A transição à turbulência em uma camada de mistura estavelmente estratificada é de grande interesse para uma variedade de problemas geofísicos e de engenharia. Esta transição é controlada pela competição entre o cisalhamento do escoamento de base e as forças de empuxo, devido à estratificação em densidade do ambiente. Os efeitos do empuxo atuam no escoamento reduzindo a taxa de crescimento das perturbações e retardando a transição à turbulência, enquanto o cisalhamento fornece energia cinética ao escoamento. O presente trabalho investiga a natureza da transição à turbulência em uma camada de mistura temporal estavelmente estratificada através de Simulação Numérica Direta (DNS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O propósito da investigação é analisar o efeito da estratificação estável no desenvolvimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz (K-H) e na formação dos vórtices longitudinais, que se formam após a saturação dos turbilhões primários de K-H. Além deste propósito, é examinado, utilizando de DNS e LES, o desenvolvimento das instabilidades secundárias de K-H na camada baroclínica. Os testes numéricos tridimensionais são realizados com diferentes tipos de condições iniciais para a flutuação de velocidade transversal, enquanto uma condição forçada é usada para as outras duas componentes de flutuação de velocidade. Em particular, o efeito do comprimento transversal do domínio de cálculo é testado empregando diferentes comprimentos, enquanto são usadas as mesmas dimensões para a direção longitudinal e vertical. As simulações bidimensionais mostram que o aumento da estratificação inibe o processo de emparelhamento, reduz a troca de energia entre os turbilhões de K-H e o escoamento, atenua a instabilidade de K-H e diminui o fluxo vertical de massa. A instabilidade secundária do tipo K-H é identtificada na camada baroclínica para Re ¸ 500 quando há o processo de emparelhamento dos vórtices simulados. Na simulação a Re = 500, a instabilidade secundária de K-H aparece tanto para Ri = 0.07 (fraca estratificação) como para Ri = 0.167 (forte estratificação). Os resultados tridimensionais demonstram que os vórtices longitudinais são claramente formados na camada a Ri = 0. Por outro lado, nos casos estratificados os vórtices são enfraquecidos, devido ao gradiente longitudinal de densidade, que diminui a vorticidade nos turbilhões de K-H enquanto aumenta na região entre eles.

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.

Partindo das equações microscópicas exatas para uma plasma empoeirado não magnetizado, onde a carga das partículas de poeira é considerada como um novo grau de liberdade do sistema, desenvolvemos um sistema de equações básico sobre o qual aplicamos o formalismo da teoria de turbulência fraca. A partir dele, na aproximação quase linear, encontramos três relações de dispersão, em conjunto com as equações cinéticas das ondas e das partículas. O caso totalmente não linear é exemplificado em parte, para visualizarmos a aplicabilidade do formalismo a plasmas empoeirados. Entre os diversos mecanismos de carregamento que podem ocorrer sobre a superfície das partículas de poeira, consideramos, por simplicidade, somente aquele devido `a absorção de partículas do plasma por colisões inelásticas. / Starting from the exact microscopic equations for a non-magnetized dusty plasma where the dust charge particles is considered as a new degree of freedom of the plasma system, we develop a basic system of equations upon which we apply the formalism of weak turbulence theory. From this system we find three dispersion relations in the quasilinear approximation, together with the kinetic equations for the waves and for the particles. The full nonlinear case is partially exemplified, in order to provide an overview of the applicability of the formalism to dusty plasmas. Among the diverse charging mechanisms that can occur over the dust grains surface, we consider, for simplicity, only that due the absorption of plasma particles by inelastic collisions.