Orientador: Henry França Méier. / Co-orientador: Rodrigo Koerich Decker. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

The fow around bluff bodies is an essential topic in fuid dynamics. This fow is characterized by large vortical fow regions separating from the surface of the bluff body, and they cause oscillating drag and lift forces on the structure. The fow around an infinite long cylinder is a well-known case being studied in the literature. However, a cylinder with low aspect-ratio piercing the free surface has not been studied much although such an arrangement can be found in many floating offshore structures. In this thesis the results of CFD calculations are presented for a fixed, free surface piercing cylinder with an aspect-ratio L/D equals to 2. The Reynolds number was equal to 4:3 x 104 indicating that the flow is in the sub-critical turbulent regime. An extensive methodology of verication and validation is followed to investigate the reliability of the results. To investigate the effect of the free surface on the calculated hydrodynamic loads, two approaches have been considered: a double-body symmetry condition and an interface capturing Volume-of-Fluid (VoF) method. Additionally, two turbulence models are investigated: a two-equation turbulence model; a non-linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM); and the Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) turbulence model. The results are presented in terms of integral results (drag and lift coefficients) and flow visualizations. Based on the results of the cases in which the free surface was modeled as a double body symmetry boundary condition, it is concluded that the model is not suitable for this type of flow as the model damps out the flow dynamics due to over-production of eddy-viscosity. Hence, the characteristic oscillating lift forces are not captured using this turbulence model. However, this turbulence model showed good agreements regarding the flow fields in comparison with experimental PIV measurements. Results of the case modeled with EARSM turbulence model shows better agreement with the experimental results compared with the turbulence model. In the cases where the free-surface is considered, results with the EARSM turbulence model show similar results for the drag forces whereas the lift uctuations were one order of magnitude smaller, compared with the double body case. Lastly, the results using the IDDES turbulence model and free-surface VoF modeling are shown to produce the best comparison with the experimental results, regarding both, integral values and flow field results. / O escoamento ao redor de corpos rombudos é um tópico essencial na dinâmica de fluidos. O escoamento é caracterizado por regiões com grande vorticidade que se separam do corpo e causam oscilações das forças de arrasto e sustentação sobre a estrutura. O escoamento ao redor de cilindros longos é um tema que tem sido extensivamente estudado com muitos trabalhos encontrados na literatura. Entretanto, o cilindro com baixa razão de aspecto perfurante à superfície livre é um caso pouco estudado, apesar desta estrutura ser encontrada em várias estruturas oceânicas flutuantes. Esta dissertação apresenta cálculos numéricos para o escoamento ao redor de um cilindro fixo, que trespassa a superfície livre com razão de aspecto L/D igual a 2. O problema é estudado em um regime subcrítico de turbulência, com número de Reynolds igual a 4:3 x 104. Uma vasta metodologia de verificação e validação foi seguida para avaliar a confiabilidade dos resultados obtidos numericamente. Para investigar os efeitos da superfície livre nas cargas hidrodinâmicas, duas abordagens s~ao consideradas: condição de simetria de duplo corpo e um método de captura de interface Volume of Fluid. Além disso, dois modelos de turbulência foram investigados: o modelo não linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM), e o modelo de turbulência Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES). Os resultados relacionados aos coeficientes de arrasto e sustentação são apresentados a partir de análise estatística, complementados através de ilustrações que permitem visualizar os campos de escoamento e pressão. Com base nos resultados de casos em que a superfície livre é modelada com uma condição de contorno de simetria, conclui-se que o modelo de turbulência não é adequado para este tipo de escoamento, pois o modelo amortece a dinâmica do escoamento devido à superprodução de viscosidade turbulenta. Consequentemente, as oscilações na força de sustentação não são capturadas usando este modelo. Entretanto, resultados dos campos médios do escoamento mostram-se concordantes com imagens experimentais obtidas com técnicas de PIV - Particle Image Velocimetry. Resultados do caso modelado com o modelo de turbulência EARSM mostram melhores concordâncias na comparação dos parâmetros estatísticos com experimentos do que o modelado com o modelo EARSM. Nos casos em que a superfície livre é modelada com o método VoF, o modelo de turbulência EARSM mostra resultados semelhantes para o arrasto, enquanto as flutuações da sustentação apresentam-se uma ordem de grandeza menores, quando comparadas ao caso de duplo corpo. Resultados usando o modelo de turbulência IDDES e VoF apresentam melhores comparações aos resultados experimentais, tanto para os parâmetros estatísticos quando para as visualizações do escoamento.

