Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de modelos de turbulência, transição laminar-turbulenta e de interações fluido-estrutura ao escoamento externo em cilindro rígido estacionário e em vibrações induzidas por vórtices. Tais desenvolvimentos foram realizados no código ReFRESCO, baseado em técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Realizou-se um estudo quanto ao desempenho do modelo k- SST em extensa faixa de números de Reynolds, segundo o qual se identificaram as deficiências de modelagem para este escoamento. A modelagem adaptativa das escalas (SAS) e o modelo de transição por correlações locais (LCTM), ambos combinados ao SST, melhoraram a aderência aos resultados experimentais para este escoamento, em uma contribuição original deste trabalho. A aplicação de técnicas de verificação e validação possibilitou a estimação de incertezas e erros para os modelos e números de Reynolds e também de identificada como outra contribuição deste trabalho. A combinação da modelagem em SST, SAS e LCTM com movimentos impostos de realizada para números de Reynolds moderados, diferentes frequências e amplitudes de vibração, algo que poucas publicações abordam em detalhes. Com relação aos movimentos livres, este trabalho traz contribuições com a aplicação dos modelos SST e SAS ao estudo de vibrações induzidas por vórtices em dois graus de liberdade, baixa razão de massa e números de Reynolds moderados, mais altos do que normalmente observados na literatura. Por fim, a investigação da importância relativa de efeitos da turbulência aos casos de movimentos livres e impostos, com relação ao caso de cilindro estacionário, comprovou a conjetura formulada na parte inicial deste trabalho, no que tange à escolha do modelo de turbulência em determinadas aplicações. Tal escolha mostrou-se menos decisiva no caso do cilindro em movimento imposto e ainda menos nos movimentos livres, em comparação ao caso estacionário, uma vez que a resposta em movimentos do corpo filtra grande parte dos efeitos turbulentos de ordem superior. Esta observação mostra-se relevante, uma vez que pode permitir simplificações na modelagem e aplicação de ferramentas de CFD em uma classe importante de projetos de engenharia. / This thesis presents the development, implementation and application of turbulence and laminar-turbulent transition models and fuid-structure capabilities to address the vortexshedding and vortex-induced vibrations of a rigid cylinder. These numerical developments have been carried out in the computational fuid dynamics (CFD) code ReFRESCO. In the current work, an investigation of the performance of the turbulence modeling with k- SST in a broad range of Reynolds numbers is carried out identifying its modeling deficiencies for this fow. The implementation and systematic application of the scale adaptive simulations (SAS) and the local correlation transition model (LCTM), both combined with the SST, have improved the agreement with experimental results for the cylinder ow, in a novel contribution of this work. The application of verification and validation technique has allowed the estimation of numerical errors and uncertainties for the diferent models. That is also identified as a contribution of this thesis. The combination of SST modeling with imposed motions is carried out as well as with the SAS and LCTM for moderate Reynolds numbers, diferent vibration frequencies and amplitudes, which is considered novel, as few publications address this issue in extent. Regarding the free-moving cylinder capabilities, the present work brings contributions with the application of SST and SASSST with free-moving cylinder for the study of VIV of two degrees of-freedom, low mass ratio and moderate Reynolds numbers, higher than commonly seen in the literature. Finally, the investigation of the relative importance of turbulence effects on the freemoving cylinder and the imposed-motions case, with respect to the fixed case is carried out. A natural conjecture that has been raised early on this work and proved correct is that, for engineering applications, the choice of turbulence modeling strategy is less decisive when the cylinder is moving with prescribed motion and even less stringent, for free motions as the body response filters most of the higher order turbulence effects. That is a relevant observation as it might allow modeling simplifications and the application of CFD tools to a range of engineering problems.

Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de modelos de turbulência, transição laminar-turbulenta e de interações fluido-estrutura ao escoamento externo em cilindro rígido estacionário e em vibrações induzidas por vórtices. Tais desenvolvimentos foram realizados no código ReFRESCO, baseado em técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Realizou-se um estudo quanto ao desempenho do modelo k- SST em extensa faixa de números de Reynolds, segundo o qual se identificaram as deficiências de modelagem para este escoamento. A modelagem adaptativa das escalas (SAS) e o modelo de transição por correlações locais (LCTM), ambos combinados ao SST, melhoraram a aderência aos resultados experimentais para este escoamento, em uma contribuição original deste trabalho. A aplicação de técnicas de verificação e validação possibilitou a estimação de incertezas e erros para os modelos e números de Reynolds e também de identificada como outra contribuição deste trabalho. A combinação da modelagem em SST, SAS e LCTM com movimentos impostos de realizada para números de Reynolds moderados, diferentes frequências e amplitudes de vibração, algo que poucas publicações abordam em detalhes. Com relação aos movimentos livres, este trabalho traz contribuições com a aplicação dos modelos SST e SAS ao estudo de vibrações induzidas por vórtices em dois graus de liberdade, baixa razão de massa e números de Reynolds moderados, mais altos do que normalmente observados na literatura. Por fim, a investigação da importância relativa de efeitos da turbulência aos casos de movimentos livres e impostos, com relação ao caso de cilindro estacionário, comprovou a conjetura formulada na parte inicial deste trabalho, no que tange à escolha do modelo de turbulência em determinadas aplicações. Tal escolha mostrou-se menos decisiva no caso do cilindro em movimento imposto e ainda menos nos movimentos livres, em comparação ao caso estacionário, uma vez que a resposta em movimentos do corpo filtra grande parte dos efeitos turbulentos de ordem superior. Esta observação mostra-se relevante, uma vez que pode permitir simplificações na modelagem e aplicação de ferramentas de CFD em uma classe importante de projetos de engenharia. / This thesis presents the development, implementation and application of turbulence and laminar-turbulent transition models and fuid-structure capabilities to address the vortexshedding and vortex-induced vibrations of a rigid cylinder. These numerical developments have been carried out in the computational fuid dynamics (CFD) code ReFRESCO. In the current work, an investigation of the performance of the turbulence modeling with k- SST in a broad range of Reynolds numbers is carried out identifying its modeling deficiencies for this fow. The implementation and systematic application of the scale adaptive simulations (SAS) and the local correlation transition model (LCTM), both combined with the SST, have improved the agreement with experimental results for the cylinder ow, in a novel contribution of this work. The application of verification and validation technique has allowed the estimation of numerical errors and uncertainties for the diferent models. That is also identified as a contribution of this thesis. The combination of SST modeling with imposed motions is carried out as well as with the SAS and LCTM for moderate Reynolds numbers, diferent vibration frequencies and amplitudes, which is considered novel, as few publications address this issue in extent. Regarding the free-moving cylinder capabilities, the present work brings contributions with the application of SST and SASSST with free-moving cylinder for the study of VIV of two degrees of-freedom, low mass ratio and moderate Reynolds numbers, higher than commonly seen in the literature. Finally, the investigation of the relative importance of turbulence effects on the freemoving cylinder and the imposed-motions case, with respect to the fixed case is carried out. A natural conjecture that has been raised early on this work and proved correct is that, for engineering applications, the choice of turbulence modeling strategy is less decisive when the cylinder is moving with prescribed motion and even less stringent, for free motions as the body response filters most of the higher order turbulence effects. That is a relevant observation as it might allow modeling simplifications and the application of CFD tools to a range of engineering problems.

A transição energética residencial começou a receber especial atenção da comunidade científica nos anos 1970 e 1980, quando se acreditava na ocorrência iminente da Crise da Lenha. Na época, temia-se que o corrente ritmo de consumo de biomassas sólidas em países em desenvolvimento ultrapassaria a capacidade de produção primária dos ambientes naturais, com sérias consequências para as camadas menos abastadas da população destes locais, que se veriam em uma situação de escassez de fontes de energia. Apesar de esta crise nunca haver, de fato, se concretizado, a preocupação com a sua potencial ocorrência estimulou o desenvolvimento de modelos que visavam à interpretação do fenômeno da transição energética residencial decorrente do processo de urbanização e aumento de renda dos usuários finais. Tal interesse culminou na elaboração do modelo da Escada Energética que, de uma maneira geral, previa que o abandono de fontes de energia tradicionais e a adoção de fontes de energia modernas era o resultado do aumento do status social da população. Inicialmente, a Escada Energética se estabeleceu como principal modelo de transição energética residencial. À medida que novos estudos foram desenvolvidos, entretanto, evidências passaram a sugerir que diversos fatores envolvidos na transição energética em países em desenvolvimento não podiam ser explicados pelo modelo. Estas evidências subsidiaram a concepção do modelo do Acúmulo de Combustíveis, segundo o qual a diversificação, e não a substituição, de energéticos seria o resultado do desenvolvimento social da população. Atualmente, não existe consenso sobre qual modelo melhor reflete o fenômeno da transição energética residencial. Como consequência, políticas públicas de acesso a energia e serviços energéticos limpos baseadas nestas diferentes interpretações possuem características e resultados distintos. Neste contexto, o presente trabalho pretende contribuir para a discussão sobre qual modelo de transição energética melhor reflete a realidade dos consumidores residenciais de energia de países em desenvolvimento a partir da apresentação de dois estudos de caso que retratam diferentes facetas da questão. As análises elaboradas indicam que o modelo do Acúmulo de Combustíveis consegue representar com maior fidelidade o fenômeno da transição energética residencial e que políticas públicas estruturadas segundo seu arcabouço teórico podem contribuir mais eficazmente para a melhoria das condições de vida da população. / The residential energy transition began to receive special attention from the scientific community in 70s and 80s, when a Fuelwood crisis was believed to be imminent. At the time, it was feared that the current rhythm of solid biomass consumption would not keep pace with the primary productivity of the forests and other sources of fuelwood, with severe consequences striking the least wealthy households, who would face an energy shortage. Although the referred crisis never really happened, the concern with its potential occurrence stimulated the development of models aiming at interpreting the energy transition phenomenon provoked by the urbanization process and the increase in income of households. Such interest culminated in the elaboration of the Energy Ladder model, which indicated that the abandonment of traditional energy sources and the adoption of modern ones was the result of the increase of the social status of the population. Initially, the Energy Ladder established itself as the main residential energy transition model. As new studies were being developed, however, evidences suggesting that different factors related to the energy transition in developing countries couldnt be explained by the model were found. These evidences supported the conception of the Fuel Staking model, according to which diversification, instead of substitution, resulted from the social development of the population. Currently, there is no consensus on which model better represents the residential energy transition. As a consequence, public policies focused on clean energy and energy services access based on these different interpretations have different characteristics and results. In such context, this work intends to contribute to the discussion on which energy transition model better reflects the reality of households in developing countries by presenting two case studies showing different aspects of the thematic. The analysis presented suggests that the Fuel Stacking model can better represent the residential energy transition phenomenon and that public policies structured according to its theoretical framework are more effective in contributing to increase the living standards of the population.

