Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The appropriate estimation of turbulent fluxes in very stable conditions is a great challenge for numerical models that simulate the average behavior of the stable boundary layer. Although many features of the flow are usually reproduced, the intermittent variation turbulence is not simulated by most atmospheric models that use K theory for the determination of turbulent fluxes in the stable boundary layer. Moreover, the transition between the very stable and weakly stable regimes of the stable boundary layer is not well understood and described by numerical models. Therefore, in this work a one-and-a-half order numerical model is proposed to represent the average behavior of the nocturnal boundary layer. The model is based in the one proposed by Costa et al. (2011). In the presently proposed scheme, both the sensible heat flux and temperature variance are solved by prognostic equations in order to add degrees of freedom and physical detail to the model. Throughout the work, comparisons are made among the solutions varying different parameters. Results are also compared to the solutions obtained using the model proposed by Costa et al. (2011). The results show that the present model is able to reproduce the transition between the coupled and decoupled stable boundary layer regimes, in a manner similar to what is observed in nature. It also reproduces the occurrence of intermittent non periodical events and the formation of shallow mixing in weak wind conditions. The inclusion of prognostic equations for the sensible heat flux and for the temperature variance provides transitions between regimes at larger winds than those obtained when these quantities are parameterized, and closer to the observed values. The model provides a dependence of the potential temperature scale, θ∗ and of the sensible heat flux on the wind speed that is similar to observations. It also reproduces abrupt transitions between the stable boundary layer regimes, something not observed in the model proposed by Costa et al. (2011). The turbulent kinetic energy balance obtained by the model is closer to the observed by Acevedo et al. (2016) than was obtained by Costa et al. (2011). Dissipation is the dominat mechanism of turbulence destruction in very stable conditions, a role played by buoyant destruction in the model by Costa et al. (2011). The results sustain the hypothesis proposed by Van Weil et al. (2012), that the very stable regime happens when turbulence is not capable of sustaining turbulent heat fluxes large enough to accompany the long wave radiative loss. / A estimativa adequada dos fluxos turbulentos em condições muito estáveis ainda é um grande desafio para os modelos numéricos que descrevem o comportamento médio da CLE. Embora, muitas características do escoamento sejam simuladas, a variação intermitente da turbulência não é reproduzida por grande parte dos modelos atmosféricos que utilizam teoria K na estimativa dos fluxos turbulentos na CLE. Além disso, a transição entre os regimes muito estável e fracamente estável da CLE, ainda, não é bem compreendida e descrita pelos modelos numéricos. No presente trabalho é proposto um modelo numérico, de uma ordem e meia, para descrever o comportamento médio de uma camada limite noturna. O modelo é baseado no que foi proposto por COSTA et al. (2011). O modelo aqui proposto tanto o fluxo de energia na forma de calor sensível como a variância de temperatura são estimados através de equações prognósticas, afim de acrescentar graus de liberdade ao sistema e de modo a acrescentar detalhamento físico à solução. Ao longo do trabalho, foram realizadas comparações entre as soluções obtidas no modelo variando diferentes parâmetros. As soluções também são comparadas com as obtidas utilizando o modelo proposto por Costa et al. (2011). Os resultados mostram que o presente modelo é capaz de reproduzir as transições entre os estados acoplado e desacoplado da camada limite estável, de forma semlhante à observada na natureza. São simulados eventos intermitentes não periódicos que se assemelham aos observados na camada limite. O modelo também reproduz a ocorrência de mistura rasa em condições de vento fraco. A inclusão de equações prognósticas para o fluxo de energia na forma de calor sensível e para a variância de temperatura proporciona transições entre os estados e em condições de vento mais intensas que as obtidas quando essas quantidades são parametrizadas, e mais próximo dos valores observados. Ao observar a dependêndia das quantidades turbulentas, tais como a escala de temperatura potencial, θ∗, e o fluxo de energia na forma de calor sensível em função da velocidade do vento, o presente modelo modelo apresentou os resultados mais semelhante aos observados, se mostrando capaz de reproduzir as transições entre os estados de forma abrupta, diferente do que ocorre no modelo proposto por Costa et al. (2011). O balanço de ECT obtido pelo presente modelo, se aproxima mais do observado por Acevedo et al. (2016) que o obtido por Costa et al. (2011). A dissipação é o mecanismo dominante de destruição de turbulência no estado desacoplado, papel que era ocupado pela destruição térmica no modelo de Costa et al. (2011). Os resultados coroboram a hipótese de Van de Weil et al. (2012), de que o regime muito estável ocorre quando a turbulência não é capaz de produzir fluxos de energia na forma de calor sensível capazes de acompanhar a perda de energia por radiação.