The main motivation of this thesis is the analysis of turbulent flows. Turbulence plays an important role in engineering applications due to the fact that most flows in industrial equipment and surroundings are in turbulent regime. The thesis has a double purpose and is divided in two main parts. The first one is focussed on the basic and fundamental analysis of turbulence models. In the second part the know-how acquired in the first part is applied to the study of air curtains.Regarding to the first part, the principal difficulty of computing and modelling turbulent flows resides in the dominance of non-linear effects and the continuous and wide spectrum of time and length scales. Therefore, the use of turbulence modelling employing statistical techniques for high Reynolds numbers or complex geometries is still necessary. In general, this modelization is based on time averaging of the Navier-Stokes equations (this approach is known as Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulations, RANS). As consequence of the average new unknowns, so-called Reynolds stresses, arise. Different approaches to evaluate them are: i) Differentially Reynolds Stress Models (DRSM), ii) Explicit Algebraic Reynolds Stress Models (EARSM), and iii) Eddy Viscosity Models (EVM).Although EVM models assuming a linear relation between the turbulent stresses and the mean rate of strain tensor are extensively used, they present various limitations. In the last few years, with the even-increasing computational capacity, new proposals to overcome many of these deficiencies have started to find their way. Thus, algebraic or non-linear relations are used to determinate the Reynolds stress tensor without introducing any additional differential equation.Therefore, the first part of this thesis is devoted to the study of several EARSM and EVM models involving linear and higher order terms in the constitutive relation to evaluate turbulent stresses. Accuracy and numerical performance of these models is tested in different flow configurations such as plane channel, backward facing step, and both plane and round impinging jets. Special attention is paid to the verification of the code and numerical solutions, and the validation of the mathematical models used. In the impinging plane configuration, improvements of models using higher order terms in the constitutive relation are limited. Whereas, in the rest of studied cases these non-linear models show a reasonably good behaviour.Moreover, taken into account models convergence, robustness and predictive realism observed in the analysis of these benchmark flows, some of them are selected for the study of air curtains and their interaction with the environment where they are placed. Air curtains are generally one or a set of vertical or horizontal plane jets used as ambient separator of adjacent areas presenting different conditions. The jet acts as a screen against energy losses/gains, moisture or mass exchanges between the areas.As was indicated before, the main purpose of the second part of this thesis is to characterize in detail actual air curtains using both experimental and different numerical approaches. Semi-empirical models to design air curtains are presented. Then, an experimental set-up used to study air curtain discharge and jet downstream is explained. Experimental measurements of velocity and temperature are shown. As a result of the experiments carried out, an improved air curtain with a new design of the discharge nozzle is obtained. Furthermore, air curtain experiments are numerically reproduced and predictions validated against the experimental data acquired. Good agreement between numerical and experimental results is observed.Finally, systematic parametric studies of air curtains in heating and refrigeration applications are done. Global energetic balances are specially considered together with global parameters selected in order to evaluate air curtain performance. It is found that discharge velocity, discharge angle and turbulence intensity of the jet are the most sensitive parameters. Inadequate values for these variables can produce undesirable effects and contribute to increase energy gains/losses.

El trabajo se divide en tres partes: 1) estudio sintético de las técnicas de calculo de los efectos de las fluctuaciones aleatorias del índice de refracción inducidas por la turbulencia atmosférica en la propagación de ondas electromagnéticas a longitudes de onda óptica, aportándose el desarrollo de herramientas numéricas que permiten el calculo de esos efectos para cualquier tipo de proyecto. Destaca el desarrollo de un método de simulación de propagación de haces a través de realizaciones de la atmósfera. 2) estudio experimental mediante el cual se han cotejado las teorías tratadas en la parte anterior. 3) aplicación de los resultados de los apartados 1) y 2) al estudio de las limitaciones impuestas por la propagación a través de un medio turbulento en un sistema de comunicaciones y de las mejoras que impone la utilización de sistemas de recepción multiapertura.

