Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento formado por duas correntes coaxiais, confinados em tubo circular. O popular método de Patankar-Spalding para solução das equações de transporte é empregado. O modelo K-E, em sua forma "standard", é utilizado na modelagem de turbulência. Os resultados apresentados reproduzem primeiramente o caso laminar, com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostrados soluções para o escoamento em desenvolvimento e desenvolvido no interior de dutos circulares. Os resultados obtidos mostram-se em concordância satisfatória com valores experimentais. Finalmente, resultados para jatos turbulentos, coaxiais, são apresentados e comparados com valores experimentais disponiveis.

Os objetivos do presente trabalho são: (i) Propor um modelo compressível para o campo de grandes escalas de escoamentos turbulentos com baixos números de Mach; (ii) Desenvolver um código numérico que permita resolver este modelo compressível; (iii) Otimizar este código de forma a se utilizar eficientemente plataformas com capacidade de processamento vetorial e paralelo; (iv) Validar esta metodologia comparando os resultados numéricos obtidos com resultados experimentais disponíveis na bibliografia, sobre caso teste clássico: expansão brusca; (v) Aplicar esta metodologia na simulação computacional do efeito solo sobre as estruturas coerentes turbulentas presentes na esteira de corpos rombudos bidimensionais e tridimensionais, para avaliar seu potencial no tratamento deste tipo de problemas. Inicialmente, é proposto o modelo compressível simplificado e específico para as condições de parede adiabática e baixo número de Mach. A continuação, apresenta-se o modelo de turbulência submalha utilizado para modelar os tensores e vetores submalha utilizados neste modelo compressível simplificado, e em seguida, apresenta-se o método numérico utilizado para resolver numericamente este modelo. Posteriormente apresenta-se a validação desta metodologia comparando-se com resultados experimentais para o caso da expansão brusca e, finalmente, são apresentados resultados preliminares para os corpos rombudos bidimensionais e tridimensionais propostos.

O conhecimento fisico e a possibilidade de calculo do escoamento transonico turbulento em torno de aerofólios é de grandeimportancia para projetos aeronauticos. O trabalho aqui representadoe uma proposta de ferramenta numerica para analise desse tipo de escoamento. A modelagem matematica do problema fisico corresponde a versao tipo camada fina das equacoes de Navier-Stokes com media de Reynolds. A integracao numerica e implementada por meio do algoritmode Beam e Warming, o qual incorpora um esquema centrado de diferencas finitas, com aplicacao de fatoracao aproximada. A marcha no tempo e efetuada segundo o metodo de Euler implicito, com passo no tempo variavel para acelerar a convergencia ate o estado estacionario. Cuidados especiais sao dedicados a implementacao numerica das condicoes de contorno. A malha de calculo e obtida atraves de geradores algebricos. Os efeitos de turbulencia sao simulados atraves da aplicacao de dois modelos tipo viscosidade de vortice: um modelo algebrico devido a Baldwin-Lomax e outro de transporte devido a Johnson-King. Esses dois modelos sao os mais utilizados atualmente em Dinamica dos Fluidos Computacional. Inicialmente, o codigo desenvolvido e validado, utilizando-se para isso escoamentos tipicos de referencia. Posteriormente sao apresentados resultados para escoamentos sobre perfis, comparando-seos valores obtidos entre si e com resultados experimentais e numericos conhecidos. Os desempenhos dos dois modelos sao analisdos e é estudada a influencia de fatores numericos e fisicos sobre as solucoes obtidas.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

The influence of physical properties on heat transfer between solid and fluid phases is investigated for laminar and turbulent flows in a channel filled with a moving porous material. Concurrent, counterflow and crossflow configurations are analyzed. To simulate flow and heat transfer between phases, a two-energy equation model using a thermal non-equilibrium condition is applied. Transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations are made for laminar model under concurrent and counterflow configurations. Effects of thermal and hydrodynamic properties on heat transfer for several conditions are analyzed and compared with analytical results in the literature. For concurrent laminar flow, simulations indicate that, when the speed of the solid approaches that of the fluid, the strong axial convection of the solid phase, as well as the reduction of the relative velocity, cause an increase in the axial length needed for thermal equilibrium between phases to occur. Longer thermal developing lengths are also found for higher permeability and porosity. Results for a counterflow moving bed indicate that motion of the solid material, contrary to the direction of the fluid, enhances heat transfer between phases. The same effect is observed for smaller Darcy number and porosity, as well as for higher solid-to-fluid thermal capacity and thermal conductivity ratios. In the case of crossflow, where there are two fluid inlets, more energy is convected into the system in both longitudinal and transversal directions .The fluid temperature reaches the highest values in the symmetry region of the channel. This occurs mainly for high velocity, high thermal capacity and high thermal conductivity ratios between fluid and solid phases. These behaviors were observed for laminar and turbulent flows, in both fully filled and half filled channels. The studies presented here might have applications to problems involving engineering equipment in which a moving porous bed is identified.

