An implicit finite volume algorithm is developed for higher-order unstructured computation of inviscid compressible flows. The Spectral Finite Volume method is used to achieve high-order spatial discretization of the domain, coupled with a matrix-free LU-SGS algorithm to solve the linear systems arising from implicit time marching of the governing equations, avoiding the explicit storage of the flux Jacobian matrices. A new limiter formulation for the high-order terms of the reconstruction polynomial is introduced. The issue of mesh refinement in accuracy measurements for unstructured meshes is investigated. A straightforward methodology is applied for accuracy assessment of the higher-order unstructured approach based on entropy levels and direct solution error calculation. The accuracy, fast convergence and robustness of the proposed higher-order unstructured solver for different speed regimes are demonstrated via several known test cases from the literature for the 2nd-, 3rd- and 4th-order discretizations. The possibility of reducing the computational cost required for a given level of accuracy using high-order discretization is demonstrated. The main features of the present methodology include the reconstruction algorithm that yields 2nd-, 3rd- and 4th-order spatially accurate schemes, an implicit time march algorithm, high-order domain boundaries representation and a hierarchical moment limiter to treat flow solution discontinuities.

Um medoto de diferencas finitas para simulacao deescoamentos independente do regime de velocidade considerada ehapresentado. O algoritmo proposto utiliza um esquema implicito defatoracao aproximada em forma delta tipicamente desenvolvido paraescoamentos compressiveis. A habilidade de tratar escoamentos emqualquer numero de Mach e obtida atraves de uma escolha apropriadadas variaveis dependentes, chamadas variaveis primitivas, a saber,pressao, componentes cartesianas de velocidade e temperatura. As equacoes governantes sao escritas em forma de lei de conservacaopara um sistema de coordenadas curvilineas generalizadas esimultaneamente resolvidas por um processo implicito de marcha notempo com linearizacao local por via de matrizes jacobianas. Operadores de diferencas centradas sao empregados para as derivadasespaciais e estabilidade numerica e assegurada pela escolha de ummodelo de dissipacao artificial. O esquema numerico resultante ehsimilar ao algoritmo tradicional de Beam & Warming, com excessao deuma nova matriz jacobiana relacionando variaveis conservadas eprimitivas. O metodo e aplicado a uma grande variedade de testes,incluindo escoamentos internos e externos, e velocidades que variamdo regime incompressivel ao supersonico. Todos os casos analisadosmostram concordancia muito boa com os dados disponiveis daliteratura. A eficiencia computacional do algoritmo proposto etambem avaliada e revela-se tao boa quanto a do de Beam & Warming. Apesar de terem sido considerados apenas escoamentos nao viscosos,ou seja, escoamentos governados pelas equacoes de Euler, nao haqualquer dificuldade conceitual na extensao do presente algoritmopara as equacoes de Navier-Stokes.

A transferência de calor utilizando jatos impingentes tem se estabelecido como uma técnica efetiva para aquecimento ou resfriamento de uma superfície e é empregada em muitas aplicações de engenharia. Na indústria aeronáutica é empregado principalmente em sistemas de proteção, evitando a formação de gelo em superfícies expostas. A compreensão deste fenômeno é muito importante para se prever o desempenho do sistema de proteção. Este trabalho apresenta um estudo numérico de um jato impingindo numa superfície em regime permanente. Foram analisadas duas configurações do jato: um circular impingindo numa superfície plana e um jato expandindo através de uma fenda (slot) impingindo numa superfície côncava. As equações de conservação (massa, quantidade de movimento, energia) e turbulência são resolvidas pela Técnica de Volumes Finitos. Uma análise do caso bidimensional, laminar e turbulento, foi realizada. Há uma boa concordância dos resultados obtidos com os da literatura para o caso laminar. Já para o turbulento, necessitou-se de uma técnica de refinamento sucessivo de malha para se obter convergência e assim concordância com os dados da literatura. Um estudo tridimensional, laminar e turbulento, para o caso da placa plana também foi realizado. Adotou-se um procedimento para geração de malha totalmente hexahédrica para os casos tridimensionais. Os resultados obtidos apresentam boa concordância tanto para o caso laminar quanto para o turbulento. Para o caso da superfície côncava os estudos se concentraram no caso bidimensional, laminar e turbulento. Os resultados mostram que devido a curvatura, o número de Nusselt máximo ocorre no ponto de estagnação tanto para o laminar quanto para o turbulento. Verificou-se que o problema do jato impingente é geometricamente simples mas devido a grande curvatura das linhas de correntes e dos fortes gradientes das variáveis de fluxo, o problema se torna num grande desafio para os modelos de turbulência atuais. Mesmo os modelos de turbulência que foram implementados para o caso de jato impingente precisam ser usados com cautela.

