Publicação: Modelagem computacional de escoamentos turbulentos utilizando a metodologia da fronteira imersa dos volumes fantasmas
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Resumo
A capacidade de simular digitalmente o mundo físico transformou a maneira como ciência e engenharia
interagem com a natureza. Como um dos campos mais desafiadores dessa transformação, a Dinâmica dos
Fluidos Computacional (DFC) consolidou-se como um pilar fundamental, permitindo a representação
de escoamentos complexos com alta fidelidade. Contudo, no âmbito dos métodos de fronteira imersa, a
representação fidedigna de interfaces complexas e o seu processamento geométrico eficiente permanecem
como desafios críticos para a robustez e a viabilidade das ferramentas numéricas atuais. Na presente tese
apresentam-se o desenvolvimento, a extensão e o aperfeiçoamento do Método de Fronteira Imersa dos
Volumes Fantasmas (IB-GCM) integrado à plataforma computacional MFSim. Nesse trabalho foca-se na
solução e validação de escoamentos envolvendo efeitos dinâmicos, térmicos e interação fluido-estrutura
(FSI). A metodologia foi validada através de casos clássicos, como o escoamento de Poiseuille com
efeitos térmicos e em dutos coaxiais, demonstrando estanqueidade ao utilizar fronteiras de espessura
nula. Simulou-se o escoamento ao redor de uma esfera em regimes laminares e turbulentos, aplicando
modelos de fechamento da classe Simulação das Grandes Estruturas (LES) e utilizando o refinamento de
malha adaptativo (AMR) para capturar elevados gradientes na vizinhança e na esteira da esfera de forma
eficiente. No âmbito de FSI, validou-se a modelagem e a simulação da vibração de uma placa submersa
em um fluido e analisou-se a resposta dinâmica de uma viga bi-engastada sujeita a escoamento transversal.
Por fim, foi realizada uma análise preliminar de um injetor aplicado a projetos em âmbito industrial. Os
resultados consolidados nesta tese ratificam o método IB-GCM como uma ferramenta robusta, precisa e
versátil, que possibilita a enfrentar a complexidade de fenômenos dinâmicos e térmicos acoplados em
geometrias complexas, preenchendo a lacuna entre a pesquisa acadêmica de alto rigor e as demandas
tecnológicas da indústria moderna.
Abstract
The capability to digitally simulate the physical world has transformed the manner in which science
and engineering interact with nature. As one of the most challenging fields of this transformation,
Computational Fluid Dynamics (CFD) has established itself as a fundamental pillar, enabling the high-
fidelity representation of complex flows. However, within the scope of immersed boundary methods,
the faithful representation of intricate interfaces and their efficient geometric processing remain critical
challenges for the robustness and viability of current numerical tools. This thesis presents the development,
extension, and improvement of the Ghost-Cell Immersed Boundary Method (IB-GCM) integrated into
the MFSim computational platform. The work focuses on the solution and validation of flows involving
dynamic and thermal effects, as well as fluid-structure interaction (FSI). The methodology was validated
through classical cases, such as Poiseuille flow with thermal effects and flow in coaxial ducts, demonstrating
sealing capabilities when using zero-thickness boundaries. Flow around a sphere was simulated in both
laminar and turbulent regimes, applying Large Eddy Simulation (LES) closure models and utilizing
Adaptive Mesh Refinement (AMR) to efficiently capture high gradients in the vicinity and wake of the
sphere. In the context of FSI, the vibration of a submerged plate was validated, and the dynamic response
of a clamped-clamped beam subjected to cross-flow was analyzed. Finally, a preliminary analysis of an
injector applied to industrial-scale projects was performed. The results consolidated in this thesis ratify the
IB-GCM method as a robust, accurate, and versatile tool, capable of addressing the complexity of coupled
transport phenomena in complex geometries, bridging the gap between high-rigor academic research and
the technological demands of modern industry.
Palavras-chave
Fronteira Imersa, Immersed Boundary, Ferramenta Computacional, Computational Tool, MFSim, MFSim
Citação
MARTINI, João Emanuel Fermino. Modelagem computacional de escoamentos turbulentos utilizando a metodologia da fronteira imersa dos volumes fantasmas. 2026. 145 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.5015.
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