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A three-equation model, based on prognostic expressions for the Richardson number, turbulent kinetic energy and wind shear is proposed to represent turbulent behavior in the nocturnal boundary layer (NBL). Integration reveals that the model variables have a complex, non-periodic behavior if different vertical levels, with energy transference among them, are considered. The solution is shown to strongly depend on parameters prescribed to the model, such as the NBL thickness (h) and the magnitude of the winds at its top (U). Small perturbations on U, of 0:001 m=s are shown to lead to very distinctive solutions after few hours of integration, and the same occurs for small perturbations in h, indicating that the model is chaotic. Bifurcation diagrams for the friction velocity dependence on both U and h are shown. For the non-periodic states of the system, the model variables relate to each other in a manner suggestive of a strange attractor. When solutions with different values of the external parameters are considered, the average dependence of the friction velocity on the Richardson number is in agreement with field observations. Friction velocity decreases as the Richardson number increases, remaining, however, finite, even for very large stability conditions. Such relationship, commonly prescribed in previous studies, arises naturally in the proposed model. / Um modelo com três equações prognósticas para o número de Richardson, energia cinética turbulenta e cisalhamento do vento é proposto para representar o comportamento da turbulência na camada limite noturna. A integração do modelo revela que suas variáveis têm um comportamento complexo e não periódico se diferentes níveis, com transferência de energia entre eles são considerados. A solução se mostra fortemente dependente aos parâmetros de entrada do modelo, tais como a altura da camada limite (h) e a magnitude do vento no seu topo (U). Pequenas perturbações em U, de 0:001 m=s, levam a soluções completamente distintas após poucas horas de integração, e o mesmo ocorre com pertubações em h, indicando que o sistema é caótico. Diagramas de bifurcação para a dependência da velocidade de fricção com U e h são mostrados. Para os estados não periódicos do sistema, a relação entre as variáveis do modelo sugerem um atrator estranho. Quando soluções com diferentes valores dos parâmetros externos são consideradas, a dependência média entre a velocidade de fricção com o número de Richardson concorda com dados observacionais. A velocidade de fricção decresce à medida que o numero de Richardson aumenta, porém, nunca se tornando nula, mesmo para condições de grande estabilidade. Tal relação, comumente prescrita em estudos anteriores, surge naturalmente no modelo proposto.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-06-14T21:00:42Z No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-08-18T17:30:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-18T17:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_FelipeNathandeOliveiraLopes.pdf: 2581164 bytes, checksum: b145a85dc2b652f6416a58481ed46516 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / Plasmas confinados em diferentes topologias magnéticas são uma tarefa importante na busca pela Energia de Fusão. Hoje em dia, as formas mais estudadas de Fusão Termonuclear Controlada focam em Confinamento Inercial, Stellarators e Tokamaks. No presente trabalho, estudaremos os diferentes mecanismos de transporte presentes nos plasmas toroidalmente confinados. Vamos rever a teoria a partir dos conceitos básicos de transporte de plasma, até as peculiaridades presentes em plasmas toroidalmente confinados, conhecido como tokamak. Na fronteira do modelo de transporte mais realista, a questão do transporte anômalo será tratada com a teoria do transporte turbulento, no âmbito da teoria girocinética. O uso de ferramentas computacionais auxiliará na análise do impacto das microinstabilidades no fluxo de partículas e calor, e auxiliará na validação dessa abordagem, feita com uma análise da literatura / Plasmas confined in several magnetics topologies are an important task in the quest for Fusion Energy. Nowadays, the most studied forms of Controlled Thermonuclear Fusion focus on Inertial Confinement, Stellarators and Tokamaks. In the present work, we are going to study the different transport mechanisms present in toroidally confined plasmas. We are going to review the theory from the basic concepts of plasma transport, until the peculiarities present in toroidally confi- ned plasmas, known as tokamak. In the border of the realistic transport model, the issue of the anomalous transport will be treated with the turbulent transport theory, in the framework of the gyrokinetic theory. The use of computational tools will help us to assist the analysis of microinstabilities impact on flux levels, and to give support in the validation of this approach, done with a thorough analysis the literatures.

