O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o comportamento da espécie poluente NOx em chamas turbulentas sem pré mistura. Com intuito de se identificar as espécies químicas relevantes, ou de combinações entre estas, efetuou-se análise de sensibilidade utilizando pacote de cinética química CHEMKIN. Do trabalho experimental consta a implementação de um modelo laboratorial de uma câmara de combustão para chamas sem pré mistura, a otimização de algoritmo dedicado de reconstrução tomográfica em ambientes axi-simétricos e calibração do sistema ótico. Gás natural foi utilizado como combustível. O queimador utilizado é do tipo com chamas piloto, possuindo jato principal rodeado por 12 orifícios de chama piloto. Medidas intrusivas foram realizadas com sonda de amostragem de gases no interior da chama, termopar de fio fino de Pt/PtRh13% e anemômetro de fio quente. As medidas de velocidade foram comparadas com as obtidas com modelo de turbulência comprimento de mistura. Medidas de intensidade luminosa dos radicais CH, CN e C2 foram obtidas com câmaras CCD e os resultados foram avaliados após aplicação da técnica de reconstrução de imagens a partir de suas projeções.

A metodologia LES (Large Eddy Simulation) é uma alternativa viável para a solução numérica de escoamentos de interesse prático em virtude da limitação computacional imposta pela resolução direta de todas as escalas presentes em escoamentos turbulentos. Entretanto, a compreensão detalhada do fenômeno da turbulência é ainda uma tarefa desafiadora em consequência do seu comportamento não linear e alta sensibilidade às condições iniciais e de contorno. Dessa forma, o sucesso de simulações LES está associado à utilização de um código computacional eficiente, com modelagem submalha que represente corretamente a dinâmica do escoamento, juntamente com a especificação de condições iniciais turbulentas fisicamente consistentes. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um código LES de alta ordem aliado a um método de geração de perturbações para o estudo de escoamentos turbulentos em camada limite sobre superfície plana. Foi adotada a formulação vorticidadevelocidade. A metodologia numérica baseia-se no método de diferenças finitas em malhas colocalizadas, onde as derivadas nas direções longitudinal e normal ao escoamento são aproximadas usando diferenças compactas de alta ordem. Esse estudo assume periodicidade na direção transversal do escoamento e então um método espectral é adotado nessa direção. A integração temporal é feita através do método Runge-Kutta de 4a ordem e a solução da equação de Poisson se dá por meio de um método multigrid. Para a modelagem submalha é adotado o modelo WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). O método RFG (Random Flow Generation) foi responsável pela geração das flutuações de velocidade. Os resultados obtidos mostraram-se em boa concordância com os dados DNS (Direct Numerical Simulation) e LES presentes na literatura. / LES methodology is a viable alternative for the numerical solution of practical interest flows due to the computational limitations imposed by the direct resolution of all scales presented in turbulent flow. However, the detailed understanding of the turbulence phenomenon is still a challenging task as a result of its non-linear behavior and high sensitivity to initial and boundary conditions. Thus, the success of LES simulations is associated with the use of an efficient computational code, wherein the subgrid scale modeling accurately represents the flow dynamics, together with the specification of realistic inicial boundary conditions. In this context, this study aims to develop a high-order LES code combined with a method for generating velocity fluctuations to compute turbulent boundary layer flows over a flat plate. The vorticity-velocity formulation was adopted. The numerical scheme is based on the finite difference method in collocated grid, where the derivatives in the streamwise and wall-normal are approximated using high order compact finite difference schemes. We also assume periodicity in spanwise direction therefore it is adopted a spectral method in this direction. The method chosen for the temporal evolution is the 4th order Runge-Kutta method and the solution of Poisson equation solution is accessed via a multigrid algorithm. For subgrid modelling it is adopted the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model. The RFG (Random Flow Generation) method was responsible for the generation of unsteady turbulent velocity signal. The results obtained were in good agreement with DNS (Direct Numerical Simulation) and LES from the literature.

A metodologia LES (Large Eddy Simulation) é uma alternativa viável para a solução numérica de escoamentos de interesse prático em virtude da limitação computacional imposta pela resolução direta de todas as escalas presentes em escoamentos turbulentos. Entretanto, a compreensão detalhada do fenômeno da turbulência é ainda uma tarefa desafiadora em consequência do seu comportamento não linear e alta sensibilidade às condições iniciais e de contorno. Dessa forma, o sucesso de simulações LES está associado à utilização de um código computacional eficiente, com modelagem submalha que represente corretamente a dinâmica do escoamento, juntamente com a especificação de condições iniciais turbulentas fisicamente consistentes. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um código LES de alta ordem aliado a um método de geração de perturbações para o estudo de escoamentos turbulentos em camada limite sobre superfície plana. Foi adotada a formulação vorticidadevelocidade. A metodologia numérica baseia-se no método de diferenças finitas em malhas colocalizadas, onde as derivadas nas direções longitudinal e normal ao escoamento são aproximadas usando diferenças compactas de alta ordem. Esse estudo assume periodicidade na direção transversal do escoamento e então um método espectral é adotado nessa direção. A integração temporal é feita através do método Runge-Kutta de 4a ordem e a solução da equação de Poisson se dá por meio de um método multigrid. Para a modelagem submalha é adotado o modelo WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). O método RFG (Random Flow Generation) foi responsável pela geração das flutuações de velocidade. Os resultados obtidos mostraram-se em boa concordância com os dados DNS (Direct Numerical Simulation) e LES presentes na literatura. / LES methodology is a viable alternative for the numerical solution of practical interest flows due to the computational limitations imposed by the direct resolution of all scales presented in turbulent flow. However, the detailed understanding of the turbulence phenomenon is still a challenging task as a result of its non-linear behavior and high sensitivity to initial and boundary conditions. Thus, the success of LES simulations is associated with the use of an efficient computational code, wherein the subgrid scale modeling accurately represents the flow dynamics, together with the specification of realistic inicial boundary conditions. In this context, this study aims to develop a high-order LES code combined with a method for generating velocity fluctuations to compute turbulent boundary layer flows over a flat plate. The vorticity-velocity formulation was adopted. The numerical scheme is based on the finite difference method in collocated grid, where the derivatives in the streamwise and wall-normal are approximated using high order compact finite difference schemes. We also assume periodicity in spanwise direction therefore it is adopted a spectral method in this direction. The method chosen for the temporal evolution is the 4th order Runge-Kutta method and the solution of Poisson equation solution is accessed via a multigrid algorithm. For subgrid modelling it is adopted the Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model. The RFG (Random Flow Generation) method was responsible for the generation of unsteady turbulent velocity signal. The results obtained were in good agreement with DNS (Direct Numerical Simulation) and LES from the literature.

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.