Large Eddy Simulations (LES) are performed to study flows with adverse pressure gradients (APG) produced by different two-dimensional bumps profiles installed on the bottom wall of a flat channel with parallel plates. An initial study considers a bump profile for which previous direct numerical simulation (DNS) results are available at the Reynolds number Re? = 617, based on the channel inlet friction velocity. The results obtained showed that LES is an adequate methodology for that type of simulation, being capable of reproducing accurately DNS results in terms of mean flow variables, Reynolds stresses profiles and turbulent stresses balances, with refinement levels much coarser than those from DNS. Particularly, LES results reproduce the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses in the adverse pressure gradient regions of both bottom and top walls of the channel which are observed in DNS results and linked to instability modes of the near wall streaks. LES is used to study the same bump profile at higher Reynolds numbers, Re? = 950 and Re? = 2000, and the results obtained are very similar to those at Re? = 617, including the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses at the APG region for both attached and mildly separated flows. Additional bump profiles are generated by modifying the rear portion of the initial bump configuration, which is elongated in order to produce a longer adverse pressure gradient (APG) region and promote smoother curvature changes as compared to the original profile. As in previous cases, a steep increment in Reynolds stresses values is observed at the APG region along with an augmentation of skin friction values. LES results indicate that the near wall streaks instability observed in previous DNS is characteristic of adverse pressure gradient regions located downstream of an initial favorable pressure gradient (FPG). All configurations studied with LES are also analyzed by Reynolds-average Navier-Stokes(RANS) computations with various turbulence closures. In all cases analyzed with LES it is observed that in the initial FPG region the streamwise component of the Reynolds stresses is increased while the other turbulent stresses are strongly reduced which creates a pattern analogous to the pre-transitional stages of a laminar boundary layer, which becomes unstable in the APG region. This strong non-equilibrium conditions present a great challenge for RANS models which is approximately captured by models sensitized for laminar-turbulent transition prediction.

Neste trabalho, estudamos o efeito da turbulência quântica na expansão livre do condensado de Bose-Einstein de 87Rb. O BEC é produzido em uma armadilha magnética tipo QUIC, em seguida o condensado é perturbado através da aplicação de um campo magnético. A superposição de campos magnéticos excita os modos coletivos em condições de baixa amplitude de excitação. No entanto para altas amplitudes de excitação, foi possível observar também outros efeitos, tais como: a variação do perfil de densidade e a diminuição na taxa de expansão dos átomos. A distribuição de momento dos átomos perturbados, indica a presença de turbulência quântica no superfluido caracterizada por uma cascata de energia dentro da faixa inercial. Os resultados da expansão livre do BEC mostram a variação do perfil de distribuição de densidade dos átomos evoluindo de um perfil Gaussiano a um perfil exponencial para altas amplitudes de excitação. O mesmo efeito foi observado ao aumentar o tempo de excitação na condição de baixas amplitudes de excitação. Além da variação do perfil de distribuição de densidade, a taxa da expansão dos átomos não perturbados é maior do que os átomos perturbados, apresentando a ocorrência de uma diminuição anisotrópica, significativa, da velocidade dos átomos durante a expansão livre. A diminuição da taxa de expansão pode estar relacionado com o fenômeno de localização durante a expansão livre dos átomos. / In this work, we study the effect of quantum turbulence on the free expansion of the Bose-Einstein condensate of 87Rb. The BEC is produced in a quic magnetic trap, then the condensate is disturbed by the application of a magnetic field. Superposition of magnetic fields excites collective modes under conditions of low amplitude of excitation. However, for high amplitudes of excitation, it was possible to observe other effects, such as: the variation of the density profile and the decrease in the rate of expansion of the atoms. The momentum distribution of the perturbed atoms indicates the presence of quantum turbulence in the superfluid characterized by a cascade of energy within the inertial band. The results of the free expansion of the BEC show the variation of the density distribution profile of the atoms evolving from a Gaussian profile to an exponential profile for high excitation amplitudes. The same effect was observed by increasing the excitation time in the condition of low excitation amplitudes. In addition to the variation of the density distribution profile, the rate of expansion of the undisturbed atoms is greater than the perturbed atoms, with the occurrence of a significant anisotropic decrease in the velocity of the atoms during free expansion. The decrease in the rate of expansion may be related to the localization phenomenon during the free expansion of the atoms.

