As pontes são importantes elementos no desenvolvimento da infraestrutura de uma nação, possibilitando conexões de pessoas e bens. A ação do vento em pontes é um dos fatores determinantes no seu projeto. O efeito da ação do vento em tabuleiros de pontes pode, no limite, levar uma estrutura ao colapso. São inúmeras as formas das seções transversais que os tabuleiros podem apresentar; para cada uma delas os coeficientes de pressão são diferentes. Na Norma Brasileira de pontes (NBR 7187, 2003), a carga de vento é indicada no item 7.2.3 como uma ação variável que deve ser calculada de acordo com a Norma Brasileira de vento (NBR 6123, 1988). Entretanto, nesta não há considerações em relação à ação do vento em tabuleiros de pontes. Ou seja, em nossas normas há uma lacuna que precisa ser preenchida. Faltam informações, as quais são imprescindíveis para a elaboração de projetos e resolução de problemas existentes. Atualmente, a realização de ensaios em túnel de vento é a melhor forma de estimar a resposta de pontes sob a ação do vento. Esta pesquisa visa a aprimorar a fase de projeto de pontes através da sugestão, para complementação da Norma Brasileira de ventos NBR6123/88, de um item específico referente a coeficientes aerodinâmicos de distintas seções transversais de tabuleiros de pontes. Foram realizados ensaios em túnel de vento no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da UFRGS (Porto Alegre, BR) de cinco seções transversais de tabuleiros de pontes. Os dados obtidos foram comparados com os de seções ensaiadas previamente. Os resultados são apresentados em termos de coeficientes de arrasto, sustentação e torção. Conclui-se que a geração dos novos resultados, bem como a disponibilização de dados específicos para diferentes formas de tabuleiros de pontes, contribuirá para a execução de projetos de estruturas de pontes mais otimizados. / Bridges are important elements on the development of a nation, allowing connections between people and goods. The wind action on bridges is one of the determine factors in bridge design. The wind action effect on bridge decks could take a bridge to its collapse. A bridge deck can have numerous shapes: for each one of them the aerodynamic coefficients are unique. In the Brazilian bridge code(NBR 7187, 2003), item 7.2.3, the wind load is presented as a variable action that must be evaluated accordingly to the Brazilian wind code(NBR 6123, 1988). Nevertheless, in the latter there isn’t any consideration regarding to the wind action on bridge decks. Hence, in our codes there is a gap that needs to be filled. There is some information missing, which is essential to the development of bridges design and to solve existing problems. Nowadays, producing experiments on wind tunnels is the best way to estimate the response of bridges submitted to wind actions. This research aims the improvement of bridge design with a suggestion of an introduction of a new item into the Brazilian wind code, specifically related to aerodynamic coefficients for distinct cross sections of bridge decks. Five different cross sections were tested on the wind tunnel at the Laboratório de Aerodinâmica das Construções of UFRGS (Porto Alegre, RS). The data acquired was compared to data obtained from previous experiments of different cross sections. The results are presented as drag, lift and torsion coefficients. In conclusion, the increase of data as well as the availability of data from different shapes of bridge decks will contribute to improved bridge design.

