In this dissertation we describe a newly discovered subsurface frontal meander of the North Brazil Undercurrent (NBUC), centered at about 4ºS, 36.5ºW, hereafter Potiguar Eddy (PE). The Potiguar Eddy is an elliptically-shaped eddy, with major and minor axes of approximately 330 and 130 km, with a subsurface signature. It extends vertically from 100 m to 400 m, with maximum velocities of 0.6 m.s-1 and recirculates about 2 Sv of waters from the NBUC. Despite the presence of the PE in subtermocline waters, the surface flow is northwestward throughout the year. The analysis of variability of mooring velocity data in the Potiguar Bight revealed two most important statistical modes of variability (EOFs); one with high amplitudes over most of the portion of the water column which corresponds to the PE, and another one, explaining a lower percentage of the variance, associated with upper-layer processes. The first EOF mode is found to be associated with baroclinic oscillations with periods of about 25-35 days. This signal is also seen in altimetric fields in the Atlantic Ocean. We characterize these signals as Rossby waves, and speculate that the trigger for their generation would be barotropic instability generated by the current shear in the Tropical Atlantic Ocean. Aditionally, with the intent of analyzing the generation process of the PE, we developed Feature Models of the NBUC and Deep Western Boundary Current (DWBC), to be used as basis for developing the initial field for numerical model simulations in a dynamical process-study approach. The Feature Models, developed from observed velocity data, with temperature calculated through the thermal wind equation, and salinity from WOA (2013) climatology, successfully capture the main attributes of the features of interest, and thus are suitable for the investigation of the main characteristics of the flow in the Potiguar Bight. Two numerical experiments were set up; (i) a NBUC-only experiment, with maximum depth of 1500 m, and (ii) a NBUC-DWBC experiment, with a maximum depth of 5500 m. The Potiguar Eddy was formed in both experiments, with maximum velocity, core depth and size consistent with synoptic observations. As a result, the PE can be generated by a velocity field containing only the NBUC; and the DWBC - induced vertical shear seems to play a part on the eddy\'s characteristics (vertical extent, maximum velocities, etc), since the PE had different formation processes in the two experiments. / Nesta tese descrevemos o Vórtice Potiguar (VP): um meandro frontal da Subcorrente Norte do Brasil (SNB) recentemente identificado na costa nordeste brasileira, com núcleo em aproximadamente 4ºS e 36,5ºW. O VP tem formato elíptico com maior e menor eixos medindo 330 e 130 km, aproximadamente, intensificado em subsuperfície. O vórtice se estende verticalmente de 100 a 400 metros, com velocidades máximas de 0,6 m/s-1, recirculando cerca de 2 Sv das águas da SNB. Apesar da presença do vórtice na termoclina, o fluxo em superfície é para noroeste durante todo o ano. A análise da variabilidade da velocidade coletada em fundeio na Bacia Potiguar revela dois principais modos estatísticos de variabilidade; um com maiores amplitudes na porção da coluna de água correspondente ao VP, e um outro modo, que explica menor porcentagem da variância da série de dados original, associado a processos ligados à camada de superfície. O primeiro EOF é associado a oscilações baroclínicas com períodos de 25 a 35 dias. Este sinal também é identificado em altimetria no Atlântico. Nós caracterizamos esses sinais como expressão de ondas de Rossby, e especulamos que o gatilho para a geração das mesmas seria a instabilidade barotrópica gerada pelo cisalhamento de correntes no Atlântico Tropical. Adicionalmente, com o intuito de analisar os processos de geração do VP, nós desenvolvemos modelos de feição da SNB e Corrente Profunda de Contorno Oeste (CCP), para serem usados como base para o desenvolvimento do campo inicial para simulações de modelagem numérica em uma abordagem de estudo de processo dinâmico. Os Modelos de Feição, desenvolvidos a partir de dados de velocidade, com densidade e temperatura calculados a partir da relação do vento térmico e salinidade da climatologia WOA (2013), capturam os principais atributos das feições de interesse com sucesso, sendo adequados para a investigação das principais características do campo de correntes na Bacia Potiguar. Dois experimentos numéricos foram realizados: (i) Somente SNB, com profundidade máxima de 1500 m, e (ii) SNB + CCP, com profundidade máxima de 5500 m. O VP foi gerado em ambos os experimentos, com velocidade máxima, profundidade do núcleo e tamanho consistentes com observações sinóticas. Assim, temos que o VP pode ser gerado em um campo de velocidades contendo somente a SNB, e que o cisalhamento vertical induzido pela presença da CCP parece ter um papel importante nas características do mesmo (extensão vertical, velocidades máximas, etc), uma vez que o VP teve um processo de formação diferente em cada experimento.

