O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um código numérico computacional, baseado no método de elementos finitos, para simulação de grandes escalas de escoamentos bi- e tridimensionais, transientes, incompressíveis, isotérmicos e turbulentos. O código aproxima as equações médias espaciais de Navier-Stokes e da continuidade escritas utilizando a hipótese de quase-incompressibilidade. O uso dessa hipótese permite a aplicação de aproximações de mesma ordem para os campos de pressão e velocidade. Junto com a hipótese de quase-incompressibilidade, é implementada uma forma proposta pelo grupo de diagonalização das matrizes formadas no problema, de forma a simplificar e estabilizar a solução do sistema linear. Para a modelagem sub-malha é utilizado o modelo clássico de Smagorinsky para contabilizar os efeitos das menores estruturas turbulentas (estruturas sub-malha) sobre o escoamento resolvido (com grandes escalas turbulentas). Toda a abordagem numérica utilizada é detalhada e apresentada na forma em que foi implementada no código. Em resumo é utilizado o método de elementos finitos, aplicando os métodos de Newton ou de Picard para aproximar o sistema não linear de equações e um esquema de avanço no tempo variável, permitindo o uso das formas explícita e semi-implícita de avanço. Uma importante parte do trabalho é dedicada à estruturação e aplicação de técnicas de alto desempenho na elaboração do código. O objetivo é obter um código que permita melhorias e implementação de novos métodos e modelos de forma simples e que, ao mesmo tempo, tenha um bom desempenho computacional. São aplicados métodos de armazenagem compacta de matrizes para a redução da quantidade de memória necessária e para viabilizar o uso de esquema semiimplícitos de avanço no tempo. Uma técnica de paralelização do processamento para permitir o uso de clusters foi implementada, sendo a mesma adequada para uso em máquinas de memória compartilhada. Dois casos de teste são apresentados. O escoamento em uma cavidade, bi- e tridimensional, em regimes laminar e turbulento e o escoamento bidimensional, também laminar e turbulento, sobre um degrau (expansão em um canal). Por fim são apresentadas as conclusões obtidas e sugestões para melhorias, novas implementações e novas linhas oriundas desse trabalho são feitas. / The present work presents the development of a computational code, based on the finite elements method, for large eddy simulation of two and three dimensional, transient, incompressible, isothermal and turbulent flows. The code approximates the spatial average of the Navier-Stokes and continuity equations. The hypothesis of slight-compressibility is used allowing the application of equal order approximations for pressure and velocity fields. A form of matrix diagonalization is implemented, in order to simplify and stabilize the solution of the linear system. For the sub-grid modeling, the classical Smagorinsky model is employed, in order to account for the effects of small turbulent structures (sub-grid structures). The numerical approach employed in this work is detailed and presented in the form that was implemented in the code. In summary, the finite elements method is employed, applying Newton or Picard techniques to solve the non-linear system of equations and a variable time marching scheme, allowing the use of explicit and semi-implicit forms schemes. An important part of this work is dedicated to the structuring and application of high performance techniques in the code elaboration. The objective is to obtain a code which allows improvements and implementation of new methods and models in a simple way and conserving, at the same time, a good computational performance. Methods of compact matrix storage are applied to reduce the required memory when semi-implicit schemes are used. A parallelization technique is also employed in order to enable the use of clusters, the implemented technique is suitable to be used in shared memory machines. Two test cases are presented. The two and three dimensional laminar and turbulent flow in a lid-driven cavity and the two-dimensional laminar and turbulent flow over a backward-facing step (a channel with an expansion). Finally, the conclusions are presented, and suggestions for improvements, new implementations and new subjects of future researches are given.

