Motivado pela ocorrência de instabilidade do motor do veículo de Fórmula SAE da equipe Poli Racing da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo quando operando em altas rotações, o escoamento no conduto de admissão, mais especificamente no último conduto antes do flange do motor, conhecido como runner, foi então analisado. A suspeita de que o descolamento do escoamento da parede na região interna da curvatura fosse a causa da instabilidade do motor foi então estudada de duas maneiras: um estudo numérico e outro experimental. O estudo numérico se inicia pela caracterização do escoamento real e desenvolvimento de hipóteses simplificadores e considerações sobre os pontos mais relevantes do escoamento. Em seguida, uma malha de elementos é construída no computador com auxílio de um programa de CFD. Ressalta-se que sua geometria reproduz a geometria interna do duto de interesse (runner). Posteriormente, a mesma é simulada utilizando um modelo de duas equações (SST k-w), obtendo-se assim o perfil de pressão ao longo da região interna e externa da parede do runner.O estudo experimental se inicia pela construção do runner em prototipagem rápida, mantendo sua geometria fiel à geometria do runner utilizado no veículo de referência, adaptando a esse, tomadas de pressão ao longo da sua seção meridional. Ele é então montado em laboratório e as pressões nas diversas tomadas de pressão são então medidas para diferentes valores de vazão.Os resultados acima obtidos são então comparados com as referências bibliográficas relevantes.De maneira geral, tanto os resultados numéricos como os resultados experimentais estão de acordo com as referências bibliográficas, indicando que até valores do número de Reynolds iguais a aproximadamente 210000 (o que corresponde para as condições de temperatura e pressão do ar de admissão durante a operação do motor, a uma velocidade média no runner de cerca de 80 m/s) não ocorre descolamento na região interna da curvatura do runner. / Motivated by the occurrence of instability of the engine of the Formula SAE vehicle of the Poli Racing team from the Polytechnic School of University of São Paulo when operating at high engine speeds, the flow in the intake manifold, more specifically in the last duct before the engine flange, known as runner, became focus of deeper analysis. The suspicion that the detachment of the flow from the wall in the inner region of curvature was the cause of engine instability was studied in two approaches: a numerical study and an experimental study. The numerical study begins by characterizing the real flow and development of simplifying assumptions and considerations on the most relevant points of the flow. Then, a mesh is built into the computer with the aid of a CFD program. Its geometry is equal to the internal geometry of the studied duct (runner). Subsequently, the mesh is simulated using a two equations model (SST k-w) and a pressure profile in the inner and outer wall is calculated. The experimental study begins with the construction of the runner using rapid prototyping, keeping its geometry equal to the geometry of the runner used in the reference vehicle, but adapting to this, pressure taps along the inner and outer wall of the curvature. It is then assembled in the laboratory and the pressure in different pressure taps are measured for different flow rates.The above results are then compared with the relevant bibliographic references.In general, both the numerical results and the experimental results are in agreement with the references indicating that up to Reynolds numbers values equal to approximately 210 000 (which considering the air temperature and pressure while engine is operating, corresponds to an average speed in the runner around 80 m/s) does not occur any detachment in the inner region of curvature of the runner.

A partir da solução analítica obtida para o campo turbulento gerado por duas grades oscilantes em fluido em repouso, considerados os casos de viscosidade constante e viscosidade variável, foram estudados escoamentos turbulentos complexos. A partir de proposta de equação governante linear ainda não publicada de SCHULZ (2003a), foram obtidas soluções promissoras e exploradas possibilidades de generalização. As equações em questão baseiam-se no modelo &#954-&#949. A ferramenta de trabalho no estudo das soluções teóricas foi o programa Mathematica. Embora essa ferramenta simplifique o trabalho mecânico decorrente da busca de soluções viáveis, vale lembrar que a construção do problema depende da criatividade do estudioso. Os objetivos propostos foram atingidos: reproduzir e ampliar os resultados para grades oscilantes de SCHULZ (2001). Adicionalmente, os equacionamentos governantes lineares mostraram possuir soluções compatíveis com a observação. / From the analytical solution of turbulent field generated by two oscillating grids in fluid in rest, complex turbulent flows have been studied considering the cases of constant and variable viscosities. Promising solutions as well as some turbulence generalization possibilities were obtained considering SCHULZ\'s (2003) non-published proposal of linear governing equations. The solutions are based on the &#954-&#949 model. The Mathematica program was used as a tool in the study of the theoretical solutions. Although this tool simplifies the work derived from the search for viable solutions, it is important to remember that the construction of the problem depends on the researcher\'s skills. The aims of reproducing and extending SCHULZ\'s (2001) model for oscillating grids have been achieved. Additionally, the linear governing equations have shown to have compatible solutions with the observation.

