Este trabalho consiste na aplicação de métodos de otimização e de dinâmica dos fluidos computacional a turbinas eólicas. O grande crescimento no mercado de energias renováveis exige que turbinas cada vez mais potentes sejam criadas e que o projeto e análise destas seja cada vez mais preciso. A presente dissertação tem como objetivos a otimização um aerofólio para turbinas eólicas, a simulação de um aerofólio de uma turbina eólica com alto ângulo de ataque e a simulação de uma turbina tridimensional. A otimização de aerofólios foi feita com simulações bidimensionais permanentes, utilizando as equações médias de Reynolds e o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras, com algoritmos genéticos acoplados a redes neurais artificiais. O cálculo de um aerofólio com alto ângulo de ataque foi feito utilizando simulações de grandes escalas com o modelo dinâmico de Smagorinsky. As simulações de uma turbina tridimensional foram feitas empregando as equações médias de Reynolds em forma permanente, com um termo adicional representando as forças de Coriolis, também com o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras. Da primeira etapa pode-se concluir que as simulações bidimensionais permanentes são muito precisas para o aerofólio de referência, com boa concordância nos coeficientes de arrasto, sustentação e pressão. Os algoritmos genéticos geraram bons resultados, com cerca de 8% de aumento da razão sustentação/arrasto e com aproximadamente 50% de economia no tempo computacional ao se utilizar redes neurais artificiais. Na segunda etapa, o cálculo de um aerofólio com alto ângulo de ataque demonstrou necessidade de simulações tridimensionais transientes, pela alta variação dos coeficientes aerodinâmicos ao longo do tempo e alta tridimensionalidade da esteira. Na última etapa, a simulação de uma turbina tridimensional mostrou resultados muito próximos dos experimentais. Muita atenção foi dada na discretização deste caso, chegando a uma malha com 700 mil elementos, enquanto outros autores utilizaram de 3 a 38 milhões de elementos para o mesmo caso. / The present work consists in the application of optimization methods and computational fluid dynamics to wind turbines. The massive growth in renewable energies demands more powerful turbines and more accuracy in their design and analysis. This work has three objectives: optimization of an airfoil for wind turbines, simulation of a wind turbine airfoil in deep stall, and simulation of a three-dimensional wind turbine. The airfoil optimization is accomplished by means of two-dimensional steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulations with the Spalart-Allmaras turbulence model, with genetic algorithms coupled with artificial neural networks. The airfoil in deep stall is calculated with unsteady three-dimensional Large Eddy Simulations with the dynamic Smagorinsky model. The simulation of a wind turbine is also done by means of the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, with an additional term to take the Coriolis forces into account, and the Spalart-Allmaras turbulence model. In the first application, it can be confirmed that the two-dimensional steady state simulations are very accurate for the reference airfoil, with good agreement for drag, lift, and pressure coefficients. Genetic algorithms improved the lift-to-drag ratio about 8%, with a 50% decrease in computational time when using artificial neural networks. For the second application, the airfoil with a high angle of attack showed that transient three-dimensional simulations were indeed required, with a high variation of aerodynamic coefficient as a function of time and the highly three-dimensional wake. In the final part, the three-dimensional wind turbine showed very good agreement with experimental results. A great deal of attention was devoted to the creation of the grid and a mesh with only 700 thousand elements was achieved, while other authors used from 3 to 38 million elements for the same case.