No lingotamento contínuo, o fenômeno de clogging é um problema ainda a ser resolvido e pouco se sabe a respeito da fluidodinâmica em válvulas do tipo tampão. Este trabalho pretende contribuir para uma melhor compreensão do mecanismo de deposição de inclusões de alumina, empregando um modelo fluidodinâmico computacional para caracterizar o escoamento do aço na região da válvula tampão. Para o cálculo, foi modelada uma geometria tridimensional da região próxima à válvula. A solução do escoamento foi realizada usando as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A deposição de inclusões foi implementada com dois modelos distintos: Lagrangeano e o ASM (Algebraic Slip Model). Foram avaliadas diferentes aberturas do tampão para visualizar o comportamento do aço na região da válvula e relacioná-lo à taxa de deposição de inclusões. Observou-se que, para ambos os modelos, quanto mais elevada estiver a válvula tampão, menor a taxa de deposição de inclusões. Numa segunda etapa, foi simulada a injeção de gás através do colo da válvula por meio de 16 injetores com o objetivo de ver a influência desta nas regiões de mais provável deposição. Observou-se que a injeção de gás contribuiu para a redução da taxa de deposição na região da válvula. / The clogging phenomenon is a yet to be solved problem and there is little knowledge about the fluid-dynamic relation to inclusions deposition. The purpose of this study is to help to understand the inclusions deposition mechanism, employing a CFD model to describe the steel flow in a stopper rod. A 3D geometry of the nozzle region was built and the results were obtained using Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). The study of the deposition of inclusions was implemented with two different models: Lagrangian and ASM (Algebraic Slip Model). Different stopper rod openings were evaluated in order to visualize the steel flow through the nozzle and compare the alumina deposition rate. It was observed that larger stopper rod openings lower the inclusions deposition rate. In the second part of this study, the gas is injected through 16 points located at the nozzle to evaluate its influence on the aluminum deposition rate. The comparison between numerical results showed that the gas injection has reduced the deposition rate on the stopper rod region.

No lingotamento contínuo, o fenômeno de clogging é um problema ainda a ser resolvido e pouco se sabe a respeito da fluidodinâmica em válvulas do tipo tampão. Este trabalho pretende contribuir para uma melhor compreensão do mecanismo de deposição de inclusões de alumina, empregando um modelo fluidodinâmico computacional para caracterizar o escoamento do aço na região da válvula tampão. Para o cálculo, foi modelada uma geometria tridimensional da região próxima à válvula. A solução do escoamento foi realizada usando as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A deposição de inclusões foi implementada com dois modelos distintos: Lagrangeano e o ASM (Algebraic Slip Model). Foram avaliadas diferentes aberturas do tampão para visualizar o comportamento do aço na região da válvula e relacioná-lo à taxa de deposição de inclusões. Observou-se que, para ambos os modelos, quanto mais elevada estiver a válvula tampão, menor a taxa de deposição de inclusões. Numa segunda etapa, foi simulada a injeção de gás através do colo da válvula por meio de 16 injetores com o objetivo de ver a influência desta nas regiões de mais provável deposição. Observou-se que a injeção de gás contribuiu para a redução da taxa de deposição na região da válvula. / The clogging phenomenon is a yet to be solved problem and there is little knowledge about the fluid-dynamic relation to inclusions deposition. The purpose of this study is to help to understand the inclusions deposition mechanism, employing a CFD model to describe the steel flow in a stopper rod. A 3D geometry of the nozzle region was built and the results were obtained using Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). The study of the deposition of inclusions was implemented with two different models: Lagrangian and ASM (Algebraic Slip Model). Different stopper rod openings were evaluated in order to visualize the steel flow through the nozzle and compare the alumina deposition rate. It was observed that larger stopper rod openings lower the inclusions deposition rate. In the second part of this study, the gas is injected through 16 points located at the nozzle to evaluate its influence on the aluminum deposition rate. The comparison between numerical results showed that the gas injection has reduced the deposition rate on the stopper rod region.