A transição à turbulência em uma camada de mistura estavelmente estratificada é de grande interesse para uma variedade de problemas geofísicos e de engenharia. Esta transição é controlada pela competição entre o cisalhamento do escoamento de base e as forças de empuxo, devido à estratificação em densidade do ambiente. Os efeitos do empuxo atuam no escoamento reduzindo a taxa de crescimento das perturbações e retardando a transição à turbulência, enquanto o cisalhamento fornece energia cinética ao escoamento. O presente trabalho investiga a natureza da transição à turbulência em uma camada de mistura temporal estavelmente estratificada através de Simulação Numérica Direta (DNS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O propósito da investigação é analisar o efeito da estratificação estável no desenvolvimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz (K-H) e na formação dos vórtices longitudinais, que se formam após a saturação dos turbilhões primários de K-H. Além deste propósito, é examinado, utilizando de DNS e LES, o desenvolvimento das instabilidades secundárias de K-H na camada baroclínica. Os testes numéricos tridimensionais são realizados com diferentes tipos de condições iniciais para a flutuação de velocidade transversal, enquanto uma condição forçada é usada para as outras duas componentes de flutuação de velocidade. Em particular, o efeito do comprimento transversal do domínio de cálculo é testado empregando diferentes comprimentos, enquanto são usadas as mesmas dimensões para a direção longitudinal e vertical. As simulações bidimensionais mostram que o aumento da estratificação inibe o processo de emparelhamento, reduz a troca de energia entre os turbilhões de K-H e o escoamento, atenua a instabilidade de K-H e diminui o fluxo vertical de massa. A instabilidade secundária do tipo K-H é identtificada na camada baroclínica para Re ¸ 500 quando há o processo de emparelhamento dos vórtices simulados. Na simulação a Re = 500, a instabilidade secundária de K-H aparece tanto para Ri = 0.07 (fraca estratificação) como para Ri = 0.167 (forte estratificação). Os resultados tridimensionais demonstram que os vórtices longitudinais são claramente formados na camada a Ri = 0. Por outro lado, nos casos estratificados os vórtices são enfraquecidos, devido ao gradiente longitudinal de densidade, que diminui a vorticidade nos turbilhões de K-H enquanto aumenta na região entre eles.

Partindo das equações microscópicas exatas para uma plasma empoeirado não magnetizado, onde a carga das partículas de poeira é considerada como um novo grau de liberdade do sistema, desenvolvemos um sistema de equações básico sobre o qual aplicamos o formalismo da teoria de turbulência fraca. A partir dele, na aproximação quase linear, encontramos três relações de dispersão, em conjunto com as equações cinéticas das ondas e das partículas. O caso totalmente não linear é exemplificado em parte, para visualizarmos a aplicabilidade do formalismo a plasmas empoeirados. Entre os diversos mecanismos de carregamento que podem ocorrer sobre a superfície das partículas de poeira, consideramos, por simplicidade, somente aquele devido `a absorção de partículas do plasma por colisões inelásticas. / Starting from the exact microscopic equations for a non-magnetized dusty plasma where the dust charge particles is considered as a new degree of freedom of the plasma system, we develop a basic system of equations upon which we apply the formalism of weak turbulence theory. From this system we find three dispersion relations in the quasilinear approximation, together with the kinetic equations for the waves and for the particles. The full nonlinear case is partially exemplified, in order to provide an overview of the applicability of the formalism to dusty plasmas. Among the diverse charging mechanisms that can occur over the dust grains surface, we consider, for simplicity, only that due the absorption of plasma particles by inelastic collisions.

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.

