Escoamentos turbulentos têm sido por muitos anos o objetivo de importantes estudos para descobrir sua dinâmica. Dentre as características mais significativas, destaca-se a multiplicidade de escalas que os caracterizam, desde as maiores estruturas (baixas freqüências) controladas pela geometria que as geram, até as menores estruturas (altas freqüências) limitadas pela viscosidade do fluido. Uma idéia importante é o conceito de vórtices que está ligado a melhorias nas técnicas de visualização, tanto em laboratório quanto em experimentos numéricos. Estes vórtices têm um importante papel em numerosas aplicações tecnológicas, sendo necessário entender a dinâmica da organização de seus movimentos para controlar mecanicamente sua produção ou supressão. Neste contexto, a análise de um misturador de ar em um escoamento em tê é o principal objetivo de estudo deste trabalho. A geometria em tê é bastante simples, mas propicia o aparecimento de um escoamento com passagem de vórtices. Testes experimentais do escoamento, com duas entradas de ar com temperaturas diferentes, foram realizados no Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (LETeF - EESC - USP). As medidas de temperatura foram obtidas com termopares instalados ao longo da tubulação. Com o software CFX foram realizados estudos com métodos numéricos LES e DES aplicados ao escoamento. Estes resultados computacionais foram comparados com os dados experimentais, através da análise tempo-freqüência. Estudos preliminares do escoamento mostram regiões com passagem de vórtices, e a habilidade da técnica de análise tempo-freqüência em caracterizar a existência e a forma destas estruturas turbulentas. / Turbulent flows have been the objective of important studies to discover its dynamics. One important characteristic of these flows is the multiplicity of scales, since the large structures (low frequencies) controlled by the geometry that generates them, until the small structures (high frequencies) limited by the fluid viscosity. An important idea is the concept of vortices that it is associated with the improvements in the visualization techniques, in laboratory or numerical experiments. These vortices have an important function in many technological applications. In each one of these fields, it is necessary to understand the dynamics of its movements to control the mechanisms for producing or suppressing these vortices. In this context, the analysis of an air mixing in a tee junction is the main objective of this work. The tee geometry is sufficiently simple, but contributes for the appearance of a flow with vortices transition. Experimental tests with two different air temperatures inlets were done at the Thermal and Fluid Engineering Laboratory of the University of São Paulo at São Carlos (LETeF - EESC - USP). The measures of temperature were acquired with thermocouples installed along the pipe. Numerical studies with LES and DES methods using CFX software were applied to the flow. These computational results were compared with the experimental data through the time-frequency analysis. Preliminary studies of the flow show vortices transition regions and the ability of time-frequency technique in describing the existence and shape of turbulent structures.

Escoamentos turbulentos têm sido por muitos anos o objetivo de importantes estudos para descobrir sua dinâmica. Dentre as características mais significativas, destaca-se a multiplicidade de escalas que os caracterizam, desde as maiores estruturas (baixas freqüências) controladas pela geometria que as geram, até as menores estruturas (altas freqüências) limitadas pela viscosidade do fluido. Uma idéia importante é o conceito de vórtices que está ligado a melhorias nas técnicas de visualização, tanto em laboratório quanto em experimentos numéricos. Estes vórtices têm um importante papel em numerosas aplicações tecnológicas, sendo necessário entender a dinâmica da organização de seus movimentos para controlar mecanicamente sua produção ou supressão. Neste contexto, a análise de um misturador de ar em um escoamento em tê é o principal objetivo de estudo deste trabalho. A geometria em tê é bastante simples, mas propicia o aparecimento de um escoamento com passagem de vórtices. Testes experimentais do escoamento, com duas entradas de ar com temperaturas diferentes, foram realizados no Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (LETeF - EESC - USP). As medidas de temperatura foram obtidas com termopares instalados ao longo da tubulação. Com o software CFX foram realizados estudos com métodos numéricos LES e DES aplicados ao escoamento. Estes resultados computacionais foram comparados com os dados experimentais, através da análise tempo-freqüência. Estudos preliminares do escoamento mostram regiões com passagem de vórtices, e a habilidade da técnica de análise tempo-freqüência em caracterizar a existência e a forma destas estruturas turbulentas. / Turbulent flows have been the objective of important studies to discover its dynamics. One important characteristic of these flows is the multiplicity of scales, since the large structures (low frequencies) controlled by the geometry that generates them, until the small structures (high frequencies) limited by the fluid viscosity. An important idea is the concept of vortices that it is associated with the improvements in the visualization techniques, in