In this thesis we investigated two major issues in astrophysical flows: the transport of magnetic fields in highly conducting fluids in the presence of turbulence, and the turbulence evolution and turbulent dynamo amplification of magnetic fields in collisionless plasmas. The first topic was explored in the context of star-formation, where two intriguing problems are highly debated: the requirement of magnetic flux diffusion during the gravitational collapse of molecular clouds in order to explain the observed magnetic field intensities in protostars (the so called \"magnetic flux problem\") and the formation of rotationally sustained protostellar discs in the presence of the magnetic fields which tend to remove all the angular momentum (the so called \"magnetic braking catastrophe\"). Both problems challenge the ideal MHD description, usually expected to be a good approximation in these environments. The ambipolar diffusion, which is the mechanism commonly invoked to solve these problems, has been lately questioned both by observations and numerical simulation results. We have here investigated a new paradigm, an alternative diffusive mechanism based on fast magnetic reconnection induced by turbulence, termed turbulent reconnection diffusion (TRD). We tested the TRD through fully 3D MHD numerical simulations, injecting turbulence into molecular clouds with initial cylindrical geometry, uniform longitudinal magnetic field and periodic boundary conditions. We have demonstrated the efficiency of the TRD in decorrelating the magnetic flux from the gas, allowing the infall of gas into the gravitational well while the field lines migrate to the outer regions of the cloud. This mechanism works for clouds starting either in magnetohydrostatic equilibrium or initially out-of-equilibrium in free-fall. We estimated the rates at which the TRD operate and found that they are faster when the central gravitational potential is higher. Also we found that the larger the initial value of the thermal to magnetic pressure ratio (beta) the larger the diffusion process. Besides, we have found that these rates are consistent with the predictions of the theory, particularly when turbulence is trans- or super-Alfvénic. We have also explored by means of 3D MHD simulations the role of the TRD in protostellar disks formation. Under ideal MHD conditions, the removal of angular momentum from the disk progenitor by the typically embedded magnetic field may prevent the formation of a rotationally supported disk during the main protostellar accretion phase of low mass stars. Previous studies showed that an enhanced microscopic diffusivity of about three orders of magnitude larger than the Ohmic diffusivity would be necessary to enable the formation of a rotationally supported disk. However, the nature of this enhanced diffusivity was not explained. Our numerical simulations of disk formation in the presence of turbulence demonstrated the efficiency of the TRD in providing the diffusion of the magnetic flux to the envelope of the protostar during the gravitational collapse, thus enabling the formation of rotationally supported disks of radius ~ 100 AU, in agreement with the observations. The second topic of this thesis has been investigated in the framework of the plasmas of the intracluster medium (ICM). The amplification and maintenance of the observed magnetic fields in the ICM are usually attributed to the turbulent dynamo action which is known to amplify the magnetic energy until close equipartition with the kinetic energy. This is generally derived employing a collisional MHD model. However, this is poorly justified a priori since in the ICM the ion mean free path between collisions is of the order of the dynamical scales, thus requiring a collisionless-MHD description. We have studied here the turbulence statistics and the turbulent dynamo amplification of seed magnetic fields in the ICM using a single-fluid collisionless-MHD model. This introduces an anisotropic thermal pressure with respect to the direction of the local magnetic field and this anisotropy modifies the MHD linear waves and creates kinetic instabilities. Our collisionless-MHD model includes a relaxation term of the pressure anisotropy due to the feedback of the mirror and firehose instabilities. We performed 3D numerical simulations of forced transonic turbulence in a periodic box mimicking the turbulent ICM, assuming different initial values of the magnetic field intensity and different relaxation rates of the pressure anisotropy. We showed that in the high beta plasma regime of the ICM where these kinetic instabilities are stronger, a fast anisotropy relaxation rate gives results which are similar to the collisional-MHD model in the description of the statistical properties of the turbulence. Also, the amplification of the magnetic energy due to the turbulent dynamo