Ingeniera Civil Mecánica / El presente trabajo de título corresponde al análisis de la influencia de los términos de transporte de calor y momentum turbulentos, de las ecuaciones de Navier Stokes y del calor, en el confinamiento de una fuente de calor, que pudieran originar fugas de calor y gases en el uso de cortinas de aire con configuración Doble Jet Doble Flujo (DJ DF) como método de confinamiento al interior de túneles viales. Se estudiaron dos casos, considerando una cortina de aire DJ DF cuyo jet caliente está siempre en contacto con la zona confinada. Uno de ellos consiste en el uso del jet caliente con la mayor velocidad inicial de la configuración, y otro en que el jet frío posee la máxima velocidad inicial. Se realizó un estudio del campo, perfil y evolución en las zonas de capas de mezcla y línea central de la cortina, de los siguientes términos: esfuerzo de Reynolds, transportes axial y transversal de calor turbulentos, y sus derivadas parciales, las cuales evidencian su contribución en el incremento de flujo de momentum medio y de calor del flujo medio debido a fluctuaciones turbulentas. Dichos términos turbulentos fueron calculados con el método de diferencias finitas de orden O(h^4), utilizando datos numéricos extraídos de una simulación previa, que utilizó el modelo LES en ANSYS Fluent. Los esquemas forward , backward y central fueron aplicados en puntos extremos y central del dominio, respectivamente. Los resultados evidenciaron la existencia de un traspaso transversal de momentum y calor en niveles de la cortina de aire ubicados entre x/H=0.4 y 0.7, para ambos casos estudiados, siendo mayor en el del jet caliente más veloz. Esto, debido a peaks negativos en gráficos de evolución del transporte transversal de calor en capas de mezcla, que justificarían el intercambio de momentum y calor debido a fluctuaciones de las partículas fluidas. El rango de niveles mencionado coincide con la zona en donde ambos jets de la cortina se unifican para formar uno nuevo, con distintas características a los dos iniciales. La interacción entre ambos jets con distintas características termodinámicas disminuye la capacidad de confinamiento de la configuración propuesta. El análisis de transporte axial de calor muestra una inversión en el flujo de calor axial a partir de x/H=0.6 para el caso 1. Se concluye que la configuración que utiliza el jet frío de mayor velocidad inicial funciona un 60% mejor como barrera confinatoria respecto al caso del jet caliente más veloz. Se sugiere estudiar la influencia de los términos turbulentos en cortinas de aire inclinadas y analizar el paso de las partículas fluidas de manera de concluir sobre la naturaleza de los procesos de transporte de momentum responsables del esfuerzo de Reynolds.

[pt] O presente trabalho apresenta uma análise experimental da combustão turbulenta de sprays de etanol, mediante o uso de técnicas de diagnóstico laser, em queimadores tipo obstáculo. São empregadas a fluorescência induzida por plano laser (PLIF) do radical hidroxila (OH), para mapear a frente de chama, a velocimetria por imagens de partículas (PIV), para determinar o campo de velocidades das gotas do spray e Shadowgraphy, para obter o diâmetro e velocidade de gota. Uma caracterização da estrutura do escoamento de ar a jusante do corpo rombudo é realizada com PIV estéreo para diferentes números de Reynolds. Os resultados mostram uma similitude do escoamento na zona de recirculação. As maiores flutuações turbulentas de velocidades são encontradas na região de vórtice e indicam anisotropia no tensor de Reynolds. Os resultados de Shadowgraphy revelam que as gotas do spray não são perfeitamente esféricas em regiões perto do atomizador. O diâmetro médio Sauter (SMD) foi medido em varias posições na região de recirculação. As gotas de maior diâmetro apresentaram as maiores velocidades e as pequenas são ligeiramente desviadas pela zona de recirculação nas regiões mais afastadas da linha central. Os experimentos reativos realizados com diversos valores de vazão de etanol e ar indicam que a frente de chama é descolada do queimador, sua forma é determinada principalmente pela vazão de etanol e a intensidade de luminescência é aumentada com a velocidade do ar. Em alguns casos o escoamento de ar muda a forma do spray. Uma quantidade de gotas apreciável sempre consegue atravessar a frente de chama. O campo de velocidade das gotas é influenciado pelo incremento da velocidade do escoamento anular de ar. / [en] This work presents an experimental analysis of turbulent combustion of ethanol sprays through the use of laser diagnostic techniques in a bluff-body burner. Are employed the planar laser-induced fluorescence (PLIF) of the hydroxyl (OH), to map the flame front, the particle image velocimetry (PIV) to