Existen diversos problemas relacionados a los sedimentos cohesivos en calidad de aguas, transporte de finos y variados problemas ambientales. Dentro de los motivos de estos problemas se puede nombrar su gran superficie de contacto por unidad de masa, su alta capacidad de sorcion y su capacidad de agregarse y desagregarse al realizar el proceso de floculación. Los procesos de floculación dependen de las propiedades fisicoquímicas del sedimento y del agua, como también de varios mecanismos físicos de los cuales la turbulencia es uno de los más importantes. En el presente trabajo de título se tiene como objetivo estudiar experimentalmente, en una columna de agua, la interacción entre la turbulencia y sedimentos cohesivos en suspensión, para esto se diseñó, construyó y puso en marcha una columna de agua dentro de la cual se encuentran unos agitadores laterales, los cuales cumplen la función de generar la turbulencia y así suspender el sedimento. La manera de analizar los flóculos en suspensión fue filmándolos dentro del estanque, y por el contraste que se genera al colocar un foco de luz en contra de la cámara, se logró determinar las áreas y diámetros promedios de los flóculos en el tiempo al analizar los cuadros de cada video. Mediante un ADV se determinó las características del flujo las cuales se relacionaron con las características de los flóculos. Se utilizó bentonita como sedimento cohesivo, y se realizaron 9 diferentes experiencias, siendo éstas la combinación de 3 estados turbulentos y 3 concentraciones El comportamiento general de cada experiencia fue que las partículas en suspensión fueron desagregándose en el tiempo con un comportamiento relativamente exponencial. Al analizar los resultados, se propuso y utilizó dos diferentes relaciones de floculación, tomando en cuenta las concentraciones y energías cinéticas turbulentas promedios. Con esto se determinaron parámetros para la modelación de los procesos de agregación y desagregación de floculos en un campo turbulento.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:37:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332125.pdf: 3744232 bytes, checksum: 5807ec24cfba9a0589e3939cb54cedc3 (MD5) Previous issue date: 2014 / Quando instalados em zonas urbanas, pequenos aerogeradores estão sujeitos a altos níveis de turbulência atmosférica, influenciados pela elevada complexidade do terreno. O presente trabalho avalia o impacto da estabilidade atmosférica no desempenho de um pequeno aerogerador em um terreno complexo e propõe uma análise de performance com a utilização da estabilidade atmosférica e intensidade de turbulência como parâmetros de análise. O comprimento de Obukhov é escolhido para representar a estabilidade, por ser capaz de quantificar os mecanismos de transporte turbulento de quantidade de movimento e calor ao longo da porção superficial da camada limite atmosférica. A bancada experimental utilizada como estudo de caso é composta de um pequeno aerogerador de 2,1kW de potência e uma torre anemométrica instrumentada com um anemômetro sônico 3D, ambos instalados a 18m ao lado de um prédio no campus da Universidade. Dois anos de dados anemométricos apontam para uma intensidade de turbulência média igual a 32% no local. A base de dados selecionada possui 4287h de dados brutos ao longo de seis meses. A curva de potência medida de acordo com as recomendações da IEC mostrou um desempenho 14% acima da curva do fabricante, mas com queda na potência próximo à velocidade nominal. A correlação entre maior geração em baixas velocidades e altos níveis de turbulência concorda com estudos prévios. Três classes de estabilidade atmosférica foram definidas de acordo com o comprimento de Obukhov. Curvas de potência para cada classe foram então comparadas com a média. Desvios de até 51% foram observados entre diferentes classes de estabilidade. Para velocidades acima de 8 m/s, a condição instável foi predominante e evidenciou a tendência de queda na potência, onde o parâmetro intensidade de turbulência não conseguiu resultados consistentes. Os resultados mostram a consistência da metodologia proposta para análise de desempenho de pequenos aerogeradores com base em parâmetros físicos e estatísticos. Por fim, a construção de superfícies de potência em função da estabilidade e turbulência demonstram bons resultados na descrição da potência extraída próxima à velocidade nominal.<br> / Abstract: Small wind turbines in urban environment conditions are usually under high levels of ambient turbulence, influenced by the terrain complexity at the site. The present work evaluates the impact of atmospheric stability on a small wind turbine in a complex terrain, proposing a performance assessment that uses both atmospheric stability and turbulence intensity as criteria. The Obukhov length is chosen as a classification parameter, which is able to quantify the turbulent transport of momentum and heat over the lower portion of the atmospheric boundary layer. The experimental setup used a 2.1 kW wind turbine along with a met mast instrumented with a 3D sonic anemometer, both installed at 19 m next to a two-story building with few nearby obstacles on the university campus. Two years of 10 min wind data show an average turbulence intensity of 32% on site. Therefore, an