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.

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.

O presente estudo apresenta a análise numérica do escoamento do fluido de trabalho em uma turbina Tesla com rotor estacionário. O estudo de independência de malha prevê o uso de aproximadamente 2 milhões de volumes, com desempenho semelhante ao das malhas mais refinadas, apresentando uma economia significativa de esforço computacional. Três modelos de turbulência da abordagem RANS são aplicados com o objetivo de estabelecer uma metodologia para estudos futuros com dados experimentais. Os diferentes modelos de turbulência fornecem resultados para a predição do torque na turbina, com uma variação abaixo de 1 % entre si. Ar é usado como fluido de trabalho a pressão manométrica de 2,5 bar, alcançando velocidades no entorno de 310 m.s-1 na região da garganta do bocal e na região de jato livre, logo após a descarga do bocal. Essa condição permite afirmar que a turbina funciona na sua condição de máxima vazão, com o número de Mach próximo ao valor unitário, com escoamento compressível A velocidade na região interna entre discos chega a um valor máximo de 100 m.s-1. Na ausência de dados experimentais e de literatura, um estudo paramétrico com diferentes condições de operação da turbina é realizado a fim de verificar a qualidade dos resultados simulados. A vazão mássica é estimada com base na temperatura e pressão do fluido de trabalho, modelado como gás ideal. Os resultados preditos pelo modelo numérico para o torque no rotor é de 2,09 N.m com pressão manométrica de 1,5 bar e vazão mássica de 33,58 g/s, 2,22 N.m com pressão manométrica de 2,0 bar e vazão mássica de 40,29 g/s, e 2,38 N.m com pressão manométrica de 2,5 bar e vazão mássica de 53,73 g/s. A temperatura foi de 300 K mantida constante para as três análises. Para os casos analisados, o número de Mach na garganta do bocal convergente apresentou uma tendência ao valor unitário, variando entre 0,7 a 1, o que sugere que o bocal está trabalhando na sua condição máxima de vazão do fluido de trabalho. / The present study presents the numerical analysis of the working fluid flow in a Tesla turbine with stationary rotor. The mesh independence study predicts the use of approximately 2 million volumes, with similar performance to those most refined meshes, presenting a significant saving of computational effort. Several turbulence models of the RANS approach are applied with the aim of establishing a methodology for future studies with experimental data. The different turbulence models provide very close results for turbine torque prediction, with a variation below 1% between them. Air is used as working fluid at a pressure of 2.5 bar gauge, reaching velocities around 310 m.s-1 in the throat region of the nozzle and in the free jet region, just after the discharge of the nozzle. This condition allows to state that the turbine works in its maximum flow condition, with the Mach number close to unitary value, with a compressible flow The velocity in the inner region between disks reaches 100 m.s-1. In the absence of experimental data and literature, a parametric study with different operating conditions of the turbine is performed in order to verify the quality of the simulated results. The mass flow rate is estimated based on the temperature and pressure of the working fluid, modeled as the ideal gas. The results predicted by the numerical model for the torque in the rotor is 2.09 N.m with gauge pressure of 1.5 bar and a mass flow rate of 33.58 g/s, 2.22 N.m with gauge pressure of 2.0 bar and a mass flow rate of 40.29 g/s, and 2.38 N.m with gauge pressure of 2.5 bar and flow mass of 53.73 g/s. The temperature was 300 K kept constant for all three cases. For the analyzed cases, the Mach number in the throat of the convergent nozzle showed a tendency to the unit value, ranging from 0,7 to 1,0 which suggests that the nozzle is working in its maximum flow condition of the working fluid.