O presente trabalho tem como foco verificar a validade da ferramenta de análise modal operacional aplicada na identificação de parâmetros modais de uma aeronave em voo, a partir da excitação por turbulência contínua. Para atingir este propósito foram realizados estudos sobre as teorias que fundamentam a análise modal teórica, experimental e operacional. Nesta última, a metodologia é aplicada baseada no conhecimento apenas da resposta do sistema estudado, sem o conhecimento dos sinais de excitação. Como técnica utilizada para implementar a metodologia proposta foi escolhida a de Decomposição no Domínio da Frequência Melhorada (EFDD - Enhanced Frequency Domain Decomposition) para a identificação dos parâmetros dinâmicos de uma aeronave F-5EM em voo. Esta técnica tem como premissa básica que a excitação do sistema estudado seja realizada através de um sinal do tipo ruído branco, implicando que a matriz de densidade espectral de potência do sinal de entrada deve ser constante. A identificação dos parâmetros é baseada na Decomposição em Valores Singulares (SVD) da matriz de densidade espectral de potência dos sinais de resposta do sistema, sendo este processo de avaliação realizada através do software OMA. Para verificar a coerência com a teoria, foi estudada a caracterização da turbulência contínua, de modo a verificar seu comportamento característico de ruído branco, buscando identificar uma matriz de densidade espectral de potência constante para o intervalo de frequências de interesse, ou seja, de 0 a 100 Hz. Além disso, foram verificados pontos relevantes sobre as principais fases de uma campanha de ensaios, ressaltando a importância da participação em conjunto das equipes solicitantes de dados, de instrumentação e de execução dos ensaios, desde o planejamento até a coleta de dados. Os dados coletados nesta campanha de ensaios em voo foram comparados com os obtidos em trabalhos anteriores e foram verificadas consistências nos parâmetros observados, sendo possível obter com clareza os modos de vibração da aeronave estudada. A metodologia foi, desta forma, considerada válida, sendo sugeridas propostas de trabalhos futuros, de forma a aumentar sua robustez.

Neste trabalho é apresentada uma análise numérica para predição de escoamentos turbulentos incompressíveis em geometrias complexas. Modelos de turbulência k - e não lineares que representam um avanço sobre modelos de viscosidade turbulenta clássicos (linear), foram empregados em um sistema de coordenadas generalizadas na solução de diversos tipos de escoamentos bidimensionais e com recirculação. O método numérico utilizado para a discretização das equações foi o método de volumes finitos com arranjo co-localizado. O algoritmo SIMPLE foi usado para relaxação do sistema de equações algébricas obtido. A resolução do sistema linear de equações resultante foi feita através do método SIP. A função de parede clássica e um modelo de Baixo Reynolds foram utilizados para descrever o escoamento próximo à parede. Aqui foi proposto um tratamento numérico inovador para os termos difusivos não lineares das equações de momentum a fim de se evitar dificuldades de convergência em alguns casos específicos. O tratamento consiste em dividir os fluxos difusivos não lineares em um termo implícito, na matriz dos coeficientes e outro explícito agrupando ao termo fonte. Na literatura, não há informação específica sobre o tratamento numérico destes termos não lineares. Resultados para escoamentos turbulentos bidimensionais foram obtidos usando um total de quatro diferentes modelos. As formas linear e não linear do modelo k - e usando as abordagens de Alto e Baixo Reynolds foram empregadas. Assim, as formulações de Alto Reynolds foram designadas respectivamente por L_HRN e NL_HRN, e os mesmos modelos aplicando a formulação Baixo Reynolds foram chamados de L_LRN e NL_LRN. De uma forma geral, o modelo não linear usando a abordagem Baixo Reynolds, NL_LRN, apresentou melhor desempenho que os demais. Também foi analisado o desempenho dos modelos não lineares (NL_HRN e NL_LRN) na predição de escoamento secundário que ocorre em dutos de seção não circular. Nestes casos, modelos isotrópicos são incapazes de descrever o escoamento secundário em tais canais.