urban zone environment could be studied with 20 Hz turbulent flux measurements. The selected dataset consists of 4287h of raw data covering a six-month period. Measured power curve following IEC recommendations shows an average performance 14% above the expected manufacturer curve, but with decreasing power output close to the rated wind speed. Values relating power collection increase at low wind speeds with high turbulence levels concur with previous studies. Atmospheric stability was divided into three classes, based on Obukhov length. Stability-dependent power curves were compared with the measured average. Deviations up to 51% in power output were observed between different stability conditions. Above 8 m/s, unstable conditions were predominant and evidenced the declining power tendency, where turbulence intensity was unable to give a consistent outcome. Results reported herein validate a suitable approach for small wind turbines assessment using both physical and statistical parameters as classification criteria. Power surfaces also shows why the proposed assessment better explains the turbine behavior close to rated conditions.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-01-15T14:53:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336697.pdf: 23130850 bytes, checksum: 730964306d35f2d28e6c9c47c30b8908 (MD5) Previous issue date: 2015 / A atmosfera terrestre é um meio não homogêneo e turbulento que provoca absorção, ree- missão e espalhamento da luz proveniente de estrelas. Esses efeitos sobre a luz distorcem a forma da frente de onda que chega aos telescópios na Terra. A Óptica Adaptativa é uma técnica utilizada para recuperar a qualidade da imagem de um telescópio. Novos métodos em Óptica Adaptativa precisam ser testados em laboratório antes de aplicá-los em um telescópio, para não desperdiçar tempo que poderia ser utilizado em observações astronômicas. O ambiente de observação recriado em laboratório precisa inserir as aberrações ópticas provocadas por esta turbulência atmosférica. Uma maneira de simular os efeitos da atmosfera terrestre sobre uma imagem é usar um Modulador Espacial de Luz - SLM (do inglês Spatial Light Modulator). De acordo com um modelo que descreve as perturbações introduzidas sobre a frente de onda pela atmosfera é possível reproduzir os efeitos da turbulência sobre um SLM e deformar a frente de onda em uma bancada óptica. O modelo de Kolmogorov caracteriza as distorções sobre a frente de onda em termos de flutuações dos índices de refração do ar provocados pela variação de propriedades físicas da atmosfera e pela turbulência dos ventos. Nesta dissertação mostro como é possível utilizar o SLM para simular os efeitos da turbulência atmosférica sobre uma imagem astronômica. Neste trabalho apresento como esse modulador espacial de luz pode ser utilizado para simular a turbulência atmosférica usando métodos criados para a Óptica Adaptativa.<br> / Abstract : The Earth s atmosphere is an inhomogeneous and turbulent medium that causes absorption, emission and scattering of the light from stars. These e?ects on the light distort the shape of the wavefront that reaches the Earth observatories. The Adaptive Optics is a technique used to retrieve the image quality of a telescope due to loss of resolution caused by the atmospheric turbulence. New methods in Adaptive Optics need to be tested in the laboratory before applying it in a telescope, which would require a time that could be used in astronomical observations. The observation environment recreated in the laboratory must introduce the optical aberrations caused by this atmospheric turbulence. One way to simulate the effects of the atmosphere on an image is to use a Spatial Light Modulator - SLM. According to a model describing the disturbances introduced on the wavefront by the atmosphere it is possible to reproduce the effects of turbulence with a SLM and produce a distortion of the wavefront in an optical bench. The Kolmogorov model of turbulence describes the distortions in the wavefront in terms of fluctuations in the refraction index of the air caused by the variation of physical properties of the atmosphere and the turbulence caused by the wind. In this thesis, I show how the SLM can be used to simulate the e?ects of atmospheric turbulence on an astronomical image using methods created for AO.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Made available in DSpace on 2013-06-25T20:10:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 308801.pdf: 1976757 bytes, checksum: b5a2445e9b2a81ddaa151f843a82341d (MD5) / Reatores agitados mecanicamente são amplamente usados na indústria química para promover diversos tipos de processos, tais como dissolução, dispersão, reações homogêneas ou heterogêneas. Apesar de todo avanço obtido nos últimos 50 anos, seu projeto e otimização ainda é baseado somente em correlações empíricas e semi-empíricas, o que demanda um grande número de experimentos. Invariavelmente, os experimentos envolvem altos custos. De forma a tentar reduzir tais custos, ferramentas computacionais vêm sendo usadas. Como o desempenho deste tipo de equipamento é calcado no escoamento gerado no seu interior a escolha por técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) é natural. Através de