Submitted by Danielle Karla Martins Silva (danielle.martins@ufpe.br) on 2015-03-06T14:29:26Z No. of bitstreams: 2 Tese Juan Carlos Piña Velásquez.pdf: 7862572 bytes, checksum: 5f517795c3c02a2a31eb348849af0ae8 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-06T14:29:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese Juan Carlos Piña Velásquez.pdf: 7862572 bytes, checksum: 5f517795c3c02a2a31eb348849af0ae8 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012 / Nesta tese estudamos teoricamente o comportamento de supercondutores convencionais e de duas bandas sujeitos a um confinamento mesoscópico induzido pelo tamanho da amostra ou pelo fluxo magnético não-homogêneo gerado por partículas magnéticas. O primeiro sistema estudado consiste em um filme supercondutor convencional infinito coberto por uma camada nanoestruturada contendo uma rede de partículas magnéticas com magnetização permanente orientada perpendicularmente ao plano do filme. Para esse sistema, solucionamos numericamente as equações de Ginzburg-Landau dependentes do tempo focando o estudo na criação e aniquilação de pares vórtice-antivórtice. Nós encontramos que o sistema apresenta uma variedade de fases com diferentes números de pares vórtice-antivórtice por dipolo, dependendo da intensidade do momento magnético das partículas e da distância de separação entre o filme supercondutor e o arranjo de dipolos. O principal resultado desse estudo foi a constatação da ausência do estado N=3 pares vórtice-antivórtice. A região do diagrama que seria ocupada por esse estado é de fato caracterizada por um estado contendo um vórtice com 3 quanta de fluxo localizado sob cada dipolo e uma molécula vórtice-antivórtice, composta por 4 antivórtices formando um quadrado com um vórtice no seu centro, em cada região intersticial. Interpretamos a inibição do estado N=3 como decorrente da simetria quádrupla imposta pelo arranjo de dipolos, efeito semelhante ao que ocorre em supercondutores mesoscópicos quadrados. No segundo sistema, investigamos a região de estabilidade dos estados fracionários num disco supercondutor mesoscópico de duas bandas. O estudo foi feito solucionando numericamente as equações de Ginzburg-Landau adaptadas para o caso de duas bandas usando a aproximação das variáveis de ligação. Nesta análise levamos em conta a relação entre os parâmetros do modelo e os parâmetros microscópicos do material como as densidades de estados parcial, as velocidades de Fermi e os elementos da matriz de acoplamento. Nós apresentamos uma análise detalhada da região de estabilidade dos vórtices fracionários ao variar os parâmetros microscópicos e encontramos que os estados de vorticidade fracionária podem existir na região onde as duas bandas são ativas. Dentre esses estados, destacam-se aqueles onde a vorticidade da banda mais ativa é maior e estados onde a diferença do número de vórtices entre as bandas é maior que 1. Finalmente, nós propomos uma forma eficiente de aumentar a estabilidade dos vórtices fracionários mediante o campo magnético gerado por um disco magnético localizado sobre o disco supercondutor. Este é um resultado importante, uma vez que facilita a observação experimental dos vórtices fracionários em amostras mesoscópicas.

