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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Modelagem matemática de jatos em desenvolvimento espacial usando a metodologia pseudoespectral de Fourier
metadata.dc.creator: Moreira, Leonardo de Queiroz
metadata.dc.contributor.advisor1: Silveira Neto, Aristeu da
metadata.dc.contributor.referee1: Rade, Domingos Alves
metadata.dc.contributor.referee2: Padilla, Elie Luis Martínez
metadata.dc.contributor.referee3: Mendonça, Márcio Teixeira de
metadata.dc.contributor.referee4: Silva, Carlos Frederico Neves Bettencourt da
metadata.dc.description.resumo: A busca por métodos de alta acurácia e alta taxa de convergência com a finalidade de resolver as equações de Navier-Stokes é de grande interesse para estudiosos de CFD. Essa busca é motivada, pois existem fenômenos físicos, como a turbulência nos fluidos, para os quais apenas metodologias que possuem uma alta acurácia permitem obter uma solução satisfatória da física que caracteriza o problema. A principal dificuldade encontrada em obter alta acurácia na solução das equações de Navier-Stokes é o custo computacional. Neste sentindo, no MFLab, uma nova metodologia começou a ser desenvolvida com os trabalhos de Mariano (2007), Moreira (2007), Mariano (2011). 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 em termo relativos, pois não é necessário resolver um 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 metodologia de Fronteira Imersa (MFI). A MFI é uma metodologia desenvolvida para simular escoamentos sobre geometrias complexas e móveis usando malha cartesiana. Normalmente, apresenta baixa acurácia nos resultados próximos à região da interface imersa. O presente trabalho propõe dar continuidade aos desenvolvimentos da hibridação dessas duas metodologias, que foca na solução das equações de Navier-Stokes na formulação incompressível e isotérmica. O presente trabalho é uma evolução do trabalho de Mariano (2011), o qual foi estendido à terceira dimensão e implementada a modelagem submalha para simulações de grandes escalas. Para a verificação, utilizou-se a técnica das soluções manufaturas, obtendo-se taxa de convergência espectral. Para validação da metodologia simulou-se turbulência homogênea e isotrópica, onde foram obtidos resultados consistentes do ponto de vista físico. Por fim, esta metodologia foi usada para a simulação de jatos em desenvolvimento espacial. Os resultados obtidos nessa simulação foram comparados com dados experimentais e apresentam uma boa concordância qualitativa e quantitativamente. A metodologia proposta e implementada permite ter taxa de convergência espectral, alta acurácia, efeciência computacional e possibilita a solução integralmente espectral de Fourier de problemas não periódicos.
Abstract: The search for numerical methods aiming at the solution of solve the Navier-Stokes equations accurately and with a high convergence rate represents a major area of interest for CFD researchers. Such a quest is motivated by physical phenomena, like turbulence in fluids, in which only accurate methodologies with high convergence rate may allow to satisfactorily obtain a physical solution that characterizes the problem. One of the main difficulties in obtaining high accuracy in the numerical solution of the Navier-Stokes equations is the high computational cost. In order to circumvent such a drawback, in the MFLab, a new methodology has began to be developed with the works of Mariano (2007), Moreira (2007), Mariano (2011). Such a methodology is based on the coupling of the Fourier pseudo-spectral (FPSM) and immersed boundary methodologies (IBM). A main characteristic of the FPSM is the high numerical accuracy associated to a relative low computational cost, since solving the linear system of the pressure-velocity coupling is not necessary. However, the FPSM methodology has its applicability restricted only to problems with periodic boundary conditions. In order to expanding the range of problems to which the FPSM can be applied more complex problems of the Computational Fluid Dynamics (CFD), the FPSM methodology is coupled with the IBM. The IBM is a methodology developed to simulate flows over complex, moving geometries, based on a cartesian-type grid. Normally, the IBM presents a low accuracy in regions near the immersed interface. The present work proposes to continue the developments of the hybrid FPSM-IBM methodology, focusing in the solution of the Navier-Stokes equations in its isothermal and incompressible form. The present work, as an evolution of the developments of Mariano (2011) , solves the Navier-Stokes equations in its three-dimensional form. The numerical code developed is capable of Large Eddy Simulations also. The method of manufactured solutions was used in the verification of the numerical code developed, and a spectral convergence rate is achieved. In the process of validation of the FPSM methodology, a isotropic turbulence flow was simulated and the results obtained are consistent from a physical point of view. Finally, the FPSM-IBM methodology was used in the simulation of turbulent jet in spatial development. The results obtained are compared with experimental data, and present a good agreement, both qualitative and quantitatively. It was observed that the FPSM-IBM implemented allows obtaining high accuracy, spectral convergence rates, computational efficiency, and allows the integrally Fourier-spectral solution of non-periodic problems.
Keywords: Fatos circulares
Turbulência
Simulação das grandes escalas
Método pseudo-espectral
Circular jets
Turbulence
Large eddy simulations
Pseudo spectral method
Mecânica dos fluidos
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: MOREIRA, Leonardo de Queiroz. Modelagem matemática de jatos em desenvolvimento espacial usando a metodologia pseudoespectral de Fourier. 2011. 197 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14703
Issue Date: 12-Aug-2011
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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