determine the velocity field of the spray droplets and Shadowgraphy to obtain the droplet diameter and velocity. A characterization of the structure of the air flow downstream of the bluff-body is performed with stereo PIV at different Reynolds numbers. The results evidence flow similarity in the recirculation zone. The largest turbulent velocity fluctuations are found in the vortex region, which implies the anisotropy of the Reynolds stresses. The results of Shadowgraphy indicate that the spray droplets are not perfectly spherical near the atomizer. The evolution of Sauter mean diameter (SMD) is measured at various positions at the recirculation region. The largest diameter droplets have the highest velocity and the smaller are slightly deviated by recirculation zone in the far furthest from the centerline. The reactive experiments are performed with different ethanol and air flow rates and indicate that the flame front is detached from the burner, the shape is determined by the ethanol flow rate and the luminescence intensity increases with the air velocity. In some case the air flow changes the shape of the spray. An appreciable number of droplets always passe through the flame front. The velocity of the droplets is influenced by the increase of speed air velocity.

[pt] No presente trabalho é realizada uma análise do desempenho de três diferentes modelos de turbulência na previsão de escoamentos que apresentam separação e recolamento. Investigou-se o escoamento turbulento através de dutos com obstruções curvilíneas. Os modelos selecionados pertencem a classe de modelos de duas equações diferenciais k-e para baixos números de Reynolds. A análise tem por objetivo verificar se estes modelos são capazes de captar as regiões de recirculação e recuperação de pressão após a obstrução, grandezas fundamentais para a avaliação da distribuição de tensões. Os campos de velocidade, energia cinética turbulenta, taxa de dissipação obtidos pelos diferentes modelos são comparados com dados numéricos e experimentais na literatura, visando identificar qual é o modelo mais adequado para esse tipo de escoamento. Para a determinação numérica do escoamento na geometria com uma obstrução curvilínea, do tipo cossenoidal, utilizou-se o método de volumes finitos com coordenadas curvilíneas não ortogonais que se adaptam à geometria. Os componentes contravariantes da velocidade foram empregadas como variáveis independentes nas equações de conservação de quantidade de movimento e o acoplamento velocidade pressão foi resolvido pelo algoritmo SIMPLEC. Dentre os modelos testados, nenhum conseguiu reproduzir exatamente todos os dados experimentais, porém concluiu-se que o modelo LSH, proposto por Launder e Sharma (1974) com a modificação proposta por Hanjalic e Launder (1980) apresentou o melhor desempenho, o qual pode ser considerado como satisfatório. / [en] In the present work an analysis of the performance of three different turbulence models in the prediction of flows that present separation and reattachment. The turbulent flow was investigated through ducts with curvilinear obstructions. The selected models belong to the class of models with two differential equations k-e for low numbers of Reynolds. The objective of the analysis is to verify if these models are capable of capturing the recirculation areas and pressure recovery after the obstruction, fundamentals for the evaluation of the distribution of tensions. The fields of velocity, turbulent kinetic energy, dissipation rate obtained by the different models are compared with numeric and experiments data found in the literature, seeking to identify which is the model more adapted for those type of flows. The numeric determination of the fluid flows in the geometry with a curvilinear obstruction, described by a sine curve, was accomplished by a finite volume method with non orthogonal curvilinear coordinates which adapt to the geometry. The countervariants velocity components was employed as independent variables in the momentum conservation equation and the velocity-pressure coupling was solved by the SIMPLEC algorithm . Among all the tested models, none was able to reproduce exactly the experimental data. However, the LSH model, proposed by Launder and Sharma (1974) with the modification proposal for Hanjalic and Launder (1980) presented the best performance, which can be considered satisfactory. / [es] En el presente trabajo se analiza el desempeño de tres modelos de turbulencia diferentes para la previsión de flujos con separación y readherencia. Se investigó el flujo turbulento a través de conductos con obstrucciones curvilíneas. Los modelos seleccionados pertenecen a la clase de modelos de dos ecuaciones diferenciales k-y para bajos números de Reynolds. El análisis