O jato livre ocorre quando um fluido é expandido por meio de um bocal ou orifício para um meio no qual o escoamento não é diretamente afetado por um contorno fixo. Este tipo de escoamento possui uma considerável importância para aplicações industriais, automotivas e aeroespaciais sendo ainda que a melhor compreensão deste tipo de escoamento contribui para otimização de processos e provê análises importantes para o entendimento de fenômenos mais complexos tais como os escoamentos bifásicos e reativos. Desta forma, se faz cada vez mais necessária à realização de análises detalhadas sobre a abordagem de modelagem da turbulência, verificação de hipóteses assumidas para regiões do jato e avaliação de parâmetros que influenciam o escoamento cisalhante livre. Neste trabalho, o problema do jato livre circular axissimétrico foi analisado numericamente. As equações da conservação de massa, quantidade de movimento, energia e da turbulência foram discretizadas aplicando o método de volume finitos. Três diferentes modelos de turbulência, o k- padrão, k- realizável e o v2-f, disponíveis no programa Fluent foram avaliados para jatos livres turbulentos incompressíveis, subsônico e supersônico. Resultados numéricos para cada caso simulado foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente hipóteses feitas pela teoria da auto-similaridade na região denominada desenvolvida foram avaliadas. Entre os resultados obtidos se destacam que os modelos testados devem ser utilizados criteriosamente para uma determinada condição de escoamento, o esquema de discretização de segunda ordem apresenta-se como o mais indicado para condições supersônicas, enquanto para o escoamento incompressível e subsônico os esquemas de primeira e segunda ordem fornecem soluções semelhantes. Os parâmetros da região desenvolvida variam com a condição de origem do jato e não somente com a quantidade de momento na saída do jato, como supunha a teoria clássica da similaridade.

O sangue é um fluido complexo cujas propriedades são significativamente afetadas pelo arranjo, orientação e deformabilidade dos glóbulos vermelhos. O estudo do escoamento sangüíneo é extremamente importante, visto que o desenvolvimento de muitas patologias cardiovasculares estão relacionadas com a variação de suas características frente à circulação sanguínea. Nesse sentido a hemodinâmica têm sido freqüentemente utilizada para obter melhor compreensão dos aspectos funcionais, diagnóstico e terapêuticos. Devido à complexidade da reologia do escoamento sanguíneo, não existe um modelo universal para representar a propriedade viscosa do sangue, entretanto encontramos diferentes classificações que descrevem o comportamento não-Newtoniano do sangue com base em diversas variáveis e graus de precisão. No presente estudo, o método de volumes finitos é utilizado para analisar o escoamento sanguíneo em uma bifurcação da carótida humana. Foi adotado um modelo tridimensional de fluido incompressível em regime permanente e transiente. A equação da quantidade de movimento foi resolvida empregando três funções de viscosidade não-newtonianas: Power-Law, Carreau e Casson, bem como o modelo newtoniano. Foram obtidos resultados para a distribuição da tensão de cisalhamento na parede e perfis de velocidade na direção axial e radial, utilizando o modelo newtoniano e os modelos de viscosidade não-Newtoniana. Posteriormente, o estudo analisou o escoamento sanguíneo sob regime pulsátil utilizando o modelo de Casson. A solução numérica foi obtida utilizando uma condição de velocidade dependente do tempo na entrada da artéria carótida com objetivo de incluir o efeito pulsátil ao escoamento. Os resultados demonstraram que é fundamental a utilização do modelo não-Newtoniano para analisar o escoamento sangüíneo em artérias com variações geométricas por apresentar regiões com baixos valores de velocidade e tensão de cisalhamento.

