yes / A two dimensional (2D) RNG k-ε sediment model including the effects of secondary currents is developed to simulate sediment transport and bed deformation in rivers with continuous bends. Nonuniform suspended and bedload sediment transports and variation of effective bed material size distribution are included in the model. A semi-coupled scheme for sediment model is proposed, which can be used for simulating both the long- and short-term sediment transport whenever riverbed changes. The model is applied to simulate the flow and sediment transport in the Shapotou reservoir in the upper reach of the Yellow River which is a typical natural river reach with continuous bends. River bed deformations caused by suspended and bedload sediment transport are investigated. Good agreement between the numerically simulated results and the field measurements is obtained, indicating that the model is capable of simulating the sediment transport and predicting the bed deformation of rivers having continuous bends with reasonable accuracy. / the Major Research Plan Project, National Natural Science Foundation of China(Grant No.: 91230111 and 51279071); National Key BasicResearch Development Program of China (973 Program, Grant No.: 2010CB429002);Project of Science and Technology of Colleges in Ningxia, China (Grant No.:NGY2012097)

In this thesis study, implementation, numerical stability and convergence rate issues of turbulence modeling are explored. For this purpose, a one equation turbulence model, Spalart-Allmaras, and a two-equation turbulence model, SST k-w, are adapted to an explicit, cell centered, finite volume method based, structured / hybrid multi grid flow solver, SENSE2D, developed at TUBITAK-SAGE. Governing equations for both the flow and the turbulence are solved in a loosely coupled manner, however, each set of equations are solved using a coupled, semi-implicit solution algorithm. In multigrid solutions, the semi-implicit solution algorithm and the turbulence model equations are employed only in the finest level grid. As a result, stable and convergent numerical solutions are obtained. In order to validate the turbulence models and the semi-implicit solution algorithm implemented, turbulent flow solutions over a flat plate, RAE2822 airfoil and NLR7301 multi element airfoil are performed. The results are compared with the experimental data and the numerical results of the commercial CFD package FLUENT. It is shown that the numerical results obtained by SENSE2D are in good agreement with the experimental data and the FLUENT results. In addition to the turbulence modeling studies, convergence rate studies are also performed by multigrid and semi-implicit solution methods. It is shown that, the convergence rates of the semi-implicit solutions are increased about 5 times for single grid and 35% for multigrid solutions in comparison to the explicit solutions.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

As Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário apresentam metas ambiciosas para os próximos anos quanto à construção de eclusas e ao aumento da participação do transporte aquaviário de carga na matriz brasileira. A bibliografia expõe que os custos são otimizados quando um desnível é transposto com a construção do menor número eclusas, o que resulta na busca pela transposição de desníveis significativos com a execução de eclusas com uma única câmara. No entanto, problemas hidráulicos encontrados junto às comportas de enchimento e esvaziamento estão entre as principais limitações para o aumento da altura de queda das eclusas. Os diferenciais de pressão entre as faces de montante e jusante das comportas e a variação do seu grau de abertura durante as operações de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de média e alta queda geram escoamentos turbulentos, com velocidades e pressões capazes de produzir danos às estruturas. Com o objetivo de analisar os parâmetros hidráulicos do escoamento médio a jusante de comportas dos sistemas de enchimento e esgotamento de eclusas, do tipo segmento invertida, e as pressões instantâneas ao longo do teto e da base do conduto, de forma a identificar e caracterizar padrões de comportamento que auxiliem na elaboração de projetos e no aperfeiçoamento dessas estruturas, foram conduzidas duas investigações complementares, a experimental e a numérica. A investigação experimental, desenvolvida no Laboratório de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, proporcionou a geração de dados discretos de pressão instantânea ao longo do teto e da base do conduto para 53 condições de abertura e vazão, para escoamento em regime permanente. A investigação numérica, realizada com o software Flow-3D®, de Dinâmica de Fluidos Computacional, viabilizou a geração de dados do escoamento médio no interior do conduto para 12 condições de abertura e vazão, que reproduziam as simulações experimentais. Os resultados das simulações realizadas no Flow-3D® com