In this thesis we have basically studied two aspects of BoseEinstein condensation (BEC) in trapped dilute gases: (i) superfluidity with the possible onset of quantum turbulence (QT), and (ii) nonuniformity, which suggests the definition of new variables in order to build a global thermodynamic description. Both analyses were performed in a 87Rb BEC magnetically trapped in a QuadrupoleIoffe configuration (QUIC) trap. Concerning the first item, vortices and QT were generated by applying an oscillatory excitation formed by a quadrupole magnetic field superimposed onto the QUIC trapping potential. Scanning both the excitation amplitude and its duration allowed us to observe different regimes, particularly one with regular, welldefined vortices and another, where the onset of QT is believed to have occurred. The transition between this two regimes were explained by considering the finitesize characteristic of trapped gases. Additionally, data analyses on three vortex configurations suggested the presence of both vortices and antivortices (opposite circulation sign), and the vortex nucleation mechanism was proposed to be related to a relative motion between the condensate and thermal components, namely a counterflow. As for the second item, the BEC transition in our experiment was characterized in terms of new global thermodynamic variables. A phase diagram was constructed and compared to the superfluid helium phase transition. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a global heat capacity, and briefly discuss the advantages of this new approach over the local density approximation alternative, particularly on BEC clouds in the presence of vortices and QT. / Nesta tese, nós estudamos dois aspectos da condensação de BoseEinstein (CBE) em gases diluídos aprisionados: (i) superfluidez e a possível ocorrência de turbulência quântica (TQ); e (ii) nãouniformidade, o que sugere um tratamento termodinâmico diferente pela definição de novas variáveis globais. Ambos os estudos foram realizados em amostras condensadas de átomos de 87Rb aprisionados magneticamente numa armadilha do tipo QUIC. Em relação ao primeiro item, a geração de vórtices e TQ ocorreu pela aplicação de uma excitação oscilatória gerada pela adição de um campo quadrupolar ao potencial confinante do QUIC. Como dependência da amplitude e duração da excitação, diferentes regimes foram observados. Particularmente, num dos regimes, apenas vórtices bem definidos foram observados e em outro, imagens consistentes com a ocorrência de TQ foram obtidas. A transição entre estes dois regimes foi explicada em termos do tamanho finito característico de gases aprisionados. Além disto, através da análise de dados mostrando configurações com três vórtices, pudemos inferir a presença de vórtices e antivórtices (circulação oposta). Para explicar o mecanismo de nucleação de vórtices, analisamos, como possível causa, um movimento relativo entre as componentes térmicas e condensadas das amostras, conhecido como contrafluxo. Já em relação ao segundo item, a transição de fase da CBE foi descrita em termos de novas variáveis termodinâmicas globais. Um diagrama de fase foi construído ressaltando as semelhanças com a transição observada no hélio superfluido. Por fim, apresentamos resultados preliminares sobre o cálculo de uma capacidade térmica global e discutimos as vantagens desta nova abordagem em relação à alternativa usual baseada na aproximação de densidade local. Estas vantagens são particularmente relevantes no caso de nuvens condensadas que apresentam vórtices e TQ.

No presente trabalho estudamos a difusão de compostos dispersos atmosfericamente como, por exemplo, fertilizantes e pesticidas particulares, em ambientes agrícolas de larga escala. Tal estudo foca-se na aplicabilidade de modelos numéricos e teórico-fenomenológicos de fenômenos turbulentos em estimativas de vantagens econômica e ambiental desses sistemas. A atmosfera terrestre, em escalas de tamanho e velocidade típicas do objeto de estudo deste trabalho, é um sistema turbulento. A turbulência é um fenômeno complexo, que envolve a interação dinâmica de distintas escalas resultando em um efeito coletivo de larga escala, decorrente de uma interação não linear entre modos perturbativos em um fluido. A modelagem da turbulência, portanto, é em geral possível através de Simulação Numérica Direta - DNS (Direct Numeric Simulation). Uma das consequências típicas da turbulência é a difusão, ou seja, o aumento em sistemas abertos da separação entre corpos particulados, em taxas muito superiores àquelas da difusão molecular térmica padrão. Neste trabalho, apresentamos um estudo focado na quantificação da difusão turbulenta de partículas através de simulações numéricas de turbulência, com o objetivo de identificar impactos de fertilização e dispersão de poluentes atmosféricos com implicações na saúde e ambiente / In the present study, we study the diffusion dispersed atmospherically compounds, such as fertilizers and particular pesticides in large scale agricultural environments. This study focuses on the applicability of numerical and theoretical and phenomenological models of turbulent phenomena in estimates of economic and environmental advantages of these systems. The Earth\'s atmosphere, in typical size and speed ranges of the study object of this work is a turbulent system. Turbulence is a complex phenomenon which involves the dynamic interaction of different ranges resulting in a large-scale collective effect due to a nonlinear interaction between perturbation modes in a fluid. The modeling of turbulence, so it is generally possible through Direct Numerical Simulation - DNS. A typical consequence of turbulence is the diffusion, i.e., increased separation in unbound systems of particulate bodies, much higher than those of the standard thermal molecular diffusion rates. In this work we present a study focused on quantifying the turbulent diffusion of particles through numerical simulations of turbulent media, in order to identify the impact of fertilization and dispersion of air pollutants on human health and environment

