Este trabalho apresenta uma técnica de diferenças finitas para resolver a equação constitutiva Fluido de Segunda Ordem para escoamentos tridimensionais com superfície livre. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas em uma malha deslocada 3D. A superfície livre é modelada por células marcadoras (Marker-and-Cell) e as condições de contorno a superfície livre são empregadas. O método numérico apresentado neste trabalho foi validado pela comparação entre as soluções numéricas obtidas para o escoamento em um tubo com a solução analítica correspondente para Fluidos de Segunda Ordem. Ao fazer refinamento de malha, a convergência do método numérico foi verificada. Resultados numéricos da simulação do problema do inchamento do extrudado para números de Deborah De \'< OU =\' 0:3 são apresentados / This work presents a finite difference method to simulate three-dimensional viscoelastic flow with free surfaces governed by the constitutive equation Second Order Fluid. The governing equations are solved by the finite difference method in a three-dimensional shifted mesh. The free surface of fluid is modeled by the Marker-and-Cell method which allows for the visualization and the location of the free surface of fluid. The full free surface stress conditions are employed. The numerical method developed in this work is validated by comparing the numerical and analytic solutions for the steady state flow of a Second Order Fluid in a pipe. By using mesh refinement convergence results are given. Numerical results of the simulation of the transient extrudate swell of a Second Order Fluid of the Deborah number De \'< OR =\' 0:3 are presented

Escoamentos viscoelásticos não estacionários com superfícies livres são comuns em muitos processos industriais e diversas técnicas numéricas têm sido empregadas para reproduzir computacionalmente estes processos. A maioria dos modelos empregados utiliza equações diferenciais na definição do tensor de tensões. Porém, para alguns grupos de fluidos complexos, por exemplo, fluidos de Boger, os modelos integrais mostram-se mais capacitados em fornecer uma boa aproximação para os comportamentos não lineares desses fluidos. Este trabalho trata da solução numérica do modelo constitutivo integral KBKZ-PSM para escoamentos transientes bidimensionais com superfícies livres. O método numérico proposto é uma técnica numérica que utiliza diferenças finitas para simular escoamentos com superfícies livres na presença de paredes sólidas. As principais características do método numérico proposto são: solução das equações de conservação de quantidade de movimento e massa utilizando um método semi-implícito; a condição de contorno na superfície livre é acoplada à equação de Poisson, o que garante conservação de massa; a discretização do tempo t é realizada por uma nova técnica numérica; o tensor de Finger é calculado pelo método dos campos de deformação e avançado no tempo pelo método de Euler modificado. Essa nova técnica é verificada em escoamentos cisalhantes e elongacionais. Adicionalmente, uma solução analítica desenvolvida para escoamentos em canais bidimensionais é empregada para verificar e analisar a convergência do método proposto. Com relação a escoamentos com superfícies livres, a convergência é verificada por meio de refinamento de malha nas simulações de um jato incidindo sobre placa rígida e no problema do inchamento do extrudado. Finalmente, o método é aplicado para investigar os problemas jet buckling e inchamento do extrudado de fluidos KBKZ-PSM. / Unsteady viscoelastic free surface flows are common in many industrial processes and a variety of numerical techniques have been employed to simulate these flows. The majority of constitutive models employed are based on differential equations to define the extra stress tensor. However, for some complex fluids, for instance, Boger fluids, integral models are more adequate to approximate the nonlinear behaviour of these fluids. This work deals with the numerical solution of the integral constitutive model KBKZ-PSM for two-dimensional unsteady free surface flows. The proposed numerical method is a numerical technique that employs finite differences to simulate moving free surface flows that interact with solid walls. The main features of the method are: numerical solution of the momentum and mass equations by an implicit method; the pressure condition on the free surface is implicitly coupled with the Poisson equation for obtaining the pressure field from mass conservation; a novel scheme for defining the past times t is employed; the Finger tensor is calculated by the deformation fields method and is advanced in time by the modified Euler method. This new technique is verified by solving shear and uniaxial elongational flows. Moreover, an analytic solution for channel flows is obtained that is used in the verification and convergence analysis of the proposed methodology. For free surface flows, the assessment of convergence lies on the mesh refinement on the simulation of a jet impinging on a flat surface and the extrudade swell problem. Finally, the new method is applied to investigate the jet buckling phenomenon and extrudate swell of KBKZ-PSM fluids.

