Presented here is the effort concerning the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) as a swirl injector analysis tool. A literature review of the major inviscid swirl models is provided along with the viscous correction procedure. The bi-propellant atomizer design process is described and the features of previous designs are also detailed. The study was undertaken by focusing on the 5-[kN]-thrust rocket engine currently in development. Theoretical predictions of the discharge coefficient, spray angle and liquid film thickness were obtained for both the inner and outer swirlers of the core injection elements. The governing equations are solved based on the laminar volume of fluid (VOF) interface capturing method. Results from cold flow experiments and particle image velocimetry (PIV) are compared to the predictions of the swirl models and the numerical results. The laminar VOF model was able to predict the spray angle with reasonable confidence, however, a deviation of 25 % was observed in the mass flow rate and discharge coefficient. Although the laminar VOF model has proven inadequate, it constitutes a good starting point in the procedure needed to assess swirl injector performance.

O difusor de seção anular é frequentemente empregado em turbinas a gás de motores aeronáuticos, dada sua característica de alcançar elevada pressão em espaço físico limitado. Guias e normas que auxiliem no projeto otimizado desse tipo de difusor não contemplam as diversas condições de contorno e regimes de escoamento nos quais o dispositivo pode operar. Para tanto, técnicas de modelagem numérica têm sido aplicadas para predizer o comportamento do escoamento nesse dispositivo e o seu desempenho. Este trabalho propõe a aplicação de ferramenta CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) para análise dos efeitos no desempenho do difusor tipo anular de núcleo paralelo devido às variações do seu ângulo de divergência e dos números de Reynolds e de Mach do escoamento. O programa FLUENT 13.0 é utilizado para execução das simulações de escoamentos em regimes incompressível e compressível, empregando-se o modelo de turbulência - realizável e tratamento de parede melhorado. As equações de conservação de massa, de quantidade de movimento e de energia são resolvidas pelo emprego do Método dos Volumes Finitos (MVF). Adotou-se a formulação bidimensional axissimétrica para o domínio computacional, assim como as hipóteses de escoamento de ar turbulento, subsônico, em regime permanente, ausência de swirl e ação gravitacional desprezível. Nas simulações de escoamento incompressível, as propriedades do ar são constantes e condição de contorno de velocidade é atribuída na entrada do domínio. Em regime compressível, o fluido é tratado como gás ideal e condição de vazão mássica e temperatura total são impostas na entrada. Na saída da geometria é especificada condição da atmosfera padrão. As paredes são tratadas como adiabáticas, não-deslizantes e não-rugosas. Estudo de refinamento de malha é realizado para garantir a independência da malha nos resultados. O método numérico é validado pela comparação dos resultados obtidos para o coeficiente de recuperação de pressão estática ( ) com dados de estudos experimentais disponíveis na literatura. Os resultados são apresentados para os difusores com ângulos de divergência de , e . Dos resultados, percebe-se que as recirculações se acentuam com o aumento do ângulo e que o fenômeno de separação de escoamento pode ocorrer de forma cada vez mais precoce, seguido de perda acentuada de pressão estática. Além disso, variações nas propriedades do fluido próximo à parede do difusor, quando sujeito a escoamento compressível, contribuem com o melhor desempenho do mesmo se comparado aos resultados do difusor sob regime incompressível.

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional baseado no método dos elementos finitos (MEF), para análise bidimensional de interação fluido-estrutura. Desenvolve-se um código bidimensional para dinâmica de fluidos compressíveis, viscosos ou não, em formulação Euleriana, com base no algoritmo CBS – characteristic based split. Então o código desenvolvido é adaptado para poder ser acoplado a um programa de formulação Lagrangeana para análise dinâmica de estruturas, o que é feito através do emprego da descrição Lagrangeana - Euleriana arbitrária (ALE). Por fim procede-se o acoplamento com um código para análise de estruturas, de formulação posicional e não linear geométrica, baseado no método dos elementos finitos. / The present work consists of the development of a computational code based on the element finite method for fluid-structure interaction analysis. A two-dimensional fluid dynamic Eulerian code is developed based on the CBS algorithm – characteristic based split. Then, the computational code is modified to be coupled with a Lagrangean structures dynamical code by using the arbitrary Lagrangean – Eulerian description (ALE). At the end, the coupling is made with a positional nonlinear geometrical structural dynamics code based on the finite element method.

