O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais...

Simulação de fluidos tem sido um dos focos principais de pesquisa em computação gráfica nos últimos anos. O interesse por tal assunto é motivado pelas aplicações na indústria cinematográfica, jogos e sistemas voltados para simulação de fenômenos físicos realísticos em tempo real. Neste trabalho atacamos um problema ainda pouco explorado pela comunidade de computação gráfica, a simulação de fluidos em imagens digitais. Adotamos uma abordagem relacionando fluidos multifásicos, onde propriedades da imagem são incorporadas às equações de Navier-Stokes a fim de permitir que objetos contidos nas imagens "escoem" interagindo a forças que agem no sistema; In the last years, fluid simulation has been one of the main focus in Computer Graphics. Such a reason is related to applications to film industry, games and frameworks for realtime physical problem simulations. In this work we aim at accessing a problem which is not so much explored in Computer Graphics: fluid simulation in digital images. We adopt a approach related to multiphase fluids, where properties of the image are set to the Navier-Stokes equations in order to allow that objects into the images "flow"in accordance to the forces in the system

No desenvolvimento de códigos paralelos, a biblioteca PETSc se destaca como uma ferramenta prática e útil. Com o uso desta ferramenta, este trabalho apresenta um estudo sobre resolvedores de sistemas lineares aplicados a escoamentos incompressíveis de fluidos em microescala, além de uma análise de seu comportamento em paralelo. Após um estudo dos diversos aspectos dos métodos de fronteira imersa, é apresentado um método de fronteira imersa paralelo de primeira ordem. Na sequência, é apresentada uma proposta de melhoria na precisão do método, baseada na minimização da distância entre a condição de contorno exata e aproximada, no sentido de mínimos quadrados. O desenvolvimento de uma ferramenta paralela eficiente é demonstrado na solução numérica de problemas envolvendo escoamentos incompressíveis de fluidos viscosos com fronteiras imersas; In the development of parallel codes, PETSc library has an important position as a practical and useful tool. With this tool, this work presents a study about linear system solvers applied to incompressible flow in microscale problems, furthermore an analysis of the parallel behavior of these methods is presented. After a study of several aspects of immersed boundary methods...

Neste trabalho, desenvolve-se um método de fronteira imersa para o estudo de escoamento compressível modelado pelas equações de Euler bidimensionais. O método de discretização de diferenças finitas é empregado, usando o método de Steger-Warming de ordem dois para discretizar as variáveis espaciais e o esquema de Runge-Kutta de ordem quatro para discretizar as variáveis temporais. O método da fronteira imersa foi empregado para o estudo de aeroelasticidade computacional em uma seção típica de aerofólio bidimensional com dois movimentos prescritos: torsional e vertical, com o objetivo de se verifcar a eficiência do método e sua aplicabilidade para problemas em aeroelasticidade computacional. Neste estudo desenvolveu-se também um programa de computador para simular escoamentos compressíveis de fluido invíscido utilizando a metodologia proposta. A verificação do código gerado foi feita utilizando o método das soluções manufaturadas e o problema de reflexão de choque oblíquo. A validação foi realizada comparando-se os resultados obtidos para o escoamento ao redor de uma seção circular e de uma seção de aerofólio NACA 0012 com os resultados experimentais, para cada caso.; In this work, an immersed boundary method is developed to study compressible flow modeled by the two-dimensional Euler equations. The finite difference method is employed...

No presente trabalho, utilizou-se o Método da Fronteira Imersa, o qual utiliza dois tipos de malhas computacionais: euleriana (utilizada para o fluido) e lagrangiana (utilizada para representar a interface de separação de dois fluidos). O software livre GMSH foi utilizado para representar um sólido por meio da sua superfície externa e também para gerar uma malha triangular, bidimensional e não estruturada para discretizar essa superfície. Essa superfície foi utilizada como condição inicial para a malha lagrangiana (fronteira imersa). Os dados da malha lagrangiana são armazenados em uma estrutura de dados chamada Halfedge, a qual é largamente utilizada em Computação Gráfica para armazenar superfícies fechadas e orientáveis. Uma vez que a malha lagrangiana esteja armazenada nesta estrutura de dados, passa-se a estudar uma hipotética interação dinâmica entre a fronteira imersa e o escoamento do fluido. Esta interação é estudada apenas em um sentido, considera-se apenas a condição de não deslizamento, isto é, a fronteira imersa acompanhará passivamente um campo de velocidades pré-estabelecido (imposto), sem exercer qualquer força ou influência sobre ele. Foi utilizado um campo de distância local com sinal (função indicadora de fluidos) para identificar o interior e o exterior da superfície que representa a interface entre os fluidos. Este campo de distância é atualizado a cada passo no tempo utilizando idéias de Geometria Computacional...