Os ejetores possuem diferentes aplicações como na propulsão, refrigeração e aeroespacial. Este dispositivo não possui partes móveis e por isso é um equipamento simples, confiável, com potencial de vida longa e pode ser fabricado a um custo relativamente baixo, além disso, podem ser utilizados materiais baratos para sua construção. Por estas razões, pesquisas vêm sendo realizadas com a finalidade de melhorar o desempenho deste dispositivo. O objetivo do presente trabalho é analisar ejetores supersônicos a gás utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamic - Dinâmica dos Fluidos Computacional) para estudar os fenômenos físicos, os efeitos da geometria e das condições de operação no escoamento variando os seguintes parâmetros: vazão na entrada secundária, o comprimento e o tipo da câmara de mistura. As equações do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelos de turbulência k-?-realizável e k-?-SST) são resolvidas numericamente empregando o método de volumes finitos. Um estudo com várias malhas foi realizado para garantir independência dos resultados em relação a estas e para validação do procedimento numérico foram utilizados dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados da validação mostraram que o modelo de turbulência k- ?- SST e o esquema de discretização de 1 ordem apresentaram melhor desempenho para reproduzir os dados experimentais disponíveis para este ejetor. Os resultados para o comprimento da câmara de mistura de pressão constante indicam que para este modelo do ejetor, o comprimento ideal encontrado de acordo com uma equação, pois este é influenciado pela vazão na entrada secundária. Outros resultados também mostraram que com o aumento da vazão na entrada secundária, a diferença de pressão entre a saída e a entrada secundária diminui.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-14T13:37:05Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-01T14:26:20Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-01T14:26:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) Previous issue date: 2011 / FAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e Pesquisas / O fenômeno da turbulência está presente na maioria dos escoamentos observados na indústria e na natureza. Muitas são as considerações a respeito das dificuldades relacionadas à caracterização dos escoamentos turbulentos. Uma das muitas questões trata do procedimento de análise do problema através da descrição estatística dos campos por grandezas “médias”, o que leva ao problema de fechamento e à modelagem do tensor de Reynolds, normalmente com modelos baseados no conceito de viscosidade turbulenta. Os modelos de turbulência já existentes apresentam algumas deficiências na previsão do escoamento, além de outras limitações, o que justifica a busca por novas abordagens para o tratamento da turbulência. Neste trabalho, o problema de fechamento é tratado segundo a modelagem turbulenta baseada no conceito de viscosidade turbulenta. Um novo modelo de turbulência é proposto, que admite a existência de vórtices imersos no escoamento e aplica conceitos e definições relacionados à identificação de vórtices, com o uso do critério de identificação Q , que caracteriza a região do escoamento ocupada pelo vórtice. Propõe-se a investigação da aplicabilidade do critério Q em conjunto com o modelo k − ε , para o desenvolvimento de um novo modelo de turbulência chamado k − ε −Q . Validou-se a aplicabilidade do modelo através de um código numérico computacional para tratamento de escoamentos turbulentos. A solução numérica foi obtida através da discretização do domínio fluido, utilizando o método de volumes finitos e o método multigrid foi utilizado para resolver o sistema linear resultante. Como verificação, foi utilizado este modelo de turbulência para simular o escoamento em uma cavidade quadrada com tampa deslizante e o escoamento turbulento sobre um degrau. Os resultados obtidos foram confrontados com dados experimentais e demonstraram que o modelo aqui proposto se apresenta mais eficiente que o clássico modelo k − ε , no tratamento da turbulência nesses dois problemas clássicos. / The turbulence is present in most of the flows observed in industry and nature. There are many considerations regarding the difficulties related to the characterization of turbulent flows. One of the many issues regarding the procedure of analyzing the problem through the statistical description of the fields, which leads to the problem of closure and the modeling of the Reynolds tensor, usually with models based on the turbulent viscosity concept. The turbulence models have some shortcomings in predicting the turbulent flow field, which justifies the research of new approaches to treatment turbulence. In this work, the problem of closure is treated using the modeling based on the concept of turbulent viscosity. The proposed new turbulence model admits the existence of vortexs immersed in the flow and applies concepts and definitions related to the identification of this structure, using the Q - criteria that characterizes the region of flow occupied by the vortex. It is proposed to investigate the applicability of this model, resulting in a new turbulence model called k − ε −Q . The model applicability is evaluated through a numerical code for computational treatment of turbulent flows. The numerical solution was obtained by discretization of the fluid domain, using the finite volume method and the multigrid method was used for solving the resulting linear system. As benchmark, we used the turbulence model to simulate the flow in a square cavity with sliding lid and turbulent flow over a backward-facing step. The results were compared with some experimental data and demonstrated that the model proposed here appears to be more effective than the classical k − ε in the treatment of turbulence in these two problems.