modelo de turbulência k- e demonstraram a sua aplicabilidade no estudo do escoamento médio a jusante de comportas de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas. O modelo numérico reproduziu os dados experimentais de pressão a montante da comporta e os formatos das curvas de pressão ao longo da base e do teto do conduto a jusante da comporta, apresentando resultados mais aderentes para a base. Para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A partir da análise dos dados foi possível a caracterização do comportamento das pressões médias, das flutuações de pressão e das pressões máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio da relação entre coeficientes adimensionais de posição e de pressão. / Brazilian Waterways Policy has ambitious goals for constructing navigation locks and increasing the participation of the cargo transport through waterways in the national transport matrix. Literature states that costs are optimized by the construction of fewer locks for the transposition of water levels by vessels, which results in the search for transposition of significant lifts by using navigation locks with single camera. However, the hydraulic problems in the filling and emptying systems, especially close to the valves, are among the major limitations to increase the lock lift. During filling and emptying operations of medium and high-lift locks, the pressure difference between upstream and downstream sides of lock valve and its opening generate turbulent flows with associated flow velocities and pressures capable of damaging the structures. In the current research, experimental and numerical investigations were conducted in order to analyze the mean flow through lock culvert valves and the instantaneous pressures behavior along the culvert roof and base, and to identify and to characterize hydraulic parameters which could be useful for project development and improvement of these structures. The experimental research was conducted at the “Laboratório de Obras Hidráulicas” of the “Instituto de Pesquisas Hidráulicas” of the “Universidade Federal do Rio Grande do Sul” and provided the generation of discrete data of instantaneous pressure along the culvert roof and base for 53 conditions of flow and valve opening. Experimental simulations were performed with steady state flow. Numerical investigation applied the Computational Fluid Dynamics software Flow-3D® and produced information for the mean flow inside the culvert for 12 valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. valve opening and flow conditions, which reproduced the experimental simulations. The numerical results, obtained by using the k-e turbulence model, demonstrated the applicability of Flow-3D® in the study of the mean flow downstream of lock culvert valves. The numerical model was able to reproduce the experimental data of pressure along the culvert base and roof presenting more accuracy to base data. For partially open gate conditions, the lowest pressures were verified next to the valve lip and at the downstream culvert roof close to the valve, which correspond to the recirculating flow region. From data analysis it was possible to characterize the behavior of the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures along the culvert base and roof by the relationship between dimensionless coefficients of position and pressure.

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For turbulent flow calculations, some of the well-known turbulence models in the literature are applied on a previously developed Navier-Stokes solver designed to handle laminar flows. A finite volume formulation, which is cell-based for inviscid terms and cell-vertex for viscous terms, is used for numerical discretization of the Navier-Stokes equations in conservative form. This formulation is combined with one-step, explicit time marching Lax-Wendroff numerical scheme that is second order accurate in space. To minimize non-physical oscillations resulting from the numerical scheme, second and fourth order artificial smoothing terms are added. To increase the convergence rate of the solver, local time stepping technique is applied. Before applying turbulence models, Navier-Stokes solver is tested for a case of subsonic, laminar flow over a flat plate. The results are in close agreement with Blasius similarity solutions. To calculate turbulent flows, Boussinesq eddy-viscosity approach is utilized. The eddy viscosity (also called turbulent viscosity), which arises as a consequence of this approach, is calculated using Cebeci-Smith, Michel et. al., Baldwin-Lomax, Chien&rsquo / s k-epsilon and Wilcox&rsquo / s k-omega turbulence models. To evaluate the performances of these turbulence models and to compare them with each other, the solver has been tested for a case of subsonic, laminar - transition fixed - turbulent flow over a flat plate. The results are verified by analytical solutions and empirical correlations.