laboratory or numerical experiments. These vortices have an important function in many technological applications. In each one of these fields, it is necessary to understand the dynamics of its movements to control the mechanisms for producing or suppressing these vortices. In this context, the analysis of an air mixing in a tee junction is the main objective of this work. The tee geometry is sufficiently simple, but contributes for the appearance of a flow with vortices transition. Experimental tests with two different air temperatures inlets were done at the Thermal and Fluid Engineering Laboratory of the University of São Paulo at São Carlos (LETeF - EESC - USP). The measures of temperature were acquired with thermocouples installed along the pipe. Numerical studies with LES and DES methods using CFX software were applied to the flow. These computational results were compared with the experimental data through the time-frequency analysis. Preliminary studies of the flow show vortices transition regions and the ability of time-frequency technique in describing the existence and shape of turbulent structures.

Submitted by Almir Azevedo (barbio1313@gmail.com) on 2014-07-07T16:24:17Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-07-07T16:24:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013 / A Fluidodinâmica Computacional (CFD) oferece ferramentas eficientes para o estudo de dispersão de radionuclídeos, inclusive em problemas onde há decaimento radioativo. Este trabalho apresenta um tratamento via fluidodinâmica computacional da dispersão de radionuclídeos, aplicável tanto na dispersão em ambientes internos quanto na dispersão externa e, em ambos os casos, tanto por via atmosférica quanto aquática. A primeira situação é de fundamental importância para a otimização do projeto de salas que abrigam material radioativo visando à segurança e minimização da dose em caso de dispersão. A segunda situação diz respeito à dispersão para o exterior de instalações nucleares ou radiativas, sendo de grande relevância para oferecer subsídios para a análise de segurança e de impacto ambiental no entorno da instalação. Neste trabalho as equações de quantidade de movimento, energia e transporte com decaimento de material radioativo são discretizadas para obtenção de soluções numéricas. O programa desenvolvido emprega simulação das grandes escalas de turbulência (LES) combinadas com técnicas de computação paralela e distribuída / The computational fluid dynamics (CFD) offers efficient tools for the study of dispersion of radionuclides, including problems where radioactive decay needs to be considered. This work presents a CFD approach for the analysis of radionuclides dispersion, applicable both for internal and external environments, either through air or aquatic ways. The first case is relevant for the optimization of the design of rooms that keep or store radioactive material and is also important for safety and the minimization of doses in the event of dispersion. The second case concerns external dispersion from nuclear and radioactive installations and is essential for safety analysis and the evaluation of environment impact of such installations. In this work the equations governing momentum, energy and transport with decay of radioactive materials are discretized in order that numerical solutions can be obtained. Additionally, the code developed employs Large Eddy Simulation (LES) of turbulence combined with techniques of parallel distributed computing

O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais, que estabeleceram as diretrizes e a lógica de cálculo, foram criados no contexto deste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a simulação de grandes escalas, associada ao método de fronteira imersa, considerando velocidade de sedimentação conforme aqui modelada, e ainda utilizando a equação de advecção-difusão para o transporte de massa, constituem ferramentas altamente adequadas à estimativa do transporte de sedimentos pela água. / The goal of this work is the research of sediment transport phenomena, deriving from outstanding turbulent eddies estimative. Thus, the mass transport equation (advection-diffusion) was connected with the filtered Navier-Stokes and continuity equations. In this context, the large-eddy simulation and sub-grid viscosity modeling established a convenient description of turbulence effects. The immersed boundary method was applied to model solid/fluid interface, represented here by the shapes of channel bottom. The filtered Navier-Stokes and continuity equations were solved by the fractional step method. The equations were discretized with the finite difference method, applied over staggered grids, whereas explicit Adams-Bashforth schemes (second and forth orders) were used in temporal advancement of velocities and sediment concentration fields. A new analytical formulation for settling velocity was obtained, while fortuitous re-suspension flux was applied like a boundary condition in the channel bottom. The computational code was totally developed in this work. The results of present simulations show that large-eddy simulation coupled to the immersed boundary method, considering, yet, the settling velocity of particles and the advection-diffusion equation for mass transport, constitute potential tools for sediment transport evaluation in water flows.