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um código numérico computacional, baseado no método de elementos finitos, para simulação de grandes escalas de escoamentos bi- e tridimensionais, transientes, incompressíveis, isotérmicos e turbulentos. O código aproxima as equações médias espaciais de Navier-Stokes e da continuidade escritas utilizando a hipótese de quase-incompressibilidade. O uso dessa hipótese permite a aplicação de aproximações de mesma ordem para os campos de pressão e velocidade. Junto com a hipótese de quase-incompressibilidade, é implementada uma forma proposta pelo grupo de diagonalização das matrizes formadas no problema, de forma a simplificar e estabilizar a solução do sistema linear. Para a modelagem sub-malha é utilizado o modelo clássico de Smagorinsky para contabilizar os efeitos das menores estruturas turbulentas (estruturas sub-malha) sobre o escoamento resolvido (com grandes escalas turbulentas). Toda a abordagem numérica utilizada é detalhada e apresentada na forma em que foi implementada no código. Em resumo é utilizado o método de elementos finitos, aplicando os métodos de Newton ou de Picard para aproximar o sistema não linear de equações e um esquema de avanço no tempo variável, permitindo o uso das formas explícita e semi-implícita de avanço. Uma importante parte do trabalho é dedicada à estruturação e aplicação de técnicas de alto desempenho na elaboração do código. O objetivo é obter um código que permita melhorias e implementação de novos métodos e modelos de forma simples e que, ao mesmo tempo, tenha um bom desempenho computacional. São aplicados métodos de armazenagem compacta de matrizes para a redução da quantidade de memória necessária e para viabilizar o uso de esquema semiimplícitos de avanço no tempo. Uma técnica de paralelização do processamento para permitir o uso de clusters foi implementada, sendo a mesma adequada para uso em máquinas de memória compartilhada. Dois casos de teste são apresentados. O escoamento em uma cavidade, bi- e tridimensional, em regimes laminar e turbulento e o escoamento bidimensional, também laminar e turbulento, sobre um degrau (expansão em um canal). Por fim são apresentadas as conclusões obtidas e sugestões para melhorias, novas implementações e novas linhas oriundas desse trabalho são feitas. / The present work presents the development of a computational code, based on the finite elements method, for large eddy simulation of two and three dimensional, transient, incompressible, isothermal and turbulent flows. The code approximates the spatial average of the Navier-Stokes and continuity equations. The hypothesis of slight-compressibility is used allowing the application of equal order approximations for pressure and velocity fields. A form of matrix diagonalization is implemented, in order to simplify and stabilize the solution of the linear system. For the sub-grid modeling, the classical Smagorinsky model is employed, in order to account for the effects of small turbulent structures (sub-grid structures). The numerical approach employed in this work is detailed and presented in the form that was implemented in the code. In summary, the finite elements method is employed, applying Newton or Picard techniques to solve the non-linear system of equations and a variable time marching scheme, allowing the use of explicit and semi-implicit forms schemes. An important part of this work is dedicated to the structuring and application of high performance techniques in the code elaboration. The objective is to obtain a code which allows improvements and implementation of new methods and models in a simple way and conserving, at the same time, a good computational performance. Methods of compact matrix storage are applied to reduce the required memory when semi-implicit schemes are used. A parallelization technique is also employed in order to enable the use of clusters, the implemented technique is suitable to be used in shared memory machines. Two test cases are presented. The two and three dimensional laminar and turbulent flow in a lid-driven cavity and the two-dimensional laminar and turbulent flow over a backward-facing step (a channel with an expansion). Finally, the conclusions are presented, and suggestions for improvements, new implementations and new subjects of future researches are given.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um código numérico computacional, baseado no método de elementos finitos, para simulação de grandes escalas de escoamentos bi- e tridimensionais, transientes, incompressíveis, isotérmicos e turbulentos. O código aproxima as equações médias espaciais de Navier-Stokes e da continuidade escritas utilizando a hipótese de quase-incompressibilidade. O uso dessa hipótese permite a aplicação de aproximações de mesma ordem para os campos de pressão e velocidade. Junto com a hipótese de quase-incompressibilidade, é implementada uma forma proposta pelo grupo de diagonalização das matrizes formadas no problema, de forma a simplificar e estabilizar a solução do sistema linear. Para a modelagem sub-malha é utilizado o modelo clássico de Smagorinsky para contabilizar os efeitos das menores estruturas turbulentas (estruturas sub-malha) sobre o escoamento resolvido (com grandes escalas turbulentas). Toda a abordagem numérica utilizada é detalhada e apresentada na forma em que foi implementada no código. Em resumo é utilizado o método de elementos finitos, aplicando os métodos de Newton ou de Picard para aproximar o sistema não linear de equações e um esquema de avanço no tempo variável, permitindo o uso das formas explícita e semi-implícita de avanço. Uma importante parte do trabalho é dedicada à estruturação e aplicação de técnicas de alto desempenho na elaboração do código. O objetivo