modelos CFD é possível obter o padrão de escoamento sem incorrer em suposições sobre a geometria como nas correlações empíricas. Neste trabalho, modelos CFD são aplicados em tais sistemas, de forma a alcançar o objetivo principal do estudo que foi investigar a razão que leva à diminuição do diâmetro das partículas com o aumento do espaço entre o fundo do reator e o impelidor. O modelo de turbulência tem papel preponderante, principalmente, em sistemas sem chicanas onde a componente tangencial da velocidade é predominante. Modelos de turbulência recentes foram avaliados em diversas configurações geométricas e operacionais. Após verificação de modelos o sistema utilizado por PINTO (2006) no Laboratório de Controle de Processos do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da UFSC foi investigado para avaliar o motivo porque o diâmetro médio de gotas diminui com o aumento do espaço livre entre o agitador e o fundo do tanque (clearance).Os resultados indicam que ao se concentrar na região acima do agitador a fase orgânica experimenta maior concentração da dissipação de energia cinética turbulenta e consequentemente maior quebra. / Stirred tank reactors are widely used in the chemical industry to promote several types of processes such as dissolution, dispersion, homogeneous or heterogeneous reactions. Despite all progress made in the last 50 years, its design and optimization is still based only on empirical and semi-empirical correlations which requires eventually a large number of experiments that involve high costs. aiming to reduce such costs, computational tools have been used. As the performance of such equipment is centered in the flow generated inside reactor the choice of techniques for computational fluid dynamics (CFD) is natural. Through CFD models is possible to obtain the flow pattern without incurring any assumptions about the geometry and the empirical correlations. In this study, CFD models are applied in such systems to reach the main goal of this investigation: why droplet mean diameter decreases with the increase of the clearance? Among several points to be investigated, the turbulence model plays a major role especially in systems without baffles where the tangential component of velocity is predominant. Recent turbulence models have been evaluated in various geometric and operating configurations. After verification of the model with experimental data, the system used by PINTO (2006) in Process Control Laboratory of the Chemical and Food Engineering Department of UFSC have been investigated to assess the reason why the average drop diameter decreases with increasing clearance between the stirrer and the tank bottom. One can conclude from the results that the concentration of the organic phase in the region above the agitator experiences higher concentration of turbulent kinetic energy dissipation and consequently greater breakage.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2005. / Made available in DSpace on 2013-07-16T00:00:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275551.pdf: 12536372 bytes, checksum: c80bef829b258abfb8a4e7fdd6fa004f (MD5) / O escoamento gás-sólido turbulento em um leito fluidizado circulante é estudado utilizando-se modelo matemático tridimensional transiente, com refinos de malha e temporal adequados para capturar as estruturas de aglomerados de partículas (clusters e strands) encontrados na chamada meso-escala. O trabalho baseia-se na abordagem proposta por Agrawal et al. (2001) e Zhang e van der Heyden (2001). Aplicou-se um modelo sub-malha (LES) para a fase gás e sólido baseado em Smagorinsky (1963). O modelo sub-malha apresenta-se necessário devido a impossibilidade de resolver todas as escalas envolvidas no escoamento gás-sólido em um leito fluidizado turbulento. Os resultados numéricos são comparados com dados experimentais com boa aproximação para os perfis de velocidade média axial e lateral do sólido. O modelo sub-malha aplicado apresenta comportamento excelente na região próxima à parede e intermediária, com desvio na região central (diluída), sobre estimando o arraste. Este efeito, é causado pela forma de cálculo do arraste no modelo de dois fluidos utilizado para a solução do problema. Análise espectral é realizada para os estudos de caso. A região inercial foi capturada pela resolução espacial e temporal utilizada, com inclinação -5/3, indicando que o refino de malha e temporal foi adequado para a solução do problema. Realizou-se análise de estruturas intermitentes através do coeficiente de achatamento (Kurtosis) e comparado-se com resultados experimentais. A comparação mostra que a utilização do modelo sub-malha é necessária, pois este incorpora o comportamento físico esperado para um leito fluidizado turbulento, o que não ocorre quando da não utilização do modelo sub-malha. Estabeleceu-se que as estruturas de clusters estão associadas a alta taxa de deformação e os strands a estruturas de vórtices contra rotativos estirando-se. Baseado neste fato, propôs-se uma forma de caracterizar a formação e destruição de clusters e strands, com bom resultado, assim como a dimensão característica. Uma série de conclusões e recomendações para trabalhos futuros nesta linha de pesquisa são propostas, baseadas nas análises realizadas.

