O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.

A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 3576583 bytes, checksum: 2028463a4df5689828411372ce4dd847 (MD5) Previous issue date: 2006-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work consists of a hybrid numerical-analytical simulation of the developing and fully developed turbulent flows inside a parallel-plates channel. The Reynolds equations for the mean flow are solved through the Generalized Integral Transform Technique (GITT) in the boundary layer and streamfunction-only formulations. For turbulence closure, the respectively one-equation turbulence models, and some of their variations, developed by Secundov (1972), Baldwin e Barth (1990), Spalart e Allmaras (1992, 1994) and Menter (1997) were employed. Despite of based on the eddy viscosity concept, as the well-known one-equation k-L turbulence model previously adopted in works that made use of the present hybrid solution methodology, such models do not need any explicit length scale, and therefore are more generals, but only one transport equation for the turbulent viscosity or for a variable directly related to the eddy viscosity. In this sense, some simulations for different Reynolds numbers and different turbulent inlet conditions were developed in order to, in function of the obtained results and the convergence studies of the main potentials involved in the simulations, develop a critically and detailed discussion of the main shortcomings and capability predictions of each turbulence model adopted, such as the non-asymptotic development of the longitudinal velocity component and the friction factor fields. As a consequence of the analysis type performed over each turbulence model investigated and, in addition, due to the excellent numerical quality of the obtained results, the present work extends and consolidates the very important role that the integral transform technique may play in the computational fluid dynamics field meanwhile hybrid methodology. / O presente trabalho consiste na simulação numérico-analítica do escoamento turbulento isotérmico, em desenvolvimento e completamente desenvolvido, no interior de um canal de placas planas e paralelas, através da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT). As equações médias de Reynolds, escritas segundo as hipótese de camada limite são empregadas na formulação de função corrente. Para o fechamento das equações médias da turbulência foram empregados os modelos de turbulência de uma equação de transporte (e algumas de suas variações) desenvolvidos pelos seguintes autores: Secundov (1972), Baldwin e Barth (1990), Spalart e Allmaras (1992, 1994) e Menter (1997). Apesar de baseados no conceito de viscosidade turbilhonar ( eddy viscosity ), como o tradicional modelo de turbulência de uma equação k-L, anteriormente empregado em trabalhos que fizeram uso da presente metodologia híbrida de solução, tais modelos não necessitam de uma escala explícita de comprimento, e por isso são ditos mais gerais, mas sim, de apenas uma equação de transporte para a própria viscosidade turbulenta (ou uma variável diretamente relacionada à própria viscosidade turbulenta). Nesse sentido, foram simuladas algumas situações de escoamentos (diferentes números de Reynolds e diferentes condições de entrada turbulenta) e buscou-se, em função dos resultados obtidos e de estudos de convergência dos principais potenciais envolvidos nas simulações, uma criteriosa e detalhada discussão das capacidades de previsão de certas características inerentes ao escoamento (o pico da componente longitudinal da velocidade no centro do canal e a depressão do fator de atrito, durante o desenvolvimento do escoamento, ou seja, o comportamento não assintótico dessas variáveis no escoamento) por todos os modelos de turbulência empregados. Em função do tipo de análise oferecida sobre cada modelo de turbulência utilizado, e, em adição, da excelente qualidade dos resultados obtidos com o uso da GITT, o presente trabalho extende e consolida o importante papel que a técnica da transformada integral pode desempenhar no campo da simulação computacional, enquanto metodologia híbrida.

A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.

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.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.