tiene como objetivo verificar si estos modelos son capaces de captar regiones de recirculación y recuperación de presión después de la obstrucción, cantidades fundamentales para la evaluación de la distribución de tensiones. Se comparan los campos de velocidad, energía cinética turbulenta, tasa de disipación obtenidos por los diferentes modelos con los datos numéricos y experimentales en la literatura, identificando cuál es el modelo más adecuado para ese tipo de flujo. Para la determinación numérica del flujo en la geometría con una obstrucción curvilínea, del tipo cosenoidal, se utilizó el método de volúmenes finitos con coordenadas curvilíneas no ortogonales que se adaptan a la geometría. Los componentes contravariantes de la velocidad fueron utilizados como variables independentes en las ecuaciones de conservación de movimiento y el acoplamiento velocidad-presión fue resuelto a través del algoritmo SIMPLEC. Ninguno de modelos provados consiguió reproducir exactamente todos los datos experimentales, mas se puede concluir que el modelo LSH, propuesto por Launder y Sharma (1974) con la modificación propuesta por Hanjalic y Launder (1980) presentó el mejor desempeño, que puede ser considerado como satisfactorio.

[pt] Neste trabalho se apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos turbulentos quimicamente reativos em um queimador tipo obstáculo. O objetivo principal é estudar uma chama turbulenta não pré-misturada de configuração geométrica simples. Esta chama, que queima gás natural e ar, é estabilizada por um queimador tipo obstáculo. Inicialmente um estudo bibliográfico do estado da arte de experimentos e da comparação entre experimentos e modelagem neste tipo de queimador é apresentado. Na sequência, a formulação matemática, clássica, de dinâmica dos fluidos computacional é exposta, seguida da apresentação da técnica de medição empregada nos experimentos, a fluorescência induzida por plano laser (PLIF). A discussão dos resultados obtidos neste trabalho é divida em três etapas. Na primeira, comparam-se os resultados de modelagem computacional usando quatro modelos de turbulência e dois modelos de combustão com dados experimentais encontrados na literatura. Esta comparação coloca em evidência o conjunto de modelos que possui melhor capacidade preditiva no que diz respeito a este tipo de configuração. A segunda etapa consiste na apresentação dos resultados experimentais obtidos, os quais permitem caracterizar, em três regimes de combustão distintos, a presença de uma espécie química existente durante o processo de combustão, no caso, o radical hidroxila (OH). Esta caracterização é realizada pelo exame tanto da estrutura instantânea da chama turbulenta quanto da média. Por fim, comparam-se os resultados da modelagem com aqueles obtidos no presente aparato experimental. Esta comparação coloca em evidência as deficiências dos modelos clássicos de combustão empregados e indica a necessidade de serem realizadas medidas simultâneas de velocidade e de concentração de espécies químicas que possibilitem o desenvolvimento de novos modelos de combustão em escoamento turbulento. / [en] This work presents an experimental and numerical study of turbulent chemically reactive flows in a bluff body type burner. The main objective of the present work is to study a non-premixed turbulent flame on a simple geometric configuration. This flame, which burns natural gas and air, is stabilized downstream to a bluff-body. Initially, literature is reviewed on the previous experimental and modeling studies which have been performed on this kind of burner. Then, the mathematical formulation of computational fluid dynamic problem is presented. This is followed by the introduction of the experimental measurements techniques which involve planar laser induced fluorescence (PLIF). The discussion of results obtained in this work is divided in three sections. First, a comparison is made between numerical simulations, using four different turbulent models and two different combustion models, and experimental data found in the literature. Is allows to assess capacity of the different models to predict the reactive flow configuration studied. The second section presents the experimental results obtained for three combustion regimes, which are characterized by laser induced fluorescence emission of the hydroxil radical species (OH). This characterization involves the analysis the instantaneous and the average structure of the turbulent flame. Finally, the modeling results are compared to the experimental data obtained. This comparison in evidences the necessity to perform the simultaneous measurement of velocity and chemical species concentration in order to allow for the development of new models of combustion in turbulent flows.