A simulação computacional de escoamentos incompressíveis multifásicos tem avançado continuamente e é uma área extremamente importante em Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC) por suas várias aplicações na indústria, em medicina e em biologia, apenas para citar alguns exemplos. Apresentamos modelos matemáticos e métodos numéricos tendo em vista simulações computacionais de fluidos bifásicos newtonianos e viscoelásticos (não newtonianos), em seus regimes transiente e estacionário de escoamento. Os ingredientes principais requeridos são o Modelo de Um Fluido e o Método da Fronteira Imersa em malhas adaptativas, usados em conjunto com os métodos da Projeção de Chorin-Temam e de Uzawa. Tais metodologias são obtidas a partir de equações a derivadas parciais simples as quais, naturalmente, são resolvidas em malhas adaptativas empregando métodos multinível-multigrid. Em certas ocasiões, entretanto, para escoamentos modelados pelas equações de Navier-Stokes (e.g. em problemas onde temos altos saltos de massa específica), tem-se problemas de convergência no escopo destes métodos. Além disso, no caso de escoamentos estacionários, resolver as equações de Stokes em sua forma discreta por tais métodos não é uma tarefa fácil. Verificamos que zeros na diagonal do sistema linear resultante impedem que métodos de relaxação usuais sejam empregados. As dificuldades mencionadas acima motivaram-nos a pesquisar por...

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES); Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS; Durante as últimas décadas, grandes esforços têm sido dirigidos ao desenvolvimento de técnicas numéricas capazes de tratar escoamentos envolvendo geometrias complexas e/ou móveis. Neste contexto, o chamado método de fronteira imersa, que permite a resolução desta classe de problema usando malha cartesiana fixa independentemente do tipo de geometria tratada, tem recebido grande atenção por parte da comunidade internacional de dinâmica dos fluidos computacional. No presente trabalho, o método de fronteira imersa, associado ao modelo físico virtual, foi implementado em um código computacional capaz de simular escoamentos isotérmicos, incompressíveis e bidimensionais, utilizando o método dos volumes finitos. Escrito em linguagem Fortran 90, este programa emprega o método SIMPLEC para o acoplamento pressão-velocidade, oferecendo ao usuário diferentes opções para o tratamento dos termos advectivos – Upwind, Diferenças Centrais, Power-Law e QUICK. Embora a linguagem Fortran 90 não possibilite a programação orientada a objetos, procurou-se, na execução deste trabalho, aplicar alguns dos conceitos envolvidos neste tipo de programação...

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS; Os métodos de fronteira imersa possibilitam a simulação numérica de escoamentos envolvendo contornos complexos e móveis utilizando-se uma malha euleriana fixa para representar o domínio fluido, associada a um conjunto de pontos lagrangianos para descrever interfaces, sem necessidade de remalhagem do domínio de cálculo. No presente trabalho, um método de fronteira imersa baseado no modelo físico virtual foi implementado em um código computacional já existente, com o objetivo de permitir a simulação do escoamento em torno de cilindros de base circular submetidos a oscilações forçadas ou induzidas pelo movimento do fluido. O programa computacional resolve as equações de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas através do método de volumes finitos, utilizando uma discretização implícita no tempo. Para testar as novas implementações, foram realizadas simulações para cilindros estacionários e em movimento oscilatório forçado, posicionados em meio infinito ou no interior de um canal. Além disso, foi resolvido um problema de interação fluido-estrutura, constituído por um cilindro móvel e indeformável posicionado dentro de um canal vertical, a jusante de uma obstrução...

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS; A compreensão do escoamento em válvulas de compressores herméticos alternativos é de fundamental importância para introduzir modificações no projeto delas de maneira a aumentar a performance dos compressores, e por fim, dos ciclos de refrigeração. A válvula do compressor é um dispositivo ímpar, umas vez que seu funcionamento se dá pela ação da pressão exercida pelo escoamento, caracterizando um problema de forte interação fluido- estrutura. O uso da modelagem numérica através das ferramentas da mecânica dos fluidos computacional (CFD) tem se destacado como a alternativa mais dinâmica para o estudo do fenômeno. O trabalho desenvolvido foi voltado para o estudo numérico do escoamento através do difusor radial, o qual é um modelo simplificado da válvula, com o emprego do Método da Fronteira Imersa com Modelo Físico Virtual para a modelagem do disco superior do difusor (palheta). O ponto forte desta metodologia é que a representação de regiões sólidas é feita pelo cálculo de um campo de força, o qual é introduzido nas equações das células na vizinhança do sólido. Este procedimento dispensa o uso de malhas que se adaptam ao corpo...