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

O presente trabalho simula numericamente os efeitos na transferência de calor radiativa a partir da injeção de fuligem no interior de uma câmara cilíndrica que opera com chama turbulenta. São resolvidas equações de conservação de massa, de energia, de quantidade de movimento, da variância da flutuação de temperatura, de espécies químicas gasosas e de fuligem para um problema físico conhecido, partindo da combustão da mistura de metano e ar dentro de uma câmara com dimensões e condições de contorno já exploradas em outros trabalhos a fim de possibilitar comparações de resultados. Para a turbulência é utilizado o modelo k - E padrão. Na modelagem das interações turbulência-radiação, é considerada a correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura e a autocorrelação de temperatura. Foram adotados os modelos de Eddy Break-Up – Arrhenius para a combustão, utilizando a reação de combustão em duas etapas. O método de ordenadas discretas, considerando a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-graygases) é utilizado para calcular o termo fonte de calor radiativo. A dependência espectral das propriedades radiativas do meio participante foi modelada pelo método WSGG, que permite a solução de problemas com concentração variável das espécies participantes com alto nível de confiabilidade. A simulação da injeção de fuligem foi realizada alterando as condições de contorno do problema, resolvendo-se os cálculos de forma acoplada. Os resultados obtidos após a injeção externa da fuligem foram comparados com simulações que apenas consideravam a formação natural e a posterior oxidação das partículas. Foram analisados os campos do termo fonte de calor radiante em toda a câmara, que mostraram aumento sensível da radiação após a injeção ser considerada. Comparou-se também o fluxo de calor que atinge as paredes da câmara, como principal análise do presente trabalho, indicando que mesmo injetando pequenas quantidades de fuligem, há um aumento no fluxo de calor. O campo de temperatura não apresentou alterações consideráveis, apenas reduzindo-se a temperatura máxima no interior da câmara. De uma forma geral, o efeito da fuligem é mais significativo nas regiões de alta temperatura. / This work simulates numerically the effects on radiative heat transfer after the soot injection into a cylindrical combustion chamber that operates with turbulent flames. A known physical problem of burning methane with air inside a chamber is considered. The dimensions and boundary conditions were already considered in other papers to enable comparisons between the results. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance equations, are solved. The turbulence is modeled by standard k -E model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature self correlation. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG). The spectral dependence of the participant media radiative properties was modeled by WSGG method, which allows the solution of problems with varying concentration of the participating species with high level of reliability. The simulation of soot injection was performed by changing the contour conditions of the problem. The calculation was solved in a coupled way. The results obtained after foreign soot injection were compared with simulations which only considered the natural formation and subsequent oxidation of the particles. The fields of the radiative heat source term showed significant increase of radiation after the soot injection was considered. The radiative heat flow that reaches the chamber walls is compared between the cases, as one of the main analysis of this work. It indicates that even when small amounts of soot injection are considered, there is an increase in the radiative heat flow to the walls. The temperature behavior showed no significant change, except on reducing the maximum temperature within the chamber. In general, the effects on the radiative heat transfer after the soot injection are greater in the high temperature areas.