A ventilação natural é uma das estratégias mais eficientes para o condicionamento térmico passivo de edificações, ocorrendo por ação dos ventos, por efeito chaminé ou pela combinação de ambos. Em áreas densamente ocupadas, a velocidade do vento é reduzida pelos diversos obstáculos locais, tornando o efeito chaminé e a captação pela cobertura as alternativas mais viáveis para indução da ventilação natural em edificações. Dentre as estratégias de ventilação, destacam-se os sheds, aberturas no telhado, que funcionam como captadores ou extratores de ar, dependendo de sua localização em relação aos ventos dominantes. Apesar de terem um grande potencial, são pouco utilizados devido à falta de dados técnicos acessíveis ao projetista. Além disso, muitas vezes são utilizados para captação ou para extração do ar de forma aleatória, sem uma análise da influência dos parâmetros projetuais na ventilação natural. Essa pesquisa parte da hipótese que existe diferença nesses parâmetros para um shed extrator e para um shed captador de ar e que é possível otimizar a ventilação natural através desses dispositivos. O objetivo geral foi avaliar o impacto de diferentes parâmetros projetuais e climáticos no desempenho de sheds captadores e extratores de ar e propor diretrizes para o projeto desses dispositivos. A metodologia foi composta de estudos paramétricos, a fim de investigar a interdependência de diferentes parâmetros projetuais na ventilação natural por sheds e realizar análises comparativas. O processo baseou-se em análises numéricas através de simulações CFD e a verificação desses resultados por meio de ensaios experimentais em túnel de vento. As análises mostraram uma boa compatibilidade entre os resultados numéricos e experimentais, obtendo uma diferença de no máximo 10% entre as duas ferramentas para a maioria dos pontos monitorados. Com relação às simulações computacionais, constatou-se que o desempenho de sheds é fortemente influenciado pela velocidade e pelos ângulos de incidência dos ventos externos. Além disso, notou-se que existem diferenças nos parâmetros projetuais para um shed extrator e para um captador, sendo que alguns casos apresentaram bons desempenhos em ambas as situações. Por fim, conclui-se que é possível otimizar o uso da ventilação natural através desses dispositivos, sendo que esses resultados auxiliam a prática do projeto arquitetônico na determinação de configurações adequadas. / Natural ventilation is one of the most important strategies for passive cooling of indoor environments. It can occur by wind forces, stack effect or a combination of both strategies. In urban areas the wind speed is reduced due to several obstacles. Stack effect and air intake by the roof can be viable alternatives to induce natural ventilation in buildings. Among the ventilation strategies, sheds can be highlighted. These structures consist of roof openings that work as collectors or extractors of air, depending on their location in relation to the prevailing wind directions. Although they have great potential, they are seldom used by Brazilian architecture, due to lack of technical data available to the designer. Besides, sometimes the sheds are used for air intake or exhaustion without any detailed analysis on the influence of different building design parameters on natural ventilation. The starting hypothesis of this research is that there is a difference in construction parameters for an exhaustion and intake sheds and it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices. The research aims to investigate the potential of air extracting and capturing sheds to promote indoor natural ventilation and proposes guidelines for the design of these devices. The applied methodology consists on parametric studies to investigate the interdependence of different design parameters for natural ventilation in sheds and perform comparative analyzes. The procedure was based on CFD simulations and the verification of such results through experimental tests using wind tunnel. The analyses showed a good compatibility between the numerical and experimental results, obtaining a maximum difference of 10% between the two tools for most of the monitored points. The computer simulations showed that sheds performance is strongly influenced by the external wind speed and its incidence angles. In addition, it was noted that there are differences in design parameters for air extracting and capturing sheds and some cases showed a good performance in both situations. Finally, it was concluded that it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices, and these results support the practice of architectural design in determining appropriate settings.

O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

