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.

Grades da tomada dágua de usinas hidroelétricas são equipamentos de grande importância porque são responsáveis pela proteção das turbinas hidráulicas contra impacto de corpos flutuantes. Tais estruturas estão submetidas à ação de cargas dinâmicas oriundas do escoamento da água através das barras. O objetivo do presente trabalho é analisar grades submetidas à ação de fluxo de água. Ou seja, analisar as respostas da estrutura e o comportamento do escoamento da água utilizando os cálculos de dinâmica de estruturas acopladas às técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Para a elaboração destas análises, foi utilizado o software comercial CFX versão 14. Tais análises foram elaboradas mediante o processo de interação fluido-estrutura. Primeiramente, um modelo estrutural simplificado das barras verticais das grades é elaborado a partir de dados de projetos conhecidos. A partir deste modelo define-se um volume de controle que representa o escoamento do fluido. Devido ao número de Reynolds calculado, utiliza-se o modelo de turbulência para obtenção dos resultados tais como tensões e deslocamentos nas barras verticais, e perfil de velocidades do escoamento. Considerando o modelo proposto, foram elaboradas análises com sete diferentes valores de velocidade de modo a comparar os dados calculados numericamente através do método de elementos finitos com valores obtidos experimentalmente. A partir do modelo verificado, é apresentada uma análise de uma grade inclinada submetida a um fluxo paralelo. / Trashracks are very important equipment because they are responsible for protecting turbines of hydroelectric plants against floating bodies. These structures are subjected to the action of dynamic loads due to the water flow through the vertical and horizontal bars. The objective of this study was to analyze trashracks submitted by action of water flow. In other words, to analyze the responses of the structure and the behavior of water flow using dynamic of structures calculations coupled with computational fluid dynamics techniques (CFD) for a turbulent regime, through the use of commercial software CFX version 14. This analysis is elaborated by the process of fluid structure interaction. First of all, a simplified structural model of vertical bars is defined from other similar projects. For this model is defined a volume of control that represents fluid flow. Due to the Reynolds number calculated, it is utilized a turbulence model in order to obtain the results. These results are: stresses and displacements of vertical bars; and profile of velocities of flow. The results are analyzed and discussed. After that, considering the simplified model, analyzes with seven different values of speed are executed in order to compare the results between the data calculated numerically by finite elements method, and the values obtained experimentally. Considering the model verified, an analysis, of an inclined trashrack subjected to a parallel flow, is presented.

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.