Orientador: Henry França Méier. / Co-orientador: Rodrigo Koerich Decker. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

Submitted by Cátia Araújo (catia.araujo@unipampa.edu.br) on 2017-01-26T11:23:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Avaliação do desempenho de um modelo de coluna simples na representação de aspectos importantes do escoamento na camada limite noturna.pdf: 1698606 bytes, checksum: 896365bd3e350a5e75520a4f18dc7d71 (MD5) / Approved for entry into archive by Cátia Araújo (catia.araujo@unipampa.edu.br) on 2017-01-26T11:23:36Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Avaliação do desempenho de um modelo de coluna simples na representação de aspectos importantes do escoamento na camada limite noturna.pdf: 1698606 bytes, checksum: 896365bd3e350a5e75520a4f18dc7d71 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-26T11:23:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Avaliação do desempenho de um modelo de coluna simples na representação de aspectos importantes do escoamento na camada limite noturna.pdf: 1698606 bytes, checksum: 896365bd3e350a5e75520a4f18dc7d71 (MD5) Previous issue date: 2015-05-06 / A descrição apropriada do escoamento atmosférico da camada limite estável é uma das tarefas mais complexas a serem executadas por modelos numéricos de previsão de tempo e clima. A maioria das parametrizações utilizadas nos modelos atmosféricos são baseadas na teoria estatística da turbulência em sua concepção. Entretanto, esta teoria é válida somente para um escoamento no qual a turbulência é homogênea, isotrópica e estacionária, condições que comumente não são satisfeitas durante a noite. Basicamente, o escoamento noturno pode ser classificado em dois regimes: um regime muito estável, onde a turbulência é quase que totalmente suprimida; e um regime pouco estável, caracterizado pela intensa mistura turbulenta. A transição entre estes regimes é conhecida como acoplamento atmosférico e pode se suceder inúmeras vezes durante uma mesma noite. Neste trabalho, é implementado um modelo de coluna simples com fechamento de turbulência 1.5, em três configurações e com três formulações de turbulência diferentes. Em geral, os resultados da validação do modelo mostram que todas as configurações são capazes de reproduzir as características médias do escoamento em condições de fraca estabilidade. Todavia, a representação da transição do regime pouco estável para o regime muito estável não é representada adequadamente, mesmo que seja utilizada uma parametrização que reduza irrealisticamente a intensidade da turbulência. Este resultado aponta claramente para a ineficiência dos modelos numéricos atmosféricos em reproduzir o acoplamento atmosférico. / The proper description of the atmospheric flow in the stable atmospheric boundary layer is one of the most complex tasks to be performed by numerical models of weather and climate prediction. Most of the parameterizations used in these models are based on the statistical theory of turbulence in their conception. However, this theory is valid only for a flow in which turbulence is homogeneous, isotropic and stationary, a conditions that are not commonly found overnight. Basically, the nighttime flow can be classified in two major regimes: very stable, where turbulence is almost entirely suppressed; and weakly stable regime, with intense turbulent mixing. The transition between these regimes is known as atmospheric coupling, and it can happens a lot of times along the same night. In this work, we implemented a single column model with turbulence closure 1.5, in three different configurations and three different turbulence formulations. In general, the model results show that, all the configurations are able to reproduce the average characteristics of the flow in the weakly stable conditions. However, the representation of the transition from the weakly stable regime to the very stable regime is not adequately represented, even when a parameterization that unrealistically reduce the intensity of turbulence is used. This result clearly shows the inefficiency of the atmospheric numerical models in reproduce the atmospheric coupling.

