A simulação numérica de chamas turbulentas é ainda hoje um desafio para as práticas de mecânica dos fluidos computacional. Compreendendo que as abordagens numéricas mais completas e realísticas atualmente disponíveis podem ser computacionalmente proibitivas, diversos modelos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de reproduzir os fenômenos envolvidos na combustão de uma forma simplificada, mas ainda fisicamente consistente. Este trabalho é, portanto, dedicado à comparação de diferentes modelos de fechamento para a turbulência baseados nas equações de Navier-Stokes em médias de Reynolds e de modelos para simplificação da cinética química baseados no conceito de flamelets, com e sem a modelagem da radiação térmica, esta última através do modelo de soma-ponderada-de-gasescinzas. Para tanto, na primeira parte do presente trabalho são comparados seis modelos de turbulência na solução de um jato turbulento de propano, não reativo e isotérmico, circundado por uma corrente paralela de ar, quanto a sua eficiência na predição dos valores médios da velocidade longitudinal e transversal, fração mássica de propano e massa específica da mistura. Os modelos são o k- Padrão (empregado na sua versão original e com mais duas modificações nas suas constantes conforme propostas encontradas na literatura), o k- Realizable, o k- Padrão e o k- Shear-Stress Transport. Um dos modelos de melhor desempenho é então usado na simulação de uma chama turbulenta não pré-misturada de metano/hidrogênio/nitrogênio circundada por um escoamento coaxial de ar de baixa velocidade, no qual são então comparados os modelos para redução da cinética química baseados no conceito de flamelets, o Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) e o Flamelet-Generated Manifold (FGM), tendo os seus resultados comparados aos dados experimentais para os valores médios da velocidade longitudinal, fração de mistura, temperatura e frações mássicas das espécies químicas. Dentre os modelos de turbulência avaliados, é observado que as duas versões ajustadas do k- Padrão e o k- Padrão se mostraram com melhor concordância em relação às medições experimentais do que os demais. No presente estudo é também avaliada a consistência dos dados experimentais reportados e uma discrepância é identificada neste jato, mas que, conforme verificado, não compromete a comparação dos modelos aqui proposta. Na solução do escoamento reativo, o modelo SLDF se mostrou com resultados bastante próximos aos resultados experimentais (exceto para o NO), sendo aprimorados ainda mais com a inclusão da modelagem da radiação térmica, sobretudo para regiões mais distantes do bico injetor do combustível, após o pico de temperatura da chama. O modelo FGM, contudo, apresentou resultados muito aquém dos esperados, sobretudo para as frações mássicas das espécies químicas, mesmo utilizando malhas com nível de refinamento muito maior e com o teste de diversas combinações de espécies para a variável de progresso da reação, e no qual a inclusão da radiação na modelagem também não trouxe benefícios perceptíveis. Todas as simulações numéricas foram realizadas empregando o código comercial ANSYS Fluent, versão 15.0.0. / The numerical simulation of turbulent flames is still a challenge for today's computational fluid dynamics practices. Understanding that the most complete and realistic numerical approaches available today may be computationally prohibitive, several models have been developed in order to reproduce the phenomena involved in combustion in a simplified, but still physically consistent, way. Therefore, this work is dedicated to compare different models for turbulence closure based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and models for simplification of the chemical kinetics based on the flamelet concept, with and without thermal radiation modeling through the weighted-sum-of-gray-gases model. Thus, in the first part of the current work six turbulence models are employed to solve a turbulent nonreactive isothermal flow, a propane jet surrounded by a parallel stream of air. The models are compared through their effectiveness in predicting the mean values of longitudinal and transversal velocities, propane mass fraction and mixture density. The models are the Standard k- (employed in its original version and with two modifications according to proposals found in the literature), the Realizable k- , the Standard k- and the Shear-Stress Transport k- . One of the best performing models is then used to simulate a turbulent