This thesis aims to provide the thermal condition of melt pool convection by CFD simulation, which is important to the assessment of the invessel melt retention (IVR) strategy widely adopted in Generation III pressurized water reactors (PWRs). As a severe accident mitigation measure, the IVR strategy is realized through external cooling of the lower head of a reactor pressure vessel (RPV). To achieve the coolability and retention of the corium pool in the RPV lower head, the heat flux at the outer surface of the vessel should be less than the critical heat flux (CHF) of boiling around the lower head. Under such condition, the integrity of the RPV is guaranteed by the adequate thickness of the unmelted vessel wall. The thesis work starts from the selection and validation of a turbulence model in the CFD computational tool chosen (Fluent). Afterwards a numerical model is set up for estimation of melt pool heat transfer of a reference PWR with the power capacity of 1000 MWe, including a mesh sensitivity study. Based on the numerical model of a twolayer melt pool, four tasks are carried out to investigate the effects of Zr oxidation ratio, Fe content, and radiation emissivity on heat flux profiles, as well as the focus effect under extreme conditions. Selection and validation of the turbulence model are conducted by comparing the simulation results of different turbulence models with the DNS data on the convection of volumetrically heated fluid layer bounded by rigid isothermal horizontal walls at equal temperature. The internal Rayleigh numbers of the flow reach up to 10e6. The comparison shows a good agreement of the SST k-ω turbulence model results with the DNS data. The simulations with the Zr oxidation ratio of 0, 0.2 and 0.5, correspondingly, the oxide layer of 1.389m, 1.467m and 1.580m, and the metal layer of 0.705m, 0.646m and 0.561m in height, show that, the temperature of the oxide layer will increase with Zr oxidation ratio, while the temperature of the metal layer will decrease resulting in more heat transfer through the oxide layer sidewall and less top radiation. Nevertheless, the effect of the Zr oxidation ratio is not pronounced in the range of 00.5. The simulations with the Fe mass of 22t, 33t and 45t, and respective height of the metal layer of 0.462m, 0.568m and 0.646m, show that, the inner metal layer will significantly increase the temperatures of both the metal layer and the oxide layer. The percentage of heat transfer at the oxide layer sidewall will increase to supplement the reduction of that at the metal layer. The simulations with the radiation emissivity of 0.2, 0.35, 0.45 and 0.7 show that, the emissivity below 0.45 has an impact on heat transfer, and the temperatures and sidewall heat flux of both the oxide layer and the metal layer will increase with decreasing emissivity. The impact is negligible when the emissivity is above 0.45. The simulations under the hypothetically extreme conditions with either an adiabatic top boundary or a very thin metal layer show the focusing effect may occur, i.e., the heat flux through the metal sidewall is larger than that in the oxide layer. But the local high heat flux is flattened by the vessel wall with good heat conductivity. In summary, the simulations demonstrate that, except for the cases under extreme conditions, the heat fluxes of the melt pools in all other cases are significantly lower than the CHF of external cooling of the lower head. Therefore, the safety margin of the IVR strategy of the PWR chosen is seems sufficient. However, due to some limitations (e.g., simplification and assumptions) in the simulation cases and coupling of different influential factors, as indicated by the present study, the precise predictions of heat flux under all scenarios are still difficult. Therefore, the conclusions could not be generalized to the other conditions or other configurations of the molten pools. By discussing the model and simplifications/assumptions adopted in this work, the improvement directions of