[pt] Uma investigação da capacidade de previsão de modelos de turbulência baseados na modelagem estatística clássica e de grandes escalas é apresentada. A modelagem estatística clássica de turbulência (média de Reynolds) foi analisada, através da solução de escoamentos complexos, como, por exemplo, o escoamento turbulento em degrau (backstep). Especial atenção foi dada aos modelos kapa-epsilon de baixo Reynolds e as variantes renormalizadas (RNG). O comportamento dos vários termos da equação da energia cinética turbulenta na região da parede foram analisados em detalhes, especialmente o termo de difusão de pressão. Avaliou-se a importância da correta modelagem do termo de difusão de pressão sobre as predições dos modelos de baixo número de Reynolds, nas regiões de recirculação. Alguns modelos, propostos na literatura para o termo de difusão de pressão, foram também avaliados teórica e numericamente. A capacidade de previsão da metodologia de simulação de grandes escalas (LES por Large Eddy Simulation) também foi realizada. O desempenho do modelo de Smagorinsky para prever escoamentos limitados por fronteiras sólidas foi avaliado do ponto de vista computacional. Utilizou-se o método de volumes finitos para integrar tanto as equações médias de Reynolds quanto as equações LES. O escoamento turbulento em canal foi resolvido de modo bidimensional e tridimensional. Já o escoamento em degrau (backstep) foi resolvido exclusivamente de modo bidimensional, enquanto o escoamento em um duto de seção quadrada foi simulado de modo tridimensional. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos pelos modelos de baixo Reynolds, analisando-se a relação custo-benefício. / [en] An investigation of turbulence models prediction capacity based on classical statistical modeling and large eddy simulation (LES) is presented. The classical statistical modeling (average of Reynolds) was analyzed, by investigating the solution of complex flows, as, for example, the turbulent flow past a backwardfacing- step (backstep). Special attention was given to low Reynolds number k-e models and models derived by renormalization group theory (RNG). The behavior of the different terms in the turbulent kinetic energy equation in the near wall region was examined in details, specially the pressure diffusion term. It was evaluated the importance of the correct modeling of the pressure diffusion term on the predictions of the low Reynolds number models, in recirculating flows. A few models, proposed in the literature for the pressure diffusion term, were also evaluated theoretically and numerically. The prediction capacity of large eddy simulation (LES) technique was also investigated. The ability of Smagorinsky model to predict complex limited wall flows was analyzed from a computational standpoint. The finite-volume method was employed to integrate both the Reynolds average and LES equations. The fully developed turbulent channel flow was solved in two- dimensional and three-dimensional numerical simulations. The turbulent flow over a backward-facing-step was computed exclusively in a twodimensional manner, while the fully developed turbulent flow in a straight square duct was simulated in a three-dimensional manner. The results were compared with those obtained by the low Reynolds models, analyzing the cost-benefit relation.

[pt] O objetivo principal do presente trabalho foi investigar computacionalmente o escoamento e a dispersão de poluentes atmosféricos sobre topografias complexas tridimensionais em escala de laboratório. Foram realizadas simulações numéricas de escoamentos neutros e estavelmente estratificados sobre colinas e também sobre terreno plano. A modelagem matemática, baseada na solução das equações gerais de conservação, inclui o modelo de tensões de Reynolds para a turbulência e um modelo de duas camadas para o tratamento do escoamento na região próxima à parede. O código comercial Fluent (Versão 6.0.12), que emprega o método de volumes finitos, foi utilizado nas simulações computacionais. Os resultados numéricos foram comparados a dados obtidos em experimentos em túnel de vento disponíveis na literatura. Também foram realizadas comparações com resultados obtidos com a utilização do modelo (k menos épsilon) clássico. A comparação entre os resultados obtidos com as diversas modelagens numéricas e os dados experimentais mostrou que a utilização conjunta do modelo de tensões de Reynolds e do tratamento em duas camadas produziu os melhores resultados na predição do escoamento. O desempenho dessa modelagem foi particularmente superior na representação da recirculação no escoamento na região a jusante da colina. Com relação ao cálculo das concentrações, os resultados obtidos foram razoáveis nas regiões mais distantes da fonte quando comparados aos experimentais. Na região mais próxima à fonte emissora, foram calculadas