O trabalho aqui apresentado visa estudar diferentes tipos de piso localizados na seção de testes de um túnel de vento e verificar a influência que ocorre em ensaios de automóveis analisando o escoamento entre o veículo e o solo, assim como avaliar alterações no coeficiente de arrasto, utilizando simulações numéricas computacionais. O coeficiente de arrasto de um veículo é uma propriedade aerodinâmica importante e, quanto menor for esse valor, melhor será seu rendimento, além de melhorar o consumo de combustível, item relevante hoje no projeto de novos automóveis. Partindo de um ensaio experimental de uma pequena caminhonete em túnel de vento com piso fixo, um modelo virtual igual é construído e analisado por CFD, nas mesmas condições de teste do ensaio real. A diferença de resultado entre o coeficiente de arrasto medido em túnel de vento e o cálculo por simulação é de 0,25%, mostrando que o método de simulação possui grande confiabilidade. Posteriormente, outras duas simulações considerando dois outros tipos de solo: plataforma elevada e esteira rolante são analisadas e apresentaram diferenças de decréscimo valor de arrasto de 0,002 e 0,012 respectivamente, em relação a simulação com piso fixo, mostrando a influência de alterar o tipo do solo na seção de testes do túnel de vento. O comportamento do escoamento de ar é visualizado através de imagens do campo de velocidades e de pressões, sendo caracterizadas a camada limite e regiões de estagnação. Complementarmente, são realizados dois estudos: o primeiro considerou apenas uma roda isolada em condição de piso fixo e com esteira rolante, na mesma seção de testes do túnel de vento, visando medir a influência de mudar tipos de solo, sem utilizar um veículo completo, economizando em processamento e preparação de modelo. O segundo estudo considerou 3 diferentes tamanhos de malha sendo eles 5, 10 e 20 mm e medir a influência disso no resultado do coeficiente de arrasto obtido. / The work here presented aims to study different types of ground configurations, located at the test section of a wind tunnel and check their influence on the drag coefficient of one car, using only computer simulations. The drag coefficient of a vehicle is one of the most important aerodynamic proprieties, and as low as this drag value can be, the car performance will increase and the fuel consumption will decrease, item which has been persued in new vehicles. Starting from one real wind tunnel test of a small pick-up, with static test section ground, a virtual model was built and tested using CFD, following the same configuration of the real test. The difference between test and simulation results was 0.25%, showing that the methodology here used is reliable. After that, two other types of ground were simulated: elevated plate and moving belt and the results show that drag value decreased 0.002 and 0.012 respectively, compared to the value obtained with static ground simulation. The flow behavior is demonstrated with colored images of the velocity and the pressure fields. As a complement for this work, two other cases were studied: the first one analyzed one isolated wheel in two different types of ground: static and moving belt, at the same wind tunnel test section, aiming to measure the influence of these types of ground, without the need of using a complete car, saving computational and modeling time. The second study shows the influence of mesh size, considering three cases: 5, 10 and 20 mm, in order to evaluate the influences of it on drag coefficient results provided by CFD.

Orientador: Lucila Chebel Labaki / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:55:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andrade_NixonCesarde_D.pdf: 32217441 bytes, checksum: 25e8b1672ea93f3aae90a2513264ae3e (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A ventilação natural é uma das estratégias mais adequadas para o resfriamento passivo dos edifícios e para a manutenção da qualidade do ar. Uma das alternativas existentes para se alcançar tal proposição é a utilização de torres de vento situadas acima do nível da cobertura, as quais podem funcionar como captadores ou extratores de ar. Esta pesquisa tem como objetivo geral avaliar quatro tipos de torres, atuando como captadores: a unidirecional, com uma abertura para a entrada de vento, em locais onde o vento se movimenta predominantemente em uma direção; a tetradirecional, com quatro aberturas; a octodirecional, com oito aberturas e a dodecadirecional, com doze aberturas; em locais em que o vento age em várias direções. Para alcançar o objetivo utilizaram-se ensaios em túnel de vento e simulações no software CFX®, os quais permitiram estudar as características técnicas das torres analisadas e seus efeitos sobre a ventilação interna do ambiente, bem como contribuir para a difusão desse sistema de ventilação no Brasil. O desenvolvimento do trabalho foi dividido nas seguintes etapas: definição das geometrias das torres; definição, construção e instrumentação das maquetes; definição dos ângulos de incidência do vento; ensaios no túnel de vento e simulações no software CFX®: velocidade e pressão. Os resultados obtidos a partir de uma série de experimentos e simulações computacionais permitiram a análise e comparação dos diversos projetos propostos, auxiliando, portanto, na determinação das configurações mais adequadas, além da verificação da compatibilidade entre os dois tipos de estudo, concluindo que as torres octodirecional e dodecadirecional são as mais eficientes, pois proporcionam maiores valores de velocidade do ar interno na maioria das posições consideradas. Desta forma, utilizando o túnel de vento e o CFX®, as análises possibilitaram desenvolver melhorias para os ambientes avaliados, no que se refere ao desempenho da ventilação. Isso proporcionará melhores taxas de conforto aos usuários da edificação, considerando todas as aberturas para permitir o fluxo do vento em qualquer situação. Ademais, podem-se verificar as distribuições das aberturas de entrada e saída mais adequadas para captação e distribuição do vento no interior dos ambientes, proporcionando melhores condições de conforto térmico / Abstract: Natural ventilation is one of the most appropriate strategies for passive cooling of buildings and the maintenance of air quality. One of the