Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento dinâmico de sistemas flexíveis com interação viga-água. Especificamente, é escolhida uma barragem freqüentemente encontrada em problemas de engenharia de irrigação e represas. O modelo matemático utilizado para descrever tal fenômeno tem como variáveis principais a pressão hidrodinâmica e os deslocamentos horizontais da barragem. Uma vez formuladas as equações governantes de tal sistema, que resultam em uma equação de onda para a pressão e uma equação de Euler-Bernoulli para os deslocamentos, é utilizada a técnica de separação de variáveis para proceder à sua solução. Por simplicidade, assumiu-se que no modelo não havia o efeito de onda da superfície livre. Primeiro, foi resolvida a equação para a pressão, sendo calculadas as suas componentes temporais e espaciais. Depois, foi resolvida a equação de Euler-Bernoulli junto com a condição de interface. Foram simulações para o material específico, e apresentados os resultados conseguidos. No final do trabalho são enunciadas as conclusões pertinentes.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento dinâmico de sistemas flexíveis com interação viga-água. Especificamente, é escolhida uma barragem freqüentemente encontrada em problemas de engenharia de irrigação e represas. O modelo matemático utilizado para descrever tal fenômeno tem como variáveis principais a pressão hidrodinâmica e os deslocamentos horizontais da barragem. Uma vez formuladas as equações governantes de tal sistema, que resultam em uma equação de onda para a pressão e uma equação de Euler-Bernoulli para os deslocamentos, é utilizada a técnica de separação de variáveis para proceder à sua solução. Por simplicidade, assumiu-se que no modelo não havia o efeito de onda da superfície livre. Primeiro, foi resolvida a equação para a pressão, sendo calculadas as suas componentes temporais e espaciais. Depois, foi resolvida a equação de Euler-Bernoulli junto com a condição de interface. Foram simulações para o material específico, e apresentados os resultados conseguidos. No final do trabalho são enunciadas as conclusões pertinentes.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento dinâmico de sistemas flexíveis com interação viga-água. Especificamente, é escolhida uma barragem freqüentemente encontrada em problemas de engenharia de irrigação e represas. O modelo matemático utilizado para descrever tal fenômeno tem como variáveis principais a pressão hidrodinâmica e os deslocamentos horizontais da barragem. Uma vez formuladas as equações governantes de tal sistema, que resultam em uma equação de onda para a pressão e uma equação de Euler-Bernoulli para os deslocamentos, é utilizada a técnica de separação de variáveis para proceder à sua solução. Por simplicidade, assumiu-se que no modelo não havia o efeito de onda da superfície livre. Primeiro, foi resolvida a equação para a pressão, sendo calculadas as suas componentes temporais e espaciais. Depois, foi resolvida a equação de Euler-Bernoulli junto com a condição de interface. Foram simulações para o material específico, e apresentados os resultados conseguidos. No final do trabalho são enunciadas as conclusões pertinentes.