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP); Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS; Nesse trabalho resolve-se numericamente o escoamento em difusores radiais, os quais têm sido utilizados como modelo para o estudo do escoamento em válvulas automáticas de compressores de refrigeração. As equações governantes do escoamento, escritas no sistema de coordenadas cilíndricas, são resolvidas utilizando um código numérico baseado no Método dos Volumes Finitos. O Método da Fronteira Imersa, em conjunto com o Modelo Físico Virtual, foi implementado no código numérico e utilizado para representar a região sólida imersa no escoamento. Inicialmente, o código numérico foi utilizado para resolver o problema do escoamento em torno de um cilindro de base quadrada, como parte do processo de validação do código. O confronto dos resultados numéricos com dados da literatura indicou a validação parcial do código. Posteriormente, realizou-se um estudo preliminar do comportamento da solução do escoamento no difusor radial em relação a diversos parâmetros geométricos e de simulação numérica, com o objetivo de identificar a configuração numérica capaz de fornecer, simultaneamente, resultados satisfatórios com o menor custo computacional. Usando esta configuração...

A presente tese descreve o trabalho de pesquisa realizado, com o objetivo de desenvolver, implementar e avaliar um procedimento de modelagem tridimensional de fenômenos fluidoestruturais que envolvem estruturas esbeltas, tais como vigas, barras e cabos. A nova abordagem adotada consiste na combinação da teoria de vigas de Cosserat aplicada a estruturas esbeltas, que leva em consideração as não-linearidades geométricas, e a metodologia de fronteira imersa, que é usada para representar a interação entre os domínios estrutural e fluido. O estudo está incluído no âmbito de Vortex-Induced Vibrations, que é um tema de grande interesse para a indústria petrolífera, especialmente em relação a modelagem de risers utilizados para exploração de petróleo em águas profundas. Segundo a teoria de vigas de Cosserat, a configuração deformada da viga é descrita através do vetor deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel, rigidamente unida à seção transversal da viga, em relação a um referencial inercial. A principal vantagem desta teoria é que esta é geometricamente exata. E o método de elementos finitos é empregado para a discretização das equações do movimento. De acordo com a metodologia de fronteira imersa...

Os problemas práticos de engenharia que envolvem a presença de escoamentos incompressíveis em torno de corpos rombudos são considerados os mais estudados. Os corpos rombudos sofrem carregamentos fluidodinâmicos causados pela geração de vórtices, que induzem o movimento oscilatório dos mesmos. A vibração induzida por vórtices tem sido objeto de estudo de inúmeros pesquisadores de todo o mundo tanto no meio acadêmico quanto no âmbito industrial. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo o uso da metodologia da Fronteira Imersa combinado com o Modelo Físico Virtual, para a simulação de escoamentos incompressíveis, bidimensionais sobre cilindros circulares. Nas simulações numéricas são enfocados os escoamentos sobre cilindros rotativos, cilindros com rotação-oscilação, dois cilindros em diferentes arranjos e cilindros suportados por molas elásticas constituindo sistemas de um e dois graus de liberdade. A modelagem de turbulência sub-malha de Smagorinsky e uma função de amortecimento na saída do domínio, também foram utilizadas para garantir a estabilidade dos cálculos numéricos. As análises da distribuição da pressão ao longo da superfície do cilindro, da série temporal dos coeficientes de arrasto e de sustentação e o número de Strouhal...

O Laboratório de Transferência de Calor e Massa e Dinâmica dos Fluidos - LTMC/FEMEC/UFU tem desenvolvido diversos trabalhos para simulações e análise computacional da dinâmica dos fluidos, porém com etapas providas por softwares proprietários, tornando onerosa a utilização de tais soluções. Além disso, a ferramenta atualmente funcional existente, que efetua tais cálculos, foi desenvolvida na linguagem Fortran, desprovida de uma interface gráfica, além de não permitir uma visualização prévia das geometrias a serem trabalhadas, o que dificulta o manuseio da mesma. Dessa forma, no presente trabalho desenvolveu-se uma metodologia para a construção de geometrias e a geração de suas malhas de elementos finitos triangulares superficiais, utilizando-se de softwares livres, para posterior importação em códigos computacionais dedicados a análise computacional da dinâmica dos fluidos, através do método de fronteira imersa. Dentre as ferramentas analisadas para a modelagem da geometria e geração da malha, optou-se pela utilização do GMSH, por ser um software livre, portável para as plataformas Linux e Windows, intuitivo e de fácil aprendizado. Já dentre as ferramentas analisadas para o desenvolvimento da Interface gráfica...