Com o atual desenvolvimento industrial e tecnológico da sociedade, a presença de substâncias inflamáveis e/ou tóxicas aumentou significativamente em um grande número de atividades. A possível dispersão de gases perigosos em instalações de armazenamento ou em operações de transporte representam uma grande ameaça à saúde e ao meio ambiente. Portanto, a caracterização de uma nuvem inflamável e/ou tóxica é um ponto crítico na análise quantitativa de riscos. O objetivo principal desta tese foi fornecer novas perspectivas que pudessem auxiliar analistas de risco envolvidos na análise de dispersões em cenários complexos, por exemplo, cenários com barreiras ou semi-confinados. A revisão bibliográfica mostrou que, tradicionalmente, modelos empíricos e integrais são usados na análise de dispersão de substâncias tóxicas / inflamáveis, fornecendo estimativas rápidas e geralmente confiáveis ao descrever cenários simples (por exemplo, dispersão em ambientes sem obstruções sobre terreno plano). No entanto, recentemente, o uso de ferramentas de CFD para simular dispersões aumentou de forma significativa. Estas ferramentas permitem modelar cenários mais complexos, como os que ocorrem em espaços semi-confinados ou com a presença de barreiras físicas. Entre todas as ferramentas CFD disponíveis, consta na bibliografia que o software FLACS® tem bom desempenho na simulação destes cenários. Porém, como outras ferramentas similares, ainda precisa ser totalmente validado. Após a revisão bibliográfica sobre testes de campo já executados ao longo dos anos, alguns testes foram selecionados para realização de um exame preliminar de desempenho da ferramenta CFD utilizado neste estudo. Foram investigadas as possíveis fontes de incertezas em termos de capacidade de reprodutibilidade, de dependência de malha e análise de sensibilidade das variáveis de entrada e parâmetros de simulação. Os principais resultados desta fase foram moldados como princípios práticos a serem utilizados por analistas de risco ao realizar análise de dispersão com a presença de barreiras utilizando ferramentas CFD. Embora a revisão bibliográfica tenha mostrado alguns dados experimentais disponíveis na literatura, nenhuma das fontes encontradas incluem estudos detalhados sobre como realizar simulações de CFD precisas nem fornecem indicadores precisos de desempenho. Portanto, novos testes de campo foram realizados a fim de oferecer novos dados para estudos de validação mais abrangentes. Testes de campo de dispersão de nuvem de propano (com e sem a presença de barreiras obstruindo o fluxo) foram realizados no campo de treinamento da empresa Can Padró Segurança e Proteção (em Barcelona). Quatro testes foram realizados, consistindo em liberações de propano com vazões de até 0,5 kg/s, com duração de 40 segundos em uma área de descarga de 700 m2. Os testes de campo contribuíram para a reavaliação dos pontos críticos mapeados durante as primeiras fases deste estudo e forneceram dados experimentais para serem utilizados pela comunidade internacional no estudo de dispersão e validação de modelos. Simulações feitas utilizando-se a ferramenta CFD foram comparadas com os dados experimentais obtidos nos testes de campo. Em termos gerais, o simulador mostrou bom desempenho em relação às taxas de concentração da nuvem. O simulador reproduziu com sucesso a geometria complexa e seus efeitos sobre a dispersão da nuvem, mostrando claramente o efeito da barreira na distribuição das concentrações. No entanto, as simulações não foram capazes de representar toda a dinâmica da dispersão no que concerne aos efeitos da variação do vento, uma vez que as nuvens simuladas diluíram mais rapidamente do que nuvens experimentais. / With the industrial and technological development of the present-day society, the presence of flammable and toxic substances has increased in a growing number of activities. Dispersion of hazardous gas releases occurring in transportation or storage installations represent a major threat to health and environment. Therefore, forecasting the behaviour of a flammable or toxic cloud is a critical challenge in quantitative risk analysis. The main aim of this dissertation has been to provide new insights that can help technological risks analysts when dealing with complex dispersion modelling problems, particularly those problems involving dispersion scenarios with barriers or semi-confined. A literature survey has shown that, traditionally, empirical and integral models have been used to analyse dispersion of toxic/flammable substances, providing fast estimations and usually reliable results when describing simple scenarios (e.g. unobstructed gas flows over flat terrain). In recent years, however, the use of CFD tools for simulating dispersion accidents has significantly increased, as they allow modelling more complicated gas dispersion scenarios, like those occurring in complex topographies, semi-confined spaces or with the presence of physical barriers. Among all the available CFD tools, FLACS® software is envisaged to have high performance when simulating dispersion scenarios, but, as other codes alike, still needs to be fully validated. This work contributes to the validation of FLACS software for dispersion analysis. After a literature review on historical field tests, some of them have been selected to undertake a preliminary FLACS performance examination, inspecting all possible sources of uncertainties in terms of reproducibility capacity, grid dependence and sensitivity analysis of input variables and simulation parameters. The main outcomes of preliminary FLACS investigations have been shaped as practical guiding principles to be used by risk analysts when performing dispersion analysis with the presence of barriers using CFD tools. Although the literature survey has shown some experimental data available, none of the works include detailed exercises giving new insights of how to perform accurate CFD simulations nor giving precise rates of FLACS performance. Therefore, new experiments have been performed in order to offer new sets of cloud dispersion data for comprehensive validation studies. Propane cloud dispersion field tests (unobstructed and with the presence of a fence obstructing the flow) have been designed and undertaken at Can Padró Security and Safety training site (Barcelona) by which intensive data on concentration has been acquired. Four tests were performed, consisting on releases up to 0.5 kg/s of propane during 40 seconds in a discharge area of 700 m2. The field tests have contributed to the reassessment of the critical points raised in the guiding principles and have provided experimental data to be used by the international community for dispersion studies and models validation exercises. FLACS software has been challenged against the experimental data collected during the field tests. In general terms, the CFD-based simulator has shown good performance when simulating cloud concentration. FLACS reproduces successfully the presence of complex geometry and its effects on cloud dispersion, showing realistic concentration decreases due to cloud dispersion obstruction by the existence of a fence. However, simulated clouds have not represented the whole complex accumulation dynamics due to wind variation, since they have diluted faster than experimental clouds.