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 Marlucy Farias Medeiros (marlucy.farias@unipampa.edu.br) on 2018-09-27T20:20:32Z No. of bitstreams: 1 Jean Jonathan SCHUSTER 2018.pdf: 18914012 bytes, checksum: 52c8ad92b866291b8d3f75f870cf6441 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlucy Farias Medeiros (marlucy.farias@unipampa.edu.br) on 2018-09-27T21:02:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Jean Jonathan SCHUSTER 2018.pdf: 18914012 bytes, checksum: 52c8ad92b866291b8d3f75f870cf6441 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-27T21:02:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jean Jonathan SCHUSTER 2018.pdf: 18914012 bytes, checksum: 52c8ad92b866291b8d3f75f870cf6441 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / Em mecânica de fluidos podem destacar-se três tipos de escoamento, escoamento laminar, escoamento transicional e o escoamento turbulento, onde estes ocorrem em uma região denominada de camada limite, sendo está a região que sofre influência direta de uma superfície limítrofe. A existência de tal região ocorre sempre que há fluido em movimento, desde escoamentos em dutos, escoamento na foz de um rio e também no escoamento atmosférico sobre a superfície terrestre. O escoamento na camada limite atmosférica (CLA) é predominantemente turbulento, porém, após o pôr do sol, a incidência de radiação de ondas longas, originando uma camada limite estável (CLE). Nesta camada as escalas de turbulência podem ser diminuídas em praticamente todas as escalas sendo a produção de turbulência predominantemente mecânica. Em noites de céu claro e ventos fracos pode ocorrer forte estratificação das camadas adjacentes a superfície terrestre, o que faz com que a turbulência seja reduzida em várias ordens de grandeza, podendo ressurgir de forma abrupta e imprevisível. Esse fenômeno recebe o nome de intermitência global e ocorre de forma similar a transição laminar-turbulenta. Para tanto, fará-se uso de um método de simulação de grandes turbilhões onde as escalas de sub-grade serão parametrizadas através de um modelo de uma equação. Os resultados mostram que para um conjunto de parâmetros é possível reproduzir um escoamento intermitente semelhante ao observado em experimentos de túnel de vento e em dados obtidos de escoamentos naturais. Além disso, também foram encontradas evidências da existência de um fenômeno caótico para o escoamento intermitente, mas esse fato será levado apenas como uma hipótese pois essa ideia foge do escopo deste trabalho. / In fluid mechanics three types of flow can be highlighted, laminar flow, transitional flow and turbulent flow, they occur in a region called boundary layer, being this region directly influenced by a boundary surface. The existence of such a region occurs when there is fluid motion, from flows in ducts, flow in a riverbed and also in the atmospheric flow on earth’s surface. The flow in the atmospheric boundary layer (ABL) is predominantly turbulent, however, after sunset, the incidence of solar radiation on the surface ceases and then the surface start to lose heat through the radiation of long waves, giving place to a stable boundary layer (SBL), where the turbulence scales can be decreased in practically all the scales being the production of turbulence predominantly mechanical. In clear sky night with low minds, strong stratification of the layers adjacent to the Earth’s surface can take place, which causes the turbulence scales to be reduced by several orders of magnitude and may suddenly and unpredictably arise. This phenomenon recives the name of global intermittence and is similar to a laminar-turbulent transition and occurs in the SBL. So, we will use a Large Eddy Simulation method where the sub-grid scales will be parametrized through a one equation model. The results show that for a set of parameters it is possible to reproduce an intermittent flow, similar to those observed in a wind tunnel experiments and data sampled from natual flows. In addition, evidence of the existence of a chaotic phenomena for intermittent flow has been found, but this fact is only taken as a hypothesis because this idea go beyond the scope of this work.