A caracterização aerodinâmica de foguetes de sondagem é requisito fundamental para o projeto e operação destes veículos. O conhecimento das forças atuantes determina o carregamento a que sua estrutura estará submetida e assim orientará o seu projeto estrutural. Da mesma forma, para se determinar a sua trajetória, faz-se necessário o conhecimento das características aerodinâmicas em todas as fases do vôo. Uma das maneiras de se obter as características aerodinâmicas de um foguete é por meio de simulações numéricas do escoamento sobre o foguete. Para isso, a região em torno do foguete é discretizada sob a forma de uma malha computacional que será então empregada para a solução numérica das equações de governo do escoamento. Os objetivos da presente dissertação consistem em gerar malhas computacionais sobre configurações de foguetes, e avaliar a sua adequação para a simulação do escoamento nos diferentes regimes de velocidade. Estas simulações serão feitas empregando-se o programa de cálculo NS3D da subdivisão de Aerodinâmica da ASE, que resolve numericamente as equações de Navier-Stokes 3D de escoamentos turbulentos. Estas simulações serão validadas pela comparação dos resultados dos cálculos com dados experimentais.

Este trabalho tem como objetivo implementar a capacidade de realizar simulações numéricas em configurações complexas e tridimensionais através da abordagem Chimera. Neste contexto não será feita apenas uma discussão da implementação desta abordagem de malhas de multiblocos sobrepostas, mas também demonstrada a avaliação do código através da comparação com os dados experimentais do VLS obtidos através de ensaios em túnel de vento. A avaliação do código através desta comparação numérico-experimental é fundamental pela própria necessidade de se obter confiança nos resultados numéricos apresentados. Inclusive, neste ponto, é de vital importância se distinguir a diferença entre os possíveis erros oriundos do código e aqueles vindos de um modelo matemático mal aplicado.

A study of the flowfield around axisymmetric launch vehicles in different flight conditions and configurations is performed in this work. Particularly, the VLS second stage flight configuration is analyzed considering the case with and without a propulsive jet in the vehicle base. Among the different cases considered for this configuration there are inviscid as well as viscous turbulent flows. The study is performed using a finite volume cell centered formulation on unstructured grids. Different spatial discretization schemes are compared, including a centered and an upwind scheme. The upwind scheme is a second-order version of the Liou flux vector splitting scheme and a simple scalar advection test problem is used to assess the influence of different reconstruction and limiting methods in the second-order extension of the scheme. Turbulence effects are accounted for using two one-equation turbulence closure models, namely the Baldwin and Barth and the Spalart and Allmaras models. An agglomeration multigrid algorithm is used to accelerate the convergence to steady state of the numerical solutions. Mesh refinement procedures as well as hybrid and adaptive meshes are discussed.

Simulações dos escoamentos aerodinâmicos sobre um foguete de sondagem típico são apresentadas. Freqüentemente, os foguetes de sondagem utilizam mais de um conjunto de empenas e necessitam que essas empenas possuam um tamanho razoável. A fim de lidar com esse tipo de configuração, o presente trabalho faz uso de uma nova metodologia, que combina simultaneamente malhas multibloco Chimera e justapostas na discretização do domínio computacional. Os escoamentos de interesse são modelados utilizando as equações de Euler em três dimensões e o trabalho descreve os detalhes dos procedimentos de discretização, os quais utilizam uma abordagem de diferenças finitas para malhas estruturadas multibloco que se conformam ao corpo simulado. O método é utilizado para calcular a aerodinâmica de um veículo de sondagem atualmente em desenvolvimento. Os resultados indicam que a presente metodologia pode ser uma ferramenta poderosa de análise aerodinâmica e de projeto.