A contribuição efetiva do presente trabalho de tese consiste na implementação de esquemas numéricos, MacCormak (1969) e Jameson e Mavriplis (1986), para resolução das equações de Euler no espaço tridimensional , segundo o contexto de volumes finitos e utilizando técnicas estruturadas e não estruturadas de discretização espacial. A aplicação direta seria para simulações de problemas físicos envolvendo, principalmente, escoamentos supersônicos e hipersônicos de "gás frio" em torno de configurações complexas. Em paralelo a este esforço, são apresentados técnicas de aceleração de convergência em uso comum pela comunidade de CFD e alguns operadores de dissipação artificial para esquemas numéricos com discretização espacial simétrica, com o propósito de averigüar suas características no tocante ao desempenho computacional e à qualidade global da solução.

Este trabalho simula numericamente o sistema de supressão de fogo em compartimento de carga de aeronaves; utilizando o halon 1301 (CBrF3) como agente extintor. Usando uma formulação simples baseada no método de parâmetros concentrados, obtém-se um modelo matemático para a evolução temporal das concentrações volumétricas de ar e halon. A seguir, esse sistema resultante de equações diferenciais ordinárias é implementado no Mathcad (programa que permite o processamento simbólico e possui uma interface gráfica de fácil manipulação) e a solução é obtida utilizando-se um esquema de Runge-Kutta de 4 ordem. O modelo é utilizado para verificar a influência que a variação de parâmetros como altitude, temperatura, volume, área de vazamento e taxa de infiltração de ar, exerce no desempenho do sistema. Os resultados obtidos mostram boa concordância com os resultados experimentais e satisfazem os requisitos de certificação do sistema de supressão de fogo. Em uma segunda análise a variação espacial e temporal da concentração volumétrica do agente extintor é simulada utilizando um programa de CFD. São obtidos resultados para a difusão e convecção de massa do agente extintor no interior do compartimento de carga e os valores médios de concentração do halon são comparados com os dados de ensaio e mostraram boa concordância. Conclui-se então, que os modelos utilizados podem ser ferramentas importantes nas análises preliminares de projetos, adaptação e modificação de sistemas supressores de compartimento de carga de aeronaves.

As bombas ejetoras são dispositivos apropriados para aspirar e bombear um fluido que pode ser líquido, gás ou vapor ou uma mistura bifásica. Tais dispositivos são caracterizados pela troca da energia cinética de uma corrente de fluido primária com a uma corrente de fluido secundária em uma câmara de mistura. Devido à simplicidade na estrutura, na ausência de partes móveis e na conveniência da manutenção, bombas ejetoras têm sido usadas extensivamente em muitos campos da Engenharia para várias finalidades. Bombas ejetoras são usadas principalmente em atividades como: bombeamento ou sucção de fluidos, dragas, bombeamento de produtos químicos, transporte de partículas sólidas grandes ou até mesmos produtos alimentícios. Uma bomba ejetora é geometricamente simples consistindo de 4 componentes principais: um bocal, câmara de sucção, garganta misturadora e difusor. Nesta dissertação, a ferramenta de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) foi utilizada para calcular o escoamento tridimensional no interior de uma bomba ejetora com dados geométricos e de desempenho disponíveis na literatura com o objetivo principal de avaliar a qualidade dos resultados obtidos. Para tanto as equações de conservação da massa, 2 Lei de Newton, conservação de energia e para o modelo de turbulência k- foram resolvidas utilizando o método de volumes finitos com um algoritmo segregado para o acoplamento dos campos de velocidade e pressão. Para obtenção da solução foi utilizado o código comercial Fluent versão 6.3.17. Os resultados numéricos obtidos para eficiência da bomba ejetora foram comparados com resultados experimentais e com os de uma formulação unidimensional onde os coeficientes de perda por atrito foram medidos experimentalmente nas seções da bomba ejetora ensaiada experimentalmente e simulada numericamente. Os resultados apresentaram boa concordância em toda a faixa disponível de resultados experimentais. A ferramenta de CFD também permitiu analisar os campos de velocidade e a distribuição de pressão nos componentes da bomba ejetora (bocal, garganta misturadora e difusor).