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.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In the present thesis, two distinct scientific problem in fluid mechanics are studied using laboratory observation techniques. In the first of them, a tank was used to simulate microburst propagation. In the experimental set-up, the flow was driven by combined impinging jet and density perturbations forcing with the aim of determining their relative influence on the overall microburst behaviour and, in particular, the initiation and structural evolution of the resulting vortex. These results were compared with those reported in previous simulation works. Such comparisons showed that the laboratory model may satisfactorily reproduce relevant aspects of a microburst. An expression for the characteristic microburst propagation velocity was derived, accounting for the combined effects of forced velocity and flotation forces generated by the density difference. The vortex structure is largely affected by the forcing type. The succession of vortex is best defined when a large density perturbation is combined with a weak jet impingement. The opposite configuration causes a main vortex to be succeeded by a wake where vortex structures are not clearly defined. In the second part, experiments were conducted in a wind tunnel above a cooled surface with the aim of determining the influence of the thermal stratification on turbulence-related quantities. The experimental apparatus consists of an aluminum plate inserted at the bottom surface of the test section, which is then cooled until 5ºC, so that a stably stratified surface is formed. As wind speeds increase, such a stable layer is soon destroyed. Data show that quantities such as temperature, variances, dissipation rates and turbulent fluxes are substantially reduced when a stratification is present. On the other hand, third and fourth order statistical moments, as well as the mean wind speed are very slightly affected by the stratification. / Neste trabalho, dois problemas científicos distintos de mecânica dos fluídos são estudados utilizando-se técnicas de observação em laboratório. no primeiro deles, utilizou-se observações em tanque para simular microbursts. O escoamento foi induzido através da combinação de dois processos definidos como jato incidente e perturbações de densidade, com o objetivo de determinar a sua influência sobre o comportamento de forma geral do microbursts e, em particular, o começo e a evolução estrutural dos vórtices resultantes. Estes resultados foram comparados com trabalhos anteriores. Uma expressão para a velocidade característica de propagação do microburst foi obtida, representando os efeitos combinados de velocidade forçada e as forças de perturbação gerados pela diferença de densidade, cujas previsões estão em boa concordância com os dados experimentais. A estrutura do vórtice é em grande parte afetada pelo tipo de forçante. A sucessão de vórtices é melhor definida quando a influência da perturbação de densidade se destaca sobre a de jato incidente. A configuração oposta provoca um vórtice principal a ser sucedido por uma esteira, no qual as estruturas dos vórtices não são claramente definidas. Em uma segunda etapa, experimentos foram realizados em túnel de vento sobre uma superfície resfriada para verificar- se a influência da estratificação térmica sobre quantidades associadas a um escoamento turbulento. No aparato experimental, uma placa de alumínio foi inserida na superfície inferior da seção de testes e resfriada até atingir uma temperatura de 5ºC, com o objetivo de verificar a formação de uma camada limite térmica estável e a influência da mesma sobre as grandezas analisadas. É possível observar a formação de uma camada estratificada, e logo destruída conforme os valores de vento aumentam. Os dados analisados, mostram uma redução substancial nos casos de vento mais fraco para as grandezas como temperatura, variâncias, taxas de dissipação e fluxos turbulentos. Por outro lado, momentos estatísticos de terceira e quarta ordem, assim como a velocidade média do vento foram pouco afetados pela estratificação.