nonpremixed flame of methane/hydrogen/nitrogen surrounded by a low-velocity air coflow, in which are compared the models to reduce the chemical kinetics based on the flamelets concept, the Steady Laminar Diffusion Flamelet (SLDF) and the Flamelet-Generated Manifold (FGM), being the numerical results compared to the experimental data for the mean values of longitudinal velocity, mixture fraction, temperature and species mass fractions. Among the six turbulence models evaluated, it is observed that the two adjusted versions of the Standard k- and the Standard k- showed better agreement with the experimental measurements than the other models. In the current study it is also evaluated the consistency of the reported experimental data and a discrepancy is identified, which, as verified, does not compromise the models comparison here proposed. In the solution of the reactive flow, the SLDF model showed results very close to the experimental results (except for NO), being further enhanced with the inclusion of the thermal radiation modeling, especially for regions far from fuel nozzle, after the peak of temperature of the flame. The FGM model, however, showed results far below the expected, especially for the mass fractions of chemical species, even using meshes with much higher refinement level and testing of various species combinations for the reaction progress variable. The inclusion of the radiation modeling did not brought noticeable benefits. All the numerical simulations were performed employing the ANSYS Fluent version 15.0.0 commercial code.

Resumo: O objetivo deste trabalho é a análise numérica e experimental de escoamento viscoso, incompressível, permanente, com transferência de calor, em um canal estreito contendo um arranjo de obstáculos retangulares. A análise experimental envolveu determinação de coeficiente de transferência de calor médio bem como o número de Nusselt médio e medidas de temperatura em esteira térmica para comparação com os resultados obtidos por simulação numérica. Para a análise numérica usamos o programa comercial de mecânica dos fluidos e transferência de calor computacional ICEPAK®. Verificamos que quanto mais adentro o obstáculo estiver no arranjo maior é a transferência de calor por convecção forçada. Determinamos coeficientes de transferência de calor médio e número de Nusselt médio (com incerteza entre 6 e 15%) e verificamos que o efeito da posição diminui à medida que a velocidade aumenta. Concluímos também que ambos os modelos de turbulência utilizados, k-ε padrão e k-ε RNG, foram incapazes de predizer o efeito da posição apropriadamente. Entretanto, o modelo k-ε RNG apresentou melhor comportamento, pois o seu uso resultou em soluções com valores de temperatura intermediários aos experimentais / Abstract: The purpose of this work is the study of the numerical and experimental viscous incompressible steady flow with heat transfer into a narrow channel containing a rectangular array of obstacles. The experimental approach involves determining the coefficient of heat transfer and temperature measurements in thermal wake for comparison with the results obtained in numerical simulations. For the numerical analysis we use the commercial program of fluid mechanics and heat transfer computational ICEPAK™. We confirmed that in the last lines of the array the biggest is the heat transfer by forced convection. We determined the average heat transfer coefficients (with uncertainty between 6 and 15%) and found that the effect of the position decreases as flow speed increases. We use in the simulations the k-ε turbulence model and the k-ε RNG turbulence model. We conclude that both turbulence models used were unable to predict the effect of the position properly. However, the k-ε RNG model showed better behavior. The numerical temperatures with this model were consistent to the experimental temperature / Orientador: João Batista Campos Silva / Coorientador: Amarildo Tabone Paschoalini / Coorientador: Marcio Antonio Bazani / Banca: Ricardo Alan Verdú Ramos / Banca: Marcio Higa / Mestre

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