alternatives for achieving such proposal is the use of wind towers above the level of the roof, which can function as air catchers or extractors. This research aims to evaluate four types of towers, acting as air catchers: unidirectional, with an opening for the entrance of the wind, in locations where the wind moves predominantly in one direction, the tetradirectional, with four openings, the octodirectional, with eight openings and dodecadirectional, with twelve openings, in locations where the wind moves in various directions. To achieve the goal, tests in wind tunnel and simulations in CFX® software were performed, which allowed the study of the technical characteristics of the analyzed towers and their effects on the indoors ventilation, as well as the contribution to the spread of this ventilation system in Brazil. The methodology was divided into the following steps: the definition of the geometry of the towers; definition, construction and instrumentation of the models; definition of the angles of the incidence of the wind; wind tunnel tests and simulations in CFX® software: speed and pressure. The obtained results from a series of experimental and computational simulations allowed the analysis and comparison of the various proposed design configurations, helping, therefore, in determining the most appropriate settings, besides the verification of compatibility between the two types of study, concluding that the octodirectional and dodecadirectional towers are the most efficient ones , as they provide higher rate of indoor air speed in most considered positions. Thus, using the wind tunnel and CFX®, the analysis allowed the development of enhancements to the analyzed environments, concerning the performance of the ventilation. This will provide better comfort rates to the users of the building, considering all openings to allow the wind flow in any situation. Furthermore, the most suitable distribution of inlet and outlet openings for the catchment and distribution of the wind within the environments may be verified, providing better conditions of thermal comfort / Doutorado / Arquitetura e Construção / Doutor em Engenharia Civil

Depuis plusieurs décennies, le trafic aérien ne cesse de croître. Ainsi, près de 6 milliards de passagers transitent dans le monde par an. Les objectifs européens à l’horizon 2020 en terme d’émission sonore des aéronefs imposent une réduction de 10 dB par point de mesure par rapport aux aéronefs de l’an 2000. Dans ce contexte, le projet européen VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) a pour but principal de tester, valider et améliorer les codes numériques et les modèles de prédiction du bruit de cellule (trains d’atterrissage + voilure) sur des géométries simplifiées afin de disposer de cas tests pour les recherches futures. L’objectif de la thèse, associé à la contribution de l’ECL dans ce projet, est de créer des bases de données expérimentales fiables sur des systèmes à deux éléments – bec/aile et aile/volet – et de modéliser analytiquement le bruit issu de tels systèmes. La thèse s’est concentrée sur un système aile/volet non porteur et parallèle dans un écoulement de soufflerie à veine ouverte, en configuration d’alignement ou de recouvrement partiel, menant à de possibles interactions aérodynamiques et/ou acoustiques. Les mesures ont été faites pour différentes vitesses d’écoulement (30 − 100 m~s), avec une attention particulière à 50 m~s (M0 ∼ 0, 15). Le taux de turbulence de l’écoulement incident est modifiable par l’ajout d’une grille de turbulence à maille large placée dans la section de sortie du convergent. Les résultats aérodynamiques (fil chaud, pression en paroi) ont révélé la présence d’une forte interaction lorsque la distance entre les deux corps est de l’ordre de grandeur de la couche limite turbulente au bord de fuite de l’aile. De plus, le couplage acoustique a lieu lorsque la longueur de recouvrement est positive ou nulle. Des mesures de localisation de sources menées par l’ONERA/DSNA ont permis de valider les mesures de champ lointain en confirmant l’absence de sources de bruit d’installation en dessous de 10 kHz. Par ailleurs, des comparaisons avec les simulations numériques donnent de bons accords. Du point de vue analytique, le problème mathématique de deux plaques planes en recouvrement partiel dans un écoulement uniforme a été posé et une réduction bidimensionnelle a été justifiée. Le problème n’ayant pas de solution exacte, plusieurs modèles issus de la littérature – théories de Howe et d’Amiet – ont été étudiés. Les plus pertinents ont été confrontés aux résultats expérimentaux, révélant les limites asymptotiques de ces modèles. Un modèle original est alors proposé pour la géométrie du problème posé, sans hypothèse restrictive. La démarche est basée sur une procédure de diffraction itérative permettant de prendre en compte la proximité des deux corps et utilisant la fonction de Green exacte du demi-plan en écoulement uniforme. Le modèle prédit des comportements qualitatifs angle/fréquence proches des résultats expérimentaux. La prise en compte de la statistique des rafales incidentes reste néanmoins à effectuer afin de procéder à des comparaisons quantitatives. Une campagne expérimentale complémentaire avec une marche descendante permet de mettre en évidence les écoulements de cavité arrière d’une aile, plus proche de la réalité. De même, des mesures sur une configuration bec/aile a été testée et la prise en compte de la déflexion du jet de la soufflerie pour la réfraction