulations through NACA
airfoils, using Computational Dynamic Fluids, are performed in order to evaluate drag and lift coefficients,
to be used in the integral formulation. The Navier-Stokes equations are solved in house
and the Smagorinsky turbulence model with Van Driest damping function is retained. The computational
code is implemented with structured cartesian mesh, where the airfoil is modeled using
the Immersed Boundary Methodology. The results of simulation through a NACA0012 airfoil are
shown for several attack angles and Re = 10000. Results of energetic efficiency are presented for
a horizontal axis wind turbine using the integral formulation, where the coefficients are given by
differential formulations. / Este trabalho apresenta o acoplamento entre as duas formulações diferentes aplicadas à simulação
do escoamento e análise de rotores eólicos, formulações integral e diferencial. Primeiramente
para a formulação integral é definido um volume de controle onde as variáveis do problema
são definidas, bem como as hipóteses simplificadoras necessárias, para então ser proposta uma
modelagem matemática. Simulações do escoamento em aerofólios NACA, utilizando Dinâmica
dos Fluidos Computacional, são realizadas a fim de determinar os coeficientes de arrasto e sustentação,
os quais foram utilizados na formulação integral. As equações de Navier-Stokes são
resolvidas em um código computacional e o modelo de turbulência de Smagorinsky com função
de amortecimento de Van Driest é utilizado. O código computacional é implementado com uma
malha cartesiana estruturada, e o aerofólio é modelado utilizando a Metodologia da Fronteira
Imersa. Os resultados da simulação através de um aerofólio NACA0012 são mostrados para vários
ângulos de ataque e Re = 10000. Os resultados de eficiência energética são apresentados
para uma turbina eólica de eixo horizontal utilizando a formulação integral, onde os coeficientes
são dados pelas formulações diferenciais. / Mestre em Engenharia Mecânica
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Modelagem matemática e simulação numérica para solução de problemas de interação fluido-estrutura utilizando metodologia de fronteira imersaKitatani Júnior, Sigeo 28 September 2009 (has links)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, the combined multi-direct forcing and immersed boundary method
(IBM) were presented to simulate
uid-structure interaction problems. The multi-direct
forcing is used aim at satisfying the no-slip condition in the immersed boundary. For the
numerical simulations was used a multi-purpose computer code that is being developed
in the MFlab - Fluid Mechanics Laboratory of Federal University of Uberl^andia. Tests
are made to validate the numerical schemes and routines were implemented to simulate
uid-structures interaction problems. Furthermore, computational tools are developed to
construct and manage and optimize the use of a Beowulf cluster where all the parallel
simulations presented in this work were done. The Method of Manufactured Solutions
has been used for order-of-accuracy verication in the computational
uid dynamics code.
Two
uid-structure interaction problems were studied using this methodology. The rst is
a
ow over a sphere for some Reynolds numbers. The results were compared to empirical
results, obtaining satisfactory approximations. The second one is a immersed simple
pendulum. For this problem the results are in agreement with physics. Indeed, these
are preliminar results. New tests must be done to make progress in the methodology.
Improvements are proposed in the IBM, in the
uid-structure model, in the turbulence
model, in the method used to discretize the
uid domain. It is also proposed to apply the
methodology to real problems as risers and valves. / O presente trabalho tem como principal objetivo a aplicação do método multifoçagem (MMF) para solução numérica tridimensional de problemas de interação uidoestrutura,
buscando-se garantir a condição de não-escorregamento na região da fronteira
imersa. Para as simulações numéricas foi utilizado um código computacional multipropósito em desenvolvimento no MFlab - Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade
Federal de Uberlândia. Foram feitas modificações nesse código para que se pudesse
validá-lo para solução de problemas com fronteira imersa e foi implementada uma rotina
para solução de um problema de interação uido-estrutura total. Além disso, foi desenvolvido
um pacote de ferramentas computacionais que possibilitou instalar e melhorar o
desempenho de um cluster do tipo Beowulf utilizado para o desenvolvimento das simulações
num eriças em paralelo do presente trabalho. Utilizando o Método das Soluções Manufaturadas
foram obtidas soluções sintetizadas para as equações de Navier-Stokes, o que
possibilitou obter a ordem de convergência numérica do código computacional para problemas
contínuos e a validação deste código para problemas envolvendo corpos imersos ao
combinar a o método das soluções manufaturadas com a metodologia de fronteira imersa.
Na sequência foi solucionado o problema de escoamento ao redor de uma esfera parada, cujos
resultados foram comparados com referencias empíricas, obtendo-se boa aproximação.
Ainda para esse caso foi feita a avalição da norma L2 para as soluções num eriças obtidas
nos pontos lagrangianos verificando a garantia da condição de não-escorregamento e feita
uma análise da inuência dos número de ciclos utilizados no método multi-forçagem. Foi
vericado que a solução numérica obtida depende do número de ciclos o que faz com que
seja necessário se estabelecer um critério de convergência para este método. Um segundo
problema de interação uido-estrutura total foi estudado. Consiste em um pêndulo simples
imerso em um uido que parte de uma dada posição angular inicial e oscila em torno da
sua posição de equilíbrio, até parar. Para esse caso foram feitas análises quantitativas.
Os resultados são preliminares mas coerentes com a física do problema, indicando que a
metodologia é adequada para solução deste tipo de problema. / Mestre em Engenharia Mecânica
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