O desenvolvimento desta tese teve como propósito implementar uma ferramenta numérica para simulação, estudos e análise do acoplamento térmico em sistemas trocadores de calor. Avaliação dos parâmetros é aplicável para processos de aquecimento, arrefecimento ou resfriamento de fluidos em dutos de equipamentos termofluido-mecânicos. Nas superfícies destes dutos ocorre o acoplamento da condução com a radiação, convecção externa e interna. A condução estudada é 2-D, na direção axial e na seção transversal do duto com paredes consideradas de espessura fina. O modelo da convecção interna utiliza formulações e métodos de solução para a condição de temperaturas não-impostas no perímetro da seção transversal de dutos retangulares com escoamento laminar e desenvolvido. Os coeficientes locais de convecção interna são obtidos pelo cálculo de derivadas, após obtenção do campo de temperatura 3-D do fluido. A convecção externa é modelada utilizando correlações estabelecidas na literatura para obter o número de Nusselt e o coeficiente de convecção externa. O estudo da radiação consiste basicamente na obtenção das equações integrais de radiosidade na banda de interesse do espectro eletromagnético. Portanto, o modelo contempla o acoplamento 3-D de modos múltiplos da transferência de calor em dutos retangulares com escoamento laminar e viscoso. A camada limite hidrodinâmica e térmica são completamente desenvolvidas. Um modelo físico-matemático e computacional é elaborado para representar o dispositivo proposto e analisar a interação entre os modos da transferência de calor. Nas paredes do duto são realizados os balanços de energia, surgindo as relações de dependência destes modos entre si. O acoplamento das equações diferenciais da condução, radiação, convecção interna e externa ocorre nestes balanços térmicos, em cada uma das paredes, gerando um sistema de equações não-lineares. Além das equações para o balanço de energia, as equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia governando o escoamento são discretizadas pelo método de diferenças finitas e, obtém-se a partir destas, resultados numéricos que correspondem aos campos de velocidade e temperatura. A representação do domínio computacional é feita por malhas estruturadas. A solução é obtida para a condição de regime permanente. O efeito da dissipação viscosa na equação da energia é contabilizado, onde se confirma sua importância quando comparando soluções para Nu=f (Z*) com e sem termos viscosos na referida equação. Convergência e estabilidade da solução são demonstradas utilizando a malha com número adequado de nós (pontos) e queda dos resíduos numéricos em pelo menos cinco ordens de grandeza. Para o escoamento interno (ar, água ou óleo) e material das paredes em aço inox, aço-carbono, alumínio ou cobre, são avaliados na direção axial do duto, dentre outros, o coeficiente de convecção (h), o número de Nusselt (Nu) e os gradientes de temperatura (média global e média das paredes), além do campo 3-D de temperatura e da geração de entropia. A metodologia proposta é validada com base na termodinâmica e princípios de conservação da energia no acoplamento entre os vários modos da transferência de calor nas paredes do duto. Esta validação é amparada também por meio da comparação dos resultados com a literatura, bem como apresentando analises baseadas no significado físico dos parâmetros obtidos.

Nesse trabalho, é estudado o emprego de uma técnica de especificação de condições de contorno em geometrias complexas e/ou móveis conhecida por fronteiras imersas ou immersed boundaries. É dada uma visão introdutória da técnica de fronteiras imersas, onde o conceito é explicado com uma visão geral do problema. Também é abordado um breve histórico dessa técnica, através do comentário de alguns trabalhos pioneiros e relevantes sobre o assunto. As equações de Navier-Stokes são colocadas em conjunto com as hipóteses de modelamento do fluido utilizadas e com as relações constitutivas adotadas. São comentados também os processos de média e adimensionalização adotados, bem como as modificações nas equações originais para inclusão dos termos de fronteiras imersas. Por fim, é apresentada a formulação do termo de força de superfície, que completa a formulação empregada. São abordados os métodos de discretização temporal e espacial com ênfase no algoritmo utilizado para a discretização das equações de Euler: o método upwind de Steger e Warming. São comentadas também a implementação de condições de contorno não reflexivas em fronteiras remotas, e a implementação do método de fronteiras imersas. Também é apresentado o esquema de multi-malhas empregado. Uma série de problemas modelo é utilizada para comprovar a correta implementação numérica da formulação apresentada. São apresentados e comentados os resultados obtidos com o código validado para o escoamento subsônico a Mach 0,40 sobre um aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque nulo e número de Reynolds de 105. É demonstrada a relação entre a necessidade de refinamento de malha e a espessura da camada limite. Conseqüentemente, são apresentadas as dificuldades na aplicação do método de fronteiras imersas para problemas com números de Reynolds mais elevados em conjunto com sugestões para novas abordagens do tema.

