Um desafio constante no projeto aerodinâmico de uma superfície é obter a forma geométrica que permite, baseado em uma determinada medida de mérito, o melhor desempenho possível. No contexto de projeto de aeronaves de transporte, o desempenho ótimo em cruzeiro é a principal meta do projetista. Nesse cenário, o uso da Dinâmica do Fluidos Computacional como não só uma ferramenta de análise mas também de síntese torna-se uma forma atrativa para melhorar o projeto de aeronaves que é uma atividade dispendiosa em termos de tempo e recursos financeiros. O método adotado para projeto aerodinâmico é baseado na teoria de controle ótimo. Essa abordagem para o problema de otimização aerodinâmica foi inicialmente proposta por Jameson (1997) e é chamada de método adjunto. Esse método apresenta uma grande diminuição de custo computacional se comparado com a abordagem de diferenças finitas para a otimização baseada em gradiente. Essa dissertação apresenta o método adjunto contínuo aplicado às equações de Euler. Tal método está inserido no contexto de um ciclo de projeto inverso aerodinâmico. Nesse ciclo, tanto o código computacional de solução das equações do escoamento quanto o código de solução das equações adjuntas foram desenvolvidos ao longo desse trabalho. Além disso, foi adotada uma metodologia de redução do gradiente da função de mérito em relação às variáveis de projeto. O algorítmo utilizado para a busca do mínimo da função de mérito é o steepest descent. Os binômios de Bernstein foram escolhidos para representar a geometria do aerofólio de acordo com a parametrização proposta por Kulfan e Bussoletti (2006). Apresenta-se um estudo dessa parametrização mostrando suas características relevantes para a otimização aerodinâmica. Os resultados apresentados estão divididos em dois grupos: validação do ciclo de projeto inverso e aplicações práticas. O primeiro grupo consiste em exercícios de projeto inverso nos quais são estabelecidas distribuições de pressão desejadas obtidas a partir de geometrias conhecidas, desta forma garante-se que tais distribuições são realizáveis. No segundo grupo, porém, as distribuições desejadas são propostas pelo projetista baseado em sua experiência e, portanto, não sendo garantida a realizabilidade dessas distribuições. Em ambos os grupos, incluem-se resultados nos regimes de escoamento transônico e subsônico incompressível. / A constant endeavor in aerodynamic design is to find the shape that yields optimum performance, according to some context-dependent measure of merit. In particular for transport aircrafts, an optimum cruise performance is usually the designers main goal. In this scenario the use of the Computational Fluid Dynamics (CFD) technique as not only an analysis tool but as a design tool becomes an attractive aid to the time and financial resource consuming activity that is aircraft design. The method adopted for aerodynamic design is based on optimal control theory. This approach to the design problem was first proposed by Jameson (1997) and it is called adjoint method. It shows a great computational cost advantage over the finite difference approach to gradient-based optimization. This dissertation presents an Euler adjoint method implemented in context of an inverse aerodynamic design loop. In this loop both the flow solver and the adjoint solver were developed during the course of this work and their formulation are presented. Further on, a gradient reduction methodology is used to obtain the gradient of the cost function with respect to the design variables. The method chosen to drive the cost function to its minimum is the steepest descent. Bernstein binomials were chosen to represent the airfoil geometry as proposed by Kulfan and Bussoletti (2006). A study of such geometric representation method is carried on showing its relevant properties for aerodynamic optimization. Results are presented in two groups: inverse design loop validation and practical application. The first group consists of inverse design exercises in which the target pressure distribution is from a known geometry, this way such distribution is guaranteed to be realizable. On the second group however, the target distribution is proposed based on the designers knowledge and its not necessarily realizable. In both groups the results include transonic and subsonic incompressible conditions.