Escoamentos viscoelásticos não estacionários com superfícies livres são comuns em muitos processos industriais e diversas técnicas numéricas têm sido empregadas para reproduzir computacionalmente estes processos. A maioria dos modelos empregados utiliza equações diferenciais na definição do tensor de tensões. Porém, para alguns grupos de fluidos complexos, por exemplo, fluidos de Boger, os modelos integrais mostram-se mais capacitados em fornecer uma boa aproximação para os comportamentos não lineares desses fluidos. Este trabalho trata da solução numérica do modelo constitutivo integral KBKZ-PSM para escoamentos transientes bidimensionais com superfícies livres. O método numérico proposto é uma técnica numérica que utiliza diferenças finitas para simular escoamentos com superfícies livres na presença de paredes sólidas. As principais características do método numérico proposto são: solução das equações de conservação de quantidade de movimento e massa utilizando um método semi-implícito; a condição de contorno na superfície livre é acoplada à equação de Poisson, o que garante conservação de massa; a discretização do tempo t é realizada por uma nova técnica numérica; o tensor de Finger é calculado pelo método dos campos de deformação e avançado no tempo pelo método de Euler modificado. Essa nova técnica é verificada em escoamentos cisalhantes e elongacionais. Adicionalmente, uma solução analítica desenvolvida para escoamentos em canais bidimensionais é empregada para verificar e analisar a convergência do método proposto. Com relação a escoamentos com superfícies livres, a convergência é verificada por meio de refinamento de malha nas simulações de um jato incidindo sobre placa rígida e no problema do inchamento do extrudado. Finalmente, o método é aplicado para investigar os problemas jet buckling e inchamento do extrudado de fluidos KBKZ-PSM. / Unsteady viscoelastic free surface flows are common in many industrial processes and a variety of numerical techniques have been employed to simulate these flows. The majority of constitutive models employed are based on differential equations to define the extra stress tensor. However, for some complex fluids, for instance, Boger fluids, integral models are more adequate to approximate the nonlinear behaviour of these fluids. This work deals with the numerical solution of the integral constitutive model KBKZ-PSM for two-dimensional unsteady free surface flows. The proposed numerical method is a numerical technique that employs finite differences to simulate moving free surface flows that interact with solid walls. The main features of the method are: numerical solution of the momentum and mass equations by an implicit method; the pressure condition on the free surface is implicitly coupled with the Poisson equation for obtaining the pressure field from mass conservation; a novel scheme for defining the past times t is employed; the Finger tensor is calculated by the deformation fields method and is advanced in time by the modified Euler method. This new technique is verified by solving shear and uniaxial elongational flows. Moreover, an analytic solution for channel flows is obtained that is used in the verification and convergence analysis of the proposed methodology. For free surface flows, the assessment of convergence lies on the mesh refinement on the simulation of a jet impinging on a flat surface and the extrudade swell problem. Finally, the new method is applied to investigate the jet buckling phenomenon and extrudate swell of KBKZ-PSM fluids.