é obter um código que permita melhorias e implementação de novos métodos e modelos de forma simples e que, ao mesmo tempo, tenha um bom desempenho computacional. São aplicados métodos de armazenagem compacta de matrizes para a redução da quantidade de memória necessária e para viabilizar o uso de esquema semiimplícitos de avanço no tempo. Uma técnica de paralelização do processamento para permitir o uso de clusters foi implementada, sendo a mesma adequada para uso em máquinas de memória compartilhada. Dois casos de teste são apresentados. O escoamento em uma cavidade, bi- e tridimensional, em regimes laminar e turbulento e o escoamento bidimensional, também laminar e turbulento, sobre um degrau (expansão em um canal). Por fim são apresentadas as conclusões obtidas e sugestões para melhorias, novas implementações e novas linhas oriundas desse trabalho são feitas. / The present work presents the development of a computational code, based on the finite elements method, for large eddy simulation of two and three dimensional, transient, incompressible, isothermal and turbulent flows. The code approximates the spatial average of the Navier-Stokes and continuity equations. The hypothesis of slight-compressibility is used allowing the application of equal order approximations for pressure and velocity fields. A form of matrix diagonalization is implemented, in order to simplify and stabilize the solution of the linear system. For the sub-grid modeling, the classical Smagorinsky model is employed, in order to account for the effects of small turbulent structures (sub-grid structures). The numerical approach employed in this work is detailed and presented in the form that was implemented in the code. In summary, the finite elements method is employed, applying Newton or Picard techniques to solve the non-linear system of equations and a variable time marching scheme, allowing the use of explicit and semi-implicit forms schemes. An important part of this work is dedicated to the structuring and application of high performance techniques in the code elaboration. The objective is to obtain a code which allows improvements and implementation of new methods and models in a simple way and conserving, at the same time, a good computational performance. Methods of compact matrix storage are applied to reduce the required memory when semi-implicit schemes are used. A parallelization technique is also employed in order to enable the use of clusters, the implemented technique is suitable to be used in shared memory machines. Two test cases are presented. The two and three dimensional laminar and turbulent flow in a lid-driven cavity and the two-dimensional laminar and turbulent flow over a backward-facing step (a channel with an expansion). Finally, the conclusions are presented, and suggestions for improvements, new implementations and new subjects of future researches are given.

No lingotamento contínuo, o fenômeno de clogging é um problema ainda a ser resolvido e pouco se sabe a respeito da fluidodinâmica em válvulas do tipo tampão. Este trabalho pretende contribuir para uma melhor compreensão do mecanismo de deposição de inclusões de alumina, empregando um modelo fluidodinâmico computacional para caracterizar o escoamento do aço na região da válvula tampão. Para o cálculo, foi modelada uma geometria tridimensional da região próxima à válvula. A solução do escoamento foi realizada usando as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS). A deposição de inclusões foi implementada com dois modelos distintos: Lagrangeano e o ASM (Algebraic Slip Model). Foram avaliadas diferentes aberturas do tampão para visualizar o comportamento do aço na região da válvula e relacioná-lo à taxa de deposição de inclusões. Observou-se que, para ambos os modelos, quanto mais elevada estiver a válvula tampão, menor a taxa de deposição de inclusões. Numa segunda etapa, foi simulada a injeção de gás através do colo da válvula por meio de 16 injetores com o objetivo de ver a influência desta nas regiões de mais provável deposição. Observou-se que a injeção de gás contribuiu para a redução da taxa de deposição na região da válvula. / The clogging phenomenon is a yet to be solved problem and there is little knowledge about the fluid-dynamic relation to inclusions deposition. The purpose of this study is to help to understand the inclusions deposition mechanism, employing a CFD model to describe the steel flow in a stopper rod. A 3D geometry of the nozzle region was built and the results were obtained using Reynolds Average Navier-Stokes (RANS). The study of the deposition of inclusions was implemented with two different models: Lagrangian and ASM (Algebraic Slip Model). Different stopper rod openings were evaluated in order to visualize the steel flow through the nozzle and compare the alumina deposition rate. It was observed that larger stopper rod openings lower the inclusions deposition rate. In the second part of this study, the gas is injected through 16 points located at the nozzle to evaluate its influence on the aluminum deposition rate. The comparison between numerical results showed that the gas injection has reduced the deposition rate on the stopper rod region.

