Simulações Numéricas são executadas em um código numérico de alta precisão resolvendo as equações de Navier-Stokes e da continuidade para regimes de escoamento incompressíveis num contexto da turbulência bidimensional. Este código utiliza um esquema compacto de diferenças finitas de sexta ordem na aproximação das derivadas espaciais. As derivadas temporais são calculadas usando o esquema de Runge-Kuta de terceeira ordem com baixo armazenamento. Tal código numérico fornece uma representação melhorada para uma grande faixa de escalas de comprimento e de tempo. As técnicas dos contornos imersos acopladas ao método dos contornos virtuais permitem modelar escoamentos não-estacionários sobre geometrrias complexas, usando simplesmente uma malha Cartesiana uniforme. Por meio de procedimentos de aproximação/interpolação, as técnicas dos contornos imersos (aproximação Gaussiana, interpolação bilinear e redistribuição Gaussiana), permitem a representação do corpo sólido no interior do campo de escoamento, com a superfície não coincidindo com a malha computacional. O método dos contornos virtuais, proposto originalmente por Peskin, consiste, basicamente, na imposição na superfície e/ou no interior do corpo, de um termo de força temporal acrescentando às equações do momento. A aplicação deste campo de força local leva o fluido ao repouso na superfície do corpo, permitindo obter as condições de contorno de não-deslizamento e de não penetração de fluido na parede. A análise das oscilações induzidas no escoamento-contorno pelo processo de desprendimento de vórtices na esteira do cilindro circular e de geometria retangulares na incidência, para números de Reybolds variando de 40 a 400, confirma a eficiência computacional e a aplicabilidade das técncias implementadas.

Simulações Numéricas são executadas em um código numérico de alta precisão resolvendo as equações de Navier-Stokes e da continuidade para regimes de escoamento incompressíveis num contexto da turbulência bidimensional. Este código utiliza um esquema compacto de diferenças finitas de sexta ordem na aproximação das derivadas espaciais. As derivadas temporais são calculadas usando o esquema de Runge-Kuta de terceeira ordem com baixo armazenamento. Tal código numérico fornece uma representação melhorada para uma grande faixa de escalas de comprimento e de tempo. As técnicas dos contornos imersos acopladas ao método dos contornos virtuais permitem modelar escoamentos não-estacionários sobre geometrrias complexas, usando simplesmente uma malha Cartesiana uniforme. Por meio de procedimentos de aproximação/interpolação, as técnicas dos contornos imersos (aproximação Gaussiana, interpolação bilinear e redistribuição Gaussiana), permitem a representação do corpo sólido no interior do campo de escoamento, com a superfície não coincidindo com a malha computacional. O método dos contornos virtuais, proposto originalmente por Peskin, consiste, basicamente, na imposição na superfície e/ou no interior do corpo, de um termo de força temporal acrescentando às equações do momento. A aplicação deste campo de força local leva o fluido ao repouso na superfície do corpo, permitindo obter as condições de contorno de não-deslizamento e de não penetração de fluido na parede. A análise das oscilações induzidas no escoamento-contorno pelo processo de desprendimento de vórtices na esteira do cilindro circular e de geometria retangulares na incidência, para números de Reybolds variando de 40 a 400, confirma a eficiência computacional e a aplicabilidade das técncias implementadas.

Simulações Numéricas são executadas em um código numérico de alta precisão resolvendo as equações de Navier-Stokes e da continuidade para regimes de escoamento incompressíveis num contexto da turbulência bidimensional. Este código utiliza um esquema compacto de diferenças finitas de sexta ordem na aproximação das derivadas espaciais. As derivadas temporais são calculadas usando o esquema de Runge-Kuta de terceeira ordem com baixo armazenamento. Tal código numérico fornece uma representação melhorada para uma grande faixa de escalas de comprimento e de tempo. As técnicas dos contornos imersos acopladas ao método dos contornos virtuais permitem modelar escoamentos não-estacionários sobre geometrrias complexas, usando simplesmente uma malha Cartesiana uniforme. Por meio de procedimentos de aproximação/interpolação, as técnicas dos contornos imersos (aproximação Gaussiana, interpolação bilinear e redistribuição Gaussiana), permitem a representação do corpo sólido no interior do campo de escoamento, com a superfície não coincidindo com a malha computacional. O método dos contornos virtuais, proposto originalmente por Peskin, consiste, basicamente, na imposição na superfície e/ou no interior do corpo, de um termo de força temporal acrescentando às equações do momento. A aplicação deste campo de força local leva o fluido ao repouso na superfície do corpo, permitindo obter as condições de contorno de não-deslizamento e de não penetração de fluido na parede. A análise das oscilações induzidas no escoamento-contorno pelo processo de desprendimento de vórtices na esteira do cilindro circular e de geometria retangulares na incidência, para números de Reybolds variando de 40 a 400, confirma a eficiência computacional e a aplicabilidade das técncias implementadas.