concentrações excessivamente altas ao nível do solo. Estas discrepâncias foram atribuídas ao fato de ter-se utilizado um modelo de difusividade turbulenta isotrópica para os cálculos da dispersão turbulenta do poluente. Ainda assim, os campos de concentrações apresentados mostraram importantes aspectos qualitativos relativos ao problema como, por exemplo, os efeitos da estabilidade atmosférica na dispersão do poluente, que foram adequadamente previstos. / [en] The main objective of the present work was to investigate computationally the flow and the dispersion of atmospheric pollutants over three dimensional complex topographies in laboratory scale. The investigations included the numerical simulation on the neutral and stably stratified flows over hills and flat terrain. The mathematical model was based on the solution of the general conservation equations and included the Reynolds stress model for turbulence and a two layer zonal model for the flow treatment in the near wall region. The commercial code Fluent (Version 6.0.12), which is based on the finite volume method, was employed in the computational simulations. The numerical results were compared to data obtained in wind tunnel experiments, available in the literature. Comparisons were also made with results obtained by employing the standard (k less épsilon) model for turbulence. The comparisons between the experimental data and the numerical results showed that the combined use of the Reynolds stress model and the two layer treatment provided the best results for the flow representation. This modeling approach was particularly superior in representing the flow recirculation on the leeside of the hill. The predicted concentrations results were reasonably good at regions far away from the emission source. In the near source regions, the ground level concentrations were overestimated by the numerical modeling. These discrepancies were attributed to the employment of an isotropic turbulent diffusivity model in the turbulent dispersion calculations. Nevertheless, the calculated concentration fields represented well important qualitative features of PUC Rio.

[pt] O escoamento em um queimador tipo corpo rombudo é estudado experimentalmente. Este queimador, representativo daqueles que podem ser encontrados em fornos industriais, propicia um amplo acesso óptico, fornecendo assim as condições necessárias para um estudo detalhado da combustão em escoamentos turbulentos. São realizadas medições simultâneas da luminosidade emitida pela fluorescência induzida do radical químico Hidroxila (OH) e do campo de velocidade do escoamento aplicando as técnicas de Fluorescência Induzida por Plano Laser (PLIF) e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV), respectivamente. A análise de incerteza das medições realizada mostrou que nos casos reativos as incertezas experimentais associadas às técnicas PIV e PLIF, são de 6 por cento e 25 por cento, respectivamente. O estudo de dois casos quimicamente inertes, um com o escoamento dominado pelo jato e outro pela esteira, serve de base para o cálculo das incertezas nas medições e na análise da estrutura do escoamento. Em seguida são estudados diversos regimes de combustão utilizando diferentes vazões de combustível gás natural e ar. As características da frente de chama e as estruturas do escoamento a jusante da superfície do queimador são analisadas através da distribuição da fluorescência de OH e dos campos de velocidade medidos. A imagem média permite verificar a posição do escoamento em que a chama se estabiliza, além de indicar a superfície de estequiometria e a altura média de ancoramento da chama. Os valores de RMS da fluorescência de OH indicam a flutuação da frente de chama, tanto na posição quanto na intensidade. Uma análise do tensor de Reynolds do escoamento é realizada à luz da hipótese de Boussinesq, ou seja, é investigada a pertinência do mecanismo de conexão entre a taxa de deformação média do escoamento e as tensões de Reynolds, a fim de examinar o desvio em relação à isotropia da turbulência. Os resultados dos casos reativos são semelhantes aos inertes. Assim sendo, a hipótese de Boussinesq parece ser aplicável nos casos em que o escoamento é dominado pelo jato, mas não quando ocorre interrupção deste na região de esteira. Os resultados apresentados contribuem para formação de um banco de dados que possibilitará a validação de novos modelos computacionais destinados a realização de simulações numéricas, visando a otimizar a combustão e propiciar a construção de queimadores mais eficientes que possibilitem a economia de combustível e a diminuição nas emissões de poluentes e material particulado. / [en] Turbulent non-premixed flames stabilized on a bluff-body burner are studied. This burner is representative of industrial furnace applications, provides ample optical access, allowing for