Na presente investigação, o movimento transiente de um vaso cilíndrico, interagindo com um fluido viscoso e um núcleo cilíndrico sólido central, é simulado usando-se um elemento de casca axisimétrico com dois pontos nodais para a parede do cilindro, e elemento isoparamétrico de oito pontos nodais para o líquido. Aplica-se o método dos pesos residuais de Galerkin para as equações de Navier-Stokes expressas em coordenadas polares. Para a casca cilíndrica, emprega-se a teoria clássica linear de Novozhilov. O problema do acoplamento dinâmico transiente é resolvido com o auxílio do procedimento de Newmark da aceleração média para a casca, e no caso do elemento de fluido, emprega-se o esquema "Diferença Retrógrada" de Euler. Para a investigação teórica, são realizados cálculos para determinar o deslocamento, velocidade e aceleração de pontos da parede externa do cilindro, que é engastada na base, aberta e livre na extremidade, sujeita a uma força inicial, que varia linearmente a partir da base. É observada uma resposta com decaimento monótono harmônico, típico de um sistema amortecido, e dessa forma, estima-se as freqüências naturais de acoplamento. Conclui-se que a acurácia dos resultados são obtidas se o refinamento é confinado à região exatamente abaixo da superfície livre. Um estudo adicional está presente, considerando o "Fluxo Circular em Regime Permanente" de um fluido preenchendo outro vaso cilíndrico rígido com um núcleo central. Nesse estudo as hipóteses adotadas na primeira investigação são mantidas, mas nesse caso é suposto que o núcleo interno impõe um movimento rotativo ao fluido. O comportamento das pressões e velocidades são descritos para várias velocidades angulares do núcleo em duas diferentes malhas de elementos finitos.

Uma análise matemática da interação entre um fluido incompressível e viscoso e o elemento estrutural presente em sua interface é procedida. Para isso, o trabalho fundamentou-se nas equações clássicas de teoria de cascas para a análise estrutural e nas equações de continuidade e de Navier-Stokes para o estudo do fluido. As variáveis no domínio decorrem tanto quando se considera o escoamento em regime permanente como a resposta transiente. No escoamento em regime os termos inerciais estão associados aos coeficientes convectivos, enquanto que na resposta transiente os termos convectivos não aparecem. Uma breve abordagem do problema em regime é descrita de modo a justificar a dificultade quando esta situação é encontrada. Na condição transiente um acoplamento das respectivas componentes do sistema casca-fluido é realizado. O elemento estrutural considerado é a casca axisimétrica de curvatura meridional variável enquanto que o domínio fluido é discretizado através de elementos quadrilaterais de oito pontos nodais. O problema é descrito matematicamente por um sistema de equações diferenciais lineares, onde, por conveniência, está representado através de coordenadas cilíndricas. Um procedimento numérico é utilizado, onde o método de elementos finitos é aplicado para se encontrar a solução. Uma boa concordância é encontrada em termos quantitativos para o escoamento em regime permanente sujeito a um baixo gradiente de pressão. Poucas iterações conduzem aos resultados analíticos. Com relação à resposta transiente, em termos de freqüência, pode também ser verificado boa concordância quando se procede o refinamento da malha de elementos finitos. É considerada a influência da viscocidade no comportamento dinâmico da casca. Em todas variáveis pertencentes ao regime transiente é observada a presença do amortecimento ao longo do tempo.

The objective of this project is to study three dimensional aerodynamic flows over realistic aerospace configurations, such as the first Brazilian Satellite Launcher (VLS) in its first stage flight form. In order to achieve this objective, computational fluid dynamics and three dimensional adaptive mesh refinement techniques are used. The project focus in finite element and finite volume techniques to simulate the flows of interest. Both the Taylor-Galerkin finite element method and the Jameson finite volume method are used in the simulations. A new interpretation of MacCormack's method in an unstructured grid context is presented. The analysis, implementation and validation of the adaptive mesh refinement tools in the present context is part of the work developed. The use of meshes with hanging-nodes in a finite volume code is also described. The Spalart and Allmaras turbulence model is implemented in the finite volume code in order to account for turbulent effects. In the first part of this project, inviscid flows over the VLS ranging from subsonic to supersonic regime are studied using the finite element and finite volume techniques and, in the following part, turbulent viscous flow cases are analyzed using the finite volume code.