Este trabalho investiga o escoamento turbulento no entorno da interface entre um meio limpo e um meio poroso, com a finalidade de ajustar as condições de contorno de salto de tensão cisalhante e de fluxo difusivo de energia cinética de turbulência, usada na abordagem macroscópica. Como modelo para o meio poroso, são consideradas várias geometrias compostas de hastes de formas diversas (haste cilíndrica, haste elíptica longitudinal e haste elíptica transversal). O comportamento das propriedades do escoamento em função da morfologia da estrutura porosa é analisado. As equações que governam o escoamento são numericamente resolvidas na fase líquida ao redor das hastes sólidas. O método numérico empregado para a discretização das equações é o método dos volumes finitos com arranjo co-localizado num sistema de coordenadas generalizadas. O algoritmo PISO é usado para correção do campo de pressão. Após a obtenção destes resultados, denominado resultados distribuídos, foi utilizado o conceito de média volumétrica, em uma célula de cálculo para transferir os resultados distribuídos do domínio "microscópico" para o domínio macroscópico - denominado resultados integrados. A partir do ajuste de curva dos valores pontuais de velocidade e energia cinética de turbulência no meio poroso e no meio limpo, foram estimados os coeficientes de salto de tensão, ß e de salto de fluxo difusivo de energia cinética, ßk. A metodologia de integração desenvolvida para obtenção dos coeficientes de salto, além de preservar a maioria das informações do escoamento distribuído, resulta em valores fisicamente coerentes de tensão e de fluxo difusivo de energia cinética. Para os casos analisados, os valores do coeficiente de salto de tensão, ß, que melhor acomodam a transferência de quantidade de movimento na interface são, ß=1,4824, para escoamento laminar, e ß=0,6536, para escoamento turbulento, evidenciando a dependência do coeficiente de salto ao regime de escoamento. Além disso, é apresentado o coeficiente de salto de fluxo difusivo de energia cinética de turbulência modificado, ß#c=1,6244, que ajusta a troca de fluxo difusivo de (K)v entre as camadas de fluido acima e abaixo da interface, independentemente dos valores de porosidade, fc, analisados.

A computer code was developed from scratch to simulate the flow over the NACA 0012 airfoil at different Reynolds and Mach numbers. The domain was discretized in a structured-grid context. The equations were numerically solved by a finite-volume technique, using three different time-marching schemes. The Euler flow was initially modeled as well as a Reynolds-averaged Navier Stokes formulation was calculated. The Baldwin and Lomax turbulence model was employed to close the problem. The influence of a number of numerical parameters upon the computational solutions was investigated in the first phase of the work. The inviscid simulations were compared with other numerical results available in the literature. Each modification is thoroughly described and compared to the base-line case. Conclusions were drawn regarding how each of these chances affected the final result. The last Euler simulation was done using the Jameson, MacCormack and the Shu schemes in order to select the most appropriate one of the three to be employed to solve the Reynolds-averaged Navier Stokes equations. The viscous flow simulations started with the incompressible, laminar flow over a flat plate. The implementation of the viscous terms was validated calculating and comparing the results with the known Blasius analytical solution. Finally, the compressible, turbulent viscous flow over the NACA 0012 airfoil was numerically solved. The pressure coefficient distribution along the airfoil chord and the normal force coefficient were compared with experimental data due to Harris.

Combustão pré-misturada dentro de meio poroso é área de intensa pesquisa na atualidade. Isto se deve à necessidade da indústria na utilização de câmaras de combustão com alta eficiência e baixa emissão de poluentes. Aplicações desta tecnologia em áreas como produção de hidrogênio, exploração de petróleo e aquecimento doméstico estão sendo investigadas por vários grupos de pesquisa. Neste trabalho são apresentadas simulações numéricas da combustão em meio poroso. Um modelo laminar, bidimensional, baseado em uma formulação macroscópica para as equações de transporte foi adotado. A cinética química é modelada através de dois mecanismos reduzidos, 6 e 8 equações elementares. O método numérico empregado é o de volumes finitos em um sistema de coordenadas generalizadas. Foram investigados três protótipos de reatores porosos e comparados os resultados das simulações aos resultados experimentais encontrados na literatura. Esta tecnologia tem como fundamento o controle sobre a chama a partir da possibilidade de uso de diferentes materiais porosos dentro do reator. Para um melhor entendimento das características dos materiais porosos e sua influência sobre a chama, foram realizadas análises de sensibilidade de vários parâmetros relacionados aos materiais porosos e às condições de entrada no reator.