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

O formato do perfil de velocidades do vento varia de acordo com as características locais da superfície terrestre e de rugosidade do terreno, parâmetros que definem o perfil da Camada-Limite Atmosférica (CLA). As características do escoamento do ar atmosférico sobre e ao redor de acidentes geográficos, tais como morros e colinas, são de grande interesse para aplicações relacionadas à Engenharia de Turbinas e Parques Eólicos. No topo de morros, ocorre a aceleração do vento, fenômeno que pode representar um fator decisivo para a instalação de aerogeradores. Este trabalho dedica-se ao estudo do comportamento da CLA como função da inclinação e rugosidade superficial da elevação, fazendo uso da Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para construir perfis de velocidade do vento e de intensidade de turbulência. O problema de fechamento das Equações Médias de Reynolds (RANS) é contornado com o uso do modelo de turbulência k-ω SST; os resultados numéricos obtidos são comparados com dados experimentais medidos em túnel de vento sobre modelos em escala dos morros. São testados oito modelos de morros com declives que variam de 25° a 64° para dois tipos de categorias de terreno, em 2D e 3D, e são aplicados dois códigos analíticos para representar o perfil de velocidades de entrada. Resultados numéricos para os perfis de velocidade apresentam diferença inferior a 4% em relação aos respectivos dados obtidos experimentalmente. Os perfis de intensidade de turbulência apresentam diferença máxima na casa dos 7% em comparação aos dados experimentais, o que é explicado pelo fato de que não é possível inserir o perfil de entrada de intensidade de turbulência nas simulações numéricas. Em alternativa, foi usado um valor constante resultado da média dos valores dos perfis usados no túnel de vento. Os modelos de morro em 3D apresentam maior concordância nos resultados de velocidade que os modelos em 2D e que ademais quanto maior é a inclinação do morro maior é a concordância com as medições experimentais. / The shape of the wind velocity profile changes according to local features of terrain shape and roughness, which are parameters responsible for defining the Atmospheric Boundary Layer (ABL) profile. Air flow characteristics over and around landforms, such as hills, are of considerable importance for applications related to Wind Farm and Turbine Engineering. The air flow is accelerated on top of hills, which can represent a decisive factor for Wind Turbine placement choices. The present work focuses on the study of ABL behavior as a function of slope and surface roughness of hill-shaped landforms, using the Computational Fluid Dynamics (CFD) to build wind velocity and turbulent intensity profiles. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations are closed using the SST k-ω turbulence model; numerical results are compared to experimental data measured in wind tunnel over scale models of the hills under consideration. Eight hill models with slopes varying from 25° to 64° were tested for two types of terrain categories in 2D and 3D, and two analytical codes are used to represent the inlet velocity profiles. Numerical results for the velocity profiles show differences under 4% when compared to their respective experimental data. Turbulent intensity profiles show maximum differences around 7% when compared to experimental data, this can be explained by not being possible to insert inlet turbulent intensity profiles in the simulations. Alternatively, constant values based on the averages of the turbulent intensity at the wind tunnel inlet were used. The 3D models present greater concordance in the speed results than the 2D models and that in addition the greater the slope of the hill, the greater the agreement with the experimental measurements.

Neste trabalho, é apresentada a simulação de escoamentos compressíveis turbulentos no entorno de corpos móveis rígidos ou deformáveis empregando-se técnicas adaptativas. As simulações numéricas são conduzidas utilizando-se o método dos elementos finitos. A discretização espaço-temporal é desenvolvida através do método das linhas ou direções características (Characteristic-Based Split - CBS) e a modelagem da turbulência é feita através de um modelo de Simulação de Grandes Escalas (SGE, ou na terminologia em inglês, Large Eddy Simulation – LES) com o coeficiente de Smagorinsky variável no tempo e espaço (SGE ou LES dinâmico). A análise estrutural de corpos deformáveis imersos no fluido é realizada através de um modelo de elementos finitos triangulares para análise de placas e cascas com não linearidade geométrica, usando materiais elásticos com comportamento linear. Conjuntamente, um método de adaptação anisotrópica transiente de malhas é empregado para obter resultados com boa resolução a baixos custos computacionais. A consideração do movimento relativo de corpos imersos no escoamento é feita através de um método híbrido de movimento da malha que emprega interpolação com funções de base radial. Exemplos bidimensionais e tridimensionais são apresentados de forma a validar cada uma das metodologias desenvolvidas. Por fim, exemplos de simulações complexas são investigados, comparando-se os resultados obtidos com resultados experimentais e numéricos presentes na literatura. / In this work, the simulation of compressible turbulent flows around rigid and flexible moving bodies is presented using adaptative techniques. The numerical simulations are solved employing the finite element method. The space-time discretization is performed using the Characteristic-Based Split scheme (CBS) and turbulence is modelled with Large Eddy Simulation (LES) and a dynamic Smagorinsky sub-grid model. The structural analysis of deformable bodies immersed on the flow is performed using a triangular finite element model for the analysis of geometrically non-linear elastic plates and shells. An anisotropic mesh adaptation algorithm for transient simulations is coupled with the solver to achieve results with good resolution and low computational costs. The consideration of the relative movement of immersed bodies on the flow is performed employing an hybrid method of mesh movement based on radial basis function interpolation. Twodimensional and three-dimensional examples are presented in order to validate the proposed methodologies. Finally, complex simulations are investigated, where results are compared with experimental and numerical data available in the literature.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins RS Part 1.pdf: 212782 bytes, checksum: 40ca14a4b97179f5b3af71f964306b97 (MD5) Previous issue date: 2012-05-23 / Oil and gas industry requires accurate flow measurements since they are stated by law. Nevertheless, curves and other obstacles are commonly found in such industry field, which may affect the quality of flow measurement due to flow disturbances, such as swirl and velocity profile asymmetries. Single-path ultrasonic flow meters are often used in flare gas installations, despite being sensitive to such disturbances. The present work use commercial CFD codes to obtain disturbed flow fields downstream from single and double elbow pipe installations, aiming to investigate both magnitude and behaviour of such effects on ultrasonic flow measurement. Numerical integration is applied for several acoustic path arrangements, simulating single-path ultrasonic flow meters in different situations in order to evaluate its correction factor deviation under disturbed conditions. Reynolds numbers from 1X10 4 to 2 X10 6 are considered. Transducers mounting angles from 0° to 180° are tested and axial positions up to 80D downstream from the curve are evaluated. Results indicate that single-path ultrasonic flow meters are sensitive to installation effects. Correction factor deviations usually showed to be significantly higher than 2% for axial positions shorter than 20D, as recommended by several manufacturers or regulations. Nevertheless, deviations may reach 0.01% in some specific configurations, which suggests that ultrasonic flow measurement might be improved by rearranging flow meter device in favourable angular position and mainly by implementation of specific functions for correction factors under disturbed conditions / A indústria de petróleo e gás requer medições de vazão de baixa incerteza, uma vez que são estabelecidas por lei. Contudo, curvas e outros obstáculos são comumente encontrados nesse cenário e podem afetar a qualidade da medição de vazão em função de perturbações no escoamento, tais como swirl e assimetrias no perfil de velocidades. Medidores de vazão por ultrassom de um canal são frequentemente utilizados em instalações de gás de queimadores, apesar de serem sensíveis a tais perturbações. O presente trabalho usa códigos comerciais de CFD para obter o escoamento à jusante de instalações com uma curva e duas curvas, visando a investigar a magnitude e o comportamento de tais efeitos na medição de vazão. Integração numérica é utilizada para diversos arranjos de caminho acústico, simulando medidores de vazão por ultrassom de um canal em várias condições para avaliar o desvio do fator de correção em escoamentos perturbados. Números de Reynolds de 1×10 4 a 2×10 6 são considerados. Ângulos de montagem dos transdutores de 0° a 180° são testados e posições axiais até 80D à jusante do obstáculo são avaliadas. Os resultados indicam que medidores de vazão por ultrassom são sensíveis aos efeitos de acidente de linha. O desvio do fator de correção mostra-se, em geral, consideravelmente maior que 2% em distâncias menores que 20D, conforme recomendado por alguns fabricantes e por leis. Não obstante, tais desvios podem atingir 0,01% em algumas configurações específicas, o que sugere que a medição de vazão por ultrassom pode ser melhorada pelo rearranjo do aparato em posição angular favorável e, principalmente, pela implementação de funções específicas para fatores de correção em condições perturbadas