Neste trabalho e proposta uma metodologia para a analiseaeroelastica de superficies sustentadoras bidimensionais utilizando tecnicas de dinamica dos fluidos computacional para o calculo do operador aerodinamico. O escoamento e modelado pelas equacoes de Euler em duas dimensoes, e resolvido utilizando-se um metodo devolumes finitos aplicado em um contexto de malhas nao-estruturadas. A marcha no tempo do sistema de equacoes semi-discretizadas e feita atraves de um metodo explicito do tipo Runge-Kutta hibrido de cinco passos. A malha computacional e obtida utilizando-se um esquema do tipo frente de geracao, com capacidade limitada de suavizacao e refinamento. Para a resolucao dos problemas nao-estacionarios, envolvendo o deslocamento do perfil, e utilizado um algoritmo de malha dinamica para a movimentacao dos pontos interiores ao dominio. O problema de estabilidade aeroelastica e resolvido utilizando-se uma formulacao por variaveis de estado, aplicada ao modelo classico de uma secao tipica. Os termos do operador aerodinamico sao determinados atraves da analise, no dominio da frequencia, da resposta do sistema a um deslocamento impulsivo no dominio do tempo. Sao feitas algumas experimentacoes numericas envolvendo escoamentos transonicos em torno de um perfil NACA 0012. Os resultados apresentam as potencialidades do codigo numerico, ressaltando a sua utilidade na analise das caracteristicas de escoamentos nao-estacionarios. A metodologia de analise aeroelastica e avaliadaem cada uma das suas etapas, demonstrando tambem as suas potencialidades. Por fim, sao discutidos estudos objetivando aimplementacao pratica das tecnicas aqui propostas.

Aircraft engines and nacelles operating under crosswind present some design challenges. One of the phenomenon that requires a better comprehension is the vortex that forms between the ground and the engine inlet because this vortex can suck debris into the engine and also affect the engine operability. This work establishes procedures and criteria for using CFD for evaluating crosswind conditions that affect aeronautical engines. A new correlation, the streamtube diameter ratio (SDR), is proposed to predict the inlet vortex appearance and intensity. The different inlet vortices are described in detail, among them the trailing vortex, composed of trailed and ingested parts; and a new vortex, called the feeding vortex. Additionally the interaction between the different vortices is shown, highlighting the importance the nacelle walls have in the strengthening of these vortices. In this process a new analysis methodology is shown, in which the wall boundary conditions used in the CFD analysis are selectively changed between slipping and non-slipping walls, allowing to discover correlations between the different vorticity sources and the vortices'; intensities.