A necessidade de compreender os mecanismos físicos que estão presentes em escoamentos sobre geometrias complexas é algo imperativo na engenharia moderna. Desta maneira, as ferramentas que possibilitem a análise e o entendimento de tais escoamentos são cada vez mais importantes. Apresenta-se neste trabalho uma ferramenta numérica que possibilita a análise transiente de escoamentos sobre diversas geometrias complexas tridimensionais: o código Fluids-3D. Este código utiliza o Método da fronteira imersa, como metodologia de representação de corpos imersos nos escoamentos. Este método utiliza dois domínios independentes, porém acoplados para solução dos escoamentos sobre geometrias complexas: um domínio lagrangiano para representar a interface sólido / fluido e um domínio euleriano para discretizar o domínio fluido. As equações de Navier-Stokes são resolvidas para o domínio euleriano com uma precisão de segunda ordem no tempo e no espaço, empregando o Método dos volumes finitos em malhas cartesianas. A malha lagrangiana é discretizada por uma malha de elementos triangulares e pode ser importada de geradores de malhas comerciais ou geradores de arquivos para estereolitografia (*.stl - Standard Tessellation Language). No Método da fronteira imersa...

Para compreender fenômenos relacionados à combustão, aeroacústica, transição a turbulência entre outros, a Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD) utiliza os métodos de alta ordem. Um dos mais conhecidos é o método pseudo-espectral de Fourier, o qual alia: alta ordem de precisão na resolução das equações, com um baixo custo computacional. Este está ligado à utilização da FFT e do método da projeção do termo da pressão, o qual desvincula os cálculos da pressão da resolução das equações de Navier-Stokes. O procedimento de calcular o campo de pressão, normalmente é o mais oneroso nas metodologias convencionais. Apesar destas vantagens, o método pseudo-espectral de Fourier só pode ser utilizado para resolver problemas com condições de contorno periódicas, limitando o seu uso no campo da dinâmica de fluídos. Visando resolver essa restrição uma nova metodologia é proposta no presente trabalho, que tem como objetivo simular escoamentos não-periódicos utilizando o método pseudo-espectral de Fourier. Para isso, é utilizada a metodologia da Fronteira Imersa, a qual representa as condições de contorno de um escoamento através de um campo de força imposto nas equações de Navier-Stokes. Como teste...

A modelagem matemática de escoamentos turbulentos sobre geometrias complexas móveis possui uma extensa área de aplicações práticas e por isso ocupa lugar de destaque nas pesquisas recentes em engenharia. Uma linha proposta para o tratamento numérico deste tipo de problemas são os métodos de fronteira imersa. Esta metodologia, ainda em desenvolvimento, tem por base a separação do problema em dois domínios distintos, um domínio fixo euleriano utilizado para discretizar as equações do fluido e outro lagrangiano usado para representação da interface fluido-sólido. Como os domínios são geometricamente independentes, não existem restrições quanto à movimentação ou deformação de corpos imersos no escoamento. O presente trabalho apresenta uma extensão do Modelo Físico Virtual, uma metodologia de fronteira imersa desenvolvida no LTCM/UFU, para a simulação de escoamentos a altos números de Reynolds sobre geometrias móveis ou deformáveis. O modelo foi utilizado na simulação de escoamentos laminares sobre corpos deformáveis, aplicados a problemas de otimização de forma. Foram também simulados aerofólios NACA 0012 móveis imersos em escoamentos turbulentos. Um estudo comparativo de três diferentes metodologias de modelagem da turbulência em conjunto com o método de fronteira imersa foi também realizado. São apresentados resultados dos coeficientes de arrasto...