A região oceânica adjacente ao Embaiamento de Tubarão (ET) e ao Banco de Abrolhos (BAb) talvez seja uma das menos investigadas da margem continental brasileira. Estudos acerca da circulação nesta porção da costa atualmente restringem-se a trabalhos realizados na década de 80 e 90. Recentemente, estudos focando a atividade de mesoescala e a variabilidade sazonal da circulação ao largo da costa leste brasileira, tem relatado padrões de escoamento complexos e despertado o interesse da comunidade científica na compreensão da dinâmica local. Buscando compreender o padrão de escoamento na região e dispondo de dados sinóticos dos anos de 2004 e 2005 provenientes do Projeto Abrolhos, este trabalho se propôs a estudar as principais feições encontradas na área em questão através de modelagem numérica. Com este intuito, o campo inicial foi construído através de dados hidrográficos sinóticos, interpolados objetivamente com campos climatológicos mensais do World Ocean Atlas 01. Para tal, os perfis dos dados sinóticos e climatológicos foram adimensionalizados e redimensionalizados, com imagens termais de satélite e campo sintético de salinidade. Após a construção do campo inicial, foi realizada simulação numérica com o Regional Ocean Modeling System - ROMS, para os cenários de inverno (2004) e verão (2005). No cenário de inverno foi identificado um anticiclone dentro do Embaiamento de Tubarão, aqui denominado Vórtice de Tubarão, entretanto o Vórtice de Vitória (VV) e o Vórtice de Abrolhos (VA) só foram encontrados no cenário de verão, estando o o VV associado a um anticiclone simétrico ao eixo da Corrente do Brasil. Os resultados refutam a hipótese de que os anticiclones ao largo do Banco de Abrolhos apresentariam a mesma estrutura dinâmica dos ciclones presentes no Embaiamento de Tubarão. Além disso, pode-se também, atestar a natureza não perene do VV. / The region adjacent to the Tubarão Embayment and Abrolhos Bank is maybe one of the less investigated of the Brazillian continental margin. Studies about the cirulation in this area are currently restricted to studies carried out during the 80\'s and 90\'s. Recently, studies focusing the mesoscale activity and the seazonal variability of the circulation off the Brazillian eastern coast have reported complex flow patterns and raised attention of the scientific community to the lack of knowledge of the local dynamics. In order to comprehend the flow pattern in the region, having synoptic data for 2004 and 2005 from the Abrolhos Project, this work aims to study the main features identified in the study area through numerical modelling. With this intent, the initial field was built through hydrographic synoptic data objectively interpolated with monthly climatological fields of the World Ocean Atlas 01. For that, the profiles of the synoptic and climatological data were non-dimensionalyzed and re-dimensionalyzed with thermal satellite images and synthetic salinity field. After the initial field was built, a numerical simulation with the Regional Ocean Modeling System - ROMS was carried out, for the winter (2004) and summer (2005) scenarios. In the winter scenario an anticyclone, here named Tubarão Eddy, was identified inside the Tubarão Embayment, while the Vitória Eddy (VE) and the Abrolhos Eddy (AE) were only identified in the summer scenario, being the VE associated with an anticyclone symetric to the Brazil Current axis. The results deny the hypothesis that the anticyclones offshore the Abrolhos Bank present the same dynamical structure as the cyclones present in the Tubarão Embayment. Besides, we state the non-permanent nature of the VE.

A região oceânica adjacente ao Embaiamento de Tubarão (ET) e ao Banco de Abrolhos (BAb) talvez seja uma das menos investigadas da margem continental brasileira. Estudos acerca da circulação nesta porção da costa atualmente restringem-se a trabalhos realizados na década de 80 e 90. Recentemente, estudos focando a atividade de mesoescala e a variabilidade sazonal da circulação ao largo da costa leste brasileira, tem relatado padrões de escoamento complexos e despertado o interesse da comunidade científica na compreensão da dinâmica local. Buscando compreender o padrão de escoamento na região e dispondo de dados sinóticos dos anos de 2004 e 2005 provenientes do Projeto Abrolhos, este trabalho se propôs a estudar as principais feições encontradas na área em questão através de modelagem numérica. Com este intuito, o campo inicial foi construído através de dados hidrográficos sinóticos, interpolados objetivamente com campos climatológicos mensais do World Ocean Atlas 01. Para tal, os perfis dos dados sinóticos e climatológicos foram adimensionalizados e redimensionalizados, com imagens termais de satélite e campo sintético de salinidade. Após a construção do campo inicial, foi realizada simulação numérica com o Regional Ocean Modeling System - ROMS, para os cenários de inverno (2004) e verão (2005). No cenário de inverno foi identificado um anticiclone dentro do Embaiamento de Tubarão, aqui denominado Vórtice de Tubarão, entretanto o Vórtice de Vitória (VV) e o Vórtice de Abrolhos (VA) só foram encontrados no cenário de verão, estando o o VV associado a um anticiclone simétrico ao eixo da Corrente do Brasil. Os resultados refutam a hipótese de que os anticiclones ao largo do Banco de Abrolhos apresentariam a mesma estrutura dinâmica dos ciclones presentes no Embaiamento de Tubarão. Além disso, pode-se também, atestar a natureza não perene do VV. / The region adjacent to the Tubarão Embayment and Abrolhos Bank is maybe one of the less investigated of the Brazillian continental margin. Studies about the cirulation in this area are currently restricted to studies carried out during the 80\'s and 90\'s. Recently, studies focusing the mesoscale activity and the seazonal variability of the circulation off the Brazillian eastern coast have reported complex flow patterns and raised attention of the scientific community to the lack of knowledge of the local dynamics. In order to comprehend the flow pattern in the region, having synoptic data for 2004 and 2005 from the Abrolhos Project, this work aims to study the main features identified in the study area through numerical modelling. With this intent, the initial field was built through hydrographic synoptic data objectively interpolated with monthly climatological fields of the World Ocean Atlas 01. For that, the profiles of the synoptic and climatological data were non-dimensionalyzed and re-dimensionalyzed with thermal satellite images and synthetic salinity field. After the initial field was built, a numerical simulation with the Regional Ocean Modeling System - ROMS was carried out, for the winter (2004) and summer (2005) scenarios. In the winter scenario an anticyclone, here named Tubarão Eddy, was identified inside the Tubarão Embayment, while the Vitória Eddy (VE) and the Abrolhos Eddy (AE) were only identified in the summer scenario, being the VE associated with an anticyclone symetric to the Brazil Current axis. The results deny the hypothesis that the anticyclones offshore the Abrolhos Bank present the same dynamical structure as the cyclones present in the Tubarão Embayment. Besides, we state the non-permanent nature of the VE.