Investigamos o efeito da rotação de equilíbrio nos fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) em tokamaks da secção circular. Estes modos, ZF e GAM, ocorrem em sistemas toroidais como uma resposta do plasma à curvatura geodésica das linhas de campo magnético e devido ao movimento de deriva do fluido ( plasma). Este movimento de deriva é causado pela resposta de partículas carregadas ao campo elétrico e magnético e, para ambas as espécies de cargas, isto é, íons positivo e elétrons, o movimento é na mesma direção. Ao fazer uso de basicamente três aproximações tokamaks de alta razão de aspecto, princípio de quase-neutralidade e baixos valores de (aproximação eletrostática) e ao perturbar as equações da magnetohidrodinâmica ideal até primeira ordem, constatamos que a rotação de equilíbrio, de fato, afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. No equilíbrio com rotação toroidal, já investigado por W. Shaojie, os ZF se tornam instáveis e a freqüência dos GAM se altera com a rotação no caso de condutividade de calor finita; entretanto, quando a condutividade de calor tende a infinito, a rotação não influencia na freqüência dos ZF e GAM. Esta observação e os valores das freqüências dos ZF e GAM diferem da publicação original e portanto, se estivermos corretos, nosso trabalho poderá ajudar a resolver o problema dos ZF e dos GAM, que são questões ainda não completamente entendidas. A rotação causada por um campo eletrostático que surge devido à difusão ambipolar, ainda não investigada anteriormente, é descrita neste trabalho, Vimos que não há instabilidades neste caso, porém esse tipo de rotação também afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. A freqüência dos ZF, que na ausência de rotação é nula, é proporcional à intensidade do fluxo de rotação. Interpretamos este resultado como uma conseqüência do efeito doppler. A freqüência dos GAM, por outro lado, se anula quando a rotação atinge um certo valor, que está relacionado com o fator de segurança e a razão do aspecto do tokamak. Considerando de ordem um fluxo de rotação, obtivemos altas freqüências, as quais não são aceitáveis em nosso modelo devido à aproximação de quase-neutralidade, de forma que nosso modelo é válido apenas para fluxos cuja ordem equivalem à razão de aspecto inversa. Entretanto, mesmo neste regime, a rotação tem grande impacto na freqüência dos ZF e dos GAM. Este é o principal resultado obtido. / We investigate the efect of equilibrium rotation on zonal flows (ZF) and geodesic acoustic modes (GAM) in tokamaks of circular cross section. These models, ZF and GAM, occur in toroidal systems as a response of the plasma to the geodesic curvature of the magnetic field lines and due to the drift motion of the fluid (plasma). This drift motions is caused by the response of charged particles to the electric and magnetic field and, for both species of charges, i. e., positive ions and negative electrons, the motion is in the same direction. By making use of basically three approximations, high aspect ratio tokamkas, the quasi-neutrality principle and low values (electrostatic approximation), and pertubing the ideal magnetohydrodynamics equations to first order, we find that the equilibrium rotation does affects the ZF and GAM frequencies. In the equilibrium toroidal rotation flow, which had already been studied by W. Shaojie, the ZF becomes unstable and the GAM frequency is changed by rotation for finity heat conductivity; but when the heat conductivity goes to infinity, the rotation has no influence on the ZF and GAM frequencies. This assertion and also the ZF and GAM frequencies values differ from the original publication and therefore, if we are correct, our work may help to solve the ZF and GAM problem, which is not yet a completely understood subject. The rotation caused by an equilibrium electrostatic field created by ambipolar diffusion, which has not been dealt is also investigate. We find no instability in this case, but the rotation also affects the ZF and GAM frequencies. The ZF frequency, which is usually null, becomes proportional to the equilibrium rotation flow. We interptret this result as a consequency of the doppler effect. The GAM frequency, on the other hand, becomes zero when the rotation reaches a certain value, which is related to the safety factor and the aspect ratio of the tokamak. Consideration of equilibrium flows scaling to order one leads to high frequencies, which is not accepted by contrasting the quasi-neutrality approximation and so, our model is valid only for small equilibrium electric field that scale to the inverse aspect ratio. But even in this regime, we find that the rotation has great impact on the ZF and GAM frequencies, which is the main result we obtain.