Nesta tese é apresentado um esquema novo de alta resolução upwind (denominado TDPUS-C3) para reconstrução de fluxos numéricos para leis de conservação não lineares e problemas relacionados em DFC. O esquema é baseado nos critérios de estabilidade CBC e TVD e desenvolvido utilizando condições de diferenciabilidade \'C POT. 3\'. Além disso, é realiozada a implementação da associação do esquema TDPLUS-C3 com a modelagem de turbulência RNG \'\\kappa - \\epsilon\'. O propósito é obter soluções numéricas de sistemas hiperbólicos de leis de conservação para dinâmica dos gases e equações de Navier-Stokes para escoamento incompreensível de fluidos newtonianos e não newtonianos (viscoelásticos). Fazendo o uso do esquema TDPUS-C3, a precisão global dos métodos numéricos é verificada acessando o erro em problemas teste (benchmark) 1D e 2D. Um estudo comparativo entre os resultados do esquema TDPUS-C3 e os esquemas upwind convencionais para leis de conservação hiperbólicas complexas é também realizado. A Associação das modelagens numéricas (upwinding mais RNG \'\\kappa - \\epsilon\') é , então, examinada na simulação de escoamentos turbulentos de fluidos newtonianos envolvendo superfícies livres móveis, usando a metodologia URANS. No geral, em termos do comportamento global, concordância satisfatória é observada / In this thesis, a new high-resolution upwind scheme (named TDPUS-C3) for reconstruction of numerical fluxes for nonlinear conservation laws and related CFD problems in presented. The scheme is based on CBC and TVD stability criteria and developed by employing differentiability condictions (\'C POT. 3\'). In additon, the implementation of an association of the TDPUS-C3 scheme with the RNG \'\\kappa - \\epsilon\' turbulence modelling is also performed. The purpose is to obtain numerical solutions of systems of hyperbolic conservation laws for gas dynamics and Navier-Stokes equations for incompressible flow of Newtonian and non-Newtonian (viscoelstic) fluids. By using the TDPUS-C3 scheme, the global accuracy of the numerical methods is verified by assessing the error on 1D and 2D benchmark test cases. A comparative study between the TDPUS-C3 scheme and convectional upwind schemes to solve standard and complex hyperbolic conservation laws is also accomplished. The association of the numerical modelling (upwinding plus RNG \'\\kappa - epsilon\') is then examined in the simulation of turbulent Newtonian fluid flows involving moving free surfaces, by using URANS methodology. Overall, satisfactory agreement is found in terms of the overall behaviour

Três esquemas de captura de descontinuidade são apresentados para simular hiperbólicos de leis de conservação e equações de Navier-Stokes incompressíveis, a saber: FDHERPUS (Five Degree Hermite Upwind Scheme); RUS (Rational Upwind Scheme); e CSPUS (Cubic Spline Polynomial Upwind Scheme). Esses esquemas são baseados nos critérios de estabilidade CBC e TVD e implementados nos contextos das metodologias diferenças finitas e volumes finitos. A precisão local dos esquemas é verificada acessando o erro e a taxa de convergência em problemas testes de referência. Um estudo comparativo entre os esquemas estudados (incluido o WENO5) e o esquema bem estabelecido de van Albada, para resolver leis de conservação lineares e não lineares, é também realizado. O esquema de convecção que fornece melhores resultados em leis de conservação hiperbólicas é então examinado na simulação de escoamentos de fluidos newtonianos com superfícies livres móveis de complexidade crescente; resultados satisfatórios têm sido observados em termos do comportamento global / Three shock capturing schemes for numerical solution of hyperbolic conservation laws and incompressible Navier-Stokes equations are presented, namely: FDHERPUS (Five Degree Hermite Polynomial Upwind Scheme); RUS (Rational Upwind Scheme); and CSPUS ( Cubic Spline Polynomial Upwind Scheme). These schemes are based on CBC and TVD stability criteria and implemented in the context of finite volume methodologies. The local observed accuracy of the schemes is verified by assessing the error and convergence rate on benchmark test cases. A comparative study between the schemes (including WENO5) and the well established van. Albada scheme to solve standard linear and nonlinear hyperbolic conservation laws is also accomplished. The scheme that has provided better results in hyperbolic conservation laws is then examined in the simulation of Newtonian moving free surface flows of increasing complexity, satisfactory agreement has been observed in terms of the overall behavior

Neste trabalho apresenta-se um novo esquema prático tipo upwind de alta resolução, denominado EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme), para resolver numericamente equações de conservação TVD e é implementado no contexto do método das diferenças finitas. O desempenho do esquema é investigado na resolução de sistemas hiperbólicos de leis de conservação e escoamentos incompressíveis complexos com superfícies livres. Os resultados numéricos mostraram boa concordãncia com outros resultados numéricos e dados experimentais existentes / Is this work a new practical high resolution upwinding scheme, called EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme), for the numerical solution of transient convection-dominated conservation equations is present. The scheme is based on TVD stability criterion and is implemented in the context of the finite difference methodology. The performance of the scheme is investigated by solving hyperbolic systems of conservation laws and complex incompressible flows with free surfaces. The numerical results displayed good agreement with other existing numerical and experimental data