O presente trabalho tem por objetivo estudar problemas de instabilidade hidrodinâmica e transição para turbulência em escoamentos sobre superfícies côncavas. Para tanto, foi desenvolvido um método computacional de simulação direta das equações de Navier-Stokes, que utiliza o método de diferenças finitas compactas de alta ordem nas direções longitudinal e normal à parede e método espectral na direção transversal ao escoamento. O método é verificado comparando-se os resultados obtidos com resultados obtidos através de análise de estabilidade linear, equações de estabilidade parabolizadas e outros métodos numéricos; e é validado comparando-se os resultados numéricos com resultados experimentais bem documentados. O método desenvolvido permite analisar os processos altamente não lineares que ocorrem nos estágios avançados da transição. São estudados os processos físicos nos estágios mais avançados de desenvolvimento de Vórtices de Görtler, característicos de instabilidade centrífuga em camada limite. Em particular a interação não linear entre Vórtices de Görtler e ondas de Tollmien-Schlichting e a instabilidade secundária em Vórtices de Görtler. As perturbações de 'alta' freqüência desestabilizam os Vórtices de Görtler causando instabilidade secundária. A instabilidade secundária do tipo varicoso, que causa a formação de estruturas do tipo ferradura, é analisada neste estudo.

Com a crescente competitividade no setor aeronáutico, todo ganho, por menor que seja, em desempenho de aeronave é extremamente importante para seu sucesso comercial. O correto dimensionamento de entradas e saídas de ar leva a um ganho competitivo de uma aeronave em relação à outra. Isto se deve a grande presença de entradas e saídas de ar, como grelhas, scoops e as desenvolvidas pela NACA (National Advisory Committee for Aeronautics posteriormente todos os recursos foram transferidos para National Aeronautics and Space Administration - NASA) presentes em cada aeronave. Buscando obter o dimensionamento otimizado de grelhas utilizadas em sistemas aeronáuticos, alguns parâmetros de dimensionamento para grelhas de exaustão de ar foram obtidos via CFD (sigla do inglês para Computational Fluid Dynamics) para três tipos de grelhas: flush (altura da grelha nivelada com seu plano de instalação) com defletor reto, flush com defletor curvo e não flush com defletor curvo. Os parâmetros de dimensionamento das três grelhas analisadas no presente trabalho foram: coeficiente de descarga, razão de vazão mássica e coeficiente de pressão. Os resultados são apresentados para cada grelha analisada em função do número de Mach, altitude e vazão mássica. Um estudo de comparação com resultados experimentais, disponíveis na literatura, é também apresentado no presente trabalho. Os resultados apresentados nesta dissertação têm potencial para serem utilizados em um melhor dimensionamento de grelhas aeronáuticas em geral. Deve-se ressaltar que o presente trabalho não define o melhor tipo de grelha que deve ser utilizado para todas as funções, e sim apresenta alguns parâmetros que devem ser utilizados para o dimensionamento otimizado de uma grelha de exaustão de ar para o cumprimento de sua função.

O presente trabalho apresenta uma metodologia para simular, numericamente, o comportamento de um corpo flexível quando exposto a um determinado escoamento. Assim, objetiva-se criar a capacidade de efetuar análises aeroelásticas em ambientes industriais, em especial na indústria aeronáutica, através de procedimentos eficientes para o acoplamento de programas computacionais comerciais de dinâmica dos fluidos e de análise estrutural. O acoplamento pretendido é do tipo "transferência nos dois sentidos", em que o fluido gera cargas para a estrutura e esta, por sua vez, responde deformando-se; sendo que a nova geometria deformada fornece novas condições de contorno para a análise aerodinâmica. O ciclo de solução concomitante dos dois conjuntos de equações é repetido até que se possa caracterizar o comportamento aeroelástico da aeronave, ou da configuração de uma maneira geral, para dada condição de voo. Alguns dos fenômenos aeroelásticos que se tem interesse em analisar incluem divergência aeroelástica e flutter. Nos casos de aeroelasticidade estática, basta a utilização de simulações em regime permanente, devidamente acopladas ao modelo estrutural. O estudo de flutter consiste, por sua vez, em problemas de caracterização dinâmica do sistema aeroelástico, sendo necessário simular o regime transitório do sistema. Devido à existência de dados disponíveis na literatura, é utilizada a configuração da asa AGARD 445.6 para comparação de resultados. Os resultados obtidos demonstram que a metodologia proposta neste trabalho é válida para realizar análises aeroelásticas em um ambiente industrial.