Uma das dificuldades relacionadas com a exploração de petróleo é o transporte de óleo pesado, que devido a sua alta viscosidade, acarreta em uma elevada perda de carga no sistema. Para proporcionar economia de energia aplica-se o método do Core Annular Flow (CAF) onde é utilizado um escoamento anular bifásico em que a água escoa na periferia da tubulação para redução do gasto energético. O presente trabalho visou compreender e reproduzir este fenômeno, desenvolvendo simulações em CFD através do pacote comercial ANSYS FLUENT considerando o escoamento 3D, turbulento, isotérmico e incompressível para casos estacionários e transientes. A interface entre a água e o óleo foi adequadamente reproduzida em diferentes geometrias como tubo reto e com curva. O método LES para simulação de grandes escalas provou ser o melhor método de turbulência dentre os testados, como k-epsilon e modelo de tensores de Reynolds, de forma com que a interface fosse representada corretamente. O modelo para sistema multifásico adotado foi o Volume de Fluido (VOF), comparado com o comportamento experimental e com dados da literatura. Os fenômenos de swirl observados experimentalmente também foram reproduzidos de forma satisfatória. / One of the difficulties related to oil exploration is the transportation of heavy oil, which due to its high viscosity, causes a high pressure drop in the system. In order to provide energy savings, the Core Annular Flow (CAF) method applies where a two-phase annular flow occurs in which water flows at the periphery adjacent to the pipe to reduce energy expenditure. The present work aimed to understand and reproduce this phenomenon, developing CFD simulations through the commercial package ANSYS FLUENT considering flow as 3D, turbulent, isothermal and incompressible for stationary and transient cases. The interface between water and oil has been properly reproduced in different geometries such as straight pipe and pipe with a curve. The LES method for large scale simulation proved to be the best turbulence method among the tested, such as k-epsilon and Reynolds stress model, so that the interface was correctly represented. The model for the multiphase system adopted was the Volume of Fluid (VOF), compared to the experimental behavior and with data from the literature. The experimentally observed swirl phenomena were also reproduced satisfactorily.

Esta tese apresenta um desenvolvimento do fator de atrito (f) para escoamentos incompressíveis. O desenvolvimento é baseado no modelo clássico de Colebrook-White e no recente modelo da Entropia Máxima. Este desenvolvimento pode ser considerado como um modelo conceitual, porém não completamente, por causa do relacionamento entre o número de Reynolds (Re) e o parâmetro de entropia (M) determinado através de ajustes numéricos realizados com bons dados experimentais. Quatro algoritmos de cálculo foram criados para simplificar a aplicação do modelo, evidenciando sua eficácia e a eficiência. / This thesis presents a development of friction factor (f) for incompressible pipe flow calculation. The development is based on the classical Colebrook-White model and on the recent maximum entropy model. The development cam be considered as a conceptual one, but not completely, because the relationship that links the Reynolds number (Re) to the entropy parameter (M) was determined by numerical fitting on accurate but experimental data. Four calculation algorithms were produced to simplify the model applications, evidencing efficiency and effectiveness.

In this thesis, we numerically investigate quantum turbulence in trapped atomic Bose-Einstein condensates (BECs). We first discuss the appropriate qualitative characterization of turbulence in these systems, showing the limitation of analogies with classical hydrodynamics and turbulence in large superfluid Helium experiments. Due to their lack of available length scales, our investigated systems can only fit the ultraquantum (or Vinen) type of quantum turbulence. Secondly, we propose experimentally feasible schemes for more controlled investigations of turbulence making use of dynamical instability of multicharged vortices as an onset for complex vortex dynamics. In two dimensions, our suggested scheme allows control over vortex polarization in the harmonically trapped system. This setup is then used to study how turbulence decays in such a scenario, through the phenomenological modeling of a vortex-number rate equation. As a consequence, we were able to identify that vortex annihilation in these trapped systems happens through a four-vortex process. For three dimensions, we have first provided a study on the decay of a quadruply-charged vortex, also in a harmonically trapped BEC. Having this setting as a comparison point, we propose a quasi-isotropic turbulent system, starting from a phase-imprinted initial state of two doubly-charged, anti-parallel vortices. The vortex