Nos últimos anos, a utilização da energia eólica vem apresentando uma tendência de aumento. 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 com terrenos complexos 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 uma superfície de topografia complexa. Resultados numéricos com diferentes alternativas de modelagem do problema são comparados com dados de um experimento em túnel de vento, visando determinar a metodologia adequada para avaliação do problema proposto. As simulações numéricas do escoamento de ar sobre o terreno 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). O estudo é dividido em três casos. No primeiro caso, a rugosidade superficial é negligenciada e o problema de fechamento é contornado com a utilização do modelo de turbulência k ω SST. No segundo caso, a rugosidade superficial é estipulada de acordo com modelo utilizado no ensaio experimental e o problema de fechamento é contornado com a utilização do modelo de turbulência k - ε. No terceiro caso, a rugosidade superficial também é estipulada de acordo com modelo utilizado no ensaio experimental e o problema de fechamento é contornado com a utilização do modelo de turbulência k ω SST. Os resultados das simulações são apresentados de forma que se possa observar o perfil de velocidades adimensional sobre a superfície da geometria para cada caso, para que seja possível verificar o campo de velocidades sobre a superfície em estudo. O resultado das simulações são comparados com dados experimentais obtidos em túnel de vento: verifica-se um comportamento similar nos perfis de velocidade alcançados. Através da análise do campo de velocidades sobre a superfície em estudo, pode-se obter a localização que apresenta o melhor potencial eólico de uma região. Este processo é conhecido como Micrositing. / In recent years the use of wind energy has shown an increasing. A key aspect to determine the technical and economic viability for the wind power plant is the accurate assessment of the distribution of wind speeds in the area of utilization. The installation of wind turbines in areas with complex terrain has determined the necessity of improve the methodology for the prediction of wind velocity field in order to better determine the distribution of equipment and utilization of existing potential. 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 a model of a complex surface topography. Numerical results with different alternatives for modeling the problem are compared with data from an experiment in wind tunnel to determine the appropriate methodology for evaluation of the problem. The numerical simulations of the air flow over the terrain are performed using the ANSYS Fluent 13.0 which uses the finite volumes method for solving the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equation. The study is divided in three cases. In the first one, the surface roughness is neglected and the closure problem is solved by k ω SST turbulence model. In the second case, the surface roughness is stipulated according to the model used in the experimental test and the closure problem is solved by k ε turbulence model. In the third case, the surface roughness is stipulated according to the model used in the experimental test and the closure problem is solved by k ω SST turbulence model. The simulation results are presented so that one can observe the dimensionless velocity profile on the surface in each case in order to check the velocity field on the surface under investigation. These results are compared with experimental data obtained in wind tunnel which shows consistency with them. By analyzing the velocity field on the surface, it can be verified that the exact location where there is the best wind potential of a region. This process is called Micrositing.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre o desempenho de trocadores de calor com microcanais. Primeiramente, para a verificação da ferramenta numérica, uma comparação com um estudo experimental conhecido é realizado. Em seguida, aperfeiçoamentos disponíveis na literatura são testados e comparados. As simulações numéricas são realizadas com o software Fluent utilizando o Método dos Volumes Finitos (MVF). O resultado numérico da resistência térmica do dissipador do estudo experimental em que a primeira parte desse trabalho foi baseada ficou em 0,097 °C/W (com uma temperatura máxima de 373 K), enquanto o resultado experimental ficou em 0,090 °C/W, o que representa uma diferença de 7,2 %. São realizados aperfeiçoamentos integrando o trocador de calor a um sistema de refrigeração. Isso reduz a temperatura de entrada e, consequentemente, a temperatura máxima encontrada no sistema (350 K para uma mesma potência dissipada) não havendo mudança na resistência térmica, porém trazendo um ganho em confiabilidade. São apresentadas mudanças na geometria do dissipador diminuindo a área de entrada, com uma sensível piora nos resultados da resistência térmica, fazendo com que a resistência aumentasse de 0,097 °C/W para o canal original para 0,272 °C/W para o canal com menor altura. Apresenta-se um trocador de calor cujos microcanais em suas dimensões longitudinais possuem ondulações, porém os efeitos esperados de melhor mistura e maior área de contato para o fluxo de calor não foram observados para as condições de contorno do experimento original; a resistência térmica calculada foi de 0,102 °C/W. A última análise apresenta uma idealização onde o fluxo de calor é distribuído uniformemente no volume de silício, encontrando-se uma resistência térmica de 0,084 °C/W. / This paper presents a numerical study on the performance of heatsinks with microchannels. For the validation of the numerical tool, a comparison with a known experimental study is carried out, then improvements available in the literature on the subject are tested and compared. The numerical simulations are performed with the Fluent software using the Finite Volumes Method (MVF). The numerical result of the thermal resistance of the heatsink from the experimental study which the first part of this paper is based was 0.097 °C/W, whereas the experimental result was 0.090 °C/W (with a maximum temperature of 373 K), representing a difference of 7.2%. An improvement is performed by integrating the heatsink to a HVAC (Heating, ventilation and air conditioning) system, which lowers the inlet temperature and consequently lowers the highest temperature found in the system (350 K for the same dissipated power) without changing the thermal resistance, but providing gains in reliability. Changes in the heatsink geometry are presented by decreasing the inlet area, with a significant worsening in the thermal resistance results, causing the resistance to vary from 0.097 °C/W for the original channel to 0.272 °C/W for the channel that has the lowest height. A heatsink whose microchannels have waves in their longitudinal dimensions is shown, but the expected effects of better mixing and greater contact area for the heat flux were not observed for the boundary conditions of the original experiment, the calculated thermal resistance was of 0.102 °C/W. The last analysis presents an idealization where the heat flux is evenly distributed in the silicon volume, with a thermal resistance of 0.084 °C/W.