[pt] O deslocamento de um líquido por outro em espaços anulares é comumente encontrado na indústria do petróleo, e a maioria deles envolve materiais não newtonianos. O espaço anular muitas vezes apresenta irregularidades causadas pela erosão, onde quantidades consideráveis de fluido de perfuração podem ser deixadas para trás durante o processo de deslocamento, comprometendo a qualidade da operação de cimentação. Motivados por esse processo industrial, testes de deslocamento entre líquidos a vazão constante foram realizados em espaços anulares cuja parede externa possui, em uma determinada posição axial, um aumento repentino de diâmetro seguido de uma diminuição repentina de diâmetro mais a jusante. O objetivo dos experimentos era determinar a eficiência do deslocamento em função da vazão, reologia dos fluidos e geometria da cavidade. Os resultados revelaram forte influência desses parâmetros na eficiência de deslocamento. Ao mesmo tempo, um estudo numérico foi desenvolvido. Simulações numéricas das equações de Navier-Stokes em geometria axissimétrica para fluidos incompressíveis foram acopladas ao método Level-Set para captura da interface. Fluidos com viscosidade constante e o modelo newtoniano generalizado com função viscosidade de Carreau-Yasuda foram utilizados. Isso permitiu simular deslocamentos entre dois fluidos newtonianos e entre um fluido newtoniano e outro não-newtoniano. Este foi utilizado tanto como fluido deslocador quanto como deslocado. Foram realizadas simulações para várias razões de diâmetros, viscosidades, tempos de relaxação, e números de capilaridade e de Reynolds. Identificamos quando a aproximação do espaço anular por duas placas paralelas pode ser aplicada e calculamos como a forma da interface depende dos parâmetros investigados. / [en] The displacement of a fluid caused by another one, inside annular spaces, is commonly found in the oil industry and most of these rearrangements involve non-Newtonian materials. The annular space often shows irregularities caused by erosion, in which considerable amounts of drilling fluid can be left behind during the displacement process, compromising the cementing operation efficiency. Motivated by that industrial process, fluid-fluid displacement tests at constant flow rate were performed in annular spaces in which their exterior walls displayed - in a determined axial position - an abrupt expansion followed by an abrupt contraction. The purpose of the tests were to determine the displacement efficiency as a function of flow rate, rheological properties and geometric cavity. The results revealed a strong influence of these parameters on the displacement efficiency. At the same time, a numerical research was developed. Numerical simulations of the Navier-Stokes equations in axisymmetric geometry for incompressible fluids were coupled to the Level-Set method to capture the interface. Fluids with constant viscosity and the generalized Newtonian model with viscosity function of Carreau-Yasuda were used. That allowed to simulate displacements between two Newtonian fluids and a Newtonian and a non-Newtonian fluid. This was used both as a displacer and as a displaced fluid. Simulations were performed for several diameters and viscosities ratios, relaxatation time, capilar and Reynolds numbers. We identified when the approximation of the annular space by two parallel plates can be applied and calculated how the shape of the interface depends on the investigated parameters.

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.