Este trabalho é dedicado à análise e implementação de esquemas "upwind" de alta ordem modernos e o modelo de turbulência k-epsilon padrão no Freeflow-2D; um ambiente integrado para simulação numérica em diferenças finitas de problemas de escoamentos incompressíveis com superfícies livres. O propósito do estudo é a simulação de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, bidimensionais, confinados e/ou com superfícies livres e a altos valores do número de Reynolds. O desempenho do código Freeflow-2D atual é avaliada na simulação do escoamento numa expansão brusca e de um jato livre incidindo perpendicularmente sobre uma superfície rígida impermeável. O código é então aplicado na simulação de um jato planar turbulento em uma porção de fluido com superfície livre e estacionário. Os resultados numéricos obtidos são comparados com dados experimentais, soluções analíticas e soluções numéricas de outros trabalhos. / This work is devoted to the analysis and implementation of modern high-order upwind schemes and the standard k-epsilon turbulence model into the Freeflow-2D; a finite difference integrated environment for the numerical simulation of incompressible free surface flow problems. The purpose of this study is the two-dimensional simulation of high-Reynolds incompressible newtonian confined and/or free surface flows. The performance of the current Freeflow-2D code is assessed by applying it to the simulation of flow over a backward facing step and of an impinging free jet onto an impermeable rigid surface. The code is then applied to a turbulent planar jet into a pool. The numerical results are compared with experimental data, analytical solution, and numerical simulations of other works.

Esta dissertação trata da solução numérica de problemas em dinâmica dos fluidos usando dois novos esquemas upwind de alta resolução, denominados FDPUS-C1 (Five-Degree Polynomial Upwind Scheme of \' C POT. 1\' Class) e SDPUS-C1 (Six-Degree Polynomial Upwind Scheme of \'C POT.1\' Class), para a discretização de termos convectivos lineares e não-lineares. Os esquemas são baseados nos critérios de estabilidade TVD (Total Variation Diminishing) e CBC (Convection Boundedness Criterion) e são implementados, nos contextos das metodologias de diferenças finitas e volumes finitos, no ambiente de simulação Freeflow (an integrated simulation system for Free surface Flow) para escoamentos imcompressíveis 2D, 2D-1/2 e 3D, ou no código bem conhecido CLAWPACK ( Conservation LAW PACKage) para problemaw compressíveis 1D e 2D. Vários testes computacionais são feitos com o objetivo de verificar e validar os métodos numéricos contra esquemas upwind populares. Os novos esqumas são então aplicados na resolução de uma gama ampla de problemas em CFD (Computational Fluids Dynamics), tais como propagação de ondas de choque e escoamentos incompressíveis envolvendo superfícies livres móveis. Em particular, os resultados numéricos para leis de conservação hiperbólicas 2D e equações de Navier-Stokes incompressíveis 2D, 2D-1/2 e 3D demosntram que esses novos esquemas convectivos tipo upwind polinomiais funcionam muito bem / This dissertation deals with the numerical solution of fluid dynamics problems using two new high resolution upwind schemes,. namely FDPUS-C1 and SDPUS-C1, for the discretization of the linear and non-linear convection terms. The Schemes are based on TVD and DBC stability criteria and are implemented in the context of the finite difference and finite volume methodologies, either into the Freeflow code for 2D, 2D-1/2 and 3D incompressible flows or in the well-known CLAWPACK code for 1D and 2D compressible flows. Several computational tests are performed to verify and validate the numerical methods against other popularly used upwind schemes. The new schemes are then applied to solve a wide range of problems in CFD, such as shock wave propagation and incompressible fluid flows involving moving free msurfaces. In particular, the numerical results for 2D hyperbolic conservation laws and 2D, 2D-1/2 and 3D incompressible Navier-Stokes eqautions show that new polynomial upwind convection schemes perform very well