the numerical model and other perspectives are proposed at the end of the thesis. / Denna avhandling syftar till att tillhandahålla det termiska tillståndet för smältbassängskonvektion genom CFD-simulering, vilket är viktigt för bedömningen av IVR-strategin som allmänt antagits i tryckvattenreaktorer (PWR) i Generation III. Som en åtgärd för att mildra allvarliga olyckor realiseras IVR-strategin genom extern kylning av det nedre huvudet av ett reaktortryckkärl (RPV). För att uppnå kylbarhet och kvarhållning av koriumbassängen i det nedre RPV-huvudet bör värmeflöde vid den yttre ytan av kärlet vara mindre än det kritiska värmeflödet (CHF) som kokar runt det nedre huvudet. Under sådant tillstånd garanteras RPV: s integritet av den osmälta kärlväggens tillräckliga tjocklek. Examensarbetet startar från valet och valideringen av en turbulensmodell i det valda CFD-beräkningsverktyget (Fluent). Därefter sätts en numerisk modell upp för uppskattning av smältbassängens värmeöverföring av en referens PWR med en effektkapacitet på 1000 MWe, inklusive en nätkänslighetsstudie. Baserat på den numeriska modellen för en tvålagers smältbassäng utförs fyra uppgifter för att undersöka effekterna av Zr-oxidationsförhållande, Fe-innehåll och strålningsemissivitet på värmeflödesprofiler, liksom fokuseffekten under extrema förhållanden. Val och validering av turbulensmodellen utförs genom att jämföra simuleringsresultaten för olika turbulensmodeller med DNS-data för konvektionen av volymetriskt uppvärmt fluidskikt avgränsat av styva isoterma horisontella väggar vid lika temperatur. De interna Rayleigh-siffrorna i flödet når upp till 10e6. Jämförelsen visar att SST k-ω turbulensmodellresultaten överensstämmer med DNS-data. Simuleringarna med Zr-oxidationsförhållandet 0, 0,2 och 0,5, motsvarande oxidskiktet på 1,389 m, 1,467 m och 1,580 m, och metallskiktet på 0,705 m, 0,664 m och 0,561 m i höjd, visar att temperaturen av oxidskiktet kommer att öka med Zr-oxidationsförhållandet, medan metallskiktets temperatur kommer att minska vilket resulterar i mer värmeöverföring genom oxidskiktets sidovägg och mindre toppstrålning. Ändå är effekten av Zr-oxidationsförhållandet inte uttalad i intervallet 00,5. Simuleringarna med Fe-massan på 22t, 33t och 45t och respektive höjd av metallskiktet på 0,462m, 0,568m och 0,664m visar att det inre metallskiktet avsevärt kommer att öka temperaturerna för både metallskiktet och oxiden lager. Andelen värmeöverföring vid oxidskiktets sidovägg ökar för att komplettera minskningen av den vid metallskiktet. Simuleringarna med strålningsemissiviteten 0,2, 0,35, 0,45 och 0,7 visar att emissiviteten under 0,45 påverkar värmeöverföringen, och temperaturerna och sidoväggens värmeflöde för både oxidskiktet och metallskiktet kommer att öka med minskande emissivitet. Effekten är försumbar när strålningen är över 0,45. Simuleringarna under de hypotetiskt extrema förhållandena med antingen en adiabatisk övre gräns eller ett mycket tunt metallskikt visar att fokuseringseffekten kan uppstå, dvs. värmeflödet genom metallsidan är större än det i oxidskiktet. Men det lokala höga värmeflödet plattas ut av kärlväggen med god värmeledningsförmåga. Sammanfattningsvis visar simuleringarna att, förutom fall under extrema förhållanden, är värmeflödet från smältpoolerna i alla andra fall betydligt lägre än CHF för extern kylning av nedre huvudet. Därför verkar säkerhetsmarginalen för IVR-strategin för den valda PWR tillräcklig. På grund av vissa begränsningar (t.ex. förenkling och antaganden) i simuleringsfall och koppling av olika inflytelserika faktorer, vilket indikeras av den aktuella studien, är de exakta förutsägelserna av värmeflöde under alla scenarier fortfarande svåra. Därför kunde slutsatserna inte generaliseras till de andra förhållandena eller andra konfigurationer av de smälta poolerna. Genom att diskutera modellen och förenklingar / antaganden som antagits i detta arbete föreslås förbättringsriktningarna för den numeriska modellen och andra perspektiv i slutet av avhandlingen.