Neste trabalho, são apresentados a discussão de conceitos fundamentais, a metodologia e os resultados de simulações numéricas baseadas no Método de Volumes Finitos do escoamento de ar sobre algumas opções de configurações de turbinas eólicas do tipo Savonius, com e sem estatores, em operação e, também, em condições estáticas, como as encontradas nas partidas das mesmas. Comparam-se os resultados para diferentes domínios computacionais, bem como alternativas de discretização espacial e temporal, visando apresentar a influência desses sobre os valores obtidos e estabelecer os parâmetros computacionais adequados para a análise das turbinas em estudo. Nas simulações numéricas, desenvolvidas empregando o programa comercial Star-CCM+, a equação da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds são resolvidas, juntamente com as equações de um modelo de turbulência adequado, que é escolhido, para a obtenção dos campos de pressão e de velocidade do escoamento. Emprega-se um domínio contendo uma região com malha móvel, na qual o rotor é inserido. A cada simulação, a velocidade angular da região de malha móvel é especificada de maneira a variar a razão de velocidade de ponta do rotor. Através da integração das forças ocasionadas devido aos gradientes de pressão e das forças originadas pelo atrito viscoso sobre as pás do rotor eólico, obtém-se o coeficiente de torque em cada simulação. O torque e as forças atuantes no rotor também são obtidos de forma semelhante. Com esses dados, outros parâmetros como a potência e o coeficiente de potência são obtidos. Análises dos principais parâmetros de desempenho do rotor Savonius são realizadas e indicam uma boa concordância com resultados experimentais e de simulações numéricas realizadas por outros autores. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram-se bastante representativos do fenômeno analisado. / This research work presents a discussion of basic concepts, the methodology and the results of numerical simulations based on Finite Volume Method for the air flow through some configuration options of the Savonius wind turbines, with and without stators, in operation, and also under static conditions, such as those found in the self starting. Results for different computational domains, as well as alternative spatial and temporal discretization are compared, in order to present the influence of these on the obtained values from the computational analysis of the turbines in study. In the numerical simulations, performed using the commercial software Star-CCM+, the equation of continuity and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations were solved, together with the equations of a turbulence model appropriate, which is chosen, so that the fields of pressure and velocity could be found. It was used, in the calculations, a domain containing a region with a moving mesh, in which the rotor was inserted. In each simulation, the rotational rate of the moving mesh region was specified so as to vary the tip speed ratio of rotor. Through the integration of the forces arising due to the pressure gradients and the forces originated from the viscous friction on the wind rotor blades, the moment coefficient could be obtained in each simulation. The moment and forces acting on the rotor were also obtained similarly. With these data, other parameters such as the power and the power coefficient of the wind rotor could be obtained. Analysis of the principals performance parameters of the Savonius wind rotor were performed and indicated a good agreement with experimental results and numerical simulations performed by other authors. The simulations results are quite representative of the phenomenon analyzed.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. A viabilização de uma instalação eólica de grande porte depende da avaliação correta do potencial eólico. A fim de avaliar a capacidade de conversão de energia cinética do vento em torque, é fundamental a modelagem da esteira aerodinâmica das turbinas eólicas. Este trabalho apresenta um estudo sobre a esteira aerodinâmica formada por uma turbina eólica dimensionada conforme a teoria de otimização de Betz. Para tanto, realiza-se inicialmente uma pesquisa sobre a evolução da transformação da energia contida no vento em energia mecânica e métodos de análise adotados. Para modelagem da esteira, realiza-se a simulação numérica do escoamento sobre uma turbina de eixo horizontal empregando o Método de Volumes Finitos. Através do uso da Dinâmica dos Fluidos Computacional são resolvidas as Equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS) e a utilização dos modelos de turbulência k-, k- RNG, k- e k- SST. Para a solução das equações é utilizado o programa ANSYS-CFX. Define-se o perfil NACA 4412 como perfil aerodinâmico para projeto das pás da turbina, e modela-se a turbina