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 Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2017-12-12T20:48:31Z No. of bitstreams: 1 JAIR STEFANINI PEREIRA DE ATAÍDE – TESE (PPGEP) 2014.pdf: 4947088 bytes, checksum: 8019d110744376ffaadc9a31152768ad (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-12T20:48:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JAIR STEFANINI PEREIRA DE ATAÍDE – TESE (PPGEP) 2014.pdf: 4947088 bytes, checksum: 8019d110744376ffaadc9a31152768ad (MD5) Previous issue date: 2014-10-24 / O aumento na demanda por produtos alimentícios por parte da população requer uma indústria alimentícia moderna e de qualidade, na qual se faz necessário avaliar e ter conhecimento profundo, dentre outras coisas, das propriedades termofísicas dos alimentos, principalmente daqueles submetidos a uma tecnologia de conservação pelo uso do calor. Neste estudo, o fenômeno da difusão transiente de calor foi estudado em gêneros alimentícios pastosos contidos em recipientes com forma geométrica arbitrária. Dessa forma, tem-se o intuito de disponibilizar as análises das implicações da consideração de uma difusividade térmica constante (ou dependente da temperatura média) no estudo de transferência de calor durante a pasteurização de produtos cuja forma possa ser obtida pela revolução de áreas planas. Em adição, propôs que a difusividade térmica seja uma função da temperatura local no interior do produto, possibilitando uma maior precisão na descrição da transferência de calor. Para isso, foi discretizada e resolvida numericamente a equação de difusão escrita em coordenadas generalizadas, através do método dos volumes finitos, com uma formulação totalmente implícita, para condições de contorno de primeiro tipo. O código computacional foi desenvolvido em FORTRAN, usando o estúdio CVF 6.6.0, na plataforma Windows XP. As ferramentas numéricas foram validadas através de dados obtidos na literatura para o cilindro infinito. Para comprovação da eficiência do método de pasteurização realizou-se análises físico-químicas e microbiológicas antes e após o tratamento térmico. A análise e comparação dos resultados mostraram que ocorre uma redução dos micro-organismos totais, sem proporcionar tanta alteração nutricional, particularmente no valor proteico das polpas, proporcionando segurança alimentar com um menor gasto energético. Bem como, uma vez conhecida a expressão da difusividade térmica em função da temperatura local, é possível definir o tempo necessário para que o alimento acondicionado em um recipiente com uma geometria qualquer e simetria de revolução, entre em equilíbrio térmico com uma temperatura previamente definida, através de simulações. Dessa forma, torna-se desnecessário a realização de experimentos a cada vez que um novo recipiente for utilizado para acondicionar o produto. / The increase in demand for food products by the population requires a modern and quality food industry, where it is necessary to evaluate and have deep knowledge, among other things, the thermophysical properties of foods, especially those subjected to a conservation technology by use of heat. In this study, the phenomenon of transient heat diffusion was studied in pasty foodstuffs in containers of arbitrary geometric shape. Thus, it has been the aim of the analysis of the implications of an account (or dependent on the average temperature) to study the transfer of heat during pasteurisation of products whose shape can be obtained by the flat areas provide thermal diffusivity constant revolution. In addition, proposed that the thermal diffusivity is a function of the local temperature inside the product, providing greater precision in the description of the heat transfer. For it was discretized and numerically solved the diffusion equation written in generalized coordinates by the finite volume method with a fully implicit formulation for boundary conditions of the first kind. The computer code was developed in FORTRAN, using the CVF Studio 6.6.0 on Windows XP platform. The numerical tools were validated using data from the literature for the infinite cylinder. To prove the efficiency of the pasteurization method was carried out physicochemical and microbiological before and after heat treatment analysis. The analysis and comparison of the results showed that a reduction in total micro-organisms occurs, without providing much nutritional changes, particularly in the pulp protein value of providing food security to a lower energy expenditure. And, once known the thermal diffusivity of the expression depending on the local temperature, it is possible to set the time required for the food packed in a container with any geometry and symmetry of revolution, comes into thermal equilibrium with a previously set temperature, through simulations. Thus, it becomes unnecessary to perform experiments each time a new container is used for packaging the product.