Uma parte significativa dos escoamentos encontrados em aplicações tecnológicas é caracterizada por envolver altos números de Reynolds, principalmente aqueles em regime turbulento e com superfície livre. Obter soluções numéricas representativas para essa classe de problemas é extremamente difícil, devido à natureza não-linear das equações diferenciais parciais envolvidas nos modelos. Conseqüentemente, o tema tem sido uma das principais preocupações da comunidade científica moderna em dinâmica de fluidos computacional. Aproximações de primeira ordem para os termos convectivos são as mais adequadas para amortecer oscilações que estão associadas às aproximações de alta ordem não-limitadas. Todavia, elas introduzem dissipação artificial nas representações discretas comprometendo os resultados numéricos. Para minimizar esse efeito não-físico e, ao mesmo tempo, conseguir aproximações incondicionalmente estáveis, é indispensável adotar uma estratégia que combine aproximações de primeira ordem com as de ordem mais alta e que leve em conta a propagação de informações físicas. Os resultados dessa composição são os esquemas "upwind" limitados de alta ordem. Em geral, espera-se que esses esquemas sejam apropriados para a representação das derivadas convectivas nos modelos de turbulência kappa-varepsilon. No contexto de diferenças finitas, a presente tese dedica-se à solução numérica das equações de Navier-Stokes no regime de números de Reynolds elevados. Em particular, ela contém uma análise de algoritmos monotônicos e antidifusivos e modelos de turbulência kappa-varepsilon para a simulação de escoamentos incompressíveis envolvendo superfícies livres. Esquemas de convecção são implementados nos códigos GENSMAC para proporcionar um tratamento robusto dos termos convectivos nas equações de transporte. Duas versões do modelo kappa-varepsilon de turbulência são implementadas nos códigos GENSMAC, para problems bidimensionais e com simetria radial, para descrever os efeitos da turbulência sobre o escoamento médio. Resultados numéricos de escoamentos com simetria radial são comparados com resultados experimentais e analíticos. Simulações numéricas de problemas tridimensionais complexos são apresentadas para avaliar o desempenho de esquemas "upwind". Finalmente, os modelos de turbulência kappa-varepsilon são utilizados para a simulação de escoamentos confinados e com superfícies livres. / A considerable part of fluid flows encountered in technological applications is characterised by involving high-Reynolds numbers, especially those in turbulent regime and with free-surface. It is extremely difficult to obtain representative numerical solutions for this class of problems, due to the non-linear nature of the partial differential equations involved in the models. Consequently, this subject has been one of main concerns in the modern computational fluid dynamics community. First-order approximation to the convective terms is one of the most appropriate to smooth out oscilations/instabilities which are associated with high-order unlimited approximation. However, it introduces numerical dissipation in the discrete representation jeopardizing the numerical results. In order to minimize this non-physical effect and, at the same time, to obtain unconditionally stable approximation, it is essential to adopt a strategy that combines first and high-order approximations and takes into account the propagation of physical information. The results of this composition are the high-order bounded upwind techniques. In general, it is expected that these algorithms are satisfactory for the representation of the convective derivatives in the kappa-varepsilon turbulence model. In the context of finite-difference, the present thesis deals with the numerical solution of the Navier-Stokes equations at high-Reynolds number regimes. In particular, it contains an analysis of monotonic and anti-difusive convection schemes and kappa-varepsilon turbulence models for the simulation of free-surface fluid flows. Upwinding methods are implemented into the GENSMAC codes to provide a robust treatment of the convective terms in the transport equations. Two versions of the K-Epsilon turbulence model are implemented into the two-dimensional and axisymmetric GENSMAC codes, in order to describe the turbulent effects on the average flow. Numerical results of axisymmetric flows are compared with experimental and analytical results. Numerical simulations of complex three-dimensional problems are presented to assess the performance of high-order bounded upwind schemes. Finally, the K-Epsilon turbulence models are employed in the simulation of confined and free-surface flows.