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.

The work presents a study of correction techniques to compute unsteady transonic pressure distributions and aeroelastic stability in this flow regime. The methodologies herein investigated are based on corrections of pressure distributions by the weighting of the lifting surface self-induced downwash, resulting from aeroelastic structural displacements or prescribed motions. A number approaches were investigated. An investigation into the linear/nonlinear behavior of unsteady transonic flows was also conducted. It was concluded from such investigation that unsteady transonic flows present a linear behavior with respect to small aeroelastic structural displacements around a steady nonlinear mean flow. Such behavior is the basis for further development of downwash correction methods.The correction of pressure distributions through the weighting of the lifting surface self-induced downwash is also known as downwash weighting method. This method has been enhanced leading to a new downwash correction technique. The procedure may be divided in two steps, where the first step is a nonlinear steady mean flow correction, with nonlinear pressure differences considered as reference conditions to correct the self induced downwash. The second step is the correction of the unsteady component of the downwash, where the corresponding reference unsteady pressure differences are predicted by a linear aerodynamic model, based on the potential flow equations.This extended downwash correction method led to a rational formulation named as "successive kernel expansion method" (SKEM). The unsteady pressures and aeroelastic stability boundaries computations using such method led to good agreement with experimental measurements. This procedure is a rapid form to compute the transonic flutter speed boundaries, compared to computational aeroelasticity and experimental techniques.

A computer code was developed from scratch to simulate the flow over the NACA 0012 airfoil at different Reynolds and Mach numbers. The domain was discretized in a structured-grid context. The equations were numerically solved by a finite-volume technique, using three different time-marching schemes. The Euler flow was initially modeled as well as a Reynolds-averaged Navier Stokes formulation was calculated. The Baldwin and Lomax turbulence model was employed to close the problem. The influence of a number of numerical parameters upon the computational solutions was investigated in the first phase of the work. The inviscid simulations were compared with other numerical results available in the literature. Each modification is thoroughly described and compared to the base-line case. Conclusions were drawn regarding how each of these chances affected the final result. The last Euler simulation was done using the Jameson, MacCormack and the Shu schemes in order to select the most appropriate one of the three to be employed to solve the Reynolds-averaged Navier Stokes equations. The viscous flow simulations started with the incompressible, laminar flow over a flat plate. The implementation of the viscous terms was validated calculating and comparing the results with the known Blasius analytical solution. Finally, the compressible, turbulent viscous flow over the NACA 0012 airfoil was numerically solved. The pressure coefficient distribution along the airfoil chord and the normal force coefficient were compared with experimental data due to Harris.

Este trabalho apresenta uma simulação numérica da propagação de fumaça no interior do compartimento de carga dianteiro de uma aeronave Boeing 707 (B707) utilizando a técnica de CFD. As equações de conservação da Energia, da Massa, da Quantidade de Movimento e Concentração de Espécies (fuligem, CO e CO2) são resolvidas numericamente considerando as espécies como Escalares Passivos. A turbulência é tratada com base na hipótese de viscosidade turbulenta empregando-se o modelo k - e. Realizável. Para validar o procedimento do modelo proposto, são comparados os resultados numéricos utilizando o código Fluent e os experimentais fornecidos pelo FAA e também os resultados de simulação em CFD obtidos a partir de um código desenvolvido em parceria entre o FAA e a empresa Sandia National Laboratories. Um estudo de refinamento de malha é também apresentado com o intuito de garantir uma solução de compromisso entre qualidade dos resultados numéricos e o tempo computacional gasto. O modelo aqui apresentado tem potencial para ser utilizado no processo de certificação de aeronaves, diminuindo o número de ensaios típicos de fumaça exigidos pelos órgãos certificadores.