Neste projeto, é apresentado um método numérico com uma abordagem do tipoMAC para a simulação de escoamentos viscoelásticos incompressíveis tridimensionais com superfície livre governados pelo modelo de fluido SXPP. A formulação apresentada nesse trabalho é uma extensão dos resultados obtidos por Oishi et al. (2011), sobre o estudo de métodos numéricos para a simulação de escoamentos incompressíveis viscoelásticos com superfície livre a baixos números de Reynolds, para o caso bidimensional. No contexto de problemas transientes, metodologias explícitas para solução numérica das equações governantes apresentam restrições de estabilidade muito severas para a definição do passo temporal, acarretando em um custo computacional relativamente alto. Sendo assim, utilizamos um método implícito para resolver a equação de conservação da quantidade de movimento, eliminando assim, a restrição de estabilidade parabólica e diminuindo significativamente o custo computacional. Mas tal estratégia acopla os campos de velocidade e pressão. Dessa forma, para desacoplar esses campos, foi utilizado uma abordagem que combina método de projeção com uma técnica implícita para o tratamento da pressão na superfície livre. A equação constitutiva foi resolvida pelo método de Runge-Kutta de segunda-ordem. A validação do método numérico foi realizada utilizando refinamento da malha no escoamento em um canal. Como aplicação, apresentamos resultados numéricos sobre o problema do jato oscilante e do inchamento do extrudado / In this work, we present a numerical method with a MAC type approach to simulate tridimensional incompressible viscoelastic free surface flows governed by a SXPP (Single eXtended Pom-Pom) model. The formulation presented in this work is an extension to the work of Oishi et al. (2011). They have studied numerical methods for solving incompressible viscoelastic free surface flows with low Reynolds number, for the bidimensional case. In the context of transient problems, explicitmethodologies for the numerical solution of the governing equations present severe stability constraints for defining the time step, what highly increases the computational cost. Due to this fact, an implicit method is used to solve the momentum equation, eliminating the parabolic stability constraint and decreasing significantly the computational cost. However, this strategy couples velocity and pressure fields. To decouples this fields, it was used an approach that combines a projection method and an implicit technique for the treatment of the pressure at the free surface. The constitutive equation is solved by a second-order Runge-Kutta method. The numerical method validation was achieved by a mesh refinement for a flow in a channel. As applications, numerical results of the die-swell problem and the jet buckling phenomenon are presented

Um problema relevante na modelagem de escoamentos com movimento de corpo rígido consiste na consideração de forças externas bem como forças que o fluido exerce sobre o próprio corpo rígido. Um outro problema importante refere-se à descrição da trajetória dos corpos rígidos. Essas duas questões são o objeto de estudo deste trabalho. No sentido de solucioná-las, foram implementadas duas extensões ao modelador de movimentos do sistema Freeflow-3D. A primeira incorpora um tipo de movimento definido por forças externas e a segunda um tipo de movimento definido por interpolação linear por partes. / A relevant problem in the modeling of the flow of fluids with rigid body movements consists in the consideration of externai forces, as well as forces that the fluids apply in the rigid body. Another important problem in this domain refers to the description of the path of the rigid bodies. Studying these two issues was the goal of this work. Towards solving these problems, two extensions were implemented in the movement modeler of the Freeflow-3D system. The first one, adds to the modeler a new type of movement, defined by externai forces. The second, adds another type of movement defined by piecewise linear interpolation.

Este trabalho descreve um método para expandir a aplicabilidade do sistema FreeFlow-2D para problemas de escoamentos de fluidos multifásicos. Este método permite a simulação de escoamento de fluido multifásico, incompressível e com superfície livre. Um número arbitrário de fases com propriedades diferentes pode ser utilizado. Tensões superficial e interfacial são também consideradas. A técnica numérica utilizada baseia-se no GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) e consideram-se propriedades variáveis de acordo com a posição da interface durante o escoamento. O campo de velocidade é computado utilizando-se às equações de Navier-Stokes discretizadas por esquema de diferença finita numa malha deslocada. O método foi implementado em três módulos: Modelador, Simulador e Visualizador. A validação foi efetuada comparando-se os resultados numéricos com resultados analíticos e experimentais. O método mostrou-se robusto e computacionalmente eficiente para os problemas considerados. / This work describes a method to expand the applicability of the system FreeFlow-2D in multi-phase flows problems. This method allows the simulation of incompressible free surface multi-phase flows. An arbitrary number of phases having different properties can be used. Surface and interface tension effects are also considered. The numerical technique is based on the GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) and it considers the properties varying according to the position of the interfaces in the flow. The velocity field is computed using the Navier-Stokes equations discretized by finite-difference on stagered grid. The method was implemented in three modules: the modeling module, the simulation module, and the visualization module. The validation was effected by comparing numerical results with analytical and experimental results. The method shown to be robust and computationally efficient in the problems considered.