A transição energética residencial começou a receber especial atenção da comunidade científica nos anos 1970 e 1980, quando se acreditava na ocorrência iminente da Crise da Lenha. Na época, temia-se que o corrente ritmo de consumo de biomassas sólidas em países em desenvolvimento ultrapassaria a capacidade de produção primária dos ambientes naturais, com sérias consequências para as camadas menos abastadas da população destes locais, que se veriam em uma situação de escassez de fontes de energia. Apesar de esta crise nunca haver, de fato, se concretizado, a preocupação com a sua potencial ocorrência estimulou o desenvolvimento de modelos que visavam à interpretação do fenômeno da transição energética residencial decorrente do processo de urbanização e aumento de renda dos usuários finais. Tal interesse culminou na elaboração do modelo da Escada Energética que, de uma maneira geral, previa que o abandono de fontes de energia tradicionais e a adoção de fontes de energia modernas era o resultado do aumento do status social da população. Inicialmente, a Escada Energética se estabeleceu como principal modelo de transição energética residencial. À medida que novos estudos foram desenvolvidos, entretanto, evidências passaram a sugerir que diversos fatores envolvidos na transição energética em países em desenvolvimento não podiam ser explicados pelo modelo. Estas evidências subsidiaram a concepção do modelo do Acúmulo de Combustíveis, segundo o qual a diversificação, e não a substituição, de energéticos seria o resultado do desenvolvimento social da população. Atualmente, não existe consenso sobre qual modelo melhor reflete o fenômeno da transição energética residencial. Como consequência, políticas públicas de acesso a energia e serviços energéticos limpos baseadas nestas diferentes interpretações possuem características e resultados distintos. Neste contexto, o presente trabalho pretende contribuir para a discussão sobre qual modelo de transição energética melhor reflete a realidade dos consumidores residenciais de energia de países em desenvolvimento a partir da apresentação de dois estudos de caso que retratam diferentes facetas da questão. As análises elaboradas indicam que o modelo do Acúmulo de Combustíveis consegue representar com maior fidelidade o fenômeno da transição energética residencial e que políticas públicas estruturadas segundo seu arcabouço teórico podem contribuir mais eficazmente para a melhoria das condições de vida da população. / The residential energy transition began to receive special attention from the scientific community in 70s and 80s, when a Fuelwood crisis was believed to be imminent. At the time, it was feared that the current rhythm of solid biomass consumption would not keep pace with the primary productivity of the forests and other sources of fuelwood, with severe consequences striking the least wealthy households, who would face an energy shortage. Although the referred crisis never really happened, the concern with its potential occurrence stimulated the development of models aiming at interpreting the energy transition phenomenon provoked by the urbanization process and the increase in income of households. Such interest culminated in the elaboration of the Energy Ladder model, which indicated that the abandonment of traditional energy sources and the adoption of modern ones was the result of the increase of the social status of the population. Initially, the Energy Ladder established itself as the main residential energy transition model. As new studies were being developed, however, evidences suggesting that different factors related to the energy transition in developing countries couldnt be explained by the model were found. These evidences supported the conception of the Fuel Staking model, according to which diversification, instead of substitution, resulted from the social development of the population. Currently, there is no consensus on which model better represents the residential energy transition. As a consequence, public policies focused on clean energy and energy services access based on these different interpretations have different characteristics and results. In such context, this work intends to contribute to the discussion on which energy transition model better reflects the reality of households in developing countries by presenting two case studies showing different aspects of the thematic. The analysis presented suggests that the Fuel Stacking model can better represent the residential energy transition phenomenon and that public policies structured according to its theoretical framework are more effective in contributing to increase the living standards of the population.