action when considering an initial seed magnetic field is similar to the collisional-MHD model, particularly when considering an instantaneous anisotropy relaxation. The models without any pressure anisotropy relaxation deviate significantly from the collisional-MHD results, showing more power in small-scale fluctuations of the density and velocity field, in agreement with a significant presence of the kinetic instabilities; however, the fluctuations in the magnetic field are mostly suppressed. In this case, the turbulent dynamo fails in amplifying seed magnetic fields and the magnetic energy saturates at values several orders of magnitude below the kinetic energy. It was suggested by previous studies of the collisionless plasma of the solar wind that the pressure anisotropy relaxation rate is of the order of a few percent of the ion gyrofrequency. The present study has shown that if this is also the case for the ICM, then the models which best represent the ICM are those with instantaneous anisotropy relaxation rate, i.e., the models which revealed a behavior very similar to the collisional-MHD description. / Nesta tese, investigamos dois problemas chave relacionados a fluidos astrofísicos: o transporte de campos magnéticos em plasmas altamente condutores na presença de turbulência, e a evolução da turbulência e amplificação de campos magnéticos pelo dínamo turbulento em plasmas não-colisionais. O primeiro tópico foi explorado no contexto de formação estelar, onde duas questões intrigantes são intensamente debatidas na literatura: a necessidade da difusão de fluxo magnético durante o colapso gravitacional de nuvens moleculares, a fim de explicar as intensidades dos campos magnéticos observadas em proto-estrelas (o denominado \"problema do fluxo magnético\"), e a formação de discos proto-estelares sustentados pela rotação em presença de campos magnéticos, os quais tendem a remover o seu momento angular (a chamada \"catástrofe do freamento magnético\"). Estes dois problemas desafiam a descrição MHD ideal, normalmente empregada para descrever esses sistemas. A difusão ambipolar, o mecanismo normalmente invocado para resolver estes problemas, vem sendo questionada ultimamente tanto por observações quanto por resultados de simulações numéricas. Investigamos aqui um novo paradigma, um mecanismo de difusão alternativo baseado em reconexão magnética rápida induzida pela turbulência, que denominamos reconexão turbulenta (TRD, do inglês turbulent reconnection diffusion). Nós testamos a TRD através de simulações numéricas tridimensionais MHD, injetando turbulência em nuvens moleculares com geometria inicialmente cilíndrica, permeadas por um campo magnético longitudinal e fronteiras periódicas. Demonstramos a eficiência da TRD em desacoplar o fluxo magnético do gás, permitindo a queda do gás no poço de potencial gravitacional, enquanto as linhas de campo migram para as regiões externas da nuvem. Este mecanismo funciona tanto para nuvens inicialmente em equilíbrio magneto-hidrostático, quanto para aquelas inicialmente fora de equilíbrio, em queda livre. Nós estimamos as taxas em que a TRD opera e descobrimos que são mais rápidas quando o potencial gravitacional é maior. Também verificamos que quanto maior o valor inicial da razão entre a pressão térmica e magnética (beta), mais eficiente é o processo de difusão. Além disto, também verificamos que estas taxas são consistentes com as previsões da teoria, particularmente quando a turbulência é trans- ou super-Alfvénica. Também exploramos por meio de simulações MHD 3D a influência da TRD na formação de discos proto-estelares. Sob condições MHD ideais, a remoção do momento angular do disco progenitor pelo campo magnético da nuvem pode evitar a formação de discos sustentados por rotação durante a fase principal de acreção proto-estelar de estrelas de baixa massa. Estudos anteriores mostraram que uma super difusividade microscópica aproximadamente três ordens de magnitude maior do que a difusividade ôhmica seria necessária para levar à formação de um disco sustentado pela rotação. No entanto, a natureza desta super difusividade não foi explicada. Nossas simulações numéricas da formação do disco em presença de turbulência demonstraram a eficiência da TRD em prover a diffusão do fluxo magnético para o envelope da proto-estrela durante o colapso gravitacional, permitindo assim a formação de discos sutentados pela rotação com raios ~ 100 UA, em concordância com as observações. O segundo tópico desta tese foi abordado no contexto dos plasmas do meio intra-aglomerado de galáxias (MIA). A amplificação e manutenção dos campos magnéticos observados no MIA são normalmente atribuidas à ação do dínamo turbulento, que é conhecidamente capaz de amplificar a energia magnética até valores próximos da equipartição com a energia cinética. Este resultado é geralmente derivado empregando-se um