No presente trabalho é desenvolvida uma nova metodologia para a solução das equações de Navier-Stokes na formulação incompressível aplicada a escoamentos sobre geometrias complexas. Ela é baseada no acoplamento da metodologia pseudo-espectral de Fourier (MPEF) juntamente com a metodologia da fronteira imersa (MFI). As principais particularidades do MPEF é a alta acurácia numérica, aliada com o baixo custo computacional, pois não é necessário resolver o sistema linear do acoplamento pressão-velocidade. Entretanto, ela é limitada a problemas com condições de contorno periódicas. Com o intuito de expandir a aplicabilidade da MPEF a outros problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), ela foi acoplada à MFI. A MFI é uma metodologia desenvolvida para simular escoamentos sobre geometrias complexa e móveis usando malha cartesiana. Normalmente, apresenta baixa acurácia nos resultados próximos à região da interface imersa. Com a hibridação proposta no presente trabalho, obtém-se um aumento da precisão dos resultados sobre a fronteira. No presente trabalho mostra-se os resultados de verificação e validação da metodologia híbrida. Para a verificação utilizou-se a técnica das soluções manufaturas...

O objetivo deste trabalho é de dar continuidade ao desenvolvimento de uma plataforma numérica em canais anulares, problemas presentes em engenharia de perfuração e da indústria de gás e petróleo. A plataforma numérica, desenvolvida utilizando o método de discretização dos volumes finitos, emprega métodos e esquemas de segunda ordem. A utilização do método de fronteira imersa possibilita a representação de estruturas que representam a geometria que definem os problemas. A versão inicial (com modelo físico virtual) foi modificada pela substituição do modelo que avalia a força lagrangeana, sendo implementado o modelo denominado de multi forçagem direta. Tal modificação levou a uma redução considerável do custo computacional da simulação de aproximadamente 16 vezes. Com esta redução de tempo, foi possível trabalhar com malhas mais refinadas, que tornou as simulações do escoamento mais fidedigna com os dados de referência. Assim pode-se evidenciar de forma mais clara a formação dos vórtice de Taylor durante o transiente até o estado estacionário nos escoamento de Taylor-Couette, Taylor-Couette com oscilação forçada, Taylor-Couette com translação forçada, Taylor-Couette com oscilação e translação forçada...

A modelagem matemática e a simulação numérica de escoamentos turbulentos tridimensionais ao redor de geometrias complexas móveis constituem um dos grandes desafios da engenharia moderna. A discretização de domínios tridimensionais costuma exigir grande capacidade de armazenamento e processamento de dados que, se somados aos freqüentes refinamentos locais das malhas, torna os cálculos extremamente caros. Por sua vez, a representação de geometrias complexas empregando coordenadas generalizadas, pode gerar dificuldades matemáticas ou numéricas, além de possuírem abrangência limitada. A metodologia de Fronteira Imersa está sendo desenvolvida como uma alternativa para lidar com este problema, separando-o em dois domínios distintos: um domínio lagrangiano para representar a interface sólido/fluido e um domínio euleriano para discretizar o fluido. O presente trabalho apresenta uma extensão para problemas tridimensionais de uma metodologia de fronteira imersa, desenvolvida no LTCM, denominada Modelo Físico Virtual. O domínio euleriano foi discretizado com aproximações espaciais e temporais de segunda ordem, empregando Volumes Finitos em malhas cartesianas e com capacidade de processamento paralelo. O domínio lagrangiano foi construído com uma malha de elementos triangulares. Os testes preliminares foram feitos de forma a validar...

O presente trabalho tem como principal objetivo a aplicação do método multifoçagem (MMF) para solução numérica tridimensional de problemas de interação uidoestrutura, buscando-se garantir a condição de não-escorregamento na região da fronteira imersa. Para as simulações numéricas foi utilizado um código computacional multipropósito em desenvolvimento no MFlab - Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia. Foram feitas modificações nesse código para que se pudesse validá-lo para solução de problemas com fronteira imersa e foi implementada uma rotina para solução de um problema de interação uido-estrutura total. Além disso, foi desenvolvido um pacote de ferramentas computacionais que possibilitou instalar e melhorar o desempenho de um cluster do tipo Beowulf utilizado para o desenvolvimento das simulações num eriças em paralelo do presente trabalho. Utilizando o Método das Soluções Manufaturadas foram obtidas soluções sintetizadas para as equações de Navier-Stokes, o que possibilitou obter a ordem de convergência numérica do código computacional para problemas contínuos e a validação deste código para problemas envolvendo corpos imersos ao combinar a o método das soluções manufaturadas com a metodologia de fronteira imersa. Na sequência foi solucionado o problema de escoamento ao redor de uma esfera parada...