the required conditions to perform a detailed combustion study in turbulent flowfield. Measurements of the fluorescence luminosity emitted by OH radical and the velocity field are achieved applying, Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) and Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, respectively. An uncertainty analysis is presented considering specifically the reactive case, which yields experimental uncertainties associated to the PIV and PLIF techniques of 6 per cent and 25 per cent, respectively. The study of two chemically inert cases, the first dominated by jet and the second dominated by wake, supports the uncertainty calculations and the flowfield structure analysis. Subsequently, several combustion regimes using Natural Gas and air are studied. The flame front characteristics and flowfield structures are analyzed using the OH fluorescence distribution and measured velocity field. The mean images allow the determination of the flame stabilization position in the flowfield, and also indicate the stoichiometry surface and the mean lift-off height. The RMS values of fluorescence signal quantify the flame front fluctuation, both in position and intensity. The measured components of the Reynolds stress tensor are analyzed with respect to the Boussinesq hypothesis, i.e., the relation between mean strain rate and Reynolds stress tensor, in order to examine the tensor deviation from the isotropy. The Boussinesq hypothesis seems to be valid in cases where the jet is dominant and not valid when jet bursts in the wake region. The presented results are the first step towards the construction of a database to validate computational models aimed at optimizing the combustion process and designing more efficient burners.

[pt] Elementos combustíveis de reatores nucleares são, em geral, constituídos por feixes de barras, através dos quais o refrigerante escoa axialmente. A confiabilidade do projeto termohidráulico destes elementos está ligada a um conhecimento detalhado do campo (principal e secundário) de velocidades. Um modelo estatístico de turbulência (K-E) é aplicado na determinação dos escoamentos principal e secundário, tensões de cisalhamento na parede e coeficiente de atrito para regime turbulento desenvolvido permanente, com fluido incompressível escoando axialmente através de feixes de barras em arranjo triangular ou quadrado. O método numérico emprega a vorticidade e a função corrente na descrição do campo de velocidades. Os resultados ovtidos estão, para diferentes números de Reynolds e diferentes razões de aspecto (P/D) de acordo com os resultados experimentais e analíticos de diversos investigadores. / [en] Reactor fuel elements generally consist of rod bundles with the coolant flowing axially through the region between the rods. The confiability of the thermohydraulic design of such elements is related to a detailed description of the velocity field. A two-equation statistical model (K-E) of turbulence is applied to compute main and secondary flow fields, wall shear stress distributions and friction factors of steady, fully developed turbulent flows, with incompressible, temperature independent fluid flowing axially through triangular or square arrays of rod bundles. The numerical procedure uses the vorticity and the stream function to describe the velocity field. Comparison with experimental and analytical data of several investigations is presented. Results are in good agreement.

El presente trabajo estudia la convección Rayleigh-Bénard en cavidades cúbicas sin inclinación con respecto a la horizontal y calentadas por debajo para números de Rayleigh tanto dentro del estado estacionario como dentro del régimen turbulento.Inicialmente se estudian los efectos que tiene la variación de las propiedades físicas con la temperatura sobre la estructura de flujo, el mecanismo de transporte y la transferencia de calor para dos números de Rayleigh bajos (Ra=104 y Ra=5×104) en los que el flujo es laminar y estacionario y para un Rayleigh dentro del régimen turbulento (Ra=107). Para este estudio numérico se utilizó agua como fluido convectivo (Pr=5.9) y se supuso que las paredes laterales de la cavidad eran perfectamente conductoras. De acuerdo con Gray y Giorgini (1976) la aproximación de Boussinesq debe aplicarse para diferencias menores al 10% en las propiedades físicas del fluido. De acuerdo con este criterio, para agua a T0=26ºC las variaciones de temperatura máximas permitidas para poder aplicar la aproximación de Boussinesq serían ΔT ≤ 2.9ºC para el coeficiente de expansión térmica, ΔT ≤ 4.5ºC para la viscosidad. Los cálculos sin la aproximación de Boussinesq llevados a cabo en el presente trabajo fueron calculados con una diferencia de temperaturas de 17.5ºC entre placas fría y caliente (6 veces mayor que el limite para la propiedad física más crítica) y por tanto