Os motores do tipo turbinas a gás são utilizados em aplicação onde altas potências são requeridas. Para ambas as aplicações, industrial ou aeronáutica, a busca por alta eficiência e desempenho é constante, procurando melhorar o processo de transferência de energia. Nesse ponto, torna-se importante a pesquisa e o estudo de componentes mais sofisticados. É nesse contexto, que o presente trabalho foi desenvolvido para avaliar um dos itens de grande influência no desempenho de turbomáquinas, conhecido como perdas de alto desempenho devido ao escoamento interno sobre o topo do rotor. O escoamento que passa do lado de pressão para o lado de sucção da pá através do topo do rotor é chamado de escoamento de vazamento, este não participa do processo de transferência de energia, sendo uma fonte de perda interna que causa queda na eficiência da turbomáquina. Neste estudo, diferentes tecnologias para a geometria do topo das pás do rotor são utilizadas para analisar a influência destas geometrias em uma turbina axial de alta pressão (HPT) de único estágio. O estudo dessas diferentes configurações no topo do rotor da turbina foi baseado nos cálculos do escoamento utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) com equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), utilizando o programa comercial ANSYS CFX v. 13.0. A configuração de topo padrão (topo plano) foi modificada e as seguintes configurações foram utilizadas: sem folga, com topo plano, com squealer, com winglet e com squealer-winglet. Os resultados mostraram que os métodos de dessensibilização aplicados no topo do rotor possuem melhor desempenho que o caso com topo plano. A configuração winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para a turbina na rotação de projeto. E a configuração squealer-winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para 80% da rotação de projeto. As três configurações de dessensibilização estudadas comprovaram serem superiores ao rotor de topo plano, justificando seu uso para aplicações em turbina de alta pressão.

O sistema de ar secundário em turbinas a gás é responsável pela distribuição de ar para o resfriamento das partes quentes do motor, balanceamento de eixo e vedação das folgas formadas entre componentes rotativos e estáticos. Este sistema, geralmente contém selos do tipo labirinto para realizar um controle de ar através de perdas de carga. Para realizar todas as funções supracitadas, o sistema secundário de ar pode consumir cerca de 20% do fluxo de massa total do motor, tendo um impacto significante sobre a eficiência do mesmo. Desta maneira, fica claro que o controle adequado de ar é essencial para um bom desempenho da turbina a gás. O presente trabalho visa comparar diferentes configurações de selos labirintos, a fim de encontrar uma configuração mais adequada para o controle de ar no escoamento secundário. Para tal, simulações numéricas foram realizadas utilizando o software livre de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações gerais de mecânica dos fluidos com média de Favre bi e tridimensionais. Resultados baseados na análise dos parâmetros coeficiente de descarga (Cd) e função fluxo de massa (?) mostram que uma determinação adequada dos parâmetros geométricos do labirinto, juntamente com a adição de ranhuras reduzem o fluxo de massa no labirinto em até 9%.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

Centrifugal is the main compressor type used in process industries and pipelines. This work presents the design of a centrifugal compressor in three steps. The first step is the preliminary design that has an unidimensional treatment and is heavily based on empirical data. Then, using the quasi-ortogonals method, the flow in the meridional plane of the impeller channel is analysed and the blade geometry improved. The last step consists of the compressor flow analysis through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques using a commercial software in order to verify any deficiencies in the methodology applied in the preliminary design.

The present thesis discuss in a didactic and detailed way the high-order scheme known as the Discontinuous Galerkin (DG) method, with special focus on applications in aerodynamics. The theoretical formulation of the method is presented in one and two dimensions with great depth, being properly discussed issues of convergence, basis functions, interelement communication, boundary conditions, shock treatment, as well as inviscid and viscous numerical fluxes. As part of this effort, a parallel computer code was developed to simulate the Euler equations of gas dynamics in two dimensions with general boundary conditions over unstructured meshes of triangles. Numerical simulations are addressed in order to demonstrate the characteristics of the Discontinuous Galerkin scheme, as well as to validate the developed solver. It is worth mentioning that the present work can be regarded as new within the Brazilian scientific community and, as such, may be of great importance concerning the introduction of the DG method for Brazilian CFD researchers and practitioners.