O desenvolvimento de queimadores de baixo NOx é baseado na compreensão da interação entre a cinética química da combustão e o campo do escoamento. Escoamentos rotacionais (swirling flows) são caracterizados pela presença de gradientes de pressão radiais e axiais, e tem sido aplicados como técnica de combustão para a minimização desses poluentes. Neste trabalho é apresentada a modelagem numérica de uma câmara de combustão cilíndrica com queimador dotado com swirler de blocos móveis. O modelo, composto pela equação de continuidade, balanços da quantidade de movimento em três dimensões, o transporte da energia cinética turbulenta e da vorticidade, transporte de espécies químicas e energia, foi implementado numericamente sob a plataforma computacional Fluent. A câmara foi simulada considerando propano combustível e os resultados comparados a dados experimentais de uma câmara cilíndrica operada com GLP. Como principal resultado foi possível identificar a ocorrência da ZCR no escoamento e a influência do número de swirl sobre as características da combustão. / The development of low NOx burners is based on the comprehension of the interaction between combustion kinetics and flow field. Swirling flows are characterized by radial and axial pressure gradients, which improve the recirculation of the hot products into the flame region, and then enhance the combustion efficiency have being proposed as a mean to reduce NOx emissions from these equipment’s. This work presents the numerical modeling of cylindrical combustion chamber equipped with movable blocks burner. The model includes the continuity equation along with the 3D momentum balance equations, the k-ω shear stress transport turbulence model equations, the energy balance and the equations for transport chemical species. Results of the simulation of the swirling reactive flow in the combustion chamber, performed using Fluent CFD package, are validated by comparison with experimental data obtained elsewhere. As a main result, it was possible to identify the occurrence of a CRZ in the flow and to discuss the influence of the swirl number on the combustion characteristics.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Hidráulica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações de Mecânica dos Fluidos. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

O fenômeno da dispersão de poluentes precisa ser compreendido e analisado pro- fundamente para que estudos de impactos ambientais possam ser realizados para projetar e prever situações. Então, obter um modelo analítico de dispersão de poluente realista torna- se interessante, pois permite avaliar com maior precisão o impacto ambiental da liberação de poluentes na atmosfera, além de abrir novos horizontes para a pesquisa. A Camada Limite Planetária (CLP) é o domínio de interesse da grande maioria dos modelos, já que nela os fenômenos turbulentos estão presentes. Uma característica destes fenômenos são os vórtices e turbilhões chamados de Estruturas Coerentes (ECs) e que são dominados por uma fase. O modelo analítico mais estudado é o que tem por base a equação advecção-difusão onde diversas simplificações como médias de Reynolds e o fechamento Fickiano são aplicados. Essas simplificações tornam o modelo determinístico e linear, mesmo o fenômeno sendo estocástico e não linear. Para resgatar algumas características do fenômeno turbulento neste trabalho sugeriu-se a inclusão de uma fase na equação advecção-difusão, através de um coeficiente difusivo complexo. Isso porque estruturas coerentes são características turbulentas dominadas pela fase. Comparou-se aqui os modelos com coeficiente difusivo real e complexo para as mesmas condições podendo assim observar qualitativamente a inclusão da fase no modelo que reproduz uma característica do escoamento turbulento, apresentando um comportamento mais realista. Apesar de não podemos garantir que esta é a maneira mais acertada de incluir a fase na equação advecção-difusão, com certeza ela nos trás um grande benefício que é a garantia de sempre ter soluções semi-positivas definidas, compatíveis com distribuições, para a representação da concentração. / The phenomenon of dispersion of pollutants needs to be analyzed and deeply un- derstood so that environmental impact studies can be performed to design and predict situations. Then, to obtain an analytical model of realistic pollutant dispersion becomes interesting because it allows to accurately assess the environmental impact of the release of pollutants into the atmosphere and to open new horizons for research. The planetary bound- ary layer (PBL) is the domain of interest of the majority of models, since this is domain where turbulent phenomena are present. A feature of these phenomena are the vortexes and eddies that are Coherent Structures (CSs) and are dominated by a phase. The most studied analytical model is based on the advection-diffusion equation where several simpli cations such as Reynolds averages and Fickian closure are applied. These simpli cations render the model deterministic and linear, although the phenomenon is stochastic and nonlinear. To recover some characteristics of turbulent phenomena in this work a phase was included in the advection-diffusion equation by a complex diffusion coefficient. This is because coherents structures are turbulent characteristics and dominated by phase. We compared the models with real and complex diffusion coefficient for the same conditions, thus being able to observe qualitatively the inclusion of phase in the model that reproduces a characteristic of turbulent ow, presenting a more realistic behavior. Although we can not guarantee that this is the adequate way to include the phase in the advection-diffusion equation, it certainly brings us bene t that is the guarantee to always have at least semi-positive solutions, compatible with distributions that represent the concentration.