Nas últimas décadas o uso da energia eólica tem apresentado uma maior participação na matriz energética mundial. Como consequência, o tamanho das turbinas eólicas tem aumentado, procurando aproveitar uma quantidade maior de vento e em alturas onde a velocidade é menos afetada pela turbulência atmosférica. Isto gera custos maiores devido ao investimento em novos materiais e tecnologias de fabricação. O projeto de novos perfis aerodinâmicos e o desenvolvimento de técnicas de controle da camada limite têm providenciado melhoras na eficiência aerodinâmica das turbinas, permitindo o aproveitamento de ventos com velocidade média menor, diminuição do efeito da turbulência e conservação do tamanho atual das pás. Uma das técnicas estudadas para o incremento da eficiência aerodinâmica de perfis é a sucção da camada limite, cujo intuito é ampliar a região laminar do escoamento ou adiar a separação deste. Diversos estudos no campo da aviação têm sido desenvolvidos, mostrando resultados promissórios na diminuição do arrasto e aumento da sustentação, mas ainda sem uso comercial. Neste estudo objetivou-se o uso da sucção da camada limite a fim de controlar a separação em um perfil NREL-S809 de uso típico na construção de pás para turbinas eólicas. Assim, foram projetadas três faixas de material perfurado distribuídas no extradorso de um modelo para análise bidimensional, desde o bordo de ataque até 80% da corda. Ensaios aerodinâmicos foram realizados no túnel de vento do Laboratório de Aeronaves da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. O ar da camada limite foi sugado através da superfície e os coeficientes de sustentação, arrasto e momento foram medidos. Os resultados foram comparados com o comportamento do perfil base e geradores de vórtice localizados no 10% da corda. O efeito dos geradores de vórtice também foi combinado com aquele produzido pela sucção. Os resultados mostraram que succionar a camada limite aumenta a sustentação principalmente em ângulos de ataque onde a separação é evidente. O efeito da sucção no bordo de ataque adiou ou suavizou o estol, mas presentou maior sensibilidade à presença dos furos quando a sucção foi desligada. Encontrou-se que a sucção é mais eficiente quando a região de sucção é anterior à separação. Neste sentido sucção na parte média da corda (50 < x &#8260; c < 65%) apresentou os melhores resultados quando foi analisado o coeficiente de eficiência em função do coeficiente de sustentação. Este comportamento se mantém ainda para a combinação de sucção e geradores de vórtice, mas preservando muitas das caraterísticas do uso independente destes. Medições da distribuição do coeficiente de pressão no extradorso, mostraram que a sucção distribuída e aplicada em uma região afeta a totalidade da superfície do perfil. Comparações do perfil de velocidades na esteira do bordo de fuga indicaram que o arrasto de forma aumenta quando são usados os geradores de vórtice e diminui quando a sucção é aplicada. / In the last decades the use of wind power has become presenting a greater participation in the world energy matrix. As result, the size of wind turbines has been increased, looking for a larger quantity of wind and the same way high altitudes where the wind speed is less affected by atmospheric turbulence. This leads to higher costs due to investment in new materials and manufacturing technologies. The design of new airfoils and the development of the boundary layer control techniques have provided improvements in the aerodynamic efficiency of the turbines, allowing the harnessing of winds with lower average speeds and lowering the turbulence effect, while the size of turbine blades is keeping. The boundary layer suction has been studied with aim of increase the aerodynamic efficiency of airfoils, in order to extend the laminar region or delay the flow separation. Several studies in the aviation field have been developed, showing promissory results in the drag reduction and lift increasing, however without commercial use. The aim of this study is the boundary layer suction in order to control the separation in a typical airfoil used in the construction of wind turbine blades - NREL-S809. For this purpose three strips of perforated material were located over the upper surface of a model to two-dimentional analysis. The strips were distributed from the leading edge to 80% of the chord. The air in the boundary layer was sucked through the surface and the aerodynamic coefficients of lift, drag and pitch moment were measured. The results were compared with the baseline profile and vortex generators located at 10% of the chord. The effect of the vortex generators has also been combined with that produced by suction. The results showed that the boundary layer suction in the middle of the chord (50% < x &#8260; c < 65%) offers greater increase in the efficiency ratio regarding to maximum lift coefficient. However, boundary layer suction at the leading edge shows both a smoothing and delayed stall. This behavior remains even for the combination of suction and vortex generators, while preserving many of the aerodynamic features of the vortex generators. The main results of the aerodynamic forces were confirmed through pressure coefficient distribution measurements and comparison of the velocity profile in the wake at the trailing edge. The aerodynamic tests were carried out in the wind tunnel of the Aircraft Laboratory of the Escola de Engenharia de São Carlos - USP.