This work focuses on the study of flow and heat transfer in a parallel plate channel with solid and porous baffles, in both laminar and turbulent regimes by using numerical simulations. The main concern is to validate results by using a unique set of equations (for porous, solid and clear domain) for channels with solid baffles, after that change solid to porous baffles and study the effects on flow and heat transfer. Porous medium is treated as rigid, homogeneous and isotropic. The macroscopic transport equations are written for an elementary representative volume, yielding a set of equation valid for the entire computational domain. These equations are discretized using the control volume method, and the resulting system of algebraic equations is solved by the SIP algorithm utilizing the SIMPLE method for the pressure-velocity coupling. Initially, the laminar flow regime is analyzed, followed by turbulent flow simulations, utilizing both Low and High Reynolds turbulence models. Three different baffles heights were chosen for laminar and turbulent flow, aiming for further comparisons to literature data. Derivations are carried out under the recently established double-decomposition concept. Results show good qualitative agreement with literature data, for both laminar and turbulent cases, and good quantitative agreement with literature data, for laminar and some turbulent results.

Esse trabalho tem como finalidade o estudo, a implementação e a validação de uma metodologia simplificada da resposta dinâmica de uma aeronave comercial da Embraer à rajada contínua vertical e lateral. O objetivo de se ter um cálculo preliminar confiável visa a economia de homens-hora de engenharia durante o processo de cálculo de cargas para certas fases de desenvolvimento do avião. O método escolhido como foco do trabalho é o método de Peele, que será implementado e validado por comparação com duas metodologias distintas e de domínio público. Peele apresenta uma metodologia simplificada para o cálculo da resposta dinâmica de uma aeronave às rajadas contínuas vertical e lateral tendo como resultado os valores de A e N0 utilizando um modelo rígido de dois graus de liberdade. Como ferramentas de validação foram utilizados o código GRM desenvolvido pelo NLR (Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium), instituição holandesa que desenvolveu esse programa como parte de um manual de cargas em aeronaves, e um software comercial (NASTRAN). O software desenvolvido pelo NLR cujo modelo é chamado GRM (Gust Response Model), também fornece a resposta à rajada em termos de ganhos e freqüências; porém, só está desenvolvido para cálculo de rajada vertical, não sendo possível, portanto, a comparação do cálculo da resposta devido à rajada contínua lateral. O método do NLR permite a inclusão de 3 modos flexíveis simétricos da aeronave e 2 rígidos, além de ter opção de cálculo para rajada sintonizada. Além do cálculo de A e N0 o método GRM também dá como resultado o momento fletor, o momento torçor, o esforço cortante na raiz da asa e o esforço cortante na raiz da empenagem. O NASTRAN fornece tanto a resposta da aeronave à rajada vertical e lateral, considerando ou não modos flexíveis. Ambos os software utilizam como entrada o espectro de rajada de Von Kármán. Os resultados foram validados comparando os valores encontrados pelo método de Peele com os valores encontrados pelo GRM e pelo NASTRAN.

No ano de 2003 foi instalado no Laboratório de Engenharia Aeronáutica Prof. Feng do Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA um túnel de vento de circuito aberto, neste túnel existe uma peculiaridade, parte dele (bocal de entrada), está localizado no interior do prédio do laboratório. De tal forma que, antes do fluxo de ar ser admitido pelo bocal de entrada do túnel de vento, ele escoa pela porta do laboratório, interagindo com as paredes laterais e teto do prédio. Desta interação ocorre a formação de grandes estruturas vorticais, que são admitidas pelo túnel, resultando valores de nível de turbulência mais elevados que a expectativa inicial na seção de testes do mesmo. Com o intuito de realizar uma avaliação das conseqüências do escoamento mencionado anteriormente, foram realizadas medidas de nível de turbulência e velocidade média na região do bocal de entrada do túnel de vento, além da região interna da câmara de tranquilização (início do circuito aerodinâmico). Para reduzir o nível de turbulência na seção de testes do túnel de vento foi criado um modelo em escala 1:10 em acrílico do conjunto laboratório-túnel de vento, onde estudou-se alternativas para melhoria da qualidade do escoamento na seção de testes do túnel de vento em questão. Velocidade média e nível de turbulência também foram medidos neste modelo. Tanto para as medidas no túnel de vento quanto para as medidas no modelo em escala foi utilizada anemometria de fio quente com auxílio de um sistema de aquisição de dados. Várias configurações foram testadas no modelo em escala, com diferentes inserções de dispositivos que pudessem melhorar a qualidade do fluxo do escoamento nesta região, entre eles pode-se citar: coletores laterais e superior na porta do laboratório, inserção de divisórias de acrílico no interior do laboratório e inserção de tela. Foi desenvolvida toda uma metodologia experimental para as medidas de nível de turbulência e velocidade média no modelo em escala, especialmente devido às dificuldades para obtenção de resultados confiáveis para um regime de escoamento com baixas velocidades, situação que ocorre no modelo em escala.