modelo MHD colisional. No entanto, isto é pobremente justificado a priori, pois no MIA o caminho livre médio de colisões íon-íon é da ordem das escalas dinâmicas, requerendo então uma descrição MHD não-colisional. Estudamos aqui a estatística da turbulência e a amplificação por dínamo turbulento de campos magnéticos sementes no MIA, usando um modelo MHD não-colisional de um único fluido. Isto indroduz uma pressão térmica anisotrópica com respeito à direção do campo magnético local. Esta anisotropia modifica as ondas MHD lineares e cria instabilidades cinéticas. Nosso modelo MHD não-colisional inclui um termo de relaxação da anisotropia devido aos efeitos das instabilidades mirror e firehose. Realizamos simulações numéricas 3D de turbulência trans-sônica forçada em um domínio periódico, mimetizando o MIA turbulento e considerando diferentes valores iniciais para a intensidade do campo magnético, bem como diferentes taxas de relaxação da anisotropia na pressão. Mostramos que no regime de plasma com altos valores de beta no MIA, onde estas instabilidades cinéticas são mais fortes, uma rápida taxa de relaxação da anisotropia produz resultados similares ao modelo MHD colisional na descrição das propriedades estatísticas da turbulência. Além disso, a amplificação da energia mangética pela ação do dínamo turbulento quando consideramos um campo magnético semente, é similar ao modelo MHD colisional, particularmente quando consideramos uma relaxação instantânea da anisotropia. Os modelos sem qualquer relaxação da anisotropia de pressão mostraram resultados que se desviam significativamente daqueles do MHD colisional, mostrando mais potências nas flutuações de pequena escala da densidade e velocidade, em concordância com a presença significativa das instabilidades cinéticas nessas escalas; no entanto, as flutuações do campo magnético são, em geral, suprimidas. Neste caso, o dínamo turbulento também falha em amplificar campos magnéticos sementes e a energia magnética satura em valores bem abaixo da energia cinética. Estudos anteriores do plasma não-colisional do vento solar sugeriram que a taxa de relaxação da anisotropia na pressão é da ordem de uma pequena porcentagem da giro-frequência dos íons. O presente estudo mostrou que, se este também é o caso para o MIA, então os modelos que melhor representam o MIA são aqueles com taxas de relaxação instantâneas, ou seja, os modelos que revelaram um comportamento muito similar à descrição MHD colisional.

Neste trabalho descrevemos a produção e estudo de excitações topológicas em um condensado de Bose-Einstein em átomos de Rubídio-87. O condensado é produzido através de resfriamento evaporativo forçado por rádio-freqüência em uma armadilha puramente magnética do tipo QUIC. A armadilha magnética é carregada por um sistema de duplo-MOT. A temperatura de transição é de cerca de 150nK. Condensados puros com 1 - 2 × 10^5 átomos de Rb-87 são observados. Realizamos uma caracterização da amostra em relação às suas características fundamentais. Fração condensada, expansão anisotrópica, distribuição espacial e efeitos de temperatura finita são descritos. Com o objetivo de observar excitações coerentes do condensado entre os estados da armadilha, adicionamos um campo magnético do tipo quadrupolo esférico oscilante no tempo. Observamos, no entanto, a transferência de momento angular para a amostra com a formação de vórtices e arranjos de vórtices. Definimos regiões de amplitude que geram números de vórtices crescentes. Observamos a formação de estruturas de três vórtices não convencionais donde supusemos a possibilidade de excitação conjunta de vórtices e anti-vórtices. Observamos evidência de turbulência quântica, um estado onde os arranjos dos vórtices não são regulares nem as linhas de vórtices têm um eixo de rotação comum. / In this work we describe the production and investigation of topological excitations in a Bose-Einstein condensate in Rubidium-87 atoms. The condensate is produced through forced evaporative cooling by radio-frequency in a QUIC-type purely magnetic trap. The magnetic trap is loaded from a double-MOT system. Transition temperature is about 150nK. Pure condensates containing 1-2×105 87Rb atoms are observed. We performed the characterization of the sample in relation to its fundamental aspects. Condensed fraction, anisotropic expansion, spacial distribution and finite temperature effects are described. Aiming to observe coherent topological excitations of the condensate between two states of the trap, we added a spherical quadrupole magnetic fields oscillating in time. We observe, instead, angular momentum tranference to the sample and the formation of vortices and arrays of vortices. We define amplitude regions where an increasing number of vortices are observed. We observe the formation of non-usual three-vortex structures from which we infer the existence of vortices and anti-vortices together in the sample. We observe evidence of quantum turbulence, a state where non-regular vortex arrays appear as well as vortex lines have no preferred direction to form.