The primary means of preventing ice formation on wings and engine inlets for modern commercial transport aircraft is by extracting hot air from the compressor and blowing it on the inside surface of the leading edge through small holes drilled in the so-called piccolo tube system. A critical aspect in the design of such system is the prediction of heat transfer of the impinging jets from the piccolo tube. The correct evaluation of the heat transfer rate in such devices is of great interest to optimize both the anti-icing performance and the hot air bleeding from the high-pressure compressor. The history of research in the anti-icing area is rather narrow. A review of the literature reveals that only few experimental and theoretical/numerical studies have been carried out to study the heat transfer and flow in the internal hot-air region. There are some experimental and numerical studies that developed correlations for the average Nusselt number. However, most of the research was performed using a single jet or a group of jets impinging on a flat slat, which is different from the jet impingement on concave surfaces, as the inside surface of a wing. Therefore, the objective of the present work is use the commercial CFD software FLUENT to perform a parametric study of the jet impingement on concave surfaces. The main goal is determine the effect of the Reynolds number on the heat transfer process. At the end of the work, a correlation for the average Nusselt number which account for the Reynolds number is presented.

Since the 50's, with the appearance of the turbojet engines, the jet noise is being exhaustively studied, because it is one of the most important source of aircraft noise. Many attempts have been made to reduce the jet noise, including higher by-pass turbofan engines. Chevron nozzles also have been used by the industry to try to reduce the jet noise with a low performance and weight penalty. This work shows a computation procedure to assess how this noise suppression devices impact on both fluid dynamics and acoustics of single isothermal jets. Towards this goal, different chevron nozzles, with 6, 8 and 12 lobes have been analyzed. The calculation procedure is based on a Reynolds Average Navier-Stokes calculation, followed by a stochastic noise generation and radiation method, resulting in a relatively fast noise calculation procedure. The simulations have been carried out using the commercial software CFD++. The calculation procedure has predicted the expected fluid dynamic and acoustic behavior for chevron nozzles, e.g., shortening the potential core length, high frequency noise increase and low frequency noise attenuation. The parametric study of the number of lobes has shown that this parameter impacts the mixing region. Moreover, varying this parameter is a way to attain different low frequency reductions, without great impacts on the highest frequencies. Although the procedure did not capture correctly the absolute values of the acoustic response, the results show that this relatively simple and quick analysis reproduced important parameters in designing new nozzles and can be used as a way to better understand the influence of chevrons.

The present work is primarily concerned with studying the influence of an upwind spatial discretization on the capability of representing turbulent flows on aerospace applications, in the context of a flow simulation code that is fairly close to a production code. Therefore, the work addresses the issues of implementing and validating an advanced turbulence model for high Reynolds number aerospace applications in the context of an existing flux-vector splitting simulation tool, which incorporates several advances in current CFD practice, including parallel processing. The flow simulation tool used in the present work was originally developed for high speed, high altitude, hypersonic applications. Hence, the code did not include any provisions for turbulence modeling, since most flows at these conditions can be adequately treated as laminar flows. Moreover, due to the presence of strong shock waves, which are typical of hypersonic applications, a very dissipative spatial discretization scheme, based on the upwind flux vector splitting concept, was employed in the construction of the inviscid numerical fluxes. Therefore, the use of such a tool for the simulation of turbulent aerospace flows requires the implementation of a turbulence closure, as well as an adequate treatment of the excessive artificial dissipation automatically generated by the original spatial discretization scheme. In the present case, the flows of interest are simulated using the three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The turbulence closure considered is the one-equation, eddy viscosity, Spalart-Allmaras model. The work discusses in detail the theoretical and numerical formulation of the selected model, as well as the validation studies. The work also demonstrates how the spatial discretization scheme is selectively modified such that the flow simulation tool remains robust for high speed applications at the same time that it can accurately compute turbulent boundary layers. Furthermore, the work also addresses the parallelization and other high performance computational issues, demonstrating that the resultant flow simulation code can achieve adequate performance on current multi-CPU, multi-core computational clusters. Finally, the work discusses issues that could be considered for the continuation of the research effort here undertaken.