RESUMO Simulações de aeroacústica computacional demandam uma quantidade considerável de tempo, o que torna complicada a realização de estudos paramétricos. O presente trabalho propõe uma metodologia viável para otimização aeroacústica. Através da análise numérica utilizando dinâmica dos fluidos computacional, foi estudada a aplicação de uma placa separadora desacoplada como método de controle passivo da esteira turbulenta de um cilindro e avaliou-se a irradiação de ruído causado pela interação do escoamento com ambos os corpos, empregando ferramentas de aeroacústica computacional baseadas no método de Ffowcs-Williams e Hawkings. Algumas abordagens distintas de metodologias de otimização de projeto foram aplicadas neste problema, com o objetivo de chegar a uma configuração otimizada que permita a redução do nível sonoro ao longe. Assim, utilizando uma ferramenta de otimização multidisciplinar, pode-se avaliar a capacidade de modelos heurísticos e a grande vantagem do emprego de algoritmos baseados em método de superfície de resposta quando aplicados em um problema não linear, pois requerem a avaliação de um menor número de alternativas para se obter um ponto ótimo. Além disso, foi possível identificar e agrupar os resultados em 5 clusters baseados em seus parâmetros geométricos, nível de pressão sonora global e o valor quadrático médio do coeficiente de arrasto, confirmando a eficiência da aplicação de placas separadoras longas desacopladas posicionadas próximas ao cilindro na estabilização da esteira turbulenta, enquanto que o posicionamento de placas acima de um espaçamento crítico aumentou o nível de pressão acústica irradiado devido à formação de vórtices no espaço entre o cilindro e a placa separadora. / Computational aeroacoustics simulations require a considerable amount of time, which makes the comparison of a large number of different geometric designs a difficult task. The goal of the present study is to provide a suitable methodology for aeroacustic optimization. By means of numerical analyses using computational fluid dynamics tools, the application of a detached splitter plate as a passive control method for the turbulent wake of a circular cylinder was investigated. The irradiation of noise caused by the interaction between the flow and both bodies was evaluated using computational aeroacoustics tools based on the Ffowcs-Williams and Hawkings method. Various design optimization methodologies were applied to this flow in order to achieve a possible optimal configuration, i.e., one which is capable of reducing the far field noise level without increasing the aerodynamic forces. Using a multidisciplinary optimization tool, it was possible to evaluate the behavior of heuristic optimization algorithms and the major advantage of algorithms based on response surface methods when applied to a nonlinear aeroacoustics problem, since they require a smaller number of calculated designs to reach the optimal configuration. In addition, it was possible to identify and group the outcomes into 5 clusters based on their geometric parameters, overall sound pressure level and drag coefficient, confirming the efficiency of the application of long detached splitter plates placed next to the cylinder in stabilizing the turbulent wake, whereas the positioning of splitter plates at a distance larger than a critical gap increased the overall sound pressure level radiated due to the formation of vortices in the gap.