des ondes sonores par la couche de cisaillement a été proposée. / Air traffic still grows from decades, with yearly 6 billion passengers nowadays in the world. By 2020, the EC imposes aircraft noise reductions by 10 dB per measuring point with respect to the status in 2000. In this context, VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) is an EC-supported project that aims at testing, validating and improving numerical codes and analytical/theoretical models for the prediction of airframe noise (landing gears + high-lift devices) in simplified configurations in order to generate test cases for research needs. The main objective of the thesis in connection with ECL contribution in the scope of VALIANT project is to generate reliable experimental databases for 2-element systems – slatwing and wing-flap – as well as to analytically model overlapping configurations. It is particulary focussed on the experimental and analytical studies of a non lifting wing-flap system in a parallel flow, in aligned and overlapping arrangements. This is aimed at discussing likely aerodynamic and/or acoustic interactions. The tests have been carried out in an open-jet anechoic wind-tunnel for each arrangement and for several flow speeds (30-100 m/s), with main interest on 50 m/s (M0 ∼ 0, 15). The turbulence rate could be changed by fixing a removable turbulence grid with a large mesh at the outlet cross-section of the duct. Aerodynamic results (hot-wire anemometry, wall-pressure) show a strong interaction when the wing-flap distance is about the wing trailingedge boundary layer thickness. Acoustic coupling can be pointed out in cases of overlap. Source localization tests performed by ONERA/DSNA have permitted to validate far-field acoustic tests since no installation effect source seems to strongly radiate below 10 kHz. A good agreement with numerical simulations has been shown for every test. In order to predict noise analytically for a 2-element system in case of overlap in a uniform flow, the mathematical statement has been defined and a 2D-reduction of the equation system can be justified. Since no exact solution exists, several models from the literature – Howe’s and Amiet’s theories – have been studied. Comparisons between overlapping half-planes and slotted trailing-edge models proposed by Howe and experimental results show obvious limitations in the predictions. Then, an original model is proposed involving two bodies in close overlap arrangement, with no assumption. It is based on an iterative scattering procedure to take into account the close vicinity of the two bodies, using the exact half-plane Green’s function in a uniform flow. Convergence is relatively quick and qualitative predictions in angle/frequency behaviour show a good agreement with experiments. However, the statistics of the vortical flows responsible for the sound must be implemented for better comparisons. Other experiments have been done with a backward-facing step – it represents wing trailing-edge cove – to make cavity flow mechanisms appear, such as what is observed in real HLD. Finally, a series of tests has been performed involving a slat-wing system and an angular correction due to refraction of sound waves in shear-layer for a deflected jet has been proposed.

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières. / Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling. / O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (< 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas.

Automotive components are tested extensively in wind tunnels by automotive manufacturers and race teams. This is usually achieved using an accurate scale model representation of the component within the wind tunnel. Automotive heat exchangers, however, are comprised of numerous intricate geometries and are therefore impractical to produce at model scale. Instead they are simply modelled as pressure drops, achieved using a thin mesh or honeycomb of known porosity. Most commercial computational fluid dynamics solvers ignore the geometry of the heat exchanger and instead model it as a discontinuity with a known pressure drop and heat transfer. The pressure drop across an automotive heat exchanger, however, was found to vary with both the coolant temperature and the angle of inclination of the heat exchanger. This thesis initially presents a relationship between the pressure drop coefficient and the inclination angle for varying media porosities. Mathematical relationships for inclination angles of 0°, 15°, 30° and 45°. were derived relating this pressure drop coefficient to the porosity of the media. Weighted least squares is proposed over ordinary least squares when obtaining the Forchheimer equation coefficients from experimental measurements. Investigation extends into the thermo-fluid effects on a full scale automotive heat exchanger when inclined at 0 °, 15°, 30° and 45°. It was found, depending on the angle, that there was a difference in the pressure drop of up to 10% between the unheated and heated (100 C) heat exchanger. Based on the proposed mathematical relationship, this correlated to a 4% decrease in porosity in order to accurately model the automotive heat exchanger at subscale. The thesis concludes with experimental and numerical investigation into the heat transfer on a hydrodynamically and thermally developing ow within a radiator channel. Laser doppler anemometry measurements recorded a 1.5% increase in the centreline velocity compared to 0.8% obtained from numerical simulation.