Submitted by Dilene Paulo (dilene.fatima@ufcg.edu.br) on 2018-02-07T13:41:46Z No. of bitstreams: 1 VERA SOLANGE DE OLIVEIRA FARIAS – TESE PPGEP 2011.pdf: 7179434 bytes, checksum: 4a30c9a95f4a089e00fa550fbf1b42b8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-07T13:41:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VERA SOLANGE DE OLIVEIRA FARIAS – TESE PPGEP 2011.pdf: 7179434 bytes, checksum: 4a30c9a95f4a089e00fa550fbf1b42b8 (MD5) Previous issue date: 2011-04-29 / CNPq / Este trabalho apresenta a solução numérica da equação de difusão tridimensional em regime transiente, para um domínio arbitrário. Para atingir os objetivos, a equação de difusão foi discretizada usando coordenadas generalizadas via método dos volumes finitos com uma formulação totalmente implícita, para condições de contorno de equilíbrio e convectiva. Para cada passo no tempo, o sistema de equações obtido para uma dada malha estruturada foi resolvido pelo método de Gauss-Seidel. O código computacional foi desenvolvido em FORTRAN, usando o estúdio CVF 6.6.0, na plataforma Windows Vista. A solução proposta foi validada usando soluções analíticas e numéricas da equação de difusão para várias geometrias, permitindo validar malhas ortogonais e não-ortogonais. A análise e comparação dos resultados mostraram que a solução proposta forneceu resultados coerentes para todos os casos investigados. O código computacional desenvolvido foi aplicado na simulação, a partir de dados experimentais da secagem de telhas cerâmicas para as seguintes condições experimentais: temperaturas de 55,6 °C, 69,7 °C, 82,7 °C e 98,6 °C e teor de umidade inicial variando de 0,2345 até 0,2405 (b.s.). A simulação tornou possível determinar o coeficiente de difusão efetivo em função da razão de umidade e da temperatura do ar de secagem e também o valor do coeficiente de transferência convectivo de massa correspondente para cada temperatura. / This work presents a three-dimensional numerical solution for the diffusion equation in transient state, in an arbitrary domain. The diffusion equation was discretized using the finite volume method with a fully implicit formulation and generalized coordinates, for the equilibrium and convective boundary condition. For each time step, the system of equations obtained for a given structured mesh was solved by the Gauss-Seidel method. A computational code in FORTRAN, using the CFV 6.6.0 Studio, in a Windows Vista platform was developed. The proposed solution was validated by analytical and numerical solutions of the diffusion equation for several geometries. The geometries tested enabled to validate both orthogonal and non-orthogonal meshes. The analysis and comparison of the results showed that the proposed solution provides correct results for all cases investigated. The developed computational code was applied in the simulation, using experimental data of the drying of ceramic roof tiles, for the following experimental conditions: temperature from 55.6; 69.7; 82.7; 72.8 and 98.7 °C, initial moisture content from 0.2345 up to 0.2405 (d.b.). The simulation makes it possible to determine an expression for the diffusion coefficient as a function of the moisture content and temperature of the drying air, and also the value of the convective mass transfer coefficient corresponding to each temperature.

[pt] Trocadores de calor são equipamentos essenciais do sistema de resfriamento de equipamentos de processo, visando assegurar a sua eficácia e eficiência operacional. O objetivo do trabalho é a simulação computacional do escoamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza de uma alternativa tecnológica de trocadores de calor que dispensa a interrupção do processo industrial. A motivação resultou do potencial da ferramenta computacional CFD em gerar resultados numéricos de interesse, complementando a base de dados experimentais em locais críticos do escoamento difíceis de serem instrumentados. A simulação foi realizada pelo Fluent/Ansys 2023 R2, utilizando-se o modelo de turbulência κ-ômega SST (Transporte da tensão de cisalhamento), baseado na abordagem média de Reynolds (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Os resultados da simulação (campos de velocidade, pressão e estruturas da turbulência) orientaram ajustes e melhorias localizadas no projeto construtivo da alternativa tecnológica de limpeza online proposta, permitindo eliminar zonas de recirculação e uma redução de 62,2 por cento nas perdas de carga localizadas, que tão drasticamente impactam nos custos de bombeamento do fluido de transporte dos artefatos de limpeza. A pressão simulada reproduziu o resultado da medição com 2,5 por cento de concordância. Como conclusão, a ferramenta computacional provou ser estratégica para orientar a melhoria do projeto construtivo do dispositivo inovador de limpeza online. Se por um lado os dados experimentais provêm uma referência confiável fundamentada em medições rastreáveis a padrões de referência, por outro, a simulação numérica provê relevantes informações em todo o domínio do escoamento. / [en] Heat exchangers are essential equipment in the cooling system of various process equipment, aiming to ensure its effectiveness and operational efficiency. The objective of the work is the computational simulation of the fluid flow transporting cleaning artifacts from a technological alternative for heat exchangers that does not require interruption of the industrial process. The motivation resulted from the potential of the CFD computational tool to generate numerical results of interest, complementing the experimental database in critical flow locations that are difficult to instrument. The simulation was carried out by Fluent/Ansys 2023 R2, using the κ-omega SST (Shear Stress Transport) turbulence model based on the Reynolds average approach (RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes). The simulation results (velocity, pressure fields, and turbulence structures) guided adjustments and localized improvements in the constructive design of the proposed online cleaning technological alternative, allowing the elimination of recirculation zones and a 62.2 percent reduction in localized pressure losses that so drastically impact the costs of pumping the fluid to transport cleaning artifacts. The simulated pressure reproduced the measurement results with 2.5 percent agreement. In conclusion, the computational tool proved to be strategic in guiding the improvement of the constructive design of the innovative online cleaning device. If, on the one hand, experimental data provides a reliable reference based on measurements traceable to reference standards, numerical simulation provides relevant information across the entire flow domain.