O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais, que estabeleceram as diretrizes e a lógica de cálculo, foram criados no contexto deste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a simulação de grandes escalas, associada ao método de fronteira imersa, considerando velocidade de sedimentação conforme aqui modelada, e ainda utilizando a equação de advecção-difusão para o transporte de massa, constituem ferramentas altamente adequadas à estimativa do transporte de sedimentos pela água. / The goal of this work is the research of sediment transport phenomena, deriving from outstanding turbulent eddies estimative. Thus, the mass transport equation (advection-diffusion) was connected with the filtered Navier-Stokes and continuity equations. In this context, the large-eddy simulation and sub-grid viscosity modeling established a convenient description of turbulence effects. The immersed boundary method was applied to model solid/fluid interface, represented here by the shapes of channel bottom. The filtered Navier-Stokes and continuity equations were solved by the fractional step method. The equations were discretized with the finite difference method, applied over staggered grids, whereas explicit Adams-Bashforth schemes (second and forth orders) were used in temporal advancement of velocities and sediment concentration fields. A new analytical formulation for settling velocity was obtained, while fortuitous re-suspension flux was applied like a boundary condition in the channel bottom. The computational code was totally developed in this work. The results of present simulations show that large-eddy simulation coupled to the immersed boundary method, considering, yet, the settling velocity of particles and the advection-diffusion equation for mass transport, constitute potential tools for sediment transport evaluation in water flows.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-12-18Bitstream added on 2014-06-13T18:48:30Z : No. of bitstreams: 1 zachi_jm_me_ilha.pdf: 1606668 bytes, checksum: df36f4d5d30c079b2b8faf62fd202730 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo principal deste trabalho é a simulação numérica de escoamentos de fluidos incompressíveis pelo método de elementos finitos baseado em volumes de controle (CVFEM) utilizando a metodologia de simulação das grandes escalas. As equações governantes são filtradas para a simulação das variáveis de grandes escalas e as escalas sub-malhas, que aparecem devido ao processo de filtragem, são modeladas por meio do modelo de viscosidade turbulenta de Smagorinsky. O domínio é discretizado em malha não estruturada formada por elementos finitos triangulares de seis nós e as equações são integradas em volumes de controle formados em torno dos nós dos elementos. O presente código numérico foi validado aplicando-o a alguns problemas-testes e os resultados, comparados com os disponíveis na literatura. Os casos testes foram o escoamento em uma cavidade quadrada induzido pelo movimento da parede superior, e escoamento por convecção natural em uma cavidade quadrada. Os resultados obtidos, no presente trabalho, concordaram com os resultados da literatura. / The main purpose of this work is the numerical simulation of incompressible fluid flows by a control volume finite element method (CVFEM) using the methodology of large-eddy simulation. The domain is discretized using unstructured mesh of six-noded triangular finite elements and the equations are integrated into control volumes around the nodes of the finite elements. The government equations are filtered for simulation of the large scales variables and the sub-grid scales appearing due to the filtering process are modeled through the eddy viscosity model of Smagorinsky. Two-dimensional benchmark problems are solved to validate the numerical code and the results are presented and compared with available results from the literature. The test cases were the lid-driven cavity flow and natural convection flow inside a square cavity. The obtained results, in the present work, agree with results from the literature.