O propósito principal deste trabalho é investigar experimentalmente os efeitos aerodinâmicos de um gerador de vórtice tipo serrilhado colocado no bordo de fuga do elemento principal para aumentar a turbulência na camada limite da superfície superior do flape. Esse gerador de vórtice serrilhado consiste em triângulos no bordo de fuga do elemento principal da asa utilizado para promover uma mistura entre o escoamento de alta pressão da superfície inferior, com o escoamento na superfície superior. Essa mistura pode reduzir a separação no bordo de fuga da asa e também injetar vorticidade na camada limite do flape, atrasando a ocorrência da separação. Conseqüentemente, um aumento da sustentação pode ser produzido para um menor arrasto de pressão. Foram feitas extensivas análises experimentais no túnel de vento com diversas configurações para o ângulo de ataque no modelo e foram usadas duas configurações geométricas para o gerador de vórtice serrilhado. Medidas de forças e tomadas de pressão foram feitas para uma asa bidimensional com um único flape. Foi utilizada também anemometria a fio quente para um mapeamento da camada limite confluente. Uma visualização do escoamento usando a técnica de sublimação foi realizada na asa-flape. Os resultados mostram que os vórtices criados e injetados na camada limite do flape atrasam a separação consideravelmente e que esses efeitos são dependentes da geometria do gerador serrilhado. / The main purpose of this work was the experimental investigation of the effect of a saw-tooth trailing edge of a wing main element on the aerodynamics characteristics of a single flap. The saw-tooth trailing edge consists of triangles on the trailing edge of the main element of the wing in order to promote mixing between the higher-pressure flow from the lower surface with the flow on the upper surface. This mixing may reduce wing trailing edge separation and also inject vorticity into flap boundary layer, thus delaying separation. Therefore, more lift may be produced for less pressure drag. Extensive wind tunnel experiments were made for a series of saw-tooth trailing edge geometries. Forces and chordwise pressure measurements were performed for a two-dimensional wing with a single flap, as well as hot wire anemometry mapping of the confluent boundary layer. Flow visualization in the wing-flap gap was performed using a sublimation technique. Results show that the vorticity injected into the flap boundary layer by the saw-tooth trailing edge can delay flap separation substantially and that the effect is dependent on saw-tooth geometry.