A recurring problem in high-order simulation of compressible flows is the appearance of spurious oscillations near regions which display abrupt changes of flow properties such as shock waves. If the amplitude of these oscillations is sufficiently high, this phenomenon, known as Gibbs phenomenon, can lead simulation to diverging due to the appearance of non-physical states (negative pressure or density, for example). Among the techniques available to address this problem, it is highlighted the use of limiters. Such methodology was taken to the high-order context by inheriting from Finite Volume methods and tend to be of easier implementation when compared with other possibilities. However, classical limiters have the disadvantage of reducing the local accuracy order to first order even when applied to smooth regions. This thesis proposes itself to study the ENO(Essentially Non-Oscillatory)-based limiting procedure first proposed by Qiu and Shu in 2003. Such schemes have the property of maintain the high-order accuracy on smooth regions while still providing sharp shock transitions. As part of this work, such limiter was implemented in a computer code based on the Discontinuous Galerkin (DG) methodology in order to simulate the gas dynamics Euler equations in two dimensions on unstructured triangular meshes. Tests and simulations were then performed in order to demonstrate that the capacities proposed.

Atualmente, normas regulamentadoras cada vez mais restritivas são impostas com o intuito de reduzir a poluição do ar, o que impulsionou a busca dos fabricantes de motores diesel por novas abordagens e soluções tecnológicas capazes de reduzir os níveis de emissões de seus produtos. Neste contexto, o desenvolvimento de um sistema de arrefecimento automotivo mais eficiente é benéfico na redução de emissões e na melhora da economia de combustível. Dentre os componentes que compõem o sistema de arrefecimento, a bomba de água contribui em grande parte para as perdas do sistema como um todo. Assim, o presente trabalho visa investigar o desempenho de uma bomba de arrefecimento automotivo utilizando uma ferramenta de Computational Fluid Dynamics (CFD). Um modelo CAD da bomba de água foi construído com todos os detalhes requeridos para a simulação confiável. O escoamento através da bomba foi numericamente simulado empregando a técnica de volumes-finitos para resolver as equações que modelam o escoamento para um referencial não-inercial. Geralmente, partes móveis geram problemas transitórios, no entanto, visto de um referencial rotativo o escoamento através das partes móveis pode ser simulado como em regime permanente. O sistema de equações discretizadas para a pressão e as componentes de velocidade foram resolvidas utilizando o algoritmo SIMPLE. Resultados numéricos e dados experimentais foram comparados para diferentes vazões volumétricas. Após a solução numérica, o pós-processamento foi utilizado para averiguar o escoamento através da bomba e os mecanismos que influenciam em seu desempenho. Os resultados sugerem que o escoamento através da bomba pode ser representado através da ferramenta CFD, possibilitando verificar qualitativamente e quantitativamente o comportamento do escoamento e os mecanismos que afetam o desempenho da bomba de arrefecimento.

The main objective of the present research work consists of studying turbulent flows over typical aerospace configurations. In order to accomplish such goal, a numerical tool to simulate 3-D compressible flows is validated and improved. A finite difference method for structured grids, written for general curvilinear coordinates, is used. A centred spatial discretisation, which requires explicit addition of artificial dissipation terms, is chosen, and the time marching procedure is explicit. In the validation process, comparative analysis of systematic mesh refinement and grid topology is considered. Subsequently, adequate turbulence models for the applications of interest are implemented. This implementation must be carefully performed in order to robustly and consistently include the turbulence model subroutines into the numerical code. Convergence acceleration techniques such as multigrid and implicit residual smoothing are required in order to avoid the slower convergence rates associated with the more refined and stretched grids that are necessary for turbulent simulations. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is done by comparison of numerical results with experimental or theoretical data. Thereafter, flows about the VLS central body configuration are simulated in order to obtain aerodynamic results necessary for the development phase of the vehicle. In general, good agreement between numerical and experimental results are obtained within engineering error margins. Some limitations of the turbulence models could be observed. These limitations could be addressed with a careful study of the numerical results and previous knowledge of the capabilities of these models. Nevertheless, the conclusions that could be drawn are very positive for this initial effort on advanced turbulence modelling, and these conclusions are important for future development of the numerical code.

