Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Neste trabalho desenvolvemos um algoritmo para a geração de malhas quadtree com o objetivo de utilizá-las na simulação de escoamento de fluidos, onde muitas vezes faz-se necessário o uso de malhas finas. A idéia central da geração das malhas quadtree está baseada na estrutura de árvore quaternária em que cada nodo possui quatro filhos. Assim uma estrutura de árvore está associada a uma malha que pode ter espaçamento uniforme ou refinamento em regiões específicas. Para evitar problemas de discretização, uma malha quadtree deve satisfazer um critério chamado de balanceamento e este é tratado de forma detalhada no desenvolvimento do trabalho. Podemos destacar também outro ponto importantíssimo na implementação de malhas quadtree, que é a busca de vizinhos dos nodos. Além disso apresentamos a discretização dos operadores em diferenças finitas, que é feita a partir do conhecimento dos vizinhos dos quadrantes da malha e de técnicas de interpolação. A ordem do método é verificada a partir de testes com a equação do calor, tanto para malhas uniformes quanto para malhas com níveis de refinamento diferenciados e concluímos, assim, que o método desenvolvido e apresentado é satisfatório. / In this work we developed an algorithm to generate meshes quadtree in order to use them to simulate uid ow, which often makes it necessary to use ne meshes. The central idea of the generation of quadtree meshes is based on the quaternary structure of the tree, where each node has four children, and thus a tree structure is associated with a mesh that can be evenly or locally re ned. To avoid problems of discretization, a quadtree mesh must satisfy a criterion called the balancing and this is addressed in detail in the development of this work. We also highlight another important point in the implementation of quadtree meshes, which is the search for neighboring nodes. Additionally, we present the nite di erences discretization of operators, which uses the knowledge of the mesh quadrant neighboors and interpolation techniques. The order of the method is checked by tests with the heat equation for both uniform meshes and for meshes with di erent levels of re nement and we conclude that method here presented is satisfactory.

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

A indústria automotiva vem dando muita atenção à área de dinâmica dos fluidos computacional, pois simular os efeitos do escoamento em geometrias automobilísticas ou através de peças componentes do motor vem a auxiliar na concepção dos projetos. Com o estudo da dinâmica dos fluidos, criar protótipos e realizar testes experimentais exaustivamente já não é necessário, o que implica em diminuir os custos de projeto. O presente trabalho consiste em modelar o escoamento através de um coletor semelhante ao presente num motor. O modelo é composto pelas equações de conservação da massa e de Navier-Stokes, sujeitas a condições iniciais e de contorno apropriadas. Elas são transformadas para o sistema de coordenadas generalizadas, discretizadas em diferenças finitas e, iterativamente, obtém-se as componentes do vetor velocidade satisfazendo a pressão em todo o domínio. Os resultados obtidos comparam adequadamente com dados experimentais e analíticos encontrados na literatura. / The automotive industry is paying more attention at computational fluid dynamics nowadays, because to simulate the flow over automobile geometries or engine components helps the design of such components. With the fluid dynamics analysis many experimental tests are not more necessary, reducing design costs. The aim of the present work is to model the flow through an intake system similar to the one found in an engine. The model is based on the mass conservation and N-Stokes equations, submitted to appropriate initial and boundary conditions. They are transformed into their generalized form, aproximated by finite differences and solved (iteratively) in order to obtain velocity fields satisfying pressure gradients over all domain. Obtained results showed to compare well with numerical and analytical data found in the literature.

Neste trabalho desenvolvemos um algoritmo para a geração de malhas quadtree com o objetivo de utilizá-las na simulação de escoamento de fluidos, onde muitas vezes faz-se necessário o uso de malhas finas. A idéia central da geração das malhas quadtree está baseada na estrutura de árvore quaternária em que cada nodo possui quatro filhos. Assim uma estrutura de árvore está associada a uma malha que pode ter espaçamento uniforme ou refinamento em regiões específicas. Para evitar problemas de discretização, uma malha quadtree deve satisfazer um critério chamado de balanceamento e este é tratado de forma detalhada no desenvolvimento do trabalho. Podemos destacar também outro ponto importantíssimo na implementação de malhas quadtree, que é a busca de vizinhos dos nodos. Além disso apresentamos a discretização dos operadores em diferenças finitas, que é feita a partir do conhecimento dos vizinhos dos quadrantes da malha e de técnicas de interpolação. A ordem do método é verificada a partir de testes com a equação do calor, tanto para malhas uniformes quanto para malhas com níveis de refinamento diferenciados e concluímos, assim, que o método desenvolvido e apresentado é satisfatório. / In this work we developed an algorithm to generate meshes quadtree in order to use them to simulate uid ow, which often makes it necessary to use ne meshes. The central idea of the generation of quadtree meshes is based on the quaternary structure of the tree, where each node has four children, and thus a tree structure is associated with a mesh that can be evenly or locally re ned. To avoid problems of discretization, a quadtree mesh must satisfy a criterion called the balancing and this is addressed in detail in the development of this work. We also highlight another important point in the implementation of quadtree meshes, which is the search for neighboring nodes. Additionally, we present the nite di erences discretization of operators, which uses the knowledge of the mesh quadrant neighboors and interpolation techniques. The order of the method is checked by tests with the heat equation for both uniform meshes and for meshes with di erent levels of re nement and we conclude that method here presented is satisfactory.