Nas últimas décadas o uso da energia eólica tem apresentado uma maior participação na matriz energética mundial. Como consequência, o tamanho das turbinas eólicas tem aumentado, procurando aproveitar uma quantidade maior de vento e em alturas onde a velocidade é menos afetada pela turbulência atmosférica. Isto gera custos maiores devido ao investimento em novos materiais e tecnologias de fabricação. O projeto de novos perfis aerodinâmicos e o desenvolvimento de técnicas de controle da camada limite têm providenciado melhoras na eficiência aerodinâmica das turbinas, permitindo o aproveitamento de ventos com velocidade média menor, diminuição do efeito da turbulência e conservação do tamanho atual das pás. Uma das técnicas estudadas para o incremento da eficiência aerodinâmica de perfis é a sucção da camada limite, cujo intuito é ampliar a região laminar do escoamento ou adiar a separação deste. Diversos estudos no campo da aviação têm sido desenvolvidos, mostrando resultados promissórios na diminuição do arrasto e aumento da sustentação, mas ainda sem uso comercial. Neste estudo objetivou-se o uso da sucção da camada limite a fim de controlar a separação em um perfil NREL-S809 de uso típico na construção de pás para turbinas eólicas. Assim, foram projetadas três faixas de material perfurado distribuídas no extradorso de um modelo para análise bidimensional, desde o bordo de ataque até 80% da corda. Ensaios aerodinâmicos foram realizados no túnel de vento do Laboratório de Aeronaves da Escola de Engenharia de São Carlos - USP. O ar da camada limite foi sugado através da superfície e os coeficientes de sustentação, arrasto e momento foram medidos. Os resultados foram comparados com o comportamento do perfil base e geradores de vórtice localizados no 10% da corda. O efeito dos geradores de vórtice também foi combinado com aquele produzido pela sucção. Os resultados mostraram que succionar a camada limite aumenta a sustentação principalmente em ângulos de ataque onde a separação é evidente. O efeito da sucção no bordo de ataque adiou ou suavizou o estol, mas presentou maior sensibilidade à presença dos furos quando a sucção foi desligada. Encontrou-se que a sucção é mais eficiente quando a região de sucção é anterior à separação. Neste sentido sucção na parte média da corda (50 < x &#8260; c < 65%) apresentou os melhores resultados quando foi analisado o coeficiente de eficiência em função do coeficiente de sustentação. Este comportamento se mantém ainda para a combinação de sucção e geradores de vórtice, mas preservando muitas das caraterísticas do uso independente destes. Medições da distribuição do coeficiente de pressão no extradorso, mostraram que a sucção distribuída e aplicada em uma região afeta a totalidade da superfície do perfil. Comparações do perfil de velocidades na esteira do bordo de fuga indicaram que o arrasto de forma aumenta quando são usados os geradores de vórtice e diminui quando a sucção é aplicada. / In the last decades the use of wind power has become presenting a greater participation in the world energy matrix. As result, the size of wind turbines has been increased, looking for a larger quantity of wind and the same way high altitudes where the wind speed is less affected by atmospheric turbulence. This leads to higher costs due to investment in new materials and manufacturing technologies. The design of new airfoils and the development of the boundary layer control techniques have provided improvements in the aerodynamic efficiency of the turbines, allowing the harnessing of winds with lower average speeds and lowering the turbulence effect, while the size of turbine blades is keeping. The boundary layer suction has been studied with aim of increase the aerodynamic efficiency of airfoils, in order to extend the laminar region or delay the flow separation. Several studies in the aviation field have been developed, showing promissory results in the drag reduction and lift increasing, however without commercial use. The aim of this study is the boundary layer suction in order to control the separation in a typical airfoil used in the construction of wind turbine blades - NREL-S809. For this purpose three strips of perforated material were located over the upper surface of a model to two-dimentional analysis. The strips were distributed from the leading edge to 80% of the chord. The air in the boundary layer was sucked through the surface and the aerodynamic coefficients of lift, drag and pitch moment were measured. The results were compared with the baseline profile and vortex generators located at 10% of the chord. The effect of the vortex generators has also been combined with that produced by suction. The results showed that the boundary layer suction in the middle of the chord (50% < x &#8260; c < 65%) offers greater increase in the efficiency ratio regarding to maximum lift coefficient. However, boundary layer suction at the leading edge shows both a smoothing and delayed stall. This behavior remains even for the combination of suction and vortex generators, while preserving many of the aerodynamic features of the vortex generators. The main results of the aerodynamic forces were confirmed through pressure coefficient distribution measurements and comparison of the velocity profile in the wake at the trailing edge. The aerodynamic tests were carried out in the wind tunnel of the Aircraft Laboratory of the Escola de Engenharia de São Carlos - USP.