Uma parte significativa dos escoamentos encontrados em aplicações tecnológicas é caracterizada por envolver altos números de Reynolds, principalmente aqueles em regime turbulento e com superfície livre. Obter soluções numéricas representativas para essa classe de problemas é extremamente difícil, devido à natureza não-linear das equações diferenciais parciais envolvidas nos modelos. Conseqüentemente, o tema tem sido uma das principais preocupações da comunidade científica moderna em dinâmica de fluidos computacional. Aproximações de primeira ordem para os termos convectivos são as mais adequadas para amortecer oscilações que estão associadas às aproximações de alta ordem não-limitadas. Todavia, elas introduzem dissipação artificial nas representações discretas comprometendo os resultados numéricos. Para minimizar esse efeito não-físico e, ao mesmo tempo, conseguir aproximações incondicionalmente estáveis, é indispensável adotar uma estratégia que combine aproximações de primeira ordem com as de ordem mais alta e que leve em conta a propagação de informações físicas. Os resultados dessa composição são os esquemas "upwind" limitados de alta ordem. Em geral, espera-se que esses esquemas sejam apropriados para a representação das derivadas convectivas nos modelos de turbulência kappa-varepsilon. No contexto de diferenças finitas, a presente tese dedica-se à solução numérica das equações de Navier-Stokes no regime de números de Reynolds elevados. Em particular, ela contém uma análise de algoritmos monotônicos e antidifusivos e modelos de turbulência kappa-varepsilon para a simulação de escoamentos incompressíveis envolvendo superfícies livres. Esquemas de convecção são implementados nos códigos GENSMAC para proporcionar um tratamento robusto dos termos convectivos nas equações de transporte. Duas versões do modelo kappa-varepsilon de turbulência são implementadas nos códigos GENSMAC, para problems bidimensionais e com simetria radial, para descrever os efeitos da turbulência sobre o escoamento médio. Resultados numéricos de escoamentos com simetria radial são comparados com resultados experimentais e analíticos. Simulações numéricas de problemas tridimensionais complexos são apresentadas para avaliar o desempenho de esquemas "upwind". Finalmente, os modelos de turbulência kappa-varepsilon são utilizados para a simulação de escoamentos confinados e com superfícies livres. / A considerable part of fluid flows encountered in technological applications is characterised by involving high-Reynolds numbers, especially those in turbulent regime and with free-surface. It is extremely difficult to obtain representative numerical solutions for this class of problems, due to the non-linear nature of the partial differential equations involved in the models. Consequently, this subject has been one of main concerns in the modern computational fluid dynamics community. First-order approximation to the convective terms is one of the most appropriate to smooth out oscilations/instabilities which are associated with high-order unlimited approximation. However, it introduces numerical dissipation in the discrete representation jeopardizing the numerical results. In order to minimize this non-physical effect and, at the same time, to obtain unconditionally stable approximation, it is essential to adopt a strategy that combines first and high-order approximations and takes into account the propagation of physical information. The results of this composition are the high-order bounded upwind techniques. In general, it is expected that these algorithms are satisfactory for the representation of the convective derivatives in the kappa-varepsilon turbulence model. In the context of finite-difference, the present thesis deals with the numerical solution of the Navier-Stokes equations at high-Reynolds number regimes. In particular, it contains an analysis of monotonic and anti-difusive convection schemes and kappa-varepsilon turbulence models for the simulation of free-surface fluid flows. Upwinding methods are implemented into the GENSMAC codes to provide a robust treatment of the convective terms in the transport equations. Two versions of the K-Epsilon turbulence model are implemented into the two-dimensional and axisymmetric GENSMAC codes, in order to describe the turbulent effects on the average flow. Numerical results of axisymmetric flows are compared with experimental and analytical results. Numerical simulations of complex three-dimensional problems are presented to assess the performance of high-order bounded upwind schemes. Finally, the K-Epsilon turbulence models are employed in the simulation of confined and free-surface flows.