Esta tese apresenta uma investigação detalhada dos injetores centrífugos utilizados para atomização de propelentes líquidos. Inicialmente foram analisadas e comparadas as teorias aplicadas aos cálculos analíticos das dimensões do injetor e do escoamento interno, apresentadas por vários pesquisadores. Com base nesta análise, para os cálculos iniciais, foi escolhida a teoria de Abramovich como sendo a mais completa e adequada. Nessa teoria o propelente é considerado um fluido ideal e por este motivo pode ser aplicada no projeto dos injetores que possuem as características geométricas apropriadas. Para os cálculos dos injetores, incluindo os efeitos de viscosidade, a teoria de Abramovich foi modificada. Essa modificação apresentou resultados satisfatórios. A segunda parte do trabalho incluiu a modelagem numérica do escoamento interno do injetor. Nessa parte foi apresentado o procedimento de geração de malha, sendo também discutidos os tipos de modelagem multifásica e modelos de turbulência aplicados para simulação do escoamento. A modelagem de escoamento do fluido no interior do injetor tem suas particularidades devido às altas velocidades de rotação. Estas velocidades têm influência no comportamento do fluido que torna complexa a convergência da solução numérica; por isso para se obter resultados compatíveis com escoamento real é necessário utilizar modelos de turbulência direcionados para este tipo de problema. Na simulação numérica foi aplicado o modelo de turbulência ?-?, RNG ?-? e Reynolds stress model. A modelagem foi feita utilizando o software ANSYS CFX. Os resultados desta simulação apresentaram o comportamento detalhado do escoamento do fluido dentro de injetor. Foram determinados os campos de velocidade axial, tangencial e radial, a câmera oca formada pelo ar e distribuição da pressão total, estática e dinâmica. A validação dos resultados analíticos e numéricos foi feita em comparação com resultados dos testes experimentais. Para realização dos ensaios foi projetada uma matriz de testes que permitiu fazer a avaliação dos injetores mono e bi-propelentes. Durante os ensaios também foi analisada a influência da quantidade de orifícios de entrada do injetor na homogeneidade da distribuição do líquido no spray.

This work investigates through numerical simulation, the operation of a big bore direct fuel injection spark ignition engine, at part load under stratified operation. It evaluates fuel-air mixture preparation and combustion process with the adoption of detailed chemical kinetics mechanisms for both Isooctane and Ethanol, and applying adaptive mesh refinement to capture the turbulent flame brush. The investigation is split in 3 main parts. In the first part, with Isooctane as fuel, the impact of in-cylinder turbulence level induced by squish has shown that the attempt to isolate the squish ratio, maintaining the bowl shape, for the evaluated cases have led to a scenario not more appropriate for flame initiation and propagation for 2 of the 3 geometries. But the observations made during this initial stage have led to the proposal of a fourth geometry to improve the mixture formation and combustion process. As it was seen the combustion process was about 11.5 deg faster with the new piston bowl proposed. In the second part, still with Isooctane and maintaining the new proposed piston, evaluates the influence of two types of hollow cone fuel injectors, an inwardly and an outwardly opening types, where maintain fixed spark timing, the end of injection is varied and compared among the two cases, while targeting for the same gross IMEP output. The main results are that the outwardly opening injector case resulted in better fuel-air mixture preparation, even with a late end of injection. This led to higher combustion efficiency and lower unburned hydrocarbon, CO and soot emissions, while increasing NOx emissions. The 10-90% MFB burn duration is higher for the outwardly opening injector case. In the last part the outwardly opening spray injector from the previous part, but using Ethanol as fuel has shown that to attain the same IMEP level the injected fuel mass is increased with Ethanol, and with its higher latent heat of vaporization, the time required to have an ignitable fuel-air mixture more than doubled that for the Isooctane case. Another important effect of these is the excessive increase of THC emissions. The overall combustion duration was faster for the Ethanol, mainly as the last part of the combustion was almost twice as fast as for the Isooctane case. It may be a consequence of a more homogeneous fuel-air mixture cloud as the fuel has more time to diffuse as the EOI is more advanced. The in-cylinder charge cooling effect of Ethanol led to a reduction in the in-cylinder temperature, leading to a reduction in NOx formation. CO emissions was also lowered, which is maybe attributed to either the reduced chemical dissociation with the lower temperatures, or reduced fuel rich regions. The reduced fuel rich regions also explain the reason for lower soot emissions.