A soleira lateral desempenha um papel importante nos reservatórios de detenção/ retenção (off-line), atuando na captação das vazões afluentes e evitando possíveis enchentes, problema em destaque nos períodos chuvosos das principais capitais brasileiras. Um melhor entendimento do seu comportamento hidráulico possibilitará o desenvolvimento de estruturas laterais mais eficientes. O presente trabalho tem como objetivo criar um modelo da soleira lateral através da tecnologia CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) e validá-lo através de experimentos em modelo reduzido do Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica da USP. A partir disso, explorar as características hidráulicas do modelo de CFD, como o comportamento dos níveis dágua e a distribuição de velocidades. No estudo da validação estudaram-se três tipos de refinamento de malhas e três modelos de turbulência (k-, k- (RNG) e SST k-). O modelo computacional validado é composto pela malha 3, com um refinamento cerca de 342000 elementos (hexaédricos predominante), e o modelo de turbulência k- (RNG), que apresentaram a maior precisão dos resultados. A análise da distribuição de velocidades possibilitou visualizar uma região de mínima velocidade abaixo da soleira lateral, e também quantificar uma região de baixas velocidades no início da soleira, onde é pequena a eficiência das vazões escoadas. Através do comportamento da superfície dágua foi possível visualizar a região de influência do dispositivo lateral no canal principal. A comparação do coeficiente de descarga do modelo de CFD com trabalhos de outros pesquisadores, um nacional e outro internacional, mostrou a representatividade do modelo criado para condições diferentes. A ferramenta CFD é promissora para o estudo de estruturas hidráulicas, contribuindo para o seu desenvolvimento e aperfeiçoamento. / The side weir plays an important role in the detention / retention tanks (off-line), operating in the uptake of water inflow and preventing possible flooding, which is a highlighted problem on rainy periods of the main Brazilian capitals. A better understanding of the hydraulic behavior allows the development of more efficient lateral structures. This work aims at creating a model of the side weir through CFD technology (Computational Fluid Dynamics) and validating it through experiments on a reduced model of the Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica da USP. Thereafter, explore the hydraulic characteristics of the CFD model, like the behavior of water levels and the velocity distribution. In the validation study, three types of mesh refinement and three turbulence models were studied (k-, k- (RNG) and SST k-). The computational model is validated by the composite mesh 3 with a refinement about 342,000 elements (hexahedral predominant), and the turbulence model k- (RNG), which had the highest precision of results. Analysis of the velocities distribution allowed us to visualize a region of minimum velocity below the side weir, and also to quantify a region of low velocities at the beginning of the weir, where the efficiency of overflows is small. Through water surface behavior it was possible to visualize the influence region of the side device in the main channel. A comparison of discharge coefficient of the CFD model between other works (one national and the other one international) showed the representativeness of the model created for different conditions. The CFD is a promising tool for the study of hydraulic structures, contributing to its development and improvement.