los presentes resultados pueden ser considerados fuera de la aproximación de Boussinesq. En estas condiciones las variaciones del coeficiente de expansión térmica y de la viscosidad entre las paredes caliente y fría respecto al valor evaluado a la temperatura media, son del 62% y 40%, respectivamente, siendo el fluido cerca a la pared fría más viscoso y con menor coeficiente de expansión.Posteriormente se han identificado numéricamente las estructuras de flujo promedio temporal para cinco números de Rayleigh dentro del régimen turbulento (para el rango 107≤Ra≤108). Debido a la similitud de cuatro de estas estructuras (para Ra>3×107) sólo dos de ellas fueron verificadas experimentalmente (Ra=7×107 y Ra=108) además de la estructura encontrada a Ra=107. Para los cálculos se asumió la aproximación de Boussinesq debido a que las diferencias de temperatura en la experimentación eran suficientemente bajas como para considerar propiedades físicas constantes de acuerdo con los resultados obtenidos en el análisis anterior. Con el fin de reproducir al máximo las condiciones experimentales, los resultados numéricos fueron obtenidos teniendo presente la conductividad térmica del vidrio de las paredes laterales. La visualización de las estructuras de flujo y la medición de los campos de velocidad en el plano vertical medio de la cavidad se realizó con el método PIV (de Particle Image Velocimetry). Estos resultados nos permitieron validar los resultados obtenidos con las simulaciones, comparándose tanto las topologías del flujo como los valores de velocidad puntuales en perfiles dentro del plano analizado.De los resultados numéricos se encontró que aun con porcentajes de variación de las propiedades físicas del fluido entre las paredes fría y caliente muy por encima del criterio normalmente utilizado (10%) tanto en régimen laminar como turbulento, las estructuras de flujo y las condiciones de transporte de calor, no se ven afectadas considerablemente por esta variación. Esto es debido principalmente a que los gradientes de temperatura mas altos están localizados dentro de la delgada límite térmica cerca de las paredes y por tanto la variación de las propiedades físicas con la temperatura solo es significativa en esta zona. En los resultados numéricos a régimen turbulento para números de Rayleigh en el rango 3×107≤Ra≤108 se observa que la estructura cambia de dirección a través del cambio de orientación del eje de rotación dela estructura permaneciendo períodos de tiempo indefinidos en una posición determinada. Los resultados experimentales para Ra=7×107 y Ra=108, no presentan este cambio de orientación en la estructura. Se observa que la estructura de flujo no cambia de posición en el tiempo conservando la misma orientación durante todo el tiempo de muestreo. La diferencia entre resultados numéricos y experimentales puede atribuirse a las inevitables imperfecciones en las condiciones de contorno de los experimentos, especialmente en la distribución de temperaturas en las paredes de la cavidad, o bien a la pequeña pero también inevitable desviación de la cavidad respecto la perfecta horizontalidad. Estos efectos pueden ser los causantes de la inhibición del cambio de orientación de la estructura observado en las simulaciones numéricas con condiciones de contorno ideales y llevadas a cabo suponiendo una perfecta horizontalidad de la cavidad. Sin embargo, es importante resaltar que las estructuras de flujo medias y los contornos de la desviación estándar de la velocidad vertical obtenidos experimentalmente son cualitativamente similares a aquellos obtenidos numéricamente para un periodo de tiempo en el cual la estructura media permanece en la misma posición, indicando que la estructura de flujo experimental corresponde a una determinada orientación de la estructura obtenida numéricamente. Por otro lado las estructuras de flujo promedio temporal y los valores de velocidad obtenidos numéricamente concuerdan significativamente con las correspondientes medidas experimentales para los números de Rayleigh analizados. / In the first part of this study, the effects of a non-Boussinesq fluid are numerically studied and discussed for Rayleigh-Bénard convection in a cubical cavity with perfectly conducting sidewalls at low and high Rayleigh numbers using water as a convecting fluid (Pr=5.9). Numerical simulations at all Rayleigh numbers considered were carried out for two different cases. In the first case a Boussinesq fluid was considered (Boussinesq Fluid Simulation-BFS) and in the second case, the dependence of viscosity and thermal conductivity of water on temperature was adopted in the simulations (Non-Boussinesq Fluid Simulation-NBFS). At the low Rayleigh numbers used in this study (Ra=104 and Ra=5x104) the flow is laminar and steady and at the high Rayleigh number considered (Ra=107) the flow is turbulent. At Ra=104 