O presente trabalho trata do projeto aerotermodinâmico de turbinas a vapor de múltiplos estágios baseado em uma abordagem de técnicas de modelamento unidimensional. Um programa computacional foi desenvolvido para projeto preliminar de turbinas a vapor de múltiplos estágios escritos em linguagem FORTRAN 90, visando à redução do tempo de projeto preliminar, a independência de programas comerciais e o acesso ao código fonte para modificar e implementar novos modelos para melhorar o potencial da ferramenta de projeto. Uma revisão dos principais tipos de turbinas a vapor, seus ciclos termodinâmicos, principais componentes, funcionamento básico e os mecanismos de perdas envolvidos são apresentados. A metodologia de cálculo empregado no projeto preliminar da turbina a vapor e a implementação do International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) são apresentadas, para o cálculo das propriedades termodinâmicas, assim como do critério de vórtice livre e o modelo de perdas desenvolvido por Dunham e Came. Os resultados do programa computacional desenvolvido foram comparados com os resultados do programa comercial desenvolvido pela CONCEPTS NRECTM, AXIAL. A comparação foi realizada para uma turbina a vapor de um estágio e uma turbina a vapor de dois estágios. A análise comparativa foi feita na linha media e mostrou que os resultados do programa computacional desenvolvido estão próximo dos valores calculados pelo programa comercial com desvios e diferenças aceitáveis devido à diferente metodologia, procedimento numérico e calibração do modelo de perdas entre os mesmos.

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento, implementação e análise de métodos numéricos baseados em técnicas de malhas de blocos múltiplos. As malhas de blocos múltiplos se dividem em malhas de blocos múltiplos justapostos e malhas de blocos múltiplos sobrepostos. Dentre as classes existentes destes métodos, o trabalho vai se concentrar em técnicas de malhas sobrepostos. Dentre as classes existentes destes métodos, o trabalho vai se concentrar em técnicas de malhas sobrepostas, porque estas oferecem uma maior flexibilidade para o procedimento de geração de malhas estruturadas. Estas técnicas são particularmente adequadas para configurações realisticamente complexas. O presente trabalho analisa a técnica Chimera, explicando os processos a serem feitos para a criação de uma malha adequada para aplicação desta técnica. O trabalho compreeende também o desenvolvimento e validação de códigos de simulação baseados em uma formulação bidimensional e tridimensional. O algoritmo numérico para a solução de equações Euler/Navier-Stokes usa um esquema centrado com dissipação artificial no contexto de diferenças finitas. As aplicações realizadas com esta técnica foram feitas sobre geometrias de interesse em aerodinâmica.

A formulação do método de elementos de contorno é desenvolvida para aplicação em problemas de escoamento de fluidos, utilizando a técnica dos resíduos ponderados. As equações integrais de contorno e as soluções fundamentais são obtidas para o estudo de escoamentos em regime permanente e não-permanente. A aplicação do método de elementos de contorno a problemas bidimensionais de fluidos viscosos incompressíveis, em regime permanente, é estendida para fluidos viscosos compressíveis. Uma abordagem especial dos termos não-lineares das equações de Navier-Stokes é feita para permitir a aplicação do método a escoamentos com altos números de Reynolds. O método é aplicado para a solução de diversos tipos de escoamentos.

O presente trabalho teve por objetivo estudar a possibilidade de se utilizar esquemas "upwind" para simular escoamentos supersônicos e hipersônicos, sendo adotado, para isto, o esquema de separação de vetores de fluxo de Van Leer. Foram realizadas diversas simulações numéricas utilizando o escoamento interno de uma entrada de ar hipersônica e compararam-se resultados com os obtidos empregando-se o esquema centrado. O escoamento foi modelado pelas equações de Euler em duas dimensões, utilizando-se um método de volumes finitos aplicado a um contexto de malhas não-estruturadas, sendo a marcha no tempo do sistema de equações feita por meio de um método explícito de Runge-Kutta híbrido de cinco passos. A malha computacional foi obtida utilizando-se um esquema de avanço de geração com capacidade limitada de refinamento. Os resultados obtidos possibilitam a avaliação e comparação dos métodos com relação a formação da onda de choque oblíqua, bem como o comportamento em relação à pressão, à densidade e ao número de Mach. Finalmente, foram discutidas as características observadas para cada método.

This works presents numerical predictions for the flow and temperature fields formed by two coaxial streams confined in a duct having a gradually varying cross section segment. The well-known marching-forward method of Patankar-Spalding was used for sweepingthe computational domain. The standard k-e model was applied for handling turbulence. Computations are first performed for laminar cases in order to assess the reliability of the numerical code. Both isothermal and heated flow, in a constant cross section duct, were considered. Results are then presented for developed turbulent pipe flow showing good agreement with experimental values. Computations for coaxial confined turbulent jets are then presented and compared with available experimental data. Non-isothermal results follow showing interesting dissimilarity between turbulent kinetic energy and Nusselt number.