turbulence arisen from such configuration was shown to agree with the Vinen turbulent regime, after we characterized specific features of its decay, such as the energy spectrum [E(k) ∼ k1] and the time evolution of the vortex-line density [L(t) ∼ t1]. Although these features have been frequently verified in the context of superfluid Helium turbulence, here this identification was for the first time done for realistic, trapped atomic BECs. / Nesta tese, investigamos numericamente a turbulência quântica em condensados de Bose- Einstein (BECs) aprisionados. Discutimos, inicialmente, a caracterização qualitativa apropriada para estes sistemas, mostrando a limitação de analogias tipicamente feitas com hidrodinâmica clássica e turbulência em grandes sistemas com Hélio superfluido. Devido às suas limitadas escalas espaciais, os sistemas investigados somente podem exibir o tipo de turbulência conhecida como ultra-quântica (ou de Vinen). Em seguida, propomos sistemas experimentalmente factíveis que permitem investigações mais controladas da turbulência, fazendo uso da instabilidade dinâmica de vórtices multi-carregados como ponto de partida para geração de dinâmicas complexas. Em duas dimensões, nossa proposta permite controle sobre a polarização de vórtices em sistemas aprisionados em potencial harmônico. Este arranjo é então utilizado no estudo do decaimento da turbulência nesse contexto, através de um modelo fenomenológico para equação que descreve a taxa de variação do número de vórtices. Como consequência, pudemos verificar que a aniquilação de vórtices dá-se através de um processo que envolve quatro vórtices. Em três dimensões, apresentamos um estudo do decaimento de um vórtice de carga topológica quatro, também em potencial harmônico. Mantendo em mente esse sistema a título de comparação, propomos um cenário turbulento, quase-isotrópico, partindo de um estado inicial formado por dois vórtices duplamente carregados, mas orientados anti-paralelamente. Verificamos que a turbulência decorrente desse arranjo coincide com a regime de Vinen analisando características do seu decaimento, especificamente obtendo o espectro de energia [E(k) ∼ k1] e evolução temporal da densidade de linhas de vórtices [L(t) ∼ t1]. Apesar de que essas características são comumente encontradas no contexto de Hélio superfluido, apresentamos pela primeira vez essa identificação no cenário realístico de BEC aprisionados.

Introdução: A obstrução nasal é um sintoma presente em várias doenças nasais. Este projeto propõe desenvolver uma metodologia para o cálculo da resistência nasal ao fluxo aerífero por meio de fluidodinâmica computacional e comparar os resultados dessa técnica com os da rinomanometria. Métodos: a resistência nasal ao fluxo aerífero foi medida por rinomanometria, experimentalmente e por fluidodinâmica computacional. A influência da segmentação da tomografia computadorizada nas variáveis de fluidodinâmica computacional foi investigada. O modelo computacional de escoamento laminar foi comparado ao modelo de turbulência k-w padrão. Foram analisadas a acurácia, correlação e concordância entre a resistência nasal calculada por fluidodinâmica computacional com aquela obtida por experimento e rinomanometria. Resultados: A resistência nasal provida por fluidodinâmica computacional pode variar até 50% de acordo com os critérios de segmentação da tomografia computadorizada. O modelo de turbulência k-w padrão apresentou acurácia de 93,1%, demonstrando melhor desempenho que o modelo laminar para prever a resistência da cavidade nasal. A correlação entre a vazão em 75Pa obtida por rinomanometria e fluidodinâmica computacional foi alta para ambas as cavidades, Pearson r = 0,75 p < 0,001. Não houve concordância entre a resistência nasal fornecida pelos dois métodos. A resistência nasal por fluidodinâmica computacional é, em média, 65% da resistência por rinomanometria. Conclusão: os critérios para segmentação da cavidade nasal interferem na resistência calculada por fluidodinâmica computacional. A metodologia de fluidodinâmica computacional para calcular a resistência nasal foi validada experimentalmente. O modelo de escoamento turbulento é melhor que o modelo laminar para calcular a resistência nasal. A resistência nasal calculada por fluidodinâmica computacional apresentou alta correlação com a medida por rinomanometria anterior ativa, mas o nível de concordância entre os métodos não permite comparação direta entre os valores obtidos por cada um / Introduction: Nasal obstruction is a symptom