Com a tendência em se construírem edifícios selados por motivos de climatização, controle de ruído e estéticos, acabou provocando um aumento nos casos de problemas relacionados à qualidade do ar de interiores (QAI) de tais ambientes. Os principais problemas relacionados à má qualidade do ar interno são a ventilação inadequada (maior parte dos casos), seguido de contaminantes do ar externo, contaminantes do ar interno (gerados internamente) e, em menor escala, materiais de construção e micro-organismos. No caso específico de uma edificação hospitalar, a qualidade do ar pode exercer uma influência direta e significativa na ocorrência de infecções hospitalares. O nível de contaminação é influenciado principalmente pelo tipo de sistema de condicionamento de ar. Daí a necessidade de um controle intenso dos contaminantes presentes no ar desse local. Assim, os sistemas de distribuição de ar desempenham uma tarefa fundamental em uma sala cirúrgica para a garantia da segurança e conforto térmico ao paciente, equipe cirúrgica. O retorno de ar também exerce uma função muito importante na eliminação do ar contaminado gerado no interior de uma sala cirúrgica. Esse retorno ocorre através das chamadas grelhas de retorno. Dado à limitação dos estudos analíticos e o alto custo das investigações experimentais, é grande relevância uma investigação numérico-computacional do escoamento do ar de uma sala cirúrgica, visando analisar o comportamento do fluxo de ar e da temperatura do ar. O foco desse trabalho é verificar, via simulação computacional em CFD (Computational Fluid Dynamics), a efetividade do sistema de distribuição de ar usado em centros cirúrgicos no que diz respeito ao controle do ar, com o intuito de se alcançar uma qualidade do ar adequada. Para validar o modelo computacional, realizou-se também a parte experimental, na qual foram feitas medições e coletas de dados em campo para comparação com os resultados das simulações. O estudo de caso considerado nesse trabalho foi uma das salas do centro cirúrgico do Hospital Universitário (HU) da Universidade de São Paulo. / Due the trend to construct sealed buildings for air conditioning purposes, noise control and aesthetics, problems regarding interior air quality (IAQ) of such environments have been occured. The main issues related to bad indoor air quality are inadequate ventilation (most part of the cases), followed by outdoor air contaminants, indoor air contaminants (internally generated) and, in a smaller scale, construction materials and microorganisms. In the specific case of a hospital building, air quality can have a direct and significant influence on the occurrence of nosocomial infections. The level of contamination is mainly influenced type air conditioning system. Hence the need for intensive control of contaminants in local air. Therefore, the air distribution systems play a fundamental task inside a surgical room for safety and thermal comfort of the patient and surgical team. The return air also plays a very important role in eliminating contaminated air generated within an operating room. This return takes place through so-called return grills. Due to the limitation of analytical studies and the high cost of experimental research, it is very relevant a numerical-computational investigation of the air flow of an operating room in order to analyze the air flow behavior and the air temperature. The focus of this study is to verify, via computer simulation based on CFD (Computational Fluid Dynamics), the effectiveness of the air distribution system used in surgical centers regarding the control of air, in order to achieve a proper quality of air. To validate the computer model, field measurements have been carried out and data have been collected for comparison with the simulation results. The case study to be considered for this project is the surgical room of the University Hospital of the University of São Paulo.