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This study presents a review of the statistical theory for the inertial range of welldeveloped turbulent flows. The main focus of the study is on the experimental estimation of the so called intermittency exponent through recently developed statistical methods and its possible dependence on large scale mechanisms. The analysis employed allows to observe that even in very high Reynolds number, as those occurring in atmospheric boundary layer flows, clear scaling laws (power laws) are never observed in the inertial range. Comparing the non-scaling invariant models proposed in the literature, it is observed that the logarithmic scaling (SREENIVASAN; BERSHADSKII, 2006b) is suitable for all turbulence scenarios analyzed. Likewise, the classic isotropicincompressibility relation S⊥ 2 (r)/Sk 2(r), which relates longitudinal and transversal second rank tensors (structure functions), it is not constant but slightly dependent on the scale r in the inertial range. A recently developedmethodology for estimation of the intermittency coefficient (BASU et al., 2007) was modified according to the logarithmic scaling model in order to include the non-scaling invariance behavior. The new methodology allows obtaining more accurate estimations of the intermittency coefficient, even for short and noisy time series, as typically observed in sonic anemometry. The efficiency of the method is assessed by analysis of synthetic multifractal series and compared to wavelet-based multifractal formalism. Finally, the proposed methodology is applied to an atmospheric surface layer dataset and the variability of the estimations are assessed by employing a multifractal bootstrap method (PALU , 2008). Intermittency coefficients for velocity components and temperature are found to present large variability but no clear dependence on stability condition. It suggests that atmospheric stability does not directly affect the small-scale intermittency, therefore, other mechanisms may be responsible for the large variability found in the estimations. / O presente estudo apresenta uma revisão da teoria estatística aplicada ao intervalo inercial de um escoamento turbulento bem desenvolvido. A investigação principal é centrada nas estimativas experimentais do chamado coeficiente de intermitência através de métodos estatísticos recentemente desenvolvidos e sua possível dependência nos mecanismos de grande escalas. A análise empregada permite observar que mesmo em escoamentos com número de Reynolds muito alto, como em camadas limite atmosféricas, não são observadas leis de escalas (leis de potência) no intervalo inercial de turbulência. Considerando-se as proposições de modelos não invariantes de escala sugeridos na literatura e empregando-se dados turbulentos tanto de túnel de vento como de camada limite atmosférica, verifica-se que a lei de escala tipo logarítmica (SREENIVASAN; BERSHADSKII, 2006b) descreve adequadamente o intervalo inercial em todos os cenários de turbulência analisados. Da mesma forma, a relação de isotropia e incompressibilidade clássica S⊥ 2 (r)/Sk 2(r), a qual relaciona tensores de segunda ordem (funções estrutura) longitudinais e transversais, não é constante e sim levemente dependente em r no intervalos inercial. Se observa que uma expressão baseada na lei de escala logarítmica descreve razoavelmente bem esta dependência em r. Uma metodologia de estimativa do coeficiente de intermitência recentemente desenvolvida (BASU et al., 2007) foi modificada para incluir o efeito de não invariância de escala de acordo com o modelo de lei de escala logarítmica. Esta nova metodologia permite se obter estimativas mais precisas de parâmetros de intermitência mesmo em séries de dados curtas e ruidosas, como as tipicamente obtidas por anemometria sônica na camada limite atmosférica. A eficiência do método é testada em séries multifractais sintéticas e comparada com resultados obtidos através de um formalismo multifractal baseado em ondaletas. Finalmente, dados de camada limite atmosférica superficial são analisados através da metodologia sugerida e variabilidade das estimativas são avaliadas com o emprego de uma ferramenta de reamostragem multifractal (PALU , 2008). Os parâmetros de intermitência para as três componentes de velocidade e temperatura apresentaram grande variabilidade em relação ao parâmetro de estabilidade atmosférica, entretanto não foi observado um padrão de dependência definido. Isto sugere que a estabilidade atmosférica não tem um papel significativo nas estatísticas do intervalo inercial, assim outros mecanismos devem ser os responsáveis pela grande variabilidade das estimativas.