através da teoria de dimensionamento ótimo de Betz. O domínio, discretizado em um número finito de volumes de controle, possui duas regiões distintas, uma estática e outra rotacional, representado o rotor da turbina. Inicialmente são apresentadas simulações com os diferentes modelos de turbulência e definido o modelo que apresenta os melhores resultados, o k- SST. Para o modelo escolhido são realizadas simulações incluindo estudos com a turbina inclinada em relação à direção de incidência do vento, para verificar a alteração no perfil da esteira gerada e na capacidade da turbina em transformar a energia do vento em Torque. Os resultados obtidos para os campos de velocidade e pressão são comparados com os de outros autores e mostraram-se coerentes, indicando que a simulação feita é capaz de representar o fenômeno analisado. / The evolution of the use of the wind energy in recent decades is directly related to the technology in the facilities conversion and design. The feasibility of a large wind farm depends on the correct assessment of wind potential. To evaluate the capacity of converting wind kinetic energy in torque, it is essential to model the wake aerodynamics of wind turbines. This paper presents a study on the aerodynamic wake formed by a wind turbine sized according to the Betz optimization theory. For this, initially it is performed a research on the evolution of the energy contained in wind into mechanical energy and the adopted analysis methods. For wake modeling, a horizontal axis wind turbine flow numerical simulation is done using the Finite Volume Method. Using the Computational Fluid Dynamics, the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are solved with the use of the k-, k- RNG, k- e k- SST turbulence models and using the software ANSYS-CFX. It is defined the NACA 4412 profile as aerodynamic profile for turbine blades and the turbine is modeled using the Betz optimization theory. The domain, discretized into a finite number of control volumes, has two distinct regions, one static and one rotational, represented the turbine rotor. Initially the simulations with different turbulence models are presented and the model k- SST is defined as the model that gives best results. For the chosen model, simulations are performed, including studies on the turbine yawed with respect to the wind incidence direction, to verify the profile change in the generated wake and turbine capacity to convert wind energy into torque. The obtained results for the velocity and pressure fields are compared to other authors are very consistent, indicating that the proposed simulation is capable of representing the analyzed phenomenon.

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

O presente trabalho trata da modelagem de combustão em um queimador industrial de gás natural utilizando cadeias de reatores químicos idealizados. A partir de simulações de CFD e dados experimentais do ensaio denominado BERL 300 kW, sucessivas cadeias de reatores são propostas, baseando-se em premissas sobre as condições de temperatura e fluxo de massa entre as diversas regiões do escoamento reativo. O objetivo é obter uma cadeia de reatores que reproduza as emissões de NOx do ensaio. O erro relativo das emissões é de 98,23% na primeira cadeia, de 82,30% na segunda cadeia e de 1,54% na terceira cadeia. A partir da terceira cadeia de reatores proposta, considerada representativa do ensaio, realiza-se uma análise de sensibilidade e um estudo paramétrico, para avaliar a sensibilidade do modelo aos ajustes de segmentação de correntes e a capacidade de reproduzir os dados experimentais de emissão em condições de pré-aquecimento do ar de combustão e em operação fora do ponto de projeto. O modelo produz resultados satisfatórios para os casos de pré-aquecimento do ar até 110°C e para potências térmicas até 33% superiores ao ponto de projeto, não oferecendo bons resultados para as demais condições de operação. / This work shows the development and application of chemical reactor networks (CRN) to the modeling of a natural gas burner. The CRN development is based on experimental and CFD simulation results of the BERL 300 kW test. The CRN element arrangement, reactor volumes and flow splits are adjusted based on the best agreement with characteristic temperatures of the reactive flow, aiming to reproduce the experimental NOx emissions data. The relative error in the emissions predictions are 98,23% for the first CRN proposed, 82,30% for the second CRN and 1,54% for the third one. A sensitivity analysis and a parametric study of the third CRN are carried out to evaluate its sensitivity to the flow splits adjustments and its ability to predict emission with air preheat and turndown operation. The NOx emissions predicted by CRN are in good agreement until 110ºC preheating and for a turndown ratio of 1,33.