As bombas ejetoras são dispositivos apropriados para aspirar e bombear um fluido que pode ser líquido, gás ou vapor ou uma mistura bifásica. Tais dispositivos são caracterizados pela troca da energia cinética de uma corrente de fluido primária com a uma corrente de fluido secundária em uma câmara de mistura. Devido à simplicidade na estrutura, na ausência de partes móveis e na conveniência da manutenção, bombas ejetoras têm sido usadas extensivamente em muitos campos da Engenharia para várias finalidades. Bombas ejetoras são usadas principalmente em atividades como: bombeamento ou sucção de fluidos, dragas, bombeamento de produtos químicos, transporte de partículas sólidas grandes ou até mesmos produtos alimentícios. Uma bomba ejetora é geometricamente simples consistindo de 4 componentes principais: um bocal, câmara de sucção, garganta misturadora e difusor. Nesta dissertação, a ferramenta de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) foi utilizada para calcular o escoamento tridimensional no interior de uma bomba ejetora com dados geométricos e de desempenho disponíveis na literatura com o objetivo principal de avaliar a qualidade dos resultados obtidos. Para tanto as equações de conservação da massa, 2 Lei de Newton, conservação de energia e para o modelo de turbulência k- foram resolvidas utilizando o método de volumes finitos com um algoritmo segregado para o acoplamento dos campos de velocidade e pressão. Para obtenção da solução foi utilizado o código comercial Fluent versão 6.3.17. Os resultados numéricos obtidos para eficiência da bomba ejetora foram comparados com resultados experimentais e com os de uma formulação unidimensional onde os coeficientes de perda por atrito foram medidos experimentalmente nas seções da bomba ejetora ensaiada experimentalmente e simulada numericamente. Os resultados apresentaram boa concordância em toda a faixa disponível de resultados experimentais. A ferramenta de CFD também permitiu analisar os campos de velocidade e a distribuição de pressão nos componentes da bomba ejetora (bocal, garganta misturadora e difusor).

The present work describes the efforts towards the implementation of upwind schemes to simulate supersonic and hypersonic cold gás flows. The class of flux vector splitting schemes has been chosen, and the particular methods implemented are the van Leer and Liou schemes. Results for different freestream Mach numbers and mesh topologies are discussed in order to assess the comparative performance of the various spatial discretization schemes. The flow is modeled by 3-D Euler equations through the use of a cell centered, face-based data structure finite voluma method applied in an unstructured grid context. Time integration of the system of equations is performed using an explicit, 5-stage, Runge-Kutta scheme. Mesh refinement routines are available in the original code and they are able to handle tetrahedra, hexahedra, triangular-base prisms and square-base pyramids. The full multigrid procedure is also available in the base code to accelerate the convergence to steady state. In the present work, the author has studied possible forms of integrating the multigrid and the mesh refinement procedures, which were both originally available in the base code. The results obtained provide evaluation and comparison of the present methods with regard to oblique shock wave capturing, as well as the behavior of property values such as pressure, density and Mach number contours. Finally, the work presents a discussion on the relative characteristics of each method.

Simulações numéricas foram realizadas utilizando-se um código computacional desenvolvido para resolver o sistema de equações de Navier-Stokes com média de Reynolds que modela o escoamento compressível turbulento em torno de um aerofólio NACA 0012. Foram utilizadas malhas estruturadas tipo O geradas algebricamente e diversos refinamentos puderam ser feitos. O método de volumes finitos foi empregado para discretizar o sistema de equações diferenciais parciais e os esquemas explícitos de MacCormack e Jameson foram implementados. Termos de viscosidade artificial foram adicionados explicitamente através de um modelo não-linear. O modelo de turbulência de uma equação de Spalart e Allmaras foi implementado para resolver o problema de fechamento da turbulência. Inicialmente, a formulação de Euler foi usada e resultados para a distribuição de pressão e coeficientes aerodinâmicos foram obtidos para quatro casos de escoamentos transônicos não-viscosos sobre o aerofólio. As soluções foram comparadas com os resultados de outros métodos numéricos disponíveis na literatura. Em seguida, um dos casos foi utilizado para avaliar a influência dos parâmetros numéricos como a viscosidade artificial e o refinamento da malha. Outro caso foi utilizado para comparar os esquemas explícitos de MacCormack e Jameson. Por último, o modelo de turbulência de uma equação de Spalart e Allmaras foi utilizado para a formulação de Navier-Stokes e as soluções foram comparadas com os dados experimentais de Harris e outros resultados numéricos obtidos com o modelo de turbulência algébrico de Baldwin e Lomax.