O tema deste trabalho é o estudo de métodos numéricos para a simulação de escoamentos incompressíveis com superfície livre a baixos Reynolds, por meio da metodologia GENSMAC e suas formulações explícita e implícita. Neste contexto, temos especial interesse na formulação implícita, objetivando o enfraquecimento da restrição de estabilidade parabólica no passo temporal em escoamentos com superfície livre. O trabalho pode ser dividido em duas partes: na primeira, algumas modificações são discutidas, propostas e testadas com o objetivo de tornar a formulação implícita mais eficiente e precisa; em seguida, aproveitamos os resultados obtidos e generalizamos o método numérico existente para simular escoamentos viscoelásticos modelados pela equação constitutiva SXPP. Em ambos os casos, a formulação explícita também é usada para comparação e teste. Resultados que demonstram a eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas são apresentados por meio da simulação numérica de complexos problemas envolvendo superfície livre.O tema deste trabalho é o estudo de métodos numéricos para a simulação de escoamentos incom- pressíveis com superfície livre a baixos Reynolds, por meio da metodologia GENSMAC e suas formulações explícita e implícita. Neste contexto, temos especial interesse na formulação implícita, objetivando o en- fraquecimento da restrição de estabilidade parabólica no passo temporal em escoamentos com superfície livre. O trabalho pode ser dividido em duas partes: na primeira, algumas modificações são discutidas, propostas e testadas com o objetivo de tornar a formulação implícita mais eficiente e precisa; em seguida, aproveitamos os resultados obtidos e generalizamos o método numérico existente para simular escoamentos viscoelásticos modelados pela equação constitutiva SXPP. Em ambos os casos, a formulação explícita também é usada para comparação e teste. Resultados que demonstram a eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas são apresentados por meio da simulação numérica de complexos problemas envolvendo superfície livre / The purpose of this work is the study of numerical methods for low Reynolds number incompressible free surface flows, including the GENSMAC methodology and its explicit and implicit formulations. In this context, we have special interest in the implicit formulation, in order to circumvent the parabolic stability restriction in the time step for free surface flows. The work can be divided into two parts: firstly, some modifications are proposed, discussed, and tested with the purpose of making the implicit formulation more e¢ cient and accurate; secondly, we take advantage of the results derived in the first part to generalize the numerical method for simulating viscoelastic free surface flows modeled by the constitutive equation SXPP. In both cases, the explicit formulation is also used for comparison and tests. Results that demonstrate the e¢ ciency and robustness of the developed techniques are presented and illustrated by the numerical simulation of complex problems involving free surface flows

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Hidráulica). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-02-27Bitstream added on 2014-06-13T20:47:57Z : No. of bitstreams: 1 mega_eaf_me_ilha.pdf: 5562341 bytes, checksum: b4568a8bd3a6a082c99afbb870a6bc28 (MD5) / Neste trabalho, um estudo experimental do escoamento em cavidades abertas, para diferentes razões de aspecto e números de Reynolds, foi realizado. Para a condução da campanha de ensaios, um canal de superfície livre em circuito fechado foi projetado e construído. Testes de qualificação foram conduzidos, com o propósito de verificar as características vibratórias do aparato e a qualidade do escoamento na seção de testes. A partir dos dados coletados nessa etapa, modificações foram introduzidas no projeto, melhorando significativamente as condições de funcionamento do dispositivo. Em seguida, os ensaios das cavidades abertas, propriamente ditos, foram executados. Para a determinação qualitativa dos padrões de escoamento encontrados em cavidades rasas e profundas, visualizações de escoamento foram realizadas, utilizando-se, como traçadores, corante líquido e partículas sólidas em suspensão. Com uma iluminação adequada, as duas técnicas foram capazes de fornecer elementos importantes para a identificação topológica deste tipo de escoamento. Além disso, medições de velocidade local e instantânea foram realizadas, dentro e fora das cavidades, com o auxílio de uma sonda ADV (acoustic Doppler velocimetry). Os resultados obtidos foram analisados fisicamente e comparados com dados experimentais e numéricos da literatura, apresentando excelente concordância / In this work, an experimental study of the flow inside open cavities, for different aspect ratios and Reynolds numbers, was performed. To carry out the experimental runs, a closed-circuit free-surface water channel has been designed and built. Qualification tests have been conducted to verify the vibrating characteristics of the device and the quality of the flow in the test section. From the data collected in this stage, constructive changes have been proposed and executed in the apparatus, improving significantly its operational conditions. Soon after the open cavities tests have been performed. For qualitative determination of the fluid motion inside deep and shallow cavities, flow visualizations techniques have been implemented using as tracers liquid dye and solid micro-particles in suspension. With the help of an adequate illumination system, both techniques were able to provide important information about the topological structure of the flow. Measurements of local instantaneous speed have also been performed within and outside the cavities by means of an ADV probe (acoustic Doppler velocimetry). The results have been physically analyzed and compared with available experimental and numerical data. An excellent agreement has been reached