present in various nasal diseases. This project proposes to develop a methodology for the calculation of nasal resistance to airflow through computational fluid dynamics and, to compare the results of this technique with those of rhinomanometry. Methods: nasal airflow resistance was measured by rhinomanometry, experimentally and computational fluid dynamics. We investigated the influence of computed tomography segmentation on the computational fluid dynamics variables. The computational model of laminar flow was compared to the kw turbulence model. The accuracy, correlation and agreement between the nasal resistance calculated by computational fluid dynamics was analyzed comparing it with nasal resistance obtained through experiment and rhinomanometry. Results: The nasal resistance provided by computational fluid dynamics can vary up to 50% according to the computed tomography segmentation criteria. The k-w turbulence model showed accuracy of 93.1%, presenting a better performance than the laminar model to predict nasal cavity resistance. The correlation between the flow in 75Pa obtained by rhinomanometry and computational fluid dynamics was high for both cavities, Pearson r >= 0.75 p < 0.001. There was no agreement between nasal resistance provided by the two methods. Nasal resistance due to computational fluid dynamics is, on average, 65% of rhinomanometric resistance. Conclusion: the criteria used for nasal cavity segmentation interfere with the resistance calculated by computational fluid dynamics. The methodology of computational fluid dynamics to calculate nasal resistance was validated experimentally. The turbulent flow model is better than the laminar model to calculate nasal resistance. The nasal resistance calculated by computational fluid dynamics showed a high correlation with the measurement by active rhinomanometry, but the level of agreement between the methods does not allow a direct comparison between the values obtained by each one

Em inúmeras aplicações práticas da engenharia a camada interfacial entre dois fluidos é de extrema importância para a correta caracterização do escoamento. Especificamente na Engenharia Ambiental e Hidráulica na interface entre o ar e a água existem propriedades capazes de relacionar a aeração e oxigenação. Focado na dinâmica dos processos turbulentos, o estudo proposto se aplica a problemas de sub-pressão em vertedores e visa analisar a troca de gases da interface ar-água em situações de fases dispersas e avaliar a qualidade da água a jusante dos mesmos. O objetivo maior é descrever a relação entre o comportamento da superfície da água, o desenvolvimento da camada limite e os regimes de escoamento de acordo com a vazão volumétrica. Para representar a distribuição da fração de vazios da fase dispersa, foram usados os princípios da formulação dos escoamentos em vertedores escalonados e da formulação para enlaçamento de ar. As argumentações e justificativas das formulações propostas para os perfis de concentrações foram baseadas na distribuição da fração de vazios prevista numericamente. A abordagem numérica do problema fluidodinâmico diferencia da maioria dos estudos concentrados na literatura, por estar baseada na quebra da superfície livre. / In many pratical aplications of engineering the interfacial layer between two fluids has a strong relevance in the process of right measurements of the flow. Espeficically in the enviromental and hydraulics engineering the interface between air and water is the property related with oxigen and areation of the flow. With focus on the dynamics of the turbulent processes, the proposed study is applied to sub-pressure problems in spillways. It investigates the gases exchange in the air- water interface in the dispersed phase and evaluate the water quality downstream. The major goal is to describe a relation between the boundary layer development and the flow regimes with discharge. To represent the distribution of void fractions of the dispersed phase, the physical formulation concepts of stepped spillways and entrapped air were used. The arguments and reasons to justify the proposed concentration profile formulation are based on the numerical provided void fraction distribution. The results as well as the physical model are in good agrement with described literature data. The Numerical approach of the fluid dynamics problem differs from major of described literature studies because it is based on the surface breakup.

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.