Tese (doutorado) - University of Illinois / Made available in DSpace on 2013-12-05T18:58:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 267135.pdf: 5808382 bytes, checksum: df7b7fde610c381c3d521f118116b8be (MD5) Previous issue date: 1978

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:36:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 319127.pdf: 3154387 bytes, checksum: df3960c2e36e238f88a00e8e016bd68c (MD5) Previous issue date: 2013 / A convecção natural em cavidades fechadas tem sido extensivamente investigada em função de sua importância em diversas aplicações tecnológicas, tais como resfriamento de componentes eletrônicos, isolamento de reatores nucleares, conforto térmico em edificações e compartimentos de refrigeradores domésticos. O presente trabalho consiste na investigação experimental da convecção natural turbulenta em uma cavidade paralelepípeda. A cavidade em estudo possui uma razão de aspecto altura/largura igual a quatro e base quadrada, com as paredes verticais mantidas em diferentes temperaturas, resultando em um número de Rayleigh igual a 1,14 x 1010. Medições de perfis de velocidade e tensões de Reynolds são realizadas via velocimetria laser Doppler (LDV) em diferentes seções da cavidade. O escoamento demonstrou ser restrito às regiões próximas das paredes verticais, com velocidades mais elevadas junto à parede quente. Um resultado inesperado foi obtido na região da parede fria, onde logo depois de uma fina camada de fluido que escoa para baixo, o escoamento se dá no sentido ascendente. Através de perfis da componente vertical de velocidade e da visualização via velocimetria por imagens de partículas (PIV), observou-se que isto é provavelmente causado por uma camada de fluido intrusiva que se move para cima. Campos instantâneos de velocidade obtidos pelas medições PIV também indicam a presença de vórtices que se movem ao longo de ambas as paredes verticais. <br> / Abstract : Turbulent natural convection in cavities has been extensively studied due to its importance in various technological applications, such as cooling of electronic components, insulation of nuclear reactors, thermal comfort in buildings and compartments of refrigerators. This master?s thesis reports an experimental investigation of turbulent natural convection in a parallelepiped cavity. The cavity has an aspect ratio height/width equal to four and a square base, with the vertical walls maintained at different temperatures, resulting in a Rayleigh number equal to 1.14 x 1010. Measurements of velocity and Reynolds stresses were carried out via laser Doppler velocimetry (LDV) in different sections of the cavity. The flow was found to be restricted within a very narrow region next to vertical walls, with higher levels of velocity next to the hot wall. Unexpectedly, fluid flow was seen to be upwards after a very thin layer of descending flow along the cold wall. With reference to profiles of vertical velocity component and flow images acquired through PIV, it was observed that this phenomenon is probably associated with a fluid intrusion traveling upwards. PIV measurements also indicate the presence of vortices moving along both vertical walls.

Resumo: O entendimento dos mecanismos dinâmicos que levam à formação de estados turbulentos em sistemas espacialmente estendidos constitue um problema de grande importância. É observado que em alguns sistemas essa transição acontece de maneira intermitente, ou seja, a dinâmica oscila de uma maneira aparentemente aleatória entre estados de caos temporal e estados turbulentos, e a energia de cada um destes estados reside em ramos diferentes e que não se sobrepõem. Neste trabalho, estão apresentados os resultados obtidos no estudo de uma transição de caos temporal para turbulência, que acontece de maneira intermitente, na equação de onda longa regular forçada e amortecida, um modelo que representa diferentes problemas físicos, entre eles a dinâmica de uma onda de deriva eletrost ática em um plasma. As propriedades estatísticas da série temporal da energia da onda mostram que a transição acontece segundo um comportamento dinâmico conhecido que recebe o nome de intermitência on-o_ de dois estados. A análise posterior da distribui ção dos expoentes de Lyapunov a tempo _nito sugere que a perda de estabilidade transversal dos atratores do sistema no espaço de fase de Fourier é o mecanismo dinâmico por trás da intermitência e que, portanto, leva o sistema a um estado turbulento. No caso especí_co do modelo estudado, o aumento da intensidade do forçamento induz a perda de estabilidade transversal em um atrator de baixa energia, que leva ao surgimento da intermitência e portanto do caos espaço-temporal no sistema. ii