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No. of bitstreams: 1 TeseHS.pdf: 6507848 bytes, checksum: 467139021a2d6e49272a3197b75c3216 (MD5) Previous issue date: 2016-03-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Taylor-Vortex reactor (TVB) is fast becoming the next bioreactor to culture animal cells due to milder shear and homogeneous flow structures through-out the bioreactor in comparison to the traditional stirred vessels. However, there is little information in the literature for the TVB on the viscous energy dissipation rate (VEDR), which is considered the ideal parameter to characterize the cell death, and its geometrical aspects, which may affect the culture of animal cells resulting in poor efficiency. Consequently, this work focuses on: the estimation of the VEDR of mean flow and turbulent kinetic energy (TKE) using an experimental 2D particle image velocimetry (PIV) method and a computational fluid dynamics (CFD) method using different turbulence models, principally the direct numerical simulation (DNS) model; and, the impact of the off-bottom clearance area and the external cylinder’s bottom shape on the flow structures of TVB. Both numerical and experimental methods confirm that the bulk zone comprising of the 80 % of the gap-width, where the cell cultures will spend most of the time, has a near constant velocity magnitude of around 50 % of the tip velocity and VEDR values which are around 10 times lower than at the walls. Qualitatively, the DNS model predicted well the flow structure of both mean and turbulence parameters in comparison with the experimental PIV predictions. However, quantitatively only the mean velocity predictions are in good agreement with the PIV data with certain amount of under-estimation of the turbulence parameters. Among different turbulence models, the large eddy simulation (LES) - wall adapting local eddy-viscosity (WALE) model presented best comparison with the DNS model data for all the flow parameters; while, the Reynolds stress model and the LES-Smagorinsky models were the poorest. On the other hand, the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) based two equation models estimated well the mean velocity components in comparison with the DNS model data, but could not capture well the flow structures of the turbulence components. The geometrical features of curved surface of outer bottom and off-bottom clearance area which are of practical importance in stirred vessels, impact adversely the flow structures in the TVB due to poor axial velocity component. In comparison with the spinner vessel, a stirred tank type bioeactor but with lower shear, for similar Re/ReT ratio, the maximum and mean VEDR were always found to be of lower magnitude values, and due to much less difference between the maximum and the mean values, the TVB presents more uniform structures in comparison to the spinner vessel. / O biorreator de Vórtices de Taylor (TVB) está se tornando uma nova descoberta, devido ao seu cisalhamento mais suave e fluxo homogêneo em comparações com os biorreatores de tanque agitados. Na literatura acadêmica há pouca informação sobre este biorreator quanto a taxa de dissipação de energia viscosa (VEDR), que é o parâmetro ideal para caracterizar a morte celular, e seus aspectos geométricos, que afetam o cultivo das células animais, resultando em baixa eficiência. A presente pesquisa, portanto, objetivou focar na estimativa da VEDR de fluxo médio e de energia cinética turbulenta (TKE) no TVB usando os métodos: experimental de 2D de velocimetria das partículas por imagem (PIV) e numérico de dinâmica de fluídos computacional (CFD) com diferentes modelos de turbulência, principalmente a simulação numérica direta (DNS). E focar nos aspectos geométricos do impacto da área de apuramento entre o cilindro interno e externo e na forma da base do cilindro externo na estrutura de fluxo do TVB. Os dois métodos experimental e numérico demonstraram que, em aproximadamente 80 % da área lateral entre os cilindros interno e externo onde as células vão passar a maior parte do tempo, a magnitude de velocidade é de cerca de 50 % da máxima e os valores de VEDR são 10 vezes menores do que nas paredes. Qualitativamente, o DNS mostrou boas comparações dos fluxos médios e dos parâmetros turbulentos em relação aos resultados apresentados pelo PIV para o TVB. No entanto, quantitativamente, apenas as previsões médias de velocidade estão em boa concordância com os dados do PIV, pois os parâmetros turbulentos foram sub-estimados. Entre os diferentes modelos de turbulência utilizados, o modelo simulação de grande escala (LES) - Wall Adapting Local Eddy-Viscosity apresentou a melhor comparação com os dados do