Muitos processos industriais utilizam dutos de transporte de fluidos, os quais existem normas para a aferição da velocidade. O dispositivo ideal de medida seria o bocal de Venturi, contudo o método mais comumente utilizado de medição é a placa de orifício. O bocal convergente se mostra mais eficaz, quando comparado à placa de orifício, devido ao fato de não apresentar recirculação na entrada do bocal, além de que bocais convergentes podem efetuar medidas 55% maiores na vazão, usando o mesmo coeficiente beta (r?R) e o diferencial de pressão da placa de orifício. Outra vantagem deste bocal é o menor comprimento, quando comparado ao bocal de Venturi. Geralmente, no ambiente fabril, os fluidos nos dutos se apresentam turbulentos, por ter restrições no escoamento, ao longo da tubulação, assim podem causar diferenças na medição da vazão por gerar turbulências no escoamento da entrada, distintos das especificações da norma. Neste contexto, o presente trabalho demonstra os efeitos de rotação em fluidos no bocal de entrada presente no medidor de vazão do tipo convergente, utilizando a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics). Dessa forma, serão resolvidas as equações governantes (massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência), usando, para isso, o método de volumes finitos. Logo, o acoplamento entre os campos de pressão e velocidade são estabelecidos aplicando o algorítimo SIMPLE. Inicialmente, um estudo de refinamento de malha será realizado para a determinação do coeficiente de descarga em um escoamento sem rotação na entrada do bocal. A comparação entre os resultados do coeficiente de descarga para bocais convergentes apresentados na norma ISO 5167-3 e os resultados numéricos para o mesmo bocal, é realizada e obtiveram boa correlação na faixa de 3% de desvio. Em seguida, o estudo do decaimento do Swirl ao longo de um duto liso e de um duto com bocal convergente é levantado e os resultados mostraram que o decaimento está mais associado com a velocidade axial (Reynolds) do escoamento do que da rotação imposta ao fluido.

Sabe-se que um bom projeto de coletor de admissão é um fator importante para um bom desempenho de um motor de combustão interna. Modelos computacionais têm sido usados para simular escoamentos não-permanentes e compressíveis fornecendo assim suporte para melhor projeto do coletor. Neste trabalho, o estudo de escoamento compressível, intermitente e turbulento de fluido newtoniano no interior de cilindros de seção circular tem por objetivo entender os fenômenos que ocorrem dentro de um sistema complexo de dutos que conduzem o ar até os cilindros de um motor. Para tal é necessário primeiramente conhecer quais são estes fenômenos e identificar os parâmetros cruciais que influenciam no processo de solução do modelo matemático em uma geometria simplificada e assim possibilitar a avaliação do sistema em operação em uma geometria complexa. O modelo matemático usado para o escoamento compressível pulsátil dentro do duto circular reto é o URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes). Para resolver as equações governantes do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência) é usado o software ANSYS Fluent CFD. Esta ferramenta é baseada na discretização de volumes finitos. Este trabalho é composto por três etapas. Na primeira etapa a abordagem baseada na pressão é usada resolvendo as equações governantes de forma segregada. Após um estudo de malha, os resultados obtidos mostraram que um duto excitado por um único pulso tem uma resposta periódica com frequência constante, e certo grau de amortecimento ao longo do comprimento do duto. Foi mostrado que o comprimento do duto é o parâmetro de maior influencia no comportamento dinâmico do sistema. Na segunda etapa a mesma geometria foi empregada e o mesmo tipo de abordagem foi usada. Foi observada a resposta dinâmica de uma condição de contorno de pressão oscilante na saída do duto. É possível verificar a importância da compressibilidade do ar que atenua as amplitudes das oscilações de pressão e vazão em massa ao longo do duto. E finalmente, a terceira etapa consistiu em uma geometria complexa, formada por um duto principal, um plenum e dois runners. Como condições de contorno na saída dos dois dutos secundários foram impostas perturbações de pressão de mesma amplitude e fases variáveis, e assim verificada a vazão em massa para cada defasagem pré-estabelecida.