Neste trabalho, são inicialmente discutidas as dificuldades referentes à obtenção de resultados numéricos para a operação de uma turbina Savonius independentes do grau de discretização, tamanho de domínio de cálculo e de máximo tempo físico simulado. Também são relatadas as divergências entre as metodologias numéricas e experimentais adotadas por diversos autores, que dificultam análises e comparações dos resultados obtidos por meio dessas metodologias com os resultados próprios obtidos. Devido a esses fatos, no presente trabalho, uma série de procedimentos experimentais e numéricos são realizados para efetuar análises do escoamento sobre uma turbina eólica Savonius. Nos experimentos em canal aerodinâmico, perfis de velocidade e parâmetros da turbulência são obtidos pela técnica de anemometria de fio quente. Medições com o uso de tubos de Pitot e manômetros eletrônicos são efetuadas para avaliar a variação da pressão e os perfis de velocidade média em posições selecionadas. Além de dados para análise, informações úteis para uso como condições de contorno nas simulações numéricas também são obtidas. Os fenômenos são reproduzidos através de simulações numéricas pelo Método de Volumes Finitos, que solucionam as equações da continuidade, de Navier-Stokes com médias de Reynolds e do modelo de turbulência k-ω SST. Análises experimentais e numéricas considerando o escoamento sobre um cilindro, que mantém semelhanças com o escoamento sobre o rotor, também são realizadas. Simulações numéricas do escoamento sobre o cilindro são efetuadas, fornecendo resultados representativos do escoamento real, quando geometrias tridimensionais são aplicadas na modelagem numérica. Nas simulações do escoamento sobre o rotor Savonius em condição estática, resultados representativos do escoamento real são obtidos com o uso de uma modelagem que leva em consideração a rugosidade das pás do rotor, estacionado na posição angular de 90°. Para posições angulares menores, não se obteve uma boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos. A realização deste trabalho fornece informações úteis para a análise do fenômeno e tem potencial para contribuir com futuros trabalhos desse tema. / This research work initially presents a discussion about the difficulties related to obtaining numerical results for the operation of a turbine Savonius independent of the degree of discretization, calculation domain size and maximum physical time of the simulation. The differences between the numerical and experimental methodologies adopted by various authors difficult the analysis and comparisons of the results obtained through these methods with the results obtained by the methodology. Due to these facts, in this research work, a series of experimental and numerical procedures are performed to conduct analyzes of flow over a Savonius wind turbine. In the experiments on aerodynamic channel, velocity and turbulence profiles parameters are obtained by the technique of hot wire anemometry. Measurements using Pitot tubes and electronic manometers are made to evaluate the variation of pressure and mean velocity profiles at selected positions. In addition to data analysis, useful information for use as boundary conditions in the numerical simulations are also obtained. The phenomena are reproduced through numerical simulations by Finite Volume Method, that solve the equations of continuity, Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and the equation of the turbulence model k-ω SST. Experimental and numerical analyzes considering the flow over a cylinder, which holds similarities with the flow over the rotor, are also performed. Numerical simulations of the flow over the cylinder are made, providing results representative of the actual flow when three-dimensional geometries are applied in numerical modeling. In flow simulations over the Savonius rotor in static condition, at 90°, representative results of the actual flow are obtained using a model that takes into account the roughness of the rotor blades. For smaller angular positions a good agreement between experimental and numerical results was not obtained. This work provides useful information for the analysis of the phenomenon and has the potential to contribute to future work on this theme.