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.

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

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.

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5587.pdf: 3066852 bytes, checksum: 17d88d3ab913d61bb315842b57ec5a74 (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / Cyclones are used to separate suspended particles from gas streams. The analysis of flow inside the cyclone is complex due to the large number of parameters and operating variables that influence the dynamics of the system. Due to its versatility of use and its robustness, results in computational fluid dynamic are an important alternative often used to study the dynamics of flow in the cyclone. In the literature, several works make use of computational fluid dynamics in order to study the pressure drop of cyclones. However, the works about the efficiency of collection are fewer. For the cyclone, computational fluid dynamics allows an accurately simulation of the collection efficiency of particles with diameter greater than 5 µm; but for particles with smaller diameters the simulated results diverge from experimental values. In this work, Stairmand s cyclone was numerically simulated with injected particles with diameters from 1 to 5 µm. The results were verified using available experimental data reported in the literature. The experimental data taken from literature belong to Zhao and Shen Kang (2004) and Zhao (2005). The simulation mesh was analyzed before and after the simulations. The turbulence models used in the simulation of flow in the cyclone were: Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The dispersed phase was simulated considering one and two way couplings. The equation of motion of the particles was integrated using the integration schemes: implicit, analytic, trapezoidal, and Runge-Kutta. The results showed that the methodology was adequate to reproduce the behavior of the flow in the cyclone. The error percentages obtained in pressure drop were under 5% and the average collection efficiency was reproduced with good accuracy for diameters of 3, 4 and 5 µm. / O ciclone é um equipamento utilizado para separar partículas suspensas em correntes gasosas. A análise do escoamento dentro do ciclone é complexa devido ao grande número de parâmetros e variáveis operacionais que influenciam na dinâmica do sistema. Devido a sua versatilidade de uso e a sua robustez nos resultados a fluidodinâmica computacional é uma alternativa importante utilizada com frequência no estudo da dinâmica do escoamento no ciclone. Na literatura existem vários trabalhos que fazem uso da fluidodinâmica computacional no estudo da queda de pressão. Entretanto, no estudo da eficiência de coleta, os artigos são em menor quantidade. No ciclone, a fluidodinâmica computacional permite simular a eficiência de coleta de partículas com diâmetro maiores que 5 µm com bastante precisão; a modelagem da eficiência de coleta para partículas com diâmetros menores ainda resultam em valores diferentes dos valores experimentais. Neste trabalho foram realizadas as simulações numéricas no ciclone tipo Stairmand; foram injetadas partículas de 1 a 5 µm. Para a verificação foram tomados dados experimentais disponíveis na literatura. Os dados experimentais foram obtidos por Zhao, Shen e Kang (2004) e Zhao (2005). A malha utilizada nas simulações, foi analisada antes e depois das simulações. Os modelos de turbulência utilizados para simular o escoamento no ciclone foram: Reynolds Stress Model (RSM) e Large Eddy Simulation (LES). A fase dispersa foi simulada considerando acoplamento de uma via e acoplamento de duas vias. Para integrar as equações de movimento das partículas, foram utilizados os esquemas de integração: implícito, analítico, trapezoidal e Runge-Kutta. Os resultados mostraram que a metodologia empregada mostrou-se adequada para reproduzir o comportamento do escoamento no ciclone. As porcentagens de erro obtidos na queda de pressão foram em média menores que 5% e na eficiência de coleta foram reproduzidas com boa precisão para os diâmetros de 3, 4 e 5 µm.