Numerous efforts have contributed to the study of phase-change problems for over a century|both analytical and numerical. Among those numerical approximations applied to solve phase-transition problems, phase-field models attract more and more attention because they not only capture two important effects, surface tension and supercooling, but also enable explicitly labeling the solid and liquid phases and the position of the interface. In the research of this dissertation, a phase-field model has been employed to simulate 2-D dendrite growth of pure nickel without a flow, and 2-D ice crystal growth in a high-Reynolds-number lid-driven-cavity flow. In order to obtain the details of ice crystal structures as well as the flow field behavior during freezing for the latter simulation, it is necessary to solve the phase-field model without convection and the equations of motion on two different scales. To accomplish this, a heterogeneous multiscale method is implemented for the phase-field model with convection such that the phase-field model is simulated on a microscopic scale and the equations of motion are solved on a macroscopic scale. Simulations of 2-D dendrite growth of pure nickel provide the validation of the phase-field model and the study of dendrite growth under different conditions, e.g., degree of supercooling, interface thickness, kinetic coefficient, and shape of the initial seed. In addition, simulations of freezing in a lid-driven-cavity flow indicate that the flow field has great effect on the small-scale dendrite structure and the flow eld behavior on the large scale is altered by freezing inside it.

A two-dimensional (2-D), mathematical model is adopted to investigate the development of circulation patterns for compressible, laminar, and shear driven flow inside a rectangular cavity. The bottom of the cavity is free to move at a specified speed and the aspect ratio of the cavity is changed from 1.0 to 1.5. The vertical sides and the bottom of the cavity are assumed insulated. The cavity is filled with a compressible fluid with Prandtl number, Pr =1. The governing equations are solved numerically using the commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) package ANSYS FLUENT 2015 and compared with the results for the primitive variables of the problem obtained using in house CFD code based on Coupled Modified Strongly Implicit Procedure (CMSIP). The simulations are carried out for the unsteady, lid driven cavity flow problem with moving boundary (bottom) for different Reynolds number, Mach numbers, bottom velocities and high initial pressure and temperature.

Os mecanismos de instabilidade hidrodinâmica têm um papel importante no processo da transição do escoamento de laminar para turbulento. A análise da instabilidade hidrodinâmica em uma cavidade com tampa deslizante foi realizada através da decomposição em modos globais (biglobal) para avaliar o efeito da compressibilidade neste fenômeno. O escoamento base foi obtido através de simulação numérica direta (DNS). Para tal, foi desenvolvido um código DNS compressível com discretização espacial por diferenças finitas compactas de alta resolução espectral e capacidade de processamento paralelo, com um método de decomposição de domínio que mantém a precisão das diferenças finitas compactas. O escoamento base é usado para montar o problema de autovalor oriundo das equações de Navier-Stokes linearizadas para a perturbação, discretizadas por diferenças finitas explícitas. O uso de diferenças finitas em conjunto com a implementação em matrizes esparsas reduz sensivelmente o uso de memória. Através do algoritmo de Arnoldi, a ordem do problema de autovalor é reduzida e os autovalores de interesse são recuperados. Os resultados indicam o efeito estabilizante da compressibilidade nos modos dominantes da cavidade e revelam modos inerentes ao escoamento compressível, para os quais a compressibilidade tem efeito desestabilizante. Dentre estes modos compressíveis, estão presentes modos de propagação sonora em dutos e modos relacionados à geração de som na cavidade. / Hydrodynamic instability mechanisms play an important role in laminar to turbulent transition. Hydrodynamic instability analysis of a lid-driven cavity flow was performed by global mode decomposition (biglobal) to evaluate compressibility effects on this phenomenon. The basic flow was calculated by direct numerical simulation (DNS). A compressible DNS code was developed with spectral-like compact finite difference spatial discretization. The code allows parallel processing with a domain decomposition method that preserves the compact finite difference accuracy. The basic flow is used to form the eigenvalue problem associated to the linear Navier- Stokes equations for the perturbation, which were discretized by an explicit finite difference scheme. The combination of sparse matrix techniques and finite difference discretization leads to a significant memory reduction. The order of the eigenvalue problem was reduced using the Arnoldi algorithm and the eigenvalues of interest were calculated. Results show the stabilizing effect of compressibility on the leading modes and reveal some modes intrinsic to compressible flow, for which compressibility has a destabilizing effect. Among these compressible modes, there are some related to sound propagation in ducts and to sound generation inside the cavity.