Polímeros sintéticos ocupam uma posição de grande importância no estilo de vida moderno, servindo como matérias-primas para a construção de uma variedade de utensílios. Apesar do grande número de operações de processamento e produtos disponíveis, o planejamento de produtos e a otimização dos processos de produção raramente constituem-se de tarefas triviais. Isso deve-se ao fato da maioria das operações aplicadas na indústria de processamento de polímeros envolverem geometrias e padrões de escoamento complexos, além da dificuldade intrínseca relacionada ao comportamento reológico complexo de polímeros fundidos ou soluções poliméricas. Devido a estes fatores, o desenvolvimento de técnicas de dinâmica de fluido computacional (computational fluid dynamics – CFD) para a simulação de escoamentos de fluidos poliméricos e etapas de operações de processamento tem sido assunto de numerosos estudos durante as últimas décadas. Sob esta perspectiva, o solver viscoelasticFluidFoam, merece destaque. Ele é capaz de resolver simulações de escoamentos de fluidos viscoelásticos utilizando diferentes equações constitutivas. Contudo, apesar de resultados existentes na literatura apresentarem um bom potencial de aplicação, uma análise extensiva de seu desempenho numérico ainda não foi realizada. Neste contexto, a proposta do presente trabalho é a análise da influência de parâmetros de malha, numéricos e constitutivos no comportamento do solver. As bases para os testes compreendem uma geometria simples – escoamento laminar entre duas placas paralelas – o modelo constitutivo de Oldroyd-B e respectivas soluções analíticas para os campos de velocidade e tensão. Mesmo os testes demonstrando a inegável versatilidade do solver, eles revelam limitações em lidar com algumas configurações de malha e parâmetros constitutivos, principalmente com relação ao refinamento na direção perpendicular ao escoamento, diminuição do número de Reynolds e aumento do número de Weisenberg. Estas limitações podem ser parcialmente contornadas com escolha adequada de parâmetros de relaxação das variáveis e da razão de aspecto dos volumes de controle. Tais dificuldades não estão presentes em simulações de escoamentos de fluidos newtonianos em condições semelhantes, sugerindo que trabalhos futuros devem focar em implementações mais robustas do solver viscoelasticFluidFoam. / Synthetic polymers hold a position of great importance in modern lifestyle, serving as raw materials for the construction of a wide variety of appliances. Despite the large number of processing operations and products available, product planning and optimization of production processes rarely constitute a trivial task. This is due to the fact of operations applied in polymer processing industry involve complex geometries and flow patterns, plus the intrinsic difficulty related to the molten polymers or polymer solutions complex rheological behavior. Because of these factors, the development of techniques of computational fluid dynamics (CFD) for the simulation of flows of polymeric fluids and stages of processing operations has been the subject of numerous studies during the last decades. From this perspective, the viscoelasticFluidFoam solver deserves mention. The solver is capable of resolving simulations of viscoelastic fluid flows using different constitutive equations. However, despite the existing results in the literature present a great potential for application, an extensive analysis of their numerical performance has not been performed yet. The purpose of this paper is to examine the influence of mesh, numerical and constitutive parameters in the behavior of the solver. Bases for the tests comprise a simple geometry – laminar flow between two parallel plates – the constitutive model of Oldroyd-B and its analytical solutions for the velocity and stress fields. Although the tests show the undeniable versatility of the solver, they also reveal limitations in dealing with some mesh settings and constitutive parameters, particularly with respect to refinement in the direction perpendicular to the flow, decreasing in the Reynolds number and increasing in the Weisenberg number. This limitation can be partially circumvented with proper choice of variables relaxation parameters and aspect ratio of the control volumes. Such difficulties are not present in simulations of Newtonian fluids flows under similar conditions, suggesting that future works should focus on more robust implementations of the viscoelasticFluidFoam solver.