In this work, a DNS code was developed to investigate problems on transition in subsonic compressible boundary layer on a flat plate. Code validation tests were performed for linear and nonlinear stages of transition, on incompressible and compressible regimes. The focus of the present work is to investigate natural transition in subsonic boundary layers modeled by wave packets; and perform a preliminary study of transition induced by white noise. Three main problems were considered, namely, a DNS simulation and analysis of the ex- periment (MEDEIROS; GASTER, 1999b) of wave packet evolution on incompressible boundary layer, the influence of compressibility on wave packet evolution at subsonic Mach numbers and finally, a preliminary study of the evolution of a white noise perturbation in the boundary layer at Mach 0.2 and Mach 0.9. Comparisons between numerical and experimental results show remarkably good agreement in the linear and nonlinear stages, in both, spatial and Fourier spaces. A numerical simulation of this experiment and the analysis carried out is not available in the literature for wave packets in the incompressible boundary layer. The nonlinear modal analysis performed established the existence of tuned fundamental and subharmonic resonance of H-type and K-type in the packet. Influence of compressibility in the wave packet evolution was here investigated in boundary layers at Mach 0.7 and Mach 0.9. There are no works reported in the literature on wave packets in compressible subsonic boundary layer. In the linear regime, the oblique modes were the most unstable for Mach > 0.7, as expected by the results of the literature. In the nonlinear regime, strong streaks were observed, associated with low frequency modes that eventually decay downstream. An isolated wave packet at Mach 0.9 showed nonlinear amplification only in the subharmonic band, which may be associated to H-type or detuned resonance. However this packet has a relatively stable character. On the other hand, at Mach 0.9 spanwise interaction of wave packet pairs were more unstable than the isolated case, because stable modes for the isolated packet evolution becomes unstable in the wave packet interaction. This scenario evidenced the presence of oblique transition. Finally, the nonlinear evolution of the same white noise disturbance at Mach 0.2 and Mach 0.9 were observed to be completely different. In the incompressible boundary layer localized lambda vortex structures were observed, that could be associated to the local presence of H-type and/or K-type resonance. In the compressible regime, longitudinal vortex structures distributed across the entire domain seemed to be linked to oblique transition. In the white noise evolution, compressibility seems to have a stronger effect than in the wave packet evolution. In the conditions considered, the wave packet interaction appear to be a better representation of white noise compressible transition scenario. / No presente trabalho, um código DNS (Direct Numerical Simulation) foi desenvolvido para abordar problemas de transição para turbulência em camada limite subsônica compressível em uma placa plana. Foram realizados testes de validação de código , nos regimes linear e não linear do processo de transição, nos regimes incompressível e compressível. O foco do presente trabalho é estudar transição natural modelada por meio de pacotes de onda em camada limite compressível subsônica, e realizar uma análise preliminar da transição induzida por ruído branco. Três assuntos principais foram considerados: uma simulação DNS e uma análise comparativa com o experimento (MEDEIROS; GASTER, 1999b) sobre a evolução de um pacote de ondas em camada limite incompressível, a influência da compressibilidade na evolução de pacotes de ondas no regime subsônico, e por último, um estudo preliminar da transição induzida por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9. As comparações realizadas entre a solução numérica e os dados experimentais mostram uma boa concordância, nos regimes linear e não linear, tanto no espaço físico quanto no espaço de Fourier. A simulação numérica deste experimento e a análise realizada neste trabalho, não são encontradas na literatura para o regime incompressível. A análise modal não linear aplicada aos resultados, permitiu identificar a presença das ressonâncias tipo H e tipo K no pacote de ondas. A influência da compressibilidade na evolução dos pacotes de onda foi estudada em Mach 0.7 e Mach 0.9. Na literatura não há trabalhos sobre pacotes de ondas no regime sub- sônico. No regime linear da transição, os modos oblíquos resultam ser os mais instáveis para Mach > 0.7, como era de esperar, de acordo com os resultados da literatura. No regime não linear, foram observadas estrias de moderada amplitude, associadas com modos de baixa frequência que acabam decaindo. O pacote de ondas em Mach 0.9 apresentou amplificação não linear somente na banda subharmônica, que pode ser associada com transição tipo H ou ressonância dessintonizada. No entanto, o comportamento geral neste regime é estabilizante. Por sua vez, a interação entre pacotes de ondas em Mach 0.9 mostrou um comportamento desestabilizante, pois a interação acaba gerando amplificação não linear em modos que decaem no pacote isolado. Os modos amplificados sugerem a presença do mecanismo de transição oblíqua. Finalmente, a evolução da mesma perturbação constituída por ruído branco em Mach 0.2 e Mach 0.9, resultaram ser completamente diferentes. Na camada limite incompressível foram observados vórtices tipo lambda, que poderiam ser gerados pela presença localizada das ressonâncias tipo H e/ou tipo K. No regime compressível foram observados vórtices distribuidos em todo o domínio, o que sugere a presença da transição oblíqua. Na transição gerada por ruído branco a compressibilidade teve uma influência maior que no pacote de ondas. Nas condições estudadas, a interação entre pacotes de ondas parece ser uma melhor representação do ruído branco no regime compressível.