Several examples of nearly optimal transport networks can be found in nature. These networks effectively distribute and drain fluids throughout a medium. Evidence suggests that blood vessels of the circulatory system, airways in the lungs and veins of leaf venations are examples of networks that have evolved to become effective in their tasks while simultaneously being energy efficient. Hence, it does not come as a surprise that recent performance improvements of modern power generating devices occur due to the use of nature-inspired channel architectures. Guided by this observations, in this work, we investigate the application of visually realistic computer-generated leaf venation patterns to a type of photovoltaic device. We solve the flow through the device problem using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. Moreover, we attempt to develop experimentals models. Ultimately, we seek to single out the network properties that affect their performance. / Diversos exemplos de redes de transporte quase ótimas podem ser encontradas na natureza. Essas redes distribuem e coletam fluidos através de um meio. Evidências sugerem que os vasos sanguíneos do sistema circulatório, as vias respiratórias nos pulmões e as veias das venações em folhas são exemplares de redes que evoluiram para se tornarem efetivas em suas tarefas sendo, ao mesmo tempo, eficientes energeticamente. Dessa forma, não chega a ser surpreendente que recentes melhorias de performance em dispositivos de geração de energia modernos ocorrem devido ao uso de arquiteturas de canais inspiradas na natureza. Guiados por estas observações, nesse trabalho, investigamos a aplicação de padrões de venações verossímeis geradas por computador em um tipo de dispositivo fotovoltaico. Resolvemos o problema de escoamento através do dispositivo usando ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Além disso, procuramos desenvolver modelos experimentais. Em última instância, estamos em busca das propriedades da rede que afetam sua performance.

A busca por uma nova matriz energética intensificou significativamente o desenvolvimento de fontes renováveis de energia. Dentre essas, o álcool teve grande destaque, dado que sua utilização industrial já é intensa no Brasil. Em concordância com a tendência industrial, o comportamento do álcool em vários fenômenos físico-químicos tornou-se foco de intensa pesquisa e desenvolvimento, o que levou a parcerias entre faculdades e empresas. O presente trabalho objetiva ao desenvolvimento de simulações numéricas que consigam descrever com exatidão o comportamento de chamas de sprays turbulentos de etanol. Para a verificação da aderência da simulação a processos reais, serão utilizados dados experimentais. Esses dados serviram como base comparativa de validação do modelo numérico. A descrição do spray segue a abordagem Euler-Lagrange, na qual a fase líquida segue uma abordagem lagrangeana e a fase gasosa uma abordagem euleriana. Foi considerado o acoplamento completo entre as duas fases, considerando o impacto da fase líquida no regime turbulento da fase gasosa. A turbulência da fase gasosa é descrita pelo modelo RSM (Reynolds Stress Model), baseado na média temporal e decomposição da turbulência, enquanto o escoamento interno da fase líquida é negligenciado. A chama do spray caracterizada pelo modelo flamelet, o qual utilizará um mecanismo de cinética química reduzido da oxidação do etanol. / The research for a new energy source to substitute fossil fuels intensified the development of renewable energy sources. Among all, ethanol has been given great attention, once it has been widely used in many Brazilian industrial branches. In agreement with industrial trends, the behavior of ethanol became the center of innumerous researches and developments, which led to partnerships between academic and private companies. This thesis aims the development of numerical simulations that describe with accurately the behavior of ethanol turbulent spray flames. To verify correlation between model results and real process behavior, experimental data will be used for validation of the numerical model. The spray physical description is made through the use of the Euler- Lagrange approach, in which the liquid phase is described by the lagrangean approach and the gaseous phase is described by the eulerian approach. There is full coupling between both phases. The turbulent flow of the gaseous phase is modeled through the use of the Reynolds Stress Model (RSM), based on Reynolds decomposition and time averaging process. The liquid phase has no internal flow, the droplets behave as a solid sphere translating through the domain (gaseous phase). The spray flame is modeled by the flamelet model which will use a simplified chemical mechanism.