Large Eddy Simulations (LES) are performed to study flows with adverse pressure gradients (APG) produced by different two-dimensional bumps profiles installed on the bottom wall of a flat channel with parallel plates. An initial study considers a bump profile for which previous direct numerical simulation (DNS) results are available at the Reynolds number Re? = 617, based on the channel inlet friction velocity. The results obtained showed that LES is an adequate methodology for that type of simulation, being capable of reproducing accurately DNS results in terms of mean flow variables, Reynolds stresses profiles and turbulent stresses balances, with refinement levels much coarser than those from DNS. Particularly, LES results reproduce the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses in the adverse pressure gradient regions of both bottom and top walls of the channel which are observed in DNS results and linked to instability modes of the near wall streaks. LES is used to study the same bump profile at higher Reynolds numbers, Re? = 950 and Re? = 2000, and the results obtained are very similar to those at Re? = 617, including the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses at the APG region for both attached and mildly separated flows. Additional bump profiles are generated by modifying the rear portion of the initial bump configuration, which is elongated in order to produce a longer adverse pressure gradient (APG) region and promote smoother curvature changes as compared to the original profile. As in previous cases, a steep increment in Reynolds stresses values is observed at the APG region along with an augmentation of skin friction values. LES results indicate that the near wall streaks instability observed in previous DNS is characteristic of adverse pressure gradient regions located downstream of an initial favorable pressure gradient (FPG). All configurations studied with LES are also analyzed by Reynolds-average Navier-Stokes(RANS) computations with various turbulence closures. In all cases analyzed with LES it is observed that in the initial FPG region the streamwise component of the Reynolds stresses is increased while the other turbulent stresses are strongly reduced which creates a pattern analogous to the pre-transitional stages of a laminar boundary layer, which becomes unstable in the APG region. This strong non-equilibrium conditions present a great challenge for RANS models which is approximately captured by models sensitized for laminar-turbulent transition prediction.

A retenção de particulados oriundos da combustão apresenta-se como um dos maiores problemas em sistemas de geração de energia a partir de carvão (IGCC), e tem como principais objetivos evitar incrustações e minimizar as emissões de poluentes atmosféricos. Para a remoção destes gases e particulados tem se mostrado conveniente a utilização de tecnologias de remoção que não utilizem água como veículo, o que reduziria o impacto ambiental e os custos para o tratamento dos efluentes gerados. Dentro destas características se enquadram os filtros granulares de leito fixo ou móvel. A proposta deste trabalho consiste no estudo de um filtro granular de leito fixo inicialmente em escala de bancada para futura remoção de material particulado seco oriundo da queima do carvão. Primeiramente foi feito um estudo do modelo do filtro utilizando o simulador comercial ANSYS CFX 11.0, como ferramenta computacional. Neste estudo foi possível verificar a perda de carga do leito, a velocidade do gás na entrada do leito, linhas de corrente do gás e pontos de turbulência e recirculação anterior à experimentação. A partir destes resultados preliminares foi possível a continuação do trabalho experimental que se deu em 3 etapas. A primeira foi o cálculo do perfil de velocidade do gás, a segunda a calibração da placa de orifício, instrumento de medida de velocidade e, por fim, as medias de perda de carga por diferença de pressão. Com os dados coletados calculou-se a permeabilidade hidráulica do leito, valor este aplicado ao modelo computacional para comparação com a permeabilidade teórica. Os resultados finais de perda de carga para o filtro, principal objetivo do trabalho, estão dentro do esperado e torna possível a continuidade do projeto para estudos futuros. / The particulate retention from combustion is presented with one of the biggest problems in systems of power generation from coal (IGCC), and has as main objectives to avoid fouling and minimize emissions of air pollutants. For the removal of these gases and particles has been shown convenient to use removal technologies that do not use water as a vehicle, which would reduce the environmental impact and costs for the treatment of effluents. In these characteristics are framed the fixed bed granular filter or moving bed granular filter. The purpose of this work is to study a fixed-bed granular filter initially in bench scale, for future removal of dry particulate material derived from burning coal. First a study was made of the filter model using the commercial simulator ANSYS CFX 11.0 as a computational tool. In this study it was possible to verify the pressure drop of the bed, the gas velocity at the entrance of the bed, current lines and gas recirculation and turbulence points before the experimentation. From these preliminary findings, it was possible to further experimental work was made in three steps. The first was the calculation of the velocity profile of the gas, the second orifice plate calibration, the measuring instrument speed, and finally the medium pressure drop by the pressure difference. With the collected data used to calculate the hydraulic permeability of the bed, a value applied to the computational model for comparison with theoretical permeability. The final results of loss for the filter, the main objective of this study are as expected and makes possible the continuation of the project for future studies.