O enchimento de reservatórios hidrelétricos provoca impactos ambientais, interferindo nos ecossistemas e nos modos de vida das populações envolvidas, pois durante este processo a biomassa terrestre é decomposta lançando substâncias que se concentram nos volumes dos diferentes compartimentos do reservatório. Nestas condições, algumas regiões do reservatório passam por períodos em que os teores de oxigênio dissolvido e a concentração de matéria orgânica comprometem o equilíbrio da flora e fauna locais, afetando tanto a qualidade das águas como também os ecótonos vizinhos. Neste trabalho, será tratado o problema do transporte das concentrações das espécies constituintes, da temperatura e da turbulência, 2D e 2DH, durante o enchimento de compartimentos de reservatórios / The wadding of hidroelectric reservoirs provokes ambient impacts, intervening with the ecosystems and the ways of life of the involved populations, because during this process the terrestrial biomass is decomposed launching substances that stay concentrated in the volumes of the different compartments of the reservoir. In these conditions, some regions of the reservoir pass for periods where the texts of dissolved oxygen and the concentration of organic substance compromise the balance of the local flora and fauna, affecting as much the quality of waters as the neighboring ecotones. In this work, will be treated the problem of the transport of the concentrations of the constituent species, of the temperature and the turbulence, 2D and 2DH, during the wadding of compartments of reservoirs

As complexidades das configurações, da geometria e da topologia dos escoamentos encontrados em sistemas tais como câmaras de combustão de turbo-máquinas requerem métodos numéricos eficientes para modelar os escoamentos turbulentos reativos existentes. Este trabalho de modelagem numérica está relacionado com o desenvolvimento de ferramentas numéricas eficientes necessárias ao estudo dos escoamentos turbulentos reativos nessas aplicações. Na primeira parte desta tese, após relembrar os elementos de base que permitem a descrição de um escoamento turbulento reativo prée-misturado, são apresentadas as diversas etapas que presidem a elaboração do programa computacional. Inicialmente, introduz-se a técnica de compressibilidade artificial, que consiste em modificar as equações governantes acrescentando termos não-estacionários no pseudo-tempo, destinados a introduzir uma velocidade do som finita no domínio de cálculo. Em seguida é exposta a discretização por volumes finitos das equações governantes em malhas não-estruturadas bidimensionais híbridas, que contêm elementos triangulares e/ou quadriláteros. A adição de termos de dissipação artificial bem com o uso de um método do tipo Runge-Kutta para integrar os termos temporais no pseudo-tempo das equações governantes, que completam o método, são comentados em seguir. O programa de cálculo, desenvolvido na linguagem C++, foi validado considerando-se o problema de uma chama plana turbulenta, propagando-se livremente em uma turbulência "congelada". Este fenômeno foi modelado com um termo de produção química médio do tipo flamelet, no qual um corte representando extinção foi introduzido com a finalidade de selecionar uma só velocidade possível de propagação. Os resultados obtidos para uma chama lenta (0,5 m/s) ou rápida (10 m/s) foram comparados com aqueles obtidos na literatura. A precisão dos resultados é bastante satisfatória e os gradientes elevados de pressão estática, característicos do termo fonte empregado, são capturados corretamente, tanto no que se refere a sua intensidade quanto à sua localização, dentro da frente de chama média. Uma análise de sensibilidade e precisão da malha foi igualmente conduzida, assim como um estudo das características de convergência em função do valor do coeficiente de compressibilidade artificial. Tendo sido validado, o programa de cálculo foi, em seguida, utilizado com a finalidade de estudar esteiras inertes ou reativas encontradas à jusante de um obstáculo de seção transversal triangular, colocado no meio de um escoamento turbulento em um canal. Um modelo de turbulência do tipo k-e, acoplado a dois tipos de leis de parede foi utilizado. O desprendimento turbilhonar, típico dos escoamentos de esteiras inertes considerados, foi previsto corretamente com, em particular, uma freqüência de Strouhal de desprendimento com boa concordância com os resultados experimentais disponíveis. As esteiras reativas foram calculadas com um modelo de flamelet, onde os transportes turbulentos da variável de avanço da combustão foram calculados por aproximação do tipo gradiente. Três formas do termo de produção química médio, existentes na literatura, foram utilizados. Aparentemente, a estrutura da esteira reativa prevista é fortemente dependente da formulação adotada para o termo fonte médio. Embora os resultados obtidos sejam comparados àqueles apresentados por outro autores, em uma configuração de escoamento similar, a comparação com resultados experimentais mostra que é necessário uma melhoria na modelagem física de forma a prever este tipo de escoamento reativo de maneira satisfatória.