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The turbulent flow simulation through the Boussinesq s hypothesis is represented, currently, by two distinct methodologies, the Large-Eddy Simulation (LES) and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANS). New Hybrid RANS/LES methods are in development, taking off advantage of LES and RANS potentialities through a one only model. The present work deals with the evaluation of these three methodologies, LES, RANS and Hybrid RANS/LES through the turbulent backward-facing step flow simulation. This classical flow is a benchmark for new turbulence models due to the fact that, despite its simple geometry, it presents a very complex generation of three-dimensional structures, influencing the transition phenomenon and properties such as characteristics frequencies of vortex emission and reattachment length. Parallel to this, an inlet turbulent boundary condition influence study showed that the statistical and topological content of the inlet boundary layer profile can modify substantially results like reattachment length and pressure coefficient. A recycling method for generating three-dimensional, time-dependent turbulent boundary layer inflow data for Large-Eddy and Hybrid RANS/LES simulation is employed. Results for the three methodologies disclose that Large-Eddy Simulation and Hybrid RANS/LES methods present very similar descriptions for the turbulent backward-facing step flow, differing from the RANS s results, where the second order statistical moments are totally suppressed, with absence of three-dimensional and transient structures. / A simulação numérica de escoamentos turbulentos através da hipótese de Boussinesq é representada, atualmente, por duas grandes metodologias distintas, a Simulação de Grandes Escalas (LES Large-Eddy Simulation) e as Equações Médias de Reynolds (RANS Reynolds Averaged Navier-Stokes). Uma nova metodologia, chamada de Híbrida RANS/LES, está em desenvolvimento, tirando proveito das potencialidades das metodologias tradicionais LES e RANS através de um único modelo. O presente trabalho trata da avaliação das três metodologias, LES, RANS e Híbrida RANS/LES de modelagem da turbulência através da simulação numérica do escoamento turbulento sobre um degrau. Os modelos são avaliados através deste escoamento, que apesar de simples geometricamente, é capaz de gerar um escoamento complexo, com regiões de escoamento parietal e cisalhante livre. Juntamente com a modelagem da turbulência, um estudo de imposição de condições de contorno turbulentas na entrada do domínio utilizado revelou que tão importante quanto o modelo de turbulência, as condições de contorno empregadas modificam substancialmente os resultados obtidos. Foi implementado um modelo de geração de contorno baseado no escalonamento de informações internas do escoamento de forma a satisfazer estatística e topologicamente o caráter turbulento da condição de contorno na entrada. Resultados para as três metodologias revelam que a Simulação de Grandes Escalas e métodos Híbridos RANS/LES apresentam descrições muito semelhantes para o escoamento turbulento sobre o degrau, diferindo dos resultados da metodologia RANS, onde momentos estatísticos de segunda ordem são suprimidos, com ausência de estruturas tridimensionais e transientes. / Mestre em Engenharia Mecânica

Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um método numérico para simulação das grandes escalas de escoamentos turbulentos tridimensionais utilizando uma modelagem de turbulência baseada em filtragem temporal (denominada TLES - Temporal Large Eddy Simulation). O método desenvolvido combina discretizações temporais com ordem de mínima precisão 2 (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), um método de projeção de ordem 2, com discretizações espaciais também de ordem 2 obtidas pelo método de volumes finitos. Esta metodologia foi empregada na simulação de problemas teste turbulentos como o canal e a cavidade impulsionada, sendo este último resultado simulado pela primeira vez com modelagem TLES. Os resultados mostram uma excelente concordância quando comparado com resultados de simulações diretas (DNS) e dados experimentais, superando resultados clássicos obtidos com formulação LES com filtragem espacial. / The main objective of this work is to develop a numerical method for large eddy simulation of tridimensional turbulent flows using a model based on temporal filtering (TLES - Temporal Large Eddy Simulation). The developed method combines at least 2nd order temporal discretizations (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), a 2nd order projection method, and 2nd order spatial discretizations obtained by the finite volume method. This methodology was employed to the simulation of turbulent benchmark problems such as channel and lid-driven cavity flows. The latter is simulated for the first time using a TLES turbulence modelling. Results show excellent agreement when compared to Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental data, with better results than classical results produced by standard LES formulation with spatial filtering.