O jato livre ocorre quando um fluido é expandido por meio de um bocal ou orifício para um meio no qual o escoamento não é diretamente afetado por um contorno fixo. Este tipo de escoamento possui uma considerável importância para aplicações industriais, automotivas e aeroespaciais sendo ainda que a melhor compreensão deste tipo de escoamento contribui para otimização de processos e provê análises importantes para o entendimento de fenômenos mais complexos tais como os escoamentos bifásicos e reativos. Desta forma, se faz cada vez mais necessária à realização de análises detalhadas sobre a abordagem de modelagem da turbulência, verificação de hipóteses assumidas para regiões do jato e avaliação de parâmetros que influenciam o escoamento cisalhante livre. Neste trabalho, o problema do jato livre circular axissimétrico foi analisado numericamente. As equações da conservação de massa, quantidade de movimento, energia e da turbulência foram discretizadas aplicando o método de volume finitos. Três diferentes modelos de turbulência, o k- padrão, k- realizável e o v2-f, disponíveis no programa Fluent foram avaliados para jatos livres turbulentos incompressíveis, subsônico e supersônico. Resultados numéricos para cada caso simulado foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente hipóteses feitas pela teoria da auto-similaridade na região denominada desenvolvida foram avaliadas. Entre os resultados obtidos se destacam que os modelos testados devem ser utilizados criteriosamente para uma determinada condição de escoamento, o esquema de discretização de segunda ordem apresenta-se como o mais indicado para condições supersônicas, enquanto para o escoamento incompressível e subsônico os esquemas de primeira e segunda ordem fornecem soluções semelhantes. Os parâmetros da região desenvolvida variam com a condição de origem do jato e não somente com a quantidade de momento na saída do jato, como supunha a teoria clássica da similaridade.

The Computational Fluid Dynamics is extensively employed in aerospace industry, which has become feasible due to the evolution of the computers (increased capacity) and to the relatively low computational cost. A great challenge is the inclusion of viscosity effects in the flow simulations, also using a mesh fine enough to catch all the velocity fluctuations due to turbulence. The demand for computational power makes it unfeasible for aerospace applications. Due to the coming of the turbulence models and Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, the use of CFD has become common in aerospace industry, allowing optimization and reducing cycles of wind tunnel testing. This work presents the results of two-dimensional flow simulations made using three different turbulence models, as well as two distinct airfoils - a conventional and a supercritical. The simulated cases were chosen taking into account the availability of data for validation. A discussion concerning the results is presented, as well as the conclusion.

Há diversas metodologias empregadas para a determinação das cargas de rajadas usadas em dimensionamentos estruturais da aeronave, e que incluem métodos determinísticos e métodos estocásticos. As cargas de resposta à turbulência continua são, hoje, obtidas pelo método estocástico (Random Process Theory - RPT) em conformidade com o estabelecido nos requisitos aeronáuticos em vigor (FAR). Este trabalho visa implementar uma alternativa ao RPT na determinação das cargas de turbulência contínua, baseada na teoria dos filtros correlacionados (Matched Filter Theory - MFT). Historicamente, o MFT foi originalmente utilizado na obtenção mde sinais maximizados de radares. Pototzky (POTOTZKY, 1997) demostrou que o MFT é aplicável também para a solução de problemas dinâmicos e aeroelásticos genéricos, especificamente para cálculos de cargas correlacionadas de rajadas. Será demonstrado aqui que as cargas correlacionadas geradas pelo MFT são fortemente similares às geradas pelo RPT. É apresentado neste documento uma descrição detalhada da metodologia de cálculo de cargas baseada em RPT e em MFT, e os resultados numéricos obtidos.