Neste trabalho foi realizado um estudo utilizando os modelos de turbulência Simulação das Grandes Escalas, Large Eddy Simulation (LES), e Simulação dos Vórtices Desprendidos, Detached Eddy Simulation (DES), para simular o escoamento compressível interno em um duto contendo válvulas controladoras na saída dos gases de combustão de um reator de craqueamento catalítico fluido, com o objetivo de comparar o desempenho numérico e computacional de ambas as técnicas. Para isso foi utilizado um programa comercial de dinâmica dos fluidos computacional, Computational Fluid Dynamics (CFD), que possui em seu código os dois modelos de turbulência. / In the present work a study was conducted using Large Eddy Simulation (LES) and Detached Eddy Simulation (DES) turbulence models in order to simulate the internal compressible flow in a duct containing the flue gas discharge control valves of a fluid catalytic cracking reactor so as to compare the numerical and computational behavior of both techniques. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software, which includes these turbulence models in its code, was used.

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

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2012-07-31T13:20:25Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_EstudoComparativo da estrutura.pdf: 3172019 bytes, checksum: e00913f6af43cd5345fa0287e80994ff (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-07-31T13:20:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_EstudoComparativo da estrutura.pdf: 3172019 bytes, checksum: e00913f6af43cd5345fa0287e80994ff (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2008 / IIEB - Instituto Internacional de Educação do Brasil / Foram analisados dados turbulentos de resposta rápida, coletados em torres micrometeorológicas de 54 metros de altura em Caxiuanã-Pa, de 60 metros de altura na Rebio-Jarú-Ro e em torre de 4,04 metros de altura na Fazenda Nossa Senhora-Ro. Foi desenvolvido estudo comparativo de detecção de estruturas coerentes em dados obtidos acima de florestas e pastagem, portanto sob diferentes condições de rugosidade superficial. Aplicou-se a Transformada em Ondeletas de Morlet para identificar a escala de ocorrência das estruturas coerentes nos sinais de temperatura. Comparou-se a duração média e o comprimento médio das estruturas coerentes para duas.superfícies com rugosidades superficiais diferentes: Caxiuanã e Fazenda Nossa Senhora. Parâmetros de estabilidade atmosférica foram calculados para propiciar um estudo da variabilidade das estruturas coerentes em função das condições de estabilidade atmosférica. Foi calculado sobre a Rebio-Jarú a altura do ponto de inflexão do perfil vertical da velocidade do vento médio e a partir do valor do mesmo observou-se uma nítida correlação deste com a escala de ocorrência das estruturas coerentes. Finalmente, foram calculados os coeficientes de correlação para os sinais brutos e na escala de ocorrência das estruturas coerentes com a finalidade de melhor compreender os resultados de um ponto de vista da ação das estruturas coerentes na mistura turbulenta. Os resultados mostram um comportamento marcadamente diferente, no que diz respeito à floresta e à pastagem. Observou-se que em superfícies rugosas, tais com florestas, em condições próximas da neutralidade, predominam padrões de oscilações associados as escalas temporais da ordem de 80 s, as quais provavelmente, são manifestações de estruturas do tipo "rolos". No entanto, à medida que a altura do ponto de inflexão se aproximou do topo do dossel ocorreu uma diminuição na duração das estruturas coerentes. Além disso, foi observado que o coeficiente de correlação calculado na escala de ocorrência das estruturas coerentes foi consideravelmente maior que o mesmo calculado para o sinal bruto. Tais resultados sugerem mudanças significativas na estrutura da turbulência em regiões desmatadas comparativamente àquelas em que foram mantidas as florestas primárias da Amazônia. / Fast response turbulent data measured in micrometeorological towers located at the Caxiuanã Reserve, PA, (54m height), the Rebio-Jaru, RO, (60m height) and the Fazenda Nossa Senhora, RO, (4,04m height) have been analysed. A comparative study of coherent structures detection above experimental sites with distinct roughness surface conditions, forest and pasture, has been performed. The wavelet of Morlet has been used to identify