Este trabalho aborda a utilização do método de Lattice Boltzmann como ferramenta de simulação para a área de dinâmica de fluidos. Além disso, apresenta o programa LBSim desenvolvido durante o período de pesquisa, construído para ser flexível e extensível (através do emprego de técnicas de orientação a objetos) e com uma interface gráfica mais amigável do que outros projetos semelhantes. Como resultado deste trabalho, o software LBSim implementa uma série de módulos diferentes que utilizam o método de Lattice Boltzmann como base, permitindo a simulação de casos monofásico, multifásico, multicomponente, com suporte à gravidade, meios porosos, difusão, transferência de calor e paredes deslizantes. / This work approaches the use of the Lattice Boltzmann method as a simulation tool for the fluid dynamics area. Beyond that, it presents the LBSim software, developed during the period of the research and built to be flexible and extensible (through the application of techniques of the object oriented paradigm) and with a graphical interface more friendly than other similar projects. As a result of this work, the LBSim software implements a series of different modules that uses the Lattice Boltzmann method as a base, allowing the simulations of the following cases: monophase, multiphase, multicomponent, with support of gravity, porous media, diffusion, heat transfer and moving walls.

O presente trabalho apresenta um método de interação fluido estrutura chamado de fronteira virtual para modelagem de escoamentos sobre geometrias complexas. A principal característica do método é que a condição de contorno interna da superfície do corpo imerso é obtida usando uma função que calcula a força de campo das equações de momentum. Este método de cálculo da força de campo é conhecido como método direto. A principal vantagem do método da fronteira virtual é que se trabalha com duas malhas, uma cartesiana (também conhecida como euleriana) para o fluido e outra curvilínea (também conhecida como malha lagrangiana) para o objeto imerso. Como estas malhas são independentes uma da outra, os algoritmos de geração das malhas são simples em comparação com outros métodos de geração de malha, nos quais a esta precisa se adaptar ao corpo que se quer analisar. Nos métodos de body fitted, algoritmos complexos com custo computacional muito elevado são necessários para se trabalhar com geometrias complexas. Neste trabalho, o método de fronteira virtual é desenvolvido para trabalhar escoamentos compressíveis não viscosos em duas dimensões sobre geometrias complexas, e testado sobre um cilindro de seção circular e sobre uma série de aerofólios NACA da série 4. O regime de principal interesse é o regime transônico, em particular para velocidades abaixo da velocidade do som (Mach entre 0,8 e 1). No entanto, resultados para outros regimes de escoamento (subsônico incompressível, subsônico compressível, transônico e supersônico) também são mostrados. / This work presents a fluid-structure interaction method, known as virtual boundary method, developed for flow modeling, over complex geometries. The main characteristic of the method is that, the internal boundary condition at the surface are created using a function, that compute the body force from the momentum equations. This method is known as direct method. The virtual boundary method main advantage is the easy and quick mesh generation. Due the use two different grids, a Cartesian grid for the fluid and a curvilinear grid for the body that interact with the fluid. As these two grids are independent one of other, the grid generation algorithms are easier compared with other methods on CFD as the body fitted. Where the grid has to be adapted to the body of interest. The body fitted methods are implemented with complex algorithms, and high computational cost, especially when complex geometries are analyzed. In this work, the virtual boundary method are developed in order to work with in viscid compressible flow in two dimensions over complex geometries, tested over a cylinder and several NACA series 4 and critical airfoils. The regime of interest is the transonic, below the speed of sound, nevertheless results for several flow regimens (incompressible subsonic, compressible subsonic, transonic and supersonic) are also presented.