Low-rise buildings are often subjected to high wind loads during hurricanes that lead to severe damage and cause water intrusion. It is therefore important to estimate accurate wind pressures for design purposes to reduce losses. Wind loads on low-rise buildings can differ significantly depending upon the laboratory in which they were measured. The differences are due in large part to inadequate simulations of the low-frequency content of atmospheric velocity fluctuations in the laboratory and to the small scale of the models used for the measurements. A new partial turbulence simulation methodology was developed for simulating the effect of low-frequency flow fluctuations on low-rise buildings more effectively from the point of view of testing accuracy and repeatability than is currently the case. The methodology was validated by comparing aerodynamic pressure data for building models obtained in the open-jet 12-Fan Wall of Wind (WOW) facility against their counterparts in a boundary-layer wind tunnel. Field measurements of pressures on Texas Tech University building and Silsoe building were also used for validation purposes. The tests in partial simulation are freed of integral length scale constraints, meaning that model length scales in such testing are only limited by blockage considerations. Thus the partial simulation methodology can be used to produce aerodynamic data for low-rise buildings by using large-scale models in wind tunnels and WOW-like facilities. This is a major advantage, because large-scale models allow for accurate modeling of architectural details, testing at higher Reynolds number, using greater spatial resolution of the pressure taps in high pressure zones, and assessing the performance of aerodynamic devices to reduce wind effects. The technique eliminates a major cause of discrepancies among measurements conducted in different laboratories and can help to standardize flow simulations for testing residential homes as well as significantly improving testing accuracy and repeatability. Partial turbulence simulation was used in the WOW to determine the performance of discontinuous perforated parapets in mitigating roof pressures. The comparisons of pressures with and without parapets showed significant reductions in pressure coefficients in the zones with high suctions. This demonstrated the potential of such aerodynamic add-on devices to reduce uplift forces.

O padrão de adensamento urbano impacta no conforto do pedestre no que diz respeito, sobretudo, à possibilidade de alterar as condições de vento ao nível do solo gerando zonas de desconforto. As cidades convivem com constantes mudanças em sua configuração tanto pelo adensamento quanto pela verticalização de suas estruturas, esta condição modifica a ventilação natural urbana, alterando as condições de vento no entorno de edifícios, o que afeta o escoamento de ar ao nível do solo, atingindo o conforto do pedestre. Então, o objetivo desta pesquisa é analisar o conforto do pedestre em relação ao vento em analogia a padrões de adensamento urbanos, considerando ensaios experimentais em túnel de vento a partir da aplicação em área urbana da cidade de João Pessoa-PB. A área investigada é parte dos bairros Altiplano Cabo Branco e Cabo Branco, localidade que, nos últimos anos, tem passado por grandes mudanças em sua configuração, respaldadas por alterações do instrumento urbanístico. Motivando o estudo de padrão de ocupação e seu reflexo no conforto do pedestre frente ao vento, pelo meio da avaliação de duas configurações de vizinhança ensaiadas em túnel de vento. As proposições referem-se a padrão de adensamento antigo, anterior ao ano de 2005 e adensamento recente, referente a situação atual, ano de 2012, as duas situações propostas reproduzem circunstâncias reais Os experimentos foram realizados com modelos, M1 e M2, em escala reduzida, referente a 1/400; no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, mesa M-II; pela simulação de vento do tipo turbulento, compatível com as condições do local estudado. Consideraram-se as configurações de ensaio utilizadas nesse túnel de vento para simular perfis de velocidade média, que correspondem às categorias de terreno definidos na NBR 6.123/1988, vento mar, categoria I, e vento terra, entre a categoria III e IV. Iniciou-se com os ensaios de escoamento de camada limite, que envolve a aquisição de dados de velocidades instantâneas do vento, obtidos com anemômetros de fio quente, a partir de malha de medição definida, sendo, sete linhas, oito posições e dez alturas, para dois rumos de vento, sendo 900 e 1500, definindo o comportamento do vento para a área E, prosseguiram-se com os ensaios de conforto do pedestre, através de medições de velocidades ao nível do solo para trinta e seis posições, pontos distribuídos por passeios e calçadas, por meio de sondas de