DNS para todos os parâmetros do fluxo. O modelo de estresse Reynolds e LES - Smagorinsky, por sua vez, apresentaram as piores comparações. Os modelos de duas equações de RANS, entretanto, apesar de estimarem bem os componentes de velocidade média em comparação com os dados do modelo DNS, não captaram bem as estruturas de fluxo dos componentes de turbulência. Quanto aos aspectos geométricos, as alterações nas características da área de apuramento entre o cilindro interno e externo e a estrutura curva da base do cilindro externo, que são de importância prática em tanque agitados, neste estudo, afetaram negativamente o fluxo no TVB devido ao seu baixo componente de velocidade axial. Por fim, a comparação entre o TVB e o Spinner Flask, considerado também um biorreator com baixo cisalhamento, demostrou que para Re/ReT semelhante, os valores máximo e médio do VEDR foram sempre inferiores, e devido à diferença muito menor entre o os valores máximo e médio, o TVB apresenta estruturas mais uniformes em comparação com o Spinner Flask. / processo nº 140756/2012-4 ; processo nº - 241739/2012-8)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The mathematical modeling of multiphase flows involves the interaction between deformable and moving geometries with the fluid in which they are dispersed (immersed). This kind of interaction is present in many practical applications. A common approach to handle these problems is the so called Front-Tracking/Front-Capturing Hybrid Methods. This methodology consists in separating the problem into two domains: an eulerian domain, which is kept fixed and is used to discretize the fluid equations of both phases, and a lagrangian domain, which is used to solve the equations of motion of the interface. Since there is no geometric dependence between these two domains, the method can easily handle moving and deformable interfaces that are dispersed in the flow. Following this line of research, the present work aims to capture accurately details of such flows by resolving adequately the relevant physical scales in time and in space. This can be achieved by applying locally refined meshes which adapt dynamically to cover special flow regions, e.g. the vicinity of the fluid-fluid interfaces. To obtain the required resolution in time, a semi-implicit second order discretization to solve the Navier-Stokes equations is used. The turbulence modeling is introduced in the present work through Large Eddy Simulation. The eficiency and robustness of the methodology applied are verified via convergence analysis, as well as with simulations of one-phase and two-phase flows for several Reynolds numbers. The results of two-phase flows, with one bubble and with multiple bubbles, are presented. The results obtained for a single bubble case are compared with Clift's shape diagram (Clift et al., 1978). / A modelagem matemática de escoamentos multifásicos envolve a interação de geometrias móveis e deformáveis com o meio fluido que as envolve. Este tipo de interação faz parte de uma extensa lista de aplicações. Uma linha proposta para o tratamento num érico deste tipo de problema são os métodos híbridos Front-Tracking/Front-Capturing. Esta abordagem leva à separação do problema em dois domínios distintos (líquido/gás e líquido/líquido), um domínio fixo, euleriano, utilizado para discretizar as equações de ambas as fases, e outro móvel, lagrangiano, usado para as interfaces. Para o presente trabalho, na metologia utilizada, ambos os domínios são geometricamente independentes e não apresentam restrição quanto ao movimento e à deformação da fase dispersa. Seguindo esta linha, no presente trabalho propõe-se capturar detalhes deste de tipo escoamento, resolvendo adequadamente as escalas físicas do tempo e do espaço, utilizando malhas bloco estruturada refinadas localmente, as quais se adaptam dinamicamente para recobrir as regiões de interesse do escoamento (como, por exemplo, ao redor da interface fluido-fluido). Para se obter a resolução necessária no tempo, é usada uma discretização semi-implícita de segunda ordem para solucionar as equações de Navier-Stokes. A modelagem da turbulência é introduzida no presente trabalho via Simulação de Grandes Escalas. A eficiência e a robustez da metodologia implementada são verificadas via análise de convergência do método, bem como a simulação de escoamentos monofásicos e bifásicos para diferentes números Reynolds. São também apresentados resultados para escoamentos bifásicos com uma só bolha assim como para múltiplas bolhas. Os resultados de escoamentos mono-bolhas são comparados com o diagrama de forma de Clift et al. (1978). / Doutor em Engenharia Mecânica

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.