Nesta tese é apresentado um esquema novo de alta resolução upwind (denominado TDPUS-C3) para reconstrução de fluxos numéricos para leis de conservação não lineares e problemas relacionados em DFC. O esquema é baseado nos critérios de estabilidade CBC e TVD e desenvolvido utilizando condições de diferenciabilidade \'C POT. 3\'. Além disso, é realiozada a implementação da associação do esquema TDPLUS-C3 com a modelagem de turbulência RNG \'\\kappa - \\epsilon\'. O propósito é obter soluções numéricas de sistemas hiperbólicos de leis de conservação para dinâmica dos gases e equações de Navier-Stokes para escoamento incompreensível de fluidos newtonianos e não newtonianos (viscoelásticos). Fazendo o uso do esquema TDPUS-C3, a precisão global dos métodos numéricos é verificada acessando o erro em problemas teste (benchmark) 1D e 2D. Um estudo comparativo entre os resultados do esquema TDPUS-C3 e os esquemas upwind convencionais para leis de conservação hiperbólicas complexas é também realizado. A Associação das modelagens numéricas (upwinding mais RNG \'\\kappa - \\epsilon\') é , então, examinada na simulação de escoamentos turbulentos de fluidos newtonianos envolvendo superfícies livres móveis, usando a metodologia URANS. No geral, em termos do comportamento global, concordância satisfatória é observada / In this thesis, a new high-resolution upwind scheme (named TDPUS-C3) for reconstruction of numerical fluxes for nonlinear conservation laws and related CFD problems in presented. The scheme is based on CBC and TVD stability criteria and developed by employing differentiability condictions (\'C POT. 3\'). In additon, the implementation of an association of the TDPUS-C3 scheme with the RNG \'\\kappa - \\epsilon\' turbulence modelling is also performed. The purpose is to obtain numerical solutions of systems of hyperbolic conservation laws for gas dynamics and Navier-Stokes equations for incompressible flow of Newtonian and non-Newtonian (viscoelstic) fluids. By using the TDPUS-C3 scheme, the global accuracy of the numerical methods is verified by assessing the error on 1D and 2D benchmark test cases. A comparative study between the TDPUS-C3 scheme and convectional upwind schemes to solve standard and complex hyperbolic conservation laws is also accomplished. The association of the numerical modelling (upwinding plus RNG \'\\kappa - epsilon\') is then examined in the simulation of turbulent Newtonian fluid flows involving moving free surfaces, by using URANS methodology. Overall, satisfactory agreement is found in terms of the overall behaviour

Este trabalho é dedicado à análise e implementação de esquemas "upwind" de alta ordem modernos e o modelo de turbulência k-epsilon padrão no Freeflow-2D; um ambiente integrado para simulação numérica em diferenças finitas de problemas de escoamentos incompressíveis com superfícies livres. O propósito do estudo é a simulação de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, bidimensionais, confinados e/ou com superfícies livres e a altos valores do número de Reynolds. O desempenho do código Freeflow-2D atual é avaliada na simulação do escoamento numa expansão brusca e de um jato livre incidindo perpendicularmente sobre uma superfície rígida impermeável. O código é então aplicado na simulação de um jato planar turbulento em uma porção de fluido com superfície livre e estacionário. Os resultados numéricos obtidos são comparados com dados experimentais, soluções analíticas e soluções numéricas de outros trabalhos. / This work is devoted to the analysis and implementation of modern high-order upwind schemes and the standard k-epsilon turbulence model into the Freeflow-2D; a finite difference integrated environment for the numerical simulation of incompressible free surface flow problems. The purpose of this study is the two-dimensional simulation of high-Reynolds incompressible newtonian confined and/or free surface flows. The performance of the current Freeflow-2D code is assessed by applying it to the simulation of flow over a backward facing step and of an impinging free jet onto an impermeable rigid surface. The code is then applied to a turbulent planar jet into a pool. The numerical results are compared with experimental data, analytical solution, and numerical simulations of other works.