O projeto de pesquisa propôs avaliar a metodologia de Simulação de Escalas Adaptativas (SAS) para descrever escoamentos turbulentos e não-reativos utilizando estudos de casos característicos, amplamente documentados, os quais possuem comportamentos do escoamento distintos presentes em diferentes regiões de uma câmara de combustão. O primeiro estudo de caso foi a análise do escoamento sobre um degrau, em que foi avaliada a capacidade do modelo Simulação de Escalas Adaptativas, frente aos modelos de Navier-Stokes com Média de Reynolds (RANS) e Simulação de Grandes Escalas (LES) e aos dados experimentais, em prever a distribuição de pressão, ponto de recolamento e de perfis de velocidade ao longo do domínio após a separação. Pode-se notar que o modelo SAS apresentou resultados praticamente idênticos aos resultados obtidos pelo modelo RANS com relação à distribuição de pressão e a posição ponto de recolamento. Porém, os perfis de velocidade apresentaram algumas discrepâncias com relação aos perfis de velocidade dos modelos RANS e LES e dos resultados experimentais. Um segundo estudo de caso foi a análise do escoamento através de um turbilhonador, em que a capacidade do modelo SAS foi avaliada, comparando seus resultados com os resultados do modelo de Navier-Stokes Não-Estacionárias com Média de Reynolds (URANS) e com os dados experimentais, em prever perfis de velocidade em regiões de recirculação presentes neste estudo de caso. Pode-se observar que ambos os modelos conseguiram prever as principais estruturas de recirculação do escoamento, porém, os perfis de velocidade apresentaram significativas discrepâncias com relação aos dados experimentais. Em seguida, foram feitas comparações entre os modelos SAS e URANS com relação à previsão da precessão central de vórtice e de estruturas de vórtices, das quais foi observado que o modelo SAS apresenta uma maior capacidade para prever estas estruturas em relação ao modelo URANS. / The research project aimed to evaluate the Scale-Adaptive Simulation (SAS) methodology to describe turbulent and non-reactive flows using characteristic, widely documented, case studies, which have distinct flow behaviors present in different regions of a chamber of combustion. The first case study was the analysis of a flow over a backward-facing step, from which the Scale-Adaptive Simulation (SAS) model capacity was evaluated, compared to the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large-Eddy Simulation (LES) models and experimental data, in order to predict the pressure distribution, reattachment point and velocity profiles throughout the domain after separation. It can be noticed that the SAS model presented results almost identical to the results obtained by the RANS model in relation to the pressure distribution and reattachment position. However, the velocity profiles presented some discrepancies in respect to RANS and LES velocity profiles and the experimental results. A second case study was the analysis of the flow through a swirler, from which the capacity of the SAS model was evaluated, comparing its results to the results of the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) model and with the experimental data, to predict velocity profiles in recirculation regions present in this case study. It can be observed that both models were able to predict the main recirculation structures of the flow, however, the velocity profiles presented significant discrepancies in relation to the experimental data. Then, comparisons were made between the SAS and URANS models in respect to the prediction of vortex precession vortex core and vortex structures, from which it was observed that the SAS model presents a greater capacity to predict these structures in relation to the URANS model.

Neste trabalho foi realizado um estudo utilizando os modelos de turbulência Simulação das Grandes Escalas, Large Eddy Simulation (LES), e Simulação dos Vórtices Desprendidos, Detached Eddy Simulation (DES), para simular o escoamento compressível interno em um duto contendo válvulas controladoras na saída dos gases de combustão de um reator de craqueamento catalítico fluido, com o objetivo de comparar o desempenho numérico e computacional de ambas as técnicas. Para isso foi utilizado um programa comercial de dinâmica dos fluidos computacional, Computational Fluid Dynamics (CFD), que possui em seu código os dois modelos de turbulência. / In the present work a study was conducted using Large Eddy Simulation (LES) and Detached Eddy Simulation (DES) turbulence models in order to simulate the internal compressible flow in a duct containing the flue gas discharge control valves of a fluid catalytic cracking reactor so as to compare the numerical and computational behavior of both techniques. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software, which includes these turbulence models in its code, was used.