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-03-23T17:32:41Z No. of bitstreams: 1 Sérgio Leonardo Neves.pdf: 2909567 bytes, checksum: a962e9493a93ecd2b5b1d0c54d5b4fef (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-23T17:32:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sérgio Leonardo Neves.pdf: 2909567 bytes, checksum: a962e9493a93ecd2b5b1d0c54d5b4fef (MD5) Previous issue date: 2014-06-05 / FAURGS - Fundação de Apoio da Universidade Federal do Rio Grande do Sul / A contribuição da energia hidráulica na matriz energética nacional, segundo o Balanço Energético Nacional de 2011, é de aproximadamente 88,8%. Apesar da tendência de aumento de outras fontes energéticas, tais como: térmica, eólica, solar, tudo indica que a energia hidráulica continuará sendo, por muitos anos, a principal fonte geradora de energia elétrica do Brasil. Antes de se tornar energia elétrica, a energia hidráulica deve ser transformada em energia cinética que através de uma turbina é convertida em energia mecânica. Como último elemento do sistema, um gerador acoplado a turbina gera energia elétrica onde é distribuída aos consumidores. A eficiência de uma usina hidrelétrica pode ser afetada pelas condições de alimentação de água para sua tomada d'água. Esta operação deve ser estável, evitando distúrbios que possam interferir no desempenho do sistema. A formação de vórtices a montante das tomadas de água são causas de perda de eficiência e podem causar danos nas instalações, provocando paradas não programadas. Por isto, a formação de vórtices deve ser conhecida e evitada. O objetivo deste trabalho é estudar o fenômeno de formação de vórtices em tomadas de água de hidrelétricas. Os resultados obtidos podem ser úteis para orientar projetos de novas instalações, ampliação de capacidade instalada de usinas em operação, e até mesmo para subsidiar as operações de usinas que possuem características que possam favorecer a formação de vórtices. Este trabalho faz parte do projeto ANEEL (PD-0394-0912/2011): "Formação de Vórtices em Tomadas De Água de Usinas Hidrelétricas", com patrocínio de Furnas Centrais Hidrelétricas S.A. e apoio do LAHE (Laboratório de Hidráulica Experimental de Furnas) e do IPH (Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul). O estudo é realizado com utilização de software comercial ANSYS-CFX, analisando diversos casos de submergência, vazão volumétrica e modelo de turbulência. O modelo matemático é composto pelas equações da conservação da massa e quantidade de movimento, assim como de suas respectivas condições de contorno. A validação dos resultados numéricos foi realizada comparando-se este com aqueles observados no modelo experimental do IPH-UFRGS em escala de tomada de água vertical desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS. / According to the 2011 National Energy Balance the contribution of hydro energy in the national energy matrix is approximately 88.8%. Despite the increasing trend of other energy sources, such as thermal, wind and solar power, everything indicates that hydropower will remain for many years the main source of electric power in Brazil. Before becoming electricity, hydropower must be transformed into kinetic energy that through a turbine is converted into mechanical energy. As a final element of the system, coupled to a generator turbine generates electricity which is distributed to consumers. The efficiency of a hydroelectric plant may be affected by conditions of water supply to it’s water intake. This operation should be stable, avoiding disturbances that can affect the system performance. The formation of vortices upstream of water intakes are causes of efficiency loss and can cause damage to the premises, causing unscheduled and unplanned downtime. Therefore, the formation of vortexes must be known and avoided. The objective of this work is to study the phenomenon of vortex and its formation at water intakes in a hydroelectric station. Obtaining results may be useful in guiding the design of new facilities, expansion of installed capacity of power plants in operation, and even to subsidizing the operations of plants that have characteristics that may favor the formation of vortices. This work is part of the research project: “Formation of vortices taken in water for hydroelectric plants”, with sponsorship and support from the Furnas Hydroelectric Hydraulics Laboratory of Experimental Furnas-LAHE and the Institute of Hydraulic Research -IPH/UFRGS. The studies is conducted using commercial software ANSYS CFX-analyzing several cases of submergence, water flow and turbulence model. The mathematical model composed by the mass and momentum equations as well as their respective boundary conditions is applied to a model of vertical water intake. The validation of the numerical results is obtained from literature data with existing studies on water intakes and vortex formation, as well as a verification of results found in the scale model of a vertical water intake developed by the Institute of Hydraulic Research UFRGS.

