Em função de recentes desenvolvimentos no processo de cálculo de sistemas térmicos de proteção contra gelo em aerofólios, foi identificada a importância da camada limite transicional para a correta previsão do coeficiente de troca de calor externo. O presente trabalho discute os métodos utilizados na modelagem numérica de turbulência e transição, testa a capacidade de um modelo k-epsilon de baixo Reynolds avaliar corretamente a transição para o escoamento em uma placa plana bidimensional e mostra que o acoplamento de uma função de transporte de intermitência ao modelo de turbulência de duas equações é uma alternativa eficiente para se aumentar a qualidade da previsão da transição calculada. A filtragem pela variável de intermitência atua corrigindo os níveis de turbulência fornecidos pelo modelo de duas equações durante a transição. Entre os atrativos da função de transporte de intermitência estão a simplicidade das condições de contorno e o fato de serem expansíveis para escoamentos tridimensionais. Uma equação de transporte de intermitência é implementada e acoplada com um modelo de duas equações do programa Fluent. O modelo é testado para três níveis de turbulência do escoamento livre. Os resultados obtidos são comparados com experimentos e com aqueles fornecidos pelo modelo original sem modificações. As distribuições do coeficiente de atrito e de fator de forma ao longo da placa com a função de intermitência mostram boa concordância com os valores verificados experimentalmente, apresentando significativa melhora em relação àqueles obtidos com o modelo \\ke\\ baixo Reynolds. / As a result of recent developments in the field of thermal anti-ice protection in airfoils, was ideintified the relevance of accurately modeling the transitional boundary layer in order to predict the external heat transfer coefficient. The present work reviews the existing alternatives to turbulence and transition modeling, tests the ability of a low-Reynolds \\ke\\ model in the evaluation of transition for a bidimensional flat plate and shows that the coupling of an intemittency transport function with a two equation turbulence model improves the prediction of transition. The filtering with the intermittency function acts correcting the turbulence intensity levels provided by the two equation model during transition. The simple boundary conditions and the expandability to tridimensional flows are other important characteristics of the intermittency functions. An intermittency transport equation is implemented and tested with a two equation turbulence model of the software Fluent. The model is tested for three freestream turbulence levels and the results are compared with experiments and with those obtained with the original model without modifications. The heat transfer coefficient and boundary layer shape factor evolution calculated with the coupled intermittency transport function show good agreement with experiments, improving the quality of the results of the original model.

Em função de recentes desenvolvimentos no processo de cálculo de sistemas térmicos de proteção contra gelo em aerofólios, foi identificada a importância da camada limite transicional para a correta previsão do coeficiente de troca de calor externo. O presente trabalho discute os métodos utilizados na modelagem numérica de turbulência e transição, testa a capacidade de um modelo k-epsilon de baixo Reynolds avaliar corretamente a transição para o escoamento em uma placa plana bidimensional e mostra que o acoplamento de uma função de transporte de intermitência ao modelo de turbulência de duas equações é uma alternativa eficiente para se aumentar a qualidade da previsão da transição calculada. A filtragem pela variável de intermitência atua corrigindo os níveis de turbulência fornecidos pelo modelo de duas equações durante a transição. Entre os atrativos da função de transporte de intermitência estão a simplicidade das condições de contorno e o fato de serem expansíveis para escoamentos tridimensionais. Uma equação de transporte de intermitência é implementada e acoplada com um modelo de duas equações do programa Fluent. O modelo é testado para três níveis de turbulência do escoamento livre. Os resultados obtidos são comparados com experimentos e com aqueles fornecidos pelo modelo original sem modificações. As distribuições do coeficiente de atrito e de fator de forma ao longo da placa com a função de intermitência mostram boa concordância com os valores verificados experimentalmente, apresentando significativa melhora em relação àqueles obtidos com o modelo \\ke\\ baixo Reynolds. / As a result of recent developments in the field of thermal anti-ice protection in airfoils, was ideintified the relevance of accurately modeling the transitional boundary layer in order to predict the external heat transfer coefficient. The present work reviews the existing alternatives to turbulence and transition modeling, tests the ability of a low-Reynolds \\ke\\ model in the evaluation of transition for a bidimensional flat plate and shows that the coupling of an intemittency transport function with a two equation turbulence model improves the prediction of transition. The filtering with the intermittency function acts correcting the turbulence intensity levels provided by the two equation model during transition. The simple boundary conditions and the expandability to tridimensional flows are other important characteristics of the intermittency functions. An intermittency transport equation is implemented and tested with a two equation turbulence model of the software Fluent. The model is tested for three freestream turbulence levels and the results are compared with experiments and with those obtained with the original model without modifications. The heat transfer coefficient and boundary layer shape factor evolution calculated with the coupled intermittency transport function show good agreement with experiments, improving the quality of the results of the original model.