Publicação: Modelagem matemática e simulação numérica de escoamentos incompressíveis sobre geometrias complexas tridimensionais utilizando o método da fronteira imersa
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Resumo
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, os efeitos de um corpo imerso ao escoamento são impostos
inserindo um termo fonte nas equações de Navier-Stokes. Neste trabalho utiliza-se o Modelo
físico virtual para modelagem deste termo fonte. Tal modelo está sendo desenvolvido no LTCM
- Laboratório de Transferência de Calor e Massa e Dinâmica dos Fluidos. O código conta ainda
com capacidade de processamento paralelo. São apresentados resultados de escoamentos
sobre diversos tipos de geometrias complexas, tais como cubos solidários à base do domínio,
protótipos de automóveis e de aeronaves, proporcionando ricas análises dos respectivos
escoamentos. Outras contribuições importantes do presente trabalho são a preparação do
código Fluids-3D para a implementação de uma interface gráfica de usuário, bem como
otimização da topologia de paralelização do mesmo.
Abstract
The necessity of understand the physical mechanisms in flows over complexes geometries are
something imperative on modern engineering. In this way, tools that allow the analysis and
understanding of such flows are very important as well. In this work, a numerical tool that allows
the transient analysis of flows over several types of complexes three-dimensional geometries is
presented: the Fluids-3D code. Such code uses the Immersed Boundary Method for
representing an immersed body into the flow. The Immersed Boundary method uses two
independent domains in the solution of the flows over complex geometries: an eulerian domain,
which is discretized using Finite Volume Method over a non-uniform mesh to integrate the
Navier-Stokes equations, and a second-order approximation for time and space derivatives; the
lagrangian domain is represented by a superficial unstructured mesh, composed by triangles.
Such mesh can be imported by commercial mesh generators, or generators of files used in
stereolithography (*.stl - Standard Tessellation Language). In the Immersed Boundary Method,
the effects of an immersed body are imposed by a source term in the Navier-Stokes equations.
In this work the Virtual Physical Model for modeling this term is used. Such model is in
development in LTCM Laboratory of Heat and Mass Transfer and Fluid Dynamics. The Fluids-
3D code also counts with parallel processing capabilities. The results of flows over several kinds
of complexes geometries, such as wall mounted cubes, automobile and aircraft prototypes are
shown. These simulations have provided rich analysis of the flows. Others important
contributions of the present work are the preparations of the code to the implementation of a
graphical user interface, and the optimization of the parallelization process of the code as well.
Palavras-chave
Método de fronteira imersa, Modelo físico virtual, Escoamentos sobre geometrias complexas, Processamento paralelo, Immersed boundary methods, Virtual physical model, flow over complexes geometries, parallel processing, Dinâmica dos fluidos, Simulação (Computadores)
Citação
VEDOVOTO, João Marcelo. Mathematical modeling and numerical simulation of incompressible flows over complexes three-dimensional geometries using the immersed boundary method. 2007. 70 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2007.