O presente trabalho tem como objetivo investigar o fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) em cilindros com razão de aspecto elevada. Para alcançar tal objetivo, utilizou-se o código computacional denominado ANFLEX-CFD devidamente validado através de comparações com resultados experimentais. O foco do estudo é voltado para a análise do fenômeno de VIV, causado pelo desprendimento de vórtices ao redor de cilindros, e seu efeito no comportamento estrutural desses corpos rombudos. O programa computacional utiliza o Método dos Vórtices Discretos (Discrete Vortex Method - DVM) para o cálculo das forças hidrodinâmicas, acoplado ao modelo estrutural do ANFLEX que utiliza o método dos elementos finitos para resolver a estrutura e determinar seus deslocamentos. Os ensaios que serviram para comparação dos resultados foram os realizados no tanque da IFREMER, na França. Os resultados numéricos apresentaram uma boa concordância com o experimento para as maiores velocidades de corrente, o que pode ser justificado pela menor influência da tração perante o arrasto. A partir dos resultados pode-se afirmar que o ANFLEX-CFD é uma ferramenta útil na predição do fenômeno de VIV e pode se tornar uma ferramenta fundamental na determinação da vida útil à fadiga de elementos estruturais como os risers da indústria petrolífera offshore. / This thesis aims to instigate vortex-induced vibration on circular cylinders with high aspect ratio. In order to do so, the computer code named ANFLEX-CFD is employed, and this code is validated using experimental tests results. The focus of the study is to analyze VIV phenomenon caused by the vortex shedding around circular cylinders, and its effect on the structural behavior of these bluff bodies. The computer program uses the Discrete Vortex Method (DVM) for the assessment of the hydrodynamic forces, coupled with the structural model of ANFLEX that uses the finite element method to solve the structure displacements. The tests used in the comparison were the ones carried out at IFREMER tank in France. The numerical results have shown a good agreement with the experimental results at the highest current velocity as a result of the decreasing influence of the tension on the drag. As conclusion, it can be said that the ANFLEX-CFD can become a useful tool for predicting the VIV phenomenon and therefore in a near future become a fundamental tool in determining the fatigue life of structural components such as the offshore oil industry risers.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-14T13:37:05Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-01T14:26:20Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-01T14:26:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTurbulenciaBaseado.pdf: 1840780 bytes, checksum: 6cb6082deeb8bf5bd70be7bdf92468ed (MD5) Previous issue date: 2011 / FAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e Pesquisas / O fenômeno da turbulência está presente na maioria dos escoamentos observados na indústria e na natureza. Muitas são as considerações a respeito das dificuldades relacionadas à caracterização dos escoamentos turbulentos. Uma das muitas questões trata do procedimento de análise do problema através da descrição estatística dos campos por grandezas “médias”, o que leva ao problema de fechamento e à modelagem do tensor de Reynolds, normalmente com modelos baseados no conceito de viscosidade turbulenta. Os modelos de turbulência já existentes apresentam algumas deficiências na previsão do escoamento, além de outras limitações, o que justifica a busca por novas abordagens para o tratamento da turbulência. Neste trabalho, o problema de fechamento é tratado segundo a modelagem turbulenta baseada no conceito de viscosidade turbulenta. Um novo modelo de turbulência é proposto, que admite a existência de vórtices imersos no escoamento e aplica conceitos e definições relacionados à identificação de vórtices, com o uso do critério de identificação Q , que caracteriza a região do escoamento ocupada pelo vórtice. Propõe-se a investigação da aplicabilidade do critério Q em conjunto com o modelo k − ε , para o desenvolvimento de um novo modelo de turbulência chamado k − ε −Q . Validou-se a aplicabilidade do modelo através de um código numérico computacional para tratamento de escoamentos turbulentos. A solução numérica foi obtida através da discretização do domínio fluido, utilizando o método de volumes finitos e o método multigrid foi utilizado para resolver o sistema linear resultante. Como verificação, foi utilizado este modelo de turbulência para simular o escoamento em uma cavidade quadrada com tampa deslizante e o escoamento turbulento sobre um degrau. Os resultados obtidos foram confrontados com dados experimentais e demonstraram que o modelo aqui proposto se apresenta mais eficiente que o clássico modelo k − ε , no tratamento da turbulência nesses dois problemas clássicos. / The turbulence is present in most of the flows observed in industry and nature. There are many considerations regarding the difficulties related to the characterization of turbulent flows. One of the many issues regarding the procedure of analyzing the problem through the statistical description of the fields, which leads to the problem of closure and the modeling of the Reynolds tensor, usually with models based on the turbulent viscosity concept. The turbulence models have some shortcomings in predicting the turbulent flow field, which justifies the research of new approaches to treatment turbulence. In this work, the problem of closure is treated using the modeling based on the concept of turbulent viscosity. The proposed new turbulence model admits the existence of vortexs immersed in the flow and applies concepts and definitions related to the identification of this structure, using the Q - criteria that characterizes the region of flow occupied by the vortex. It is proposed to investigate the applicability of this model, resulting in a new turbulence model called k − ε −Q . The model applicability is evaluated through a numerical code for computational treatment of turbulent flows. The numerical solution was obtained by discretization of the fluid domain, using the finite volume method and the multigrid method was used for solving the resulting linear system. As benchmark, we used the turbulence model to simulate the flow in a square cavity with sliding lid and turbulent flow over a backward-facing step. The results were compared with some experimental data and demonstrated that the model proposed here appears to be more effective than the classical k − ε in the treatment of turbulence in these two problems.