the occurrence scale of coherent structures in temperature series data. Mean time and space scales of the coherent structures above two surfaces with different surface roughnesses have bean compared: for Caxiuanã and Fazenda Nossa Senhora experimental sites. Atmospheric stability parameters have been calculated to provide information to study the variability of coherent structures and its relationship with atmospheric stability conditions. For the Rebio-Jaru experimental site, the inflexional point height concerning the mean wind velocity vertical profile above and inside the forest canopy has been to determined, too. Finally, to better understand the earlier findings regarding turbulent mixing coherent structures characteristics, correlation coefficients between the vertical velocity and temperature time series have been calculated: a) for the measured data; b) for the wavelet coefficients on the time-scale of coherent structures occurrence. The results have shown clear differences between coherent structures occurrence scales above rough surfaces, as forestas, and smoother surfaces, as pastures. Above forest, under near neutral conditions, oscillation patterns with 80s time-scale are dominant, probably associated with “like rolls” structures. However, lesser was the inflexional point height of the wind profile, lesser was the coherent structures time-scale, probably as a consequence of the greater dissipation effect resulting of the impact action of the canopy physical structure upon the flow turbulent eddies. Further, correlation coefficients between the vertical velocity and the temperature calculated from the wavelet coefficients on the timescale of coherent structures occurrence are clearly greater than the ones resulting of the measured data (all available time-scales). Overall, the results suggest that there are crucial changes in the turbulence structure of the flows above deforested regions comparatively with the ones above pristine forest in Amazonia.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The Amazon river, located in northernBrazil, discharges between 80,000 and 250,000 m3s-1 of water onto the adjacent shelf, creating a plume of brackish water that extends hundreds of kilometers away from the river mouth. This river also carries a large amount of fine sediments to the ocean where fluid mud has been found in the topset and upper foreset layers of the subaqueous delta formed on the mid-shelf. One of the main goals of this dissertation is to describe how turbulence and suspended sediment concentration vary along the Northern Channel of the Amazon river. Water column measurements were carried out in October 2008 at six anchor stations (P1, P3, P5, P6, P8 e P9) located seaward of the river mouth; P1 and P9 were 125 km apart. Each station was occupied during 13 hours during which current speed and direction were continuously sampled with a 600 kHz Teledyne-RDI ADCP; hourly profiles of temperature, salinity, turbidity and depth were also obtained. Water samples were collected for determination of Suspended Particulate Matter (SPM) concentration and calibration of the turbidity sensor. Current speed reached values above 1.5 m s1 in the along-channel direction (NE-SW); a remarkable ebb-flood asymmetry was observed and flows were strongly ebb-dominated. Throughout the water column, SPM concentration at stations P1 and P3 varied between 100 and 300 mg L1 in association with the presence of freshwater. In contrast, a strong salinity gradient was observed between stations P6 and P9, coinciding with the occurrence of concentrations of SPM above 10 g L-1 (fluid mud). At stations P3, P5 and P6, interface between freshwater from the Amazon river and salt water from the continental shelf, shear stresses wereestimated through four diferents methods: Reynolds, Turbulent Kinetic Energy (TKE), modified TKE and Quadratic Law; in the nearbed region (3 mab) the computed values varied between 0 and 3 Pa. At the three stations (P3, P5 and P6) the lowest and the highest shear stress values were obtained through, respectively, the Reynolds and the TKE methods. Over the whole water column turbulence intensity was estimated through the standard deviation of the turbulent component of the along-channel current velocity (root-mean square of u); from these values, it was estimated the turbulent dissipation of energy (G), whose values at 3 mab varied between zero and 20 s1.