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The turbulent flow simulation through the Boussinesq s hypothesis is represented, currently, by two distinct methodologies, the Large-Eddy Simulation (LES) and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANS). New Hybrid RANS/LES methods are in development, taking off advantage of LES and RANS potentialities through a one only model. The present work deals with the evaluation of these three methodologies, LES, RANS and Hybrid RANS/LES through the turbulent backward-facing step flow simulation. This classical flow is a benchmark for new turbulence models due to the fact that, despite its simple geometry, it presents a very complex generation of three-dimensional structures, influencing the transition phenomenon and properties such as characteristics frequencies of vortex emission and reattachment length. Parallel to this, an inlet turbulent boundary condition influence study showed that the statistical and topological content of the inlet boundary layer profile can modify substantially results like reattachment length and pressure coefficient. A recycling method for generating three-dimensional, time-dependent turbulent boundary layer inflow data for Large-Eddy and Hybrid RANS/LES simulation is employed. Results for the three methodologies disclose that Large-Eddy Simulation and Hybrid RANS/LES methods present very similar descriptions for the turbulent backward-facing step flow, differing from the RANS s results, where the second order statistical moments are totally suppressed, with absence of three-dimensional and transient structures. / A simulação numérica de escoamentos turbulentos através da hipótese de Boussinesq é representada, atualmente, por duas grandes metodologias distintas, a Simulação de Grandes Escalas (LES Large-Eddy Simulation) e as Equações Médias de Reynolds (RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes). Uma nova metodologia, chamada de Híbrida RANS/LES, está em desenvolvimento, tirando proveito das potencialidades das metodologias tradicionais LES e RANS através de um único modelo. O presente trabalho trata da avaliação das três metodologias, LES, RANS e Híbrida RANS/LES de modelagem da turbulência através da simulação numérica do escoamento turbulento sobre um degrau. Os modelos são avaliados através deste escoamento, que apesar de simples geometricamente, é capaz de gerar um escoamento complexo, com regiões de escoamento parietal e cisalhante livre. Juntamente com a modelagem da turbulência, um estudo de imposição de condições de contorno turbulentas na entrada do domínio utilizado revelou que tão importante quanto o modelo de turbulência, as condições de contorno empregadas modificam substancialmente os resultados obtidos. Foi implementado um modelo de geração de contorno baseado no escalonamento de informações internas do escoamento de forma a satisfazer estatística e topologicamente o caráter turbulento da condição de contorno na entrada. Resultados para as três metodologias revelam que a Simulação de Grandes Escalas e métodos Híbridos RANS/LES apresentam descrições muito semelhantes para o escoamento turbulento sobre o degrau, diferindo dos resultados da metodologia RANS, onde momentos estatísticos de segunda ordem são suprimidos, com ausência de estruturas tridimensionais e transientes. / Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho são apresentados os resultados do desenvolvimento e teste de esquemas upwind de alta resolução para o controle da difusão numérica em leis de conservação gerais e problemas em dinâmica dos fluidos. Em particular, são derivados dois novos esquemas: o ALUS (Adaptive Linear Upwind Scheme) e o TOPUS (Third-Order Polynomial Upwind Scheme). Esses esquemas são testados no transporte de escalares, em equações 1D tipo convecção-difusão, em sistemas hiperbólicos 1D, nas equações de Euler 2D da dinâmica dos gases e nas equações de Navier-Stokes incompressíveis 2D/3D. Os esquemas são então associados a uma modelagem algébrica não linear para a simulação de problemas de escoamentos incompressíveis turbulentos 2D com/sem superfícies livres / In this work, results of the development and testing of high-resolution upwind schemes for controlling of the numerical diffusion for general conservation laws and fluid dynamics problems are presented. In particular, two new high-resolution upwind schemes are derived, namely, the ALUS (Adaptive Linear Upwind Scheme) and the TOPUS (Third-Order Polynomial Upwind Scheme). These schemes are tested in scalar transport, 1D convection-diffusion equations, 1D hyperbolic systems, 2D Euler equations of the gas dynamics, and in 2D/3D incompressible Navier-Stokes equations. The schemes are then combined with a nonlinear Reynolds stress algebraic equation model for the simulation of 2D incompressible turbulent flows with/without free surfaces

Neste trabalho são apresentados os resultados do desenvolvimento e teste de esquemas upwind de alta resolução para o controle da difusão numérica em leis de conservação gerais e problemas em dinâmica dos fluidos. Em particular, são derivados dois novos esquemas: o ALUS (Adaptive Linear Upwind Scheme) e o TOPUS (Third-Order Polynomial Upwind Scheme). Esses esquemas são testados no transporte de escalares, em equações 1D tipo convecção-difusão, em sistemas hiperbólicos 1D, nas equações de Euler 2D da dinâmica dos gases e nas equações de Navier-Stokes incompressíveis 2D/3D. Os esquemas são então associados a uma modelagem algébrica não linear para a simulação de problemas de escoamentos incompressíveis turbulentos 2D com/sem superfícies livres / In this work, results of the development and testing of high-resolution upwind schemes for controlling of the numerical diffusion for general conservation laws and fluid dynamics problems are presented. In particular, two new high-resolution upwind schemes are derived, namely, the ALUS (Adaptive Linear Upwind Scheme) and the TOPUS (Third-Order Polynomial Upwind Scheme). These schemes are tested in scalar transport, 1D convection-diffusion equations, 1D hyperbolic systems, 2D Euler equations of the gas dynamics, and in 2D/3D incompressible Navier-Stokes equations. The schemes are then combined with a nonlinear Reynolds stress algebraic equation model for the simulation of 2D incompressible turbulent flows with/without free surfaces