Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48457
ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-0541-5224
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem computacional de escoamentos turbulentos utilizando a metodologia da fronteira imersa dos volumes fantasmas
Alternate title (s): Computational modeling of turbulent flows using the ghost-cell immersed boundary method
Author: Martini, João Emanuel Fermino
First Advisor: Silveira Neto, Aristeu da
First member of the Committee: Steffen Júnior, Valder
Second member of the Committee: Souza, Franciso José de
Third member of the Committee: Andrade, João Rodrigo
Fourth member of the Committee: Serfaty, Ricardo
Fifth member of the Committee: Souza, Leandro Franco de
Summary: 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.
Keywords: Fronteira Imersa
Immersed Boundary
Ferramenta Computacional
Computational Tool
MFSim
MFSim
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia mecânica
Fluidodinâmica computacional
Termodinâmica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.5015
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48457
Date of defense: 20-Feb-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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