A crescente demanda de energia dos dias de hoje, aliada aos graves problemas ambientais advindos da sua produção tem estimulado a procura de formas alternativas de energia. Dentre as diversas fontes de energia, as renováveis ganham expressão particularmente significativa. Neste contexto, a energia eólica revela-se uma aposta correta, a nível econômico, energético e ambiental. Por outro lado, a microprodução é apontada como uma das soluções para os problemas supracitados. Assim, a combinação de ambas as áreas tem sido alvo de especial interesse. Este trabalho visa caracterizar o vento em ambiente urbano, com particular interesse na possibilidade de seu aproveitamento energético. Um dos principais aspectos para determinar a viabilidade técnica e econômica de uma instalação eólica é a avaliação precisa da distribuição das velocidades de vento na área de aproveitamento. A instalação de turbinas eólicas em áreas urbanas tem determinado a necessidade de aprimorar a metodologia de previsão do campo de velocidades do vento visando à melhor determinação da distribuição dos equipamentos e aproveitamento do potencial existente. Neste contexto, esta dissertação apresenta um estudo sobre a aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD para avaliação do potencial eólico e o comportamento do vento sobre um modelo de área urbana. Resultados numéricos com diferentes alternativas de modelagem do problema são comparados com dados de um experimento em túnel de vento e dados obtidos com CFD publicados na literatura, visando determinar uma metodologia adequada para avaliação do problema proposto. As simulações numéricas do escoamento de ar em área urbana são realizadas com o uso do programa ANSYS Fluent 13.0, que utiliza o método de volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O estudo é dividido em dois casos. No primeiro caso, a simulação da área em questão é realizada com as médias de Reynolds de forma a validar o modelo criado. No segundo caso, a simulação é realizada com o método de grandes escalas, cujos resultados serão explorados e comparados com o método RANS. Os resultados obtidos mostram essencialmente duas realidades, a primeira diz respeito à intensidade do recurso eólico e a segunda a sua particular complexidade. / The growing demand for today’s energy, combined with the serious environmental problems of its production, has stimulated the demand for alternative forms of energy. Among the various forms of energy, those that are based on renewable sources have been gaining a particularly significant space for discussion. In this context, the wind energy has proved to be a reliable source, energetically, economically and environmentally speaking. Furthermore, the micro production has been appointed as one of the solutions for the aforementioned problems. Thus, the combination of both these areas has particular interest. This work aims to characterize the wind in the urban environment, with particular interest for the possibility to carry out its energy. In this context this work presents a study on the application of computational fluid dynamics to evaluate the wind potential and the behavior of the wind on urban area. Numerical results with different alternatives for modeling the problem are compared with data from an experiment in wind tunnel and CFD simulation to determine one appropriate methodology for evaluation of the problem. The numerical simulations of the air flow over urban area are performed using the ANSYS Fluent 13.0 which uses the finite volumes method for solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large-Eddy Simulation (LES). The study is divided in two cases. In the first one, the simulation of the area is performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes to validate the model created. In the second case, the simulation is performed with the Large-Eddy Simulation, which will be explored and compared with the results with RANS method. The results obtained show essentially two realities, the first is related to the intensity of wind resource and the second due to its high complexity. It was noted that in the urban areas turbulence intensity is significantly higher than in the rural environment. The non-horizontal flow components showed a high dependence on geometry of the building. The brief comparison of results obtained by simulation software shows an acceptable approach to the wind velocity field. In terms of turbulence intensity, it’s over estimated by the software. It is concluded from the results obtained that the energy use in urban environment provides a delicate task, due to the low wind intensity and complexity of the resource.

O presente trabalho apresenta a modelagem do escoamento de ar sobre um terreno complexo empregando, e comparando os resultados, três programas comerciais de previsão de potencial eólico, WaSP, Meteodyn WT e WindSim. Por se tratar de um modelo simplificado, o programa WaSP nem sempre é adequado para previsão de energia em terrenos muito complexos pois não é capaz de prever turbulência, separação de escoamento e efeitos de estabilidade existentes neste tipo de terreno. Para que se consiga modelar a turbulência existente de maneira mais coerente, utilizam-se programas de mecânica dos fluidos computacional como o Meteodyn WT e o WindSim que modelam o escoamento através das equações médias de Reynolds. A finalidade do estudo é identificar a capacidade de previsão das velocidades de vento por meio de cada um dos programas em um parque eólico localizado na Chapada da Diamantina, tendo em vista que a correta previsão da produção de energia depende de um entendimento correto e detalhado dos recursos disponíveis. Avaliando apenas condição atmosférica neutra e comparando os resultados obtidos, conclui-se que o programa WindSim obteve o menor erro na estimativa da velocidade do vento, -3,7% quando comparado aos outros programas WaSP e Meteodyn, -5,1% e -6,5% respectivamente. O maior erro de aproximação foi obtido pelo programa WaSP, +11% quando comparado aos outros programas Meteodyn e WindSim, +10,6% e +7,9% respectivamente. Para o programa Meteodyn foram avaliados casos com diferentes condições de estabilidade, o erro máximo e mínimo foi de +10,6% e -6,5%, respectivamente em atmosfera estável, mantendo-se elevado. O programa WindSim permite a alteração de variáveis que são fixas no Meteodyn e também a simulação dos efeitos de estabilidade através da inclusão da equação de energia inicializada através do comprimento de Monin-Obukhov o que, implicou em uma melhora significativa nos resultados obtidos e em um maior tempo computacional. O erro, menor e maior, apresentado pelo programa WindSim foi reduzido a, -1,8% e +4,4% respectivamente. Destaca-se que as conclusões obtidas se aplicam ao caso estudado. / This work studies the air flow modeling over a complex terrain using and comparing the results of three commercial programs that estimates the wind field in a site: WaSP, Meteodyn WT and WindSim. Being WAsP a simplified model, it is not always suitable to estimate the flow in complex terrain because it is not able to predict the turbulence, flow separations and stability effects present in these kind of terrains. To model the existing turbulence two computational fluid mechanics programs i.e. Meteodyn WT and WindSim, which models the flow through the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations have been used. This study aims to identify the wind speed predictive capacity of each program in a windfarm located on Chapada da Diamantina, as a correct production prediction depends on a correct estimation of the wind field. Evaluating only neutral atmospheric setup and comparing it with the measures, WindSim had the lowest wind speed estimation error, -3.7% compared with WaSP and Meteodyn programs, that provided -5.1% and -6.5% respectively. The greatest error was obtained by WaSP program, +11%, followed by Meteodyn, +10.6% and WindSim, +7.9%. WindSim enables changes in some variables that are fixed in Meteodyn and enables also the simulation of stability effects through the introduction of the energy equation with a Monin-Obukhov length initialization. For Meteodyn program different stabilities were evaluated, but the results obtained were not satisfactory. The maximum and minimum error were reduced to +10.6% and -6.5%, respectively, in stable atmosphere. Due to the specific site studied conditions the simulation of stability effects resulted in a significant improvement in the results even though a larger computational time. Enabling the energy equations setting up stable atmospheric stability, both WindSim errors are reduced to -1.8% and +4.4% respectively. It is noteworthy that the conclusions apply to the case studied.

Orientador: Prof. Dr. Rovilson Mafalda / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Gestão da Inovação, 2017. / Presente em vários países, a competição Baja SAE se consolidou como uma importante oportunidade dos estudantes de engenharia de colocar em prática os conhecimentos adquiridos em sala de aula e desenvolver novas habilidades. Apesar disso, após vinte e três edições no Brasil, o cenário atual da competição é de utilização quase exclusiva de soluções de projeto consagradas, grande semelhança entre os veículos, acirramento da disputa e carência de soluções inovadoras. Neste trabalho propõe-se uma abordagem focada na aerodinâmica como uma forma de se buscar uma vantagem competitiva no atual cenário da competição, através da elaboração e disponibilização de um pacote composto de carenagens aerodinâmicas aplicáveis em um veículo tipo Baja SAE típico. Adicionalmente, o impacto da adoção destas peças na velocidade máxima do veículo é avaliado através de análise de dinâmica dos fluidos computacional (do inglês CFD ¿ Computational Fluid Dynamics). De acordo com as estimativas realizadas neste trabalho, a adoção de um pacote aerodinâmico como o proposto seria capaz de reduzir o arrasto aerodinâmico do veículo em 20,45% e aumentar a sua velocidade máxima em 7,92%. / Present in several countries, the Baja SAE competition has consolidated itself as an important opportunity for engineering students to put into practice the knowledge acquired in the classroom and to develop new skills. Despite this, after twenty-three editions in Brazil, the current scenario of the competition is the consolidation of consecrated solutions, great similarity between vehicles, escalation of the dispute and lack of innovative solutions. This work proposes an approach focused on aerodynamics as a way to seek a competitive advantage in the current scenario, through the elaboration and provision of a package composed of aerodynamic fairings possible to be applied in a typical Baja SAE prototype. Additionally, the impact of the adoption of these parts on the top speed of the vehicle is evaluated through Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. According to the estimates made in this work, the adoption of an aerodynamic package like the one proposed would be able to reduce the aerodynamic drag of the vehicle by 20.45% and increase its maximum speed by 7.92%.