Este trabalho é parte importante de esforços contínuos que vêm sendo empreendidos pelo ITA e pelo IAE em desenvolver uma ferramenta numérica capaz de simular escoamentos hipersônicos em condição de não equilíbrio termodinâmico e químico. O interesse, além de desenvolver e adquirir conhecimento sobre códigos numéricos abrangentes, é auxiliar o projeto aerotermodinâmico do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica). O trabalho, contudo, não está endereçado especificamente a configurações de reentrada. Validações do código numérico já haviam sido realizadas com sucesso em simulações de escoamentos hipersônicos sobre diedros e mistura reativa formada por hidrogênio e ar. Entretanto, dificuldades foram observadas na simulação de um escoamento em regime permanente sobre um corpo rombudo e mistura reativa formada também por hidrogênio e ar em proporção estequiométrica. A onda de detonação é induzida pela onda de choque e, na solução experimental, está visualmente destacada da onda de choque. Na solução numérica, não foi possível observar esse destacamento. A dinâmica dos fluidos foi modelada pelas equações de Euler e a velocidade de reação química pela lei de Arrhenius. O algoritmo de discretização espacial empregado foi o método de segunda ordem de precisão proposto por Liou, conhecido como AUSM+, implementado em um contexto de volumes finitos e malhas não estruturadas. A evolução temporal é realizada separadamente para a parte da dinâmica dos fluidos e para a parte química. O método de discretização temporal da dinâmica dos fluidos utilizado foi o esquema de segunda ordem de precisão de Runge-Kutta, com cinco estágios no tempo. Para a integração da parte química, utilizou-se o código numérico VODE. O cálculo das velocidades de reação química é feito pelo código CHEMKIN-II. Duas metodologias para o acoplamento da parte química com a dinâmica dos fluidos foram empregadas. Na primeira, o acoplamento é feito pelo processo de separação do passo de tempo de Strang. A segunda é um método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho, no qual o acoplamento é realizado através do uso de partículas lagrangeanas. A mistura reativa é formada por H2 e ar. O mecanismo de cinética química selecionado foi o de Balakrishnan e Williams. O presente trabalho analisa essas dificuldades, faz uma proposta de solução e substancia, implementa e apresenta a validação dessa proposta. O método híbrido lagrangeano/euleriano proposto no presente trabalho difere da formulação teórica usual no que se refere ao acoplamento da química nas equações da dinâmica dos fluidos. Com essa nova formulação, a parte referente à dinâmica dos fluidos continua considerando as propriedades médias centradas nos volumes, ao passo que o cálculo da parte química deixa de considerar valores médios das frações mássicas. Também é demonstrado neste trabalho que malhas estruturadas de quadriláteros são preferíveis a malhas não estruturadas.

O controle de temperatura de equipamentos eletrônicos tem sido objeto de vários trabalhos, e graças ao desenvolvimento tecnológico algumas ferramentas surgiram, possibilitando detalhados estudos em diversas áreas da engenharia. CFD (Computational Fluid Dynamics) é uma ferramenta de grande importância e cada vez mais utilizada quando se deseja estudar a dinâmica dos fluidos e a transferência de calor. O presente trabalho mostra o uso da ferramenta CFD para o estudo do resfriamento do compartimento de uma aeronave, composto de 11 equipamentos eletrônicos que dissipam calor com diferentes potências e 3 exaustores. São apresentadas também as simulações que foram feitas de modo a estudar o impacto da inversão dos sentidos dos exaustores, localizados na parede lateral do compartimento, que passaram a funcionar como ventiladores. Os resultados obtidos para os campos de escoamento de ar e temperatura mostraram quais configurações fornecem menores valores de temperatura média no "rack" de componentes eletrônicos e não comprometem a temperatura operacional desses equipamentos. Esses resultados também forneceram subsídios para verificar a ocorrência de correntes de ar "parasitas", refluxo no escoamento de ar e posicionamento mais adequado para uma melhor distribuição do ar no interior do "rack". Deste modo, a ferramenta se mostrou adequada para o que foi proposto no estudo.

O presente trabalho consiste na simulação numérica de mecânica dos fluidos do escoamento presente na cabine de passageiros e galleys de uma aeronave de passageiros típica. Para a simulação numérica foi utilizado o software CATIA para a construção da geometria da cabine de passageiros e galleys, o ICEMCFD para a geração da malha não igualmente espaçada e o FLUENT para a solução da simulação numérica e visualização dos resultados. Na malha numérica incluiu-se a geometria dos assentos e passageiros, bem como os bagageiros e móveis das galleys dianteira e traseira. Incluiu-se uma superfície de simetria ao longo da geometria como hipótese simplificadora. A malha é do tipo não-estruturada com 3.700.000 elementos tetraédricos com maior refino em pontos onde se suspeita que haja maiores gradientes das propriedades envolvidas. Quanto às formulações matemática e numérica, as equações da conservação da massa, quantidade de movimento e modelo de turbulência do tipo k-? foram incluídas. Admitiu-se como fluido o ar atmosférico a propriedades constantes e isotérmico, solução segregada, acoplamento pressão-velocidade do tipo SIMPLE, e esquemas de discretização UPWIND de primeira e segunda ordem foram considerados. A simulação apresentou convergência satisfatória. Os resultados do campo de velocidades apresentaram-se dentro das expectativas.