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-07-13T19:17:40Z No. of bitstreams: 1 Eduardo Schnurr Siqueira.pdf: 1543388 bytes, checksum: 203a2765367b043538126c29889d7be5 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-13T19:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Schnurr Siqueira.pdf: 1543388 bytes, checksum: 203a2765367b043538126c29889d7be5 (MD5) Previous issue date: 2013-01-31 / Nenhuma / Fluidos não-Newtonianos apresentam relação não linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento, ou seja, sua viscosidade não é constante. Eles estão presentes na natureza (sangue, lamas, areia movediça), assim como em muitos produtos industriais classificam-se nesta categoria, tais como produtos alimentícios (iogurtes, queijos cremosos, doces de frutas, chocolate ), tintas, borrachas, polímeros fundidos, soluções poliméricas, adesivos e gomas. Nos casos em que a viscosidade diminui com aumento da taxa de cisalhamento, os fluidos são classificados como pseudoplásticos; os que apresentam comportamento inverso são classificados como dilatantes. O modelo Power-Law é utilizado em engenharia para modelar ambos os comportamentos. Computational Fluid Dynamics - CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) é uma ferramenta utilizada na simulação numérica de escoamentos de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos. Inúmeros códigos comerciais e livres são utilizados atualmente, dentre eles o código livre e aberto Multiphase Flow with Interphase Exchanges (MFIX), o qual foi desenvolvido visando a simulação numérica de escoamentos multifásicos reativos do tipo sólido-gás em leitos fluidizados. O objetivo do presente trabalho é implementar no MFIX o modelo Power-Law, validar a modificação e realizar um estudo de caso utilizando o modelo. Com a implementação de um modelo não-Newtoniano ao código, pretende-se abrir caminho para a simulação de escoamentos multifásicos do tipo sólido-líquido não-Newtoniano, bem como aumentar a potencialidade do código, a fim de se estudar casos monofásicos de escoamentos de fluidos não-Newtonianos sujeitos à transferência de calor. O modelo implementado foi validado através da comparação com resultados da literatura para o escoamento em uma cavidade. Posteriormente, foram realizadas simulações do escoamento não isotérmico e isotérmico em torno de um prisma de seção quadrada imerso em um canal. Foram variados os parâmetros número de Prandtl, índice do modelo Power-Law e razão de bloqueio. Verificou-se que o número de Nusselt tem influência direta e é fortemente influenciado pela razão de bloqueio e inversamente, com pouca intensidade, pelo índice Power-Law. O número de Prandtl também influenciou diretamente no número de Nusselt e demonstrou que, quanto maior o seu valor, mais acentuada fica a variação do número de Nusselt em função da razão de bloqueio. / Non-Newtonian fluids exhibit nonlinear relationship between the shear stress and the shear rate, that is, its viscosity is not constant. They are present in nature (blood, sludge) as well as many industrial products are classified in this category, such as food products (yoghurt, soft cheeses, jams, chocolate), paints, rubber, polymer melts, polymer solutions, adhesives and gums. In cases where viscosity decreases with increasing shear rate, the fluids are classified as shear-thinning, while the opposite behavior is classified as shear-thickening. The Power-Law model is used in engineering to model both behaviors. Computational Fluid Dynamics - CFD is a tool used in the numerical simulation of Newtonian and non-Newtonian fluid flow. Numerous free and commercial codes are used today, including the free and open source Multiphase Flow with Interphase Exchanges (MFIX), which was developed to the numerical simulation of multiphase (fluid-solid) and reactive flows. The goal of this work is to implement the Power-Law model in MFIX, validate the implementation and conduct a case study using the model implemented. With the implementation of a non-Newtonian model to the code, a new possibility for the simulation of multiphase flows of solid-non-Newtonian liquids is opened, as well as there is an increase in the capability of the code regarding the study of single-phase fluid flows of Non-Newtonian fluids subject to heat transfer. The model was implemented and validated by comparison with literature results for the flow in a lid driven cavity. Subsequently, simulations were carried out concerning isothermal and non-isothermal flows around a square cylinder immersed in a channel. Parameters of analyses consisted of Prandtl number, Power-Law index and blockage ratio, for a fixed Reynolds number. It was found that the Nusselt number is strongly influenced by the blockage ratio and decreases with the increase of the Power-Law index. The Prandtl number also directly influences the process. With its increase, the dependence of the Nusselt number with the blockage ratio is more pronounced.

O presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de perfis aerodinâmicos bidimensionais com foco na utilização para o projeto e otimização de pás e rotores de pequenas turbinas eólicas de eixo horizontal, bem como o emprego desses métodos em simulações nas quais efeitos de alta solidez do rotor e baixos números de Reynolds são avaliados. Essa metodologia inclui geração de malhas, seleção de métodos numéricos e validação, tendo as escolhas sido guiadas pelas práticas mais bem sucedidas na simulação de perfis aerodinâmicos, e foi aplicada na simulação dos aerofólios NACA 0012, S809 e SD7062. O código comercial ANSYS Fluent foi utilizado em todas as simulações. Na simulação de aerofólios isolados a altos números de Reynolds dos perfis NACA 0012 e S809, o modelo Transition SST (γ-Reθ) apresentou resultados mais próximos a dados experimentais do que aqueles apresentados pelo modelo k-ω SST para CL e CD, além de produzir resultados para CP que mostraram boa precisão quando comparados aos mesmos dados experimentais. Resultados de CL, CD, CF e CP são apresentados para 20 diferentes condições de operação às quais o perfil SD7062 foi submetido, com números de Reynolds variando entre 25.000 e 125.000. As distribuições dos dois últimos coeficientes sobre os dorsos do aerofólio evidenciam com clareza a presença e magnitude da bolha de separação laminar. Os coeficientes de sustentação e arrasto mostram o impacto negativo da presença da bolha nessa faixa de números de Reynolds. Além disso, nos casos simulados, o arrasto aumenta em função da diminuição do Re. Um design de pá produzido com o auxílio do código de otimização SWRDC, baseado em algoritmos genéticos, é apresentado. Três seções ao longo da envergadura dessa pá foram simuladas em uma bateria de 45 simulações, sob diversas condições de operação em função de solidez, ângulo de ataque e razão de velocidade de ponta de pá. Esses resultados mostram que a bolha de separação laminar se move na direção do bordo de ataque com o aumento da solidez, do ângulo de ataque e da TSR. Além disso, distribuições do CP mostram aumento de pressão em ambos os dorsos do perfil quando submetido aos efeitos da solidez, embora esses efeitos tenham sido responsáveis por um aumento na relação CL/CD nos casos estudados. / This thesis presents a methodology of two-dimensional airfoil simulation focusing on its application on the design and optimization of blades and rotors of small horizontal axis wind turbines, and its application in a set of numerical simulations involving high rotor solidity and low-Re effects. This methodology includes grid generation, selection of numerical methods and validation, reflecting the most successful practices in airfoil simulation, and was applied in the simulation of the NACA 0012, S809 and SD7062 airfoils. The ANSYS Fluent commercial code was used in all simulations. Results for the isolated NACA 0012 and S809 airfoils at high Reynolds numbers show that the Transition SST (γ-Reθ) turbulence model produces results closer to experimental data than those yielded by the SST k-ω model for CL and CD, having also produced CP plots that show good agreement to the same experimental data. Plots of CL, CD, CF and CP for the SD7062 airfoil are presented, for simulations at 20 different operating conditions. The CF and CP distributions evidence the negative impact of the laminar separation bubble in the range of Reynolds numbers evaluated. Results show that, for Re between 25,000 and 125,000, drag increases with decreasing Re. A blade design generated using the SWRDC optimization code, based on genetic algorithms, is presented. Three sections of the resulting blade shape were selected and were tested in a set of 45 simulations, under an array of operating conditions defined by solidity, angle of attack and TSR. Results show that the laminar separation bubble moves towards the leading edge with increasing solidity, angle of attack and TSR. Furthermore, CP plots show an increase in pressure on both surfaces when the airfoil is subject to solidity effects, although these effects show an increase in the lift-to-drag ratio at the conditions evaluated.