In this study the influence of physical properties on heat transfer between the fluid and solid phases for laminar and turbulent flow in a square cavity filled with porous material, heated by one side and cooled by the opposite one is investigated. In order to simulate flow and heat transfer between the phases models, one and two-energy-equation models are used. The transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations were perfomed first for the case of clean cavity, using Laminar and High Reynolds Turbulent model, and the results are in agreement with the existing literature. In the case of porous cavities, simulation runs were performed using the 1EEM and 2EEM. Overall, this study showed that as porosity increases, the value of the average Nusselt at hot wall, for the same Ram, decreases. It is also shown that the average Nusselt decreases, from a critical Rayleigh , as the ratio between the thermal conductivities of the phases increases. Comparisons were made between both energy models and 2EEM shown smaller results for average Nusselt as ks/kf increases. Also found that the critical Rayleigh depends directly on the ratio ks/kf, being larger as it also grows. Still object of this work, it has been discovered that as the porosity decreases and the ratio between thermal conductivities increases, the turbulence within cavity increases as well. In general, the results and analysis obtained by this work can be used in real engineering situations where the porous cavities may be used.

Simulações de grandes escalas (LES) atualmente têm desempenhado um papel importante no estudo de turbulência, aeroacústica e combustão. Em LES, as maiores escalas são resolvidas e as escalas menores são modeladas por um modelo de submalha. A grande vantagem deste tipo de simulação para o estudo de turbulência está no fato de que a produção de turbulência acontece primordialmente nas grandes escalas. Além disso, o comportamento das grandes escalas é extremamente afetado pela topologia do escoamento analisado. Neste contexto, o objetivo primordial deste trabalho é estudar escoamentos próximos a paredes, em regiões com curvatura, para avaliar o efeito de gradientes de pressão adversos nas estatísticas do escoamento, analisando as consequências destes gradientes de pressão na produção, transporte e dissipação de energia turbulenta. A formulação empregada nas simulações é uma formulação LES, e estão sendo analisados números de Reynolds moderados, para os quais, em geral, não se têm dados de simulações diretas na literatura. Desta forma, pretende-se entender um pouco mais sobre as estruturas turbulentas geradas nas regiões de gradiente de pressão adverso e os mecanismos de produção de turbulência em tais regiões.

Este estudo apresenta uma solução numérica para o problema da transferência de calor conjugada em escoamento de ar quente através de bocal metálico de-Laval refrigerado por água, em regime permanente, usando um único domínio para representar as regiões de gás, sólido e líquido. O modelo matemático compreende as equações de continuidade, de quantidade de movimento (RANS), de energia, de turbulência (k- ?) e de tratamento próximo à parede (EWT- ?). Para solução do problema é empregado o método de volumes finitos, com algoritmo segregado baseado em pressão e discretização espacial de segunda ordem. Para o escoamento de ar, o fluido é tratado como ar dissociado, em equilíbrio termodinâmico, sendo aplicado o modelo de gás perfeito. Para o escoamento de água, que ocorre em altas pressões, baixas temperaturas e baixas velocidades, o fluido é tratado como líquido comprimido, também em equilíbrio termodinâmico. No processo de verificação de malha, três diferentes resoluções são testadas. Para validação do modelo, utilizam-se dados experimentais obtidos em túnel de vento de alta entalpia, além de resultados de simulação obtidos na literatura para o mesmo problema, demonstrando que as soluções apresentadas neste estudo têm excelente concordância em ambos os casos. A análise do comportamento de pressão, velocidade, temperatura e densidade nos escoamentos de água e ar, assim como de fluxo de calor e temperatura na parede interna do bocal, demonstrou que o uso de domínio único permite resolver o problema da transferência de calor conjugada de forma rápida e precisa.