Os mecanismos de instabilidade hidrodinâmica têm um papel importante no processo da transição do escoamento de laminar para turbulento. A análise da instabilidade hidrodinâmica em uma cavidade com tampa deslizante foi realizada através da decomposição em modos globais (biglobal) para avaliar o efeito da compressibilidade neste fenômeno. O escoamento base foi obtido através de simulação numérica direta (DNS). Para tal, foi desenvolvido um código DNS compressível com discretização espacial por diferenças finitas compactas de alta resolução espectral e capacidade de processamento paralelo, com um método de decomposição de domínio que mantém a precisão das diferenças finitas compactas. O escoamento base é usado para montar o problema de autovalor oriundo das equações de Navier-Stokes linearizadas para a perturbação, discretizadas por diferenças finitas explícitas. O uso de diferenças finitas em conjunto com a implementação em matrizes esparsas reduz sensivelmente o uso de memória. Através do algoritmo de Arnoldi, a ordem do problema de autovalor é reduzida e os autovalores de interesse são recuperados. Os resultados indicam o efeito estabilizante da compressibilidade nos modos dominantes da cavidade e revelam modos inerentes ao escoamento compressível, para os quais a compressibilidade tem efeito desestabilizante. Dentre estes modos compressíveis, estão presentes modos de propagação sonora em dutos e modos relacionados à geração de som na cavidade. / Hydrodynamic instability mechanisms play an important role in laminar to turbulent transition. Hydrodynamic instability analysis of a lid-driven cavity flow was performed by global mode decomposition (biglobal) to evaluate compressibility effects on this phenomenon. The basic flow was calculated by direct numerical simulation (DNS). A compressible DNS code was developed with spectral-like compact finite difference spatial discretization. The code allows parallel processing with a domain decomposition method that preserves the compact finite difference accuracy. The basic flow is used to form the eigenvalue problem associated to the linear Navier- Stokes equations for the perturbation, which were discretized by an explicit finite difference scheme. The combination of sparse matrix techniques and finite difference discretization leads to a significant memory reduction. The order of the eigenvalue problem was reduced using the Arnoldi algorithm and the eigenvalues of interest were calculated. Results show the stabilizing effect of compressibility on the leading modes and reveal some modes intrinsic to compressible flow, for which compressibility has a destabilizing effect. Among these compressible modes, there are some related to sound propagation in ducts and to sound generation inside the cavity.

Fluid mixing is a challenging problem in laminar flow systems. Chaotic advection can play an important role in enhancing mixing in such flow. In this thesis, different approaches are used to enhance fluid mixing in two laminar flow systems. In the first system, chaos is generated in a flow between two closely spaced parallel circular plates by pulsed operation of fluid extraction and reinjection through singularities in the domain. A singularity through which fluid is injected (or extracted) is called a source (or a sink). In a bounded domain, one source and one sink with equal strength operate together as a source-sink pair to conserve the fluid volume. Fluid flow between two closely spaced parallel plates is modeled as Hele-Shaw flow with the depth averaged velocity proportional to the gradient of the pressure. So, with the depth-averaged velocity, the flow between the parallel plates can effectively be modeled as two-dimensional potential flow. This thesis discusses pulsed source-sink systems with two source-sink pairs operating alternately to generate zig-zag trajectories of fluid particles in the domain. For reinjection purpose, fluid extracted through a sink-type singularity can either be relocated to a source-type one, or the same sink-type singularity can be activated as a source to reinject it without relocation. Relocation of fluid can be accomplished using either "first out first in" or "last out first in" scheme. Both relocation methods add delay to the pulse time of the system. This thesis analyzes mixing in pulsed source-sink systems both with and without fluid relocation. It is shown that a pulsed source-sink system with "first out first in" scheme generates comparatively complex fluid flow than pulsed source-sink systems with "last out first in" scheme. It is also shown that a pulsed source-sink system without fluid relocation can generate complex fluid flow. In the second system, mixing and transport is analyzed in a two-dimensional Stokes flow system. Appropriate periodic motions of three rods or periodic points in a two-dimensional flow are determined using the Thurston-Nielsen Classification Theorem (TNCT), which also predicts a lower bound on the complexity generated in the fluid flow. This thesis extends the TNCT -based framework by demonstrating that, in a perturbed system with no lower order fixed points, almost invariant sets are natural objects on which to apply the TNCT. In addition, a method is presented to compute line stretching by tracking appropriate motion of finite size rods. This method accounts for the effect of the rod size in computing the complexity generated in the fluid flow. The last section verifies the existence of almost invariant sets in a two-dimensional flow at finite Reynolds number. The almost invariant set structures move with appropriate periodic motion validating the application of the TNCT to predict a lower bound on the complexity generated in the fluid flow. / Ph. D.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.