pedestres, sondas tipo Irwin, realizando tomadas para vinte e quatro ângulos de incidência de vento, marcados a cada 150. Para aferir as condições de vento para o pedestre, utilizaram-se critérios de conforto baseados na Escala Beaufort, que relacionam a atividade, o local e o nível de conforto relativo, pondera ainda acerca de critérios de aceitação para períodos de retorno, um ano, um mês e uma semana. Os resultados obtidos para as configurações de vizinhança referentes ao escoamento para a área e ao conforto do pedestre, foram confrontados, atentando-se que o adensamento urbano modifica consideravelmente o campo de vento de áreas urbanas, atingindo o conforto do pedestre, impossibilitando-o, para algumas posições estudadas, de realizar atividades corriqueiras com conforto. Então, assentam-se fundamentos que orientam a ocupação do solo com vistas à garantia de realização pelo pedestre, com nível de conforto relativo “aceitável”, das atividades inerentes aos usos propostos para o ambiente urbano, colaborando com o planejamento, o controle e a intervenção em áreas urbanizadas, favorecendo, também, o crescimento saudável das cidades. / The pattern of urban densification impacts on pedestrian comfort, specially, in relation with the possibility of changing the wind conditions at ground level, generating discomfort zones. Cities live with constant changes in its configuration due to the densification and to the verticalization of its structures. This condition modifies the urban natural ventilation, changing, the wind conditions in the building surroundings, which affects the air outflow at ground level, impacting on pedestrian comfort. The objective of this work is to analyze the relation between the pedestrian comfort and the wind, similarly to the patterns of urban densification, considering experimental tests in wind tunnel, since application in the urban area of João Pessoa-PB city. The investigated area is part of the neighborhoods of Altiplano Cabo Branco and Cabo Branco, João Pessoa-PB, region that, in the last years, has been passing through considerable changings in its configuration, supported by alterations in the urban instrument. Motivating the study of the occupation patterns and its reflection in the pedestrian comfort facing the wind through the analysis of two neighborhood configurations, simulated in the wind tunnel, through experiments. The propositions refer to an old densification before the year of 2005 and to a recent densification, referring to a current situation, both proposed situations reproduce real circumstances The experiments were realized with models, M1 and M2, in reduced scale, regarding 1/400; in the Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann from Universidade Federal do Rio Grande do Sul, table M-II; by the simulation of the turbulent wind, compatible with the conditions of the studied place. The configurations of assay used in this wind tunnel to simulate average velocity profiles were considered, which correspond to the ground defined in NBR 6.123/1988, sea wind, category I, and land wind, between the category III and IV. Beginning with experiments of the boundary layer’s outflow that are related to the acquisition of the wind’s instantaneous velocities’ data obtained with hot wire anemometers, from the defined measurements mesh, being seven lines, eight positions and ten heights, to two wind courses, being 900 and 1500, defining the behavior of the wind to the area. And, continued with the assays of pedestrian comfort, through measurements of the velocities at ground level for thirty six positions, points distributed for sidewalks, through pedestrian sensors, sensors of the Irwin type, realizing measurements for twenty four incidence angles, marked every 150 In order to verify the wind conditions for the pedestrians, comfort criterions based in the Escala Beaufort were utilized, which make a relation of the activity, the place and the relative comfort level, it still ponders about the acceptance criterions for return periods, one year, one month and one week. The results obtained for the configurations of the neighborhoods referents to the area’s outflow and to the pedestrian comfort were confronted, paying special attention to the fact that the urban densification modifies substantially the wind field of the urban areas, affecting the pedestrian comfort, impossibilitating it, for some studied positions, for realizing everyday activities with comfort. Then, fundamentals that guide the pattern of ground occupation were consolidated, aiming the guaranty of realization by pedestrian, with an “acceptable” relative comfort level, for the activities inherent to the uses proposed to the urban ambient, collaborating with the planning, the control and the intervention in urbanized areas, still assisting the healthy growth of the cities.