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

A indústria automotiva vem dando muita atenção à área de dinâmica dos fluidos computacional, pois simular os efeitos do escoamento em geometrias automobilísticas ou através de peças componentes do motor vem a auxiliar na concepção dos projetos. Com o estudo da dinâmica dos fluidos, criar protótipos e realizar testes experimentais exaustivamente já não é necessário, o que implica em diminuir os custos de projeto. O presente trabalho consiste em modelar o escoamento através de um coletor semelhante ao presente num motor. O modelo é composto pelas equações de conservação da massa e de Navier-Stokes, sujeitas a condições iniciais e de contorno apropriadas. Elas são transformadas para o sistema de coordenadas generalizadas, discretizadas em diferenças finitas e, iterativamente, obtém-se as componentes do vetor velocidade satisfazendo a pressão em todo o domínio. Os resultados obtidos comparam adequadamente com dados experimentais e analíticos encontrados na literatura. / The automotive industry is paying more attention at computational fluid dynamics nowadays, because to simulate the flow over automobile geometries or engine components helps the design of such components. With the fluid dynamics analysis many experimental tests are not more necessary, reducing design costs. The aim of the present work is to model the flow through an intake system similar to the one found in an engine. The model is based on the mass conservation and N-Stokes equations, submitted to appropriate initial and boundary conditions. They are transformed into their generalized form, aproximated by finite differences and solved (iteratively) in order to obtain velocity fields satisfying pressure gradients over all domain. Obtained results showed to compare well with numerical and analytical data found in the literature.

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

A indústria automotiva vem dando muita atenção à área de dinâmica dos fluidos computacional, pois simular os efeitos do escoamento em geometrias automobilísticas ou através de peças componentes do motor vem a auxiliar na concepção dos projetos. Com o estudo da dinâmica dos fluidos, criar protótipos e realizar testes experimentais exaustivamente já não é necessário, o que implica em diminuir os custos de projeto. O presente trabalho consiste em modelar o escoamento através de um coletor semelhante ao presente num motor. O modelo é composto pelas equações de conservação da massa e de Navier-Stokes, sujeitas a condições iniciais e de contorno apropriadas. Elas são transformadas para o sistema de coordenadas generalizadas, discretizadas em diferenças finitas e, iterativamente, obtém-se as componentes do vetor velocidade satisfazendo a pressão em todo o domínio. Os resultados obtidos comparam adequadamente com dados experimentais e analíticos encontrados na literatura. / The automotive industry is paying more attention at computational fluid dynamics nowadays, because to simulate the flow over automobile geometries or engine components helps the design of such components. With the fluid dynamics analysis many experimental tests are not more necessary, reducing design costs. The aim of the present work is to model the flow through an intake system similar to the one found in an engine. The model is based on the mass conservation and N-Stokes equations, submitted to appropriate initial and boundary conditions. They are transformed into their generalized form, aproximated by finite differences and solved (iteratively) in order to obtain velocity fields satisfying pressure gradients over all domain. Obtained results showed to compare well with numerical and analytical data found in the literature.

Neste trabalho estudamos a existência de soluções de equações do tipo Navier-Stokes com retardo na força externa e no termo n~ao linear. Usando a teoria de semigrupos estudamos a existência de soluções para um problema da forma \'d. SUP. dt u(t) - v\'delta\'u(t) + (F(t, \'u IND.t\'). abla)u(t) + abla p = g(t, \'u IND.t\'), em \'OMEGA\' x (0, T), div u(t) = 0 em \'OMEGA\' x (0, T), u(0, x) = \'u POT.0 (x) x PERTENCE a \' OMEGA\', u(t, x) = 0 t > 0, X \'PERTENCE A\' \' PARTIAL\' \'OMEGA\', u(t, x) =\\phi (t, x) t \'PERTENCE A\' (- \'INFINITO\', 0) x \'PERTENCE A\' \'OMEGA\', onde F9t, \'uIND.t) = INT.IND.t SUP. -\' INFINITO\' \' ALFA1(s-t)u(s)ds + u(t-r), g(t, \'u IND.t\') = INT. SUP. t IND. - INFINITO \'BETA\' (s-t)u(s)ds. Similarmente, usando a tecnica de aproximac~oes de Galerkin, estudamos o problema anterior com F(.) e g(.) dadas por f(t; \'u INDS.t\') = u(t-r(t)); e g(t; \'u IND.t\') = G(u(t-\'rô\' (t))), para alguma função G apropriada. Neste caso, também estudamos a estabilidade de soluções estacionarias / In this work we stuy the existence of solutions for a Navier-Stokes typt equations with delay in the external force and in the nonlinear term. Using the semi-group theory we study the existence of solution for a problem in the form \'d. SUP. dt u(t) - v\'delta\'u(t) + (F(t, \'u IND.t\'). abla)u(t) + abla p = g(t, \'u IND.t\'), ijn \'OMEGA\' x (0, T), div u(t) = 0 in \'OMEGA\' x (0, T), u(0, x) = \'u POT.0 (x) x \'IT BELONGS \' OMEGA\', u(t, x) = 0 t > 0, X \'IT BELONGS\' \'PARTIAL\' \'OMEGA\', u(t, x) =\\phi (t, x) t \'IT BELONGS\' (- \'INFINITY\', 0) x \'IT BELONGS\' \'OMEGA\', where F(t, \'u .t) = INT.IND.t SUP. -\' INFINITY\' \' ALFA(s-t)u(s)ds + u(t-r), g(t, \'u IND.t\') = INT. SUP. t IND. - INFINITY \'BETA\' (s-t)u(s)ds. On another hand using the Galerkin appreoximations method we study the same with F(.) e g(.) given by f(t; \'u INDS.t\') = u(t-r(t)); and g(t; \'u IND.t\') = G(u(t-\'rô\' (t))), for some G appropriated. In thiis case, we study also the stability of stanionary solutions