A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não-Newtonianos e o estudo do seu comportamento tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, uma larga classe de materiais que exibem pequena ou nenhuma deformação quando sujeitos a um nível de tensões inferiores a uma tensão limite de escoamento – chamado de comportamento viscoplástico. A presente Dissertação tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos viscoplásticos não-lineares em uma cavidade forçada. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo viscoplástico recentemente introduzido por Souza Mendes e Dutra – SMD – e é aproximado por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão-extra, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os subespaços de elementos finitos para tensão-extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não-Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da UFRGS. Em diversos trabalhos encontrados na literatura, a superfície de escoamento do material é definida como a região onde o módulo da tensão-extra é igual à tensão limite de escoamento. É mostrado nesta Dissertação que esta metodologia pode conduzir à alguns erros, dado ao grande aumento experimentado pela taxa de cisalhamento em uma pequena faixa de tensões próximas à tensão limite de escoamento. Assim, foi adotada outra metodologia, definindo a superfície de escoamento como a linha onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade Newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o número de salto, J, o coeficiente de power-law, n, e a vazão adimensional, U*, são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos viscoplásticos. Os resultados obtidos estão de acordo com a literatura e atestam a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found on the nature and the study of their behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a wide class of materials that exhibits little or no deformation when subjected to a stress level behind an apparent yield stress – called the viscoplastic behavior. The present thesis aimed to a numerical study of two dimensional steady state laminar flows of non-linear viscoplastic fluids in a lid-driven cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the recently introduced Souza Mendes and Dutra – SMD – viscoplastic model and has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the extra-stress, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stressvelocity and pressure-velocity (Babuška-Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of UFRGS. In several works found on the literature, the yield surface of the material is defined as the region where the stress modulus is equal to the yield stress. Is shown in this work that this methodology can lead to some errors, due to the large strain rate increasing in a small range of values of stress on the vicinity of the yield stress. Therefore, it was adopted another approach, defining the yield surface as the line where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the jump number, J, the the power-law coefficient, n,and the non-dimensional flow rate, U*, are ranged in order to evaluate how they the influence on the viscoplastic fluid dynamics have been investigated. All results found were in accordance with the affine literature and attests the good stability features of the formulation.

Esta dissertação investiga numericamente a influência dos efeitos viscosos e elásticos em escoamentos de materiais viscoplásticos no interior de uma cavidade dirigida. O modelo mecânico empregado é constituído pelas equações de conservação de massa e pelo princípio da quantidade de movimento linear, para fluidos incompressíveis, acoplado à equação constitutiva. Esta equação modifica o modelo viscoelástico de Oldroyd-B de modo a acomodar que os tempos de relaxação e retardo do material, bem como sua viscosidade viscoplástica, dependam das mudanças de sua microestrutura. A aproximação numérica do modelo emprega o método multi-campos de Galerkin mínimos-quadrados em termos do tensor de tensão extra, do vetor velocidade e do campo de pressão. Os resultados objetivam a determinção do tamanho e localização das regiões aparentemente não-escoadas do material, bem como sua deformação elástica, intensidade de tensão, e a sua vorticidade no interior da cavidade. Os resultados claramente indicam que o padrão do escoamento é fortemente influenciado pela variação dos efeitos elásticos (variação do tempo de relaxação adimensional, θ0 * ), viscosos (variação do índice de power-law, n) e cinemáticos (variação da velocidade adimensional, U* , do escoamento) no interior da cavidade. / This dissertation investigated numerically the influence of viscous and elastic effects on flows of viscoplastic materials within a lid-driven cavity. The mechanical model used is made up of mass and momentum balance equations, coupled with the constitutive equation. This equation modifies the viscoelastic Oldroyd-B model to accommodate both relaxation and retardation times, and viscosity function, dependent on the microstructure changes. Numerical approximations of the model make use a three-field Galerkin least squares method in terms of the extra stress tensor, velocity vector and pressure field. Computations focus on the determination of the size and position of apparently unyielded regions as well as the elastic deformation, stress intensity, and the vorticity within of the cavity. Results clearly indicate that the flow pattern is strongly influenced by the elastic (variation of the dimensionless relaxation time, θ0 * ), viscous (variation of the power-law index, n) and kinematic (variation of the dimensionless flow velocity, U* ) effects within the cavity.