and Ra=5x104 we focus our analysis on the effect of variation of the fluid viscosity with temperature on the more stable flow structures from the set of seven different topologies reported in previous studies. At Ra=107 and Pr=5.9 the non-Boussinesq effects on the turbulent flow are analysed in detail and the flow structures and heat transfer rates compared with those available in the literature at Pr=0.71. Previous works recommend that temperature difference should be less than 4.5ºC in order to obtain less than 10% of variation in the viscosity. Non-Boussinesq simulations in the present work were calculated with a viscosity variation of 40% between cold and hot plates. The numerical simulations at high and low Rayleigh numbers were conducted with a second order finite volume code without any turbulence model because the time-steps and grid sizes used are adequate for the time and spatial resolution requirements reported in previous direct numerical simulations of Rayleigh-Bénard flows. The structure of the flow topologies at Ra=104 and Ra=5x104 are not significantly affected by the effects of the variation of viscosity and thermal conductivity with temperature. However, results obtained with a NBFS show an increase of the ascending flow velocities compared with those obtained with the Boussinesq approximation according to the decrease of viscosity with increasing temperature. At Ra=107 the instantaneous flow shows large deviations with respect to the time-average flow field that consists in two counter rotating vortex rings located near the horizontal plates. The temperature gradients and, thus the viscosity variation are located close to the walls within the thermal boundary layers. This causes that the time-averaged flow field topologies corresponding to BFS and NBFS are not greatly affected by the effects of the variation of viscosity and thermal conductivity with temperature.In the second part, experimental measurements and numerical simulations of natural convection in a cubical cavity heated from below and cooled from above are reported at turbulent Rayleigh numbers using water as a convective fluid (Pr=6.0). The numerical simulations were carried out, in the range 107≤Ra≤108, with a second order finite volume code without any turbulence model because the time-steps and grid sizes used are adequate for the time and spatial resolution requirements reported in previous direct numerical simulations of Rayleigh-Bénard flows. The Boussinesq approximation was considered in the simulations according to the thermal conditions and the dimensions of the cavities used in the experiments. The Particle Image Velocimetry technique was used to measure the two velocity components parallel to a vertical mid-plane of the cavity at Ra=107, Ra=7×107 and Ra=108. Both experiments and simulations show that at Ra=107 the time averaged flow structure consists in two horizontal counter-rotating vortex rings located near the horizontal walls of the cavity. At the higher Rayleigh numbers considered, the simulations predict an unsteady single roll motion in which the direction of the axis of rotation rotates in the horizontal plane with very low frequencies. This rotation produces a time averaged flow structure similar to that found at Ra=107. There is a general agreement between the predicted time averaged localvelocities and those experimentally measured if the heat conduction through the sidewalls occurring in the experiments is considered in the simulations.

Neste trabalho, é apresentado, de acordo com o conhecimento atual da estrutura e características da Camada Limite Planetária, um novo conjunto de parametrizações da turbulência para ser usado em modelos de transferência atmosférica. Isto é, são propostas expressões para o perfil vertical do desvio padrão de velocidade, para a escala de comprimento Lagrangiana, para a escala de tempo Lagrangiana e para o coeficiente de difusão, usando a teoria clássica de difusão estatística, as propriedades espectrais observadas e as características observadas de energia contida nos turbilhões. Estas parametrizações fornecem valores contínuos com a altura na CLP para todas as condições de estabilidade, desde um estado dinâmico instável até um estável. / This work presents, according to the current knowledge of the PBL structure and characteristics, a new set ofturbulence parametrizations to be used in dispersion models. It means, expressions for the vertical profiles of the velocity standard deviation, Lagrangian length and time scales, and diffusion coefficient, are proposed. The classical statistical diffusion theory, the observed spectral properties and observed characteristics of energy containing eddies are used to estimate these parameters. These parametrizations give continuous values for the PBL at ali elevations and ali stability conditions from unstable to stable.