The present work describes the efforts towards the implementation of upwind schemes to simulate supersonic and hypersonic cold gás flows. The class of flux vector splitting schemes has been chosen, and the particular methods implemented are the van Leer and Liou schemes. Results for different freestream Mach numbers and mesh topologies are discussed in order to assess the comparative performance of the various spatial discretization schemes. The flow is modeled by 3-D Euler equations through the use of a cell centered, face-based data structure finite voluma method applied in an unstructured grid context. Time integration of the system of equations is performed using an explicit, 5-stage, Runge-Kutta scheme. Mesh refinement routines are available in the original code and they are able to handle tetrahedra, hexahedra, triangular-base prisms and square-base pyramids. The full multigrid procedure is also available in the base code to accelerate the convergence to steady state. In the present work, the author has studied possible forms of integrating the multigrid and the mesh refinement procedures, which were both originally available in the base code. The results obtained provide evaluation and comparison of the present methods with regard to oblique shock wave capturing, as well as the behavior of property values such as pressure, density and Mach number contours. Finally, the work presents a discussion on the relative characteristics of each method.

The objective of the present research work consists in studying complex aerodynamic flows about typical aerospace configuration, in which turbulence effects play a fundamental role. Such study is performed with an available computational tool that is being developed at CTA/IAE. This is a finite-volume code for unstructured 3-D meshes that solves the compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Turbulence effects are added to this numerical tool through turbulence models. Similar work had already been initiated by the author in his master thesis at ITA with less advanced model in that context. Turbulence effects are critical for complex aerospace configurations, such as supercritical or high-lift aerofoils, or space vehicles at atmospheric transonic or supersonic flight, and less advanced turbulence models fail to adequately describe such flows. The investment in more complex turbulence models, such as {em nonlinear} eddy viscosity and Reynolds-stress transport closures, is of fundamental importance to better capture such flows, which are very important in the context of the developments within the aerospace area at CTA/IAE and Embraer. Furthermore, in order to allow for a robust and efficient numerical framework, effort is also driven towards convergence acceleration techniques such as multigrid and variable time stepping procedures, as well as convective flux computation schemes suitable for boundary layer and shocked flows. These flux schemes must be robust and accurate even for highly stretched meshes that support these flow phenomena at reasonable computational costs. The validation of these new implementations, for the applications of interest, is performed by comparison of numerical results with experimental or theoretical data for several flow cases. Flows involving laminar boundary layers and shock waves are used to assess the quality of the convective flux computation schemes. Traditional turbulent-flow validation cases, such as the turbulent boundary layers over a flat plate or within a parallel-wall channel, are considered to address the level of physical representativeness of the chosen models. Finally, typical aerospace flows are evaluated with the best numerical settings resulting from the previously mentioned efforts. Such cases involve transonic and high-lift aerofoils, and transonic and supersonic flows about a space vehicle. In general, good agreement of numerical results with the reference data is obtained.

O escopo deste trabalho ée avaliar o efeito da cablagem na modelagem da distribuição de temperatura em equipamentos eletrônicos em racks de aeronaves através do uso de CFD (Computacional Fluid Dynamic). Para alcançar este objetivo, o estudo se concentra na simulação de quatro casos. Os casos padrão e sem ventilação que não consideram o efeito da cablagem. Os casos de velocidade constante e de pressão constante na entrada empregam o efeito do meio poroso. A cablagem ée modelada como um meio poroso, ou seja, um termo fonte ée adicionado nas equações da continuidade, de quantidade de movimento e de energia. O modelo de turbulência escolhido para a simulação ée o k- padrão por ser utilizado freqüentemente em escoamentos turbulentos semelhantes ao caso em estudo, além de reduzir esforços computacionais se comparado ao modelo das tensões de Reynolds ou o LES (Large Eddy Simulation). Uma malha de 93503 elementos ée gerada para a simulação. A partir das temperaturas experimentais, os fluxos de calor de cada equipamento são calculados e empregados como parâmetros de entrada para cada caso. O caso padrão e sem cablagem mostra o escoamento e a distribuição de temperaturas preliminares. O caso sem ventilação e sem cablagem, isto é, em uma condição sem entrada de ar condicionado indica que o efeito da convecção natural ée importante na distribuição de temperatura dos equipamentos. Dentro do caso de velocidade constante, o efeito do meio poroso ée verificado através do cálculo de diversos termos fonte, sendo que o aumento da pressão não afeta a distribuição de temperatura no interior do rack. No último caso, ou seja, de pressão constante com cablagem, diversos termos fontes são empregados e verifica-se que o aumento de velocidade na entrada modifica a distribuição de temperatura nos componentes. A existência de uma velocidade ótima foi notada, ou seja, um acréscimo na velocidade do escoamento na entrada do rack não altera mais a distribuição de temperatura dos equipamentos eletrônicos.