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A standard line in the contemporary philosophical literature has it that physical theories are equivalent only when they agree on their empirical content, where this empirical content is often understood as being encoded in the equations of motion of those theories. In this article, we question whether it is indeed the case that the empirical content of a theory is exhausted by its equations of motion, showing that (for example) considerations of boundary conditions play a key role in the empirical equivalence (or otherwise) of theories. Having argued for this, we show that philosophical claims made by Knox (2011) that general relativity is equivalent to teleparallel gravity, and by Weatherall (2016) that electromagnetism in the Faraday tensor formalism is equivalent to electromagnetism in the vector potential formalism, can both be called into question. We then show that properly considering the role of boundary conditions in theory structure can potentially restore these claims of equivalence and close with some remarks on the pragmatics of adjudications on theory identity., Comment: preprint. fixed typos

The paper re-examines the principal methodological questions, arising in the debate over the cosmological standard model's postulate of Dark Matter vs. rivalling proposals that modify standard (Newtonian and general-relativistic) gravitational theory, the so-called Modified Newtonian Dynamics (MOND) and its subsequent extensions. What to make of such seemingly radical challenges of cosmological orthodoxy? In the first part of our paper, we assess MONDian theories through the lens of key ideas of major 20th century philosophers of science (Popper, Kuhn, Lakatos, and Laudan), thereby rectifying widespread misconceptions and misapplications of these ideas common in the pertinent MOND-related literature. None of these classical methodological frameworks, which render precise and systematise the more intuitive judgements prevalent in the scientific community, yields a favourable verdict on MOND and its successors -- contrary to claims in the MOND-related literature by some of these theories' advocates; the respective theory appraisals are largely damning. Drawing on these insights, the paper's second part zooms in on the most common complaint about MONDian theories, their ad-hocness. We demonstrate how the recent coherentist model of ad-hocness captures, and fleshes out, the underlying -- but too often insufficiently articulated -- hunches underlying this critique. MONDian theories indeed come out as severely ad hoc: they do not cohere well with either theoretical or empirical-factual background knowledge. In fact, as our complementary comparison with the cosmological standard model's Dark Matter postulate shows, with respect to ad-hocness, MONDian theories fare worse than the cosmological standard model., Comment: forthcoming in Studies in History and Philosophy of Science

Canonically, `classic' tests of general relativity (GR) include perihelion precession, the bending of light around stars, and gravitational redshift; `modern' tests have to do with, inter alia, relativistic time delay, equivalence principle tests, gravitational lensing, strong field gravity, and gravitational waves. The orthodoxy is that both classic and modern tests of GR afford experimental confirmation of that theory in particular. In this article, we question this orthodoxy, by showing there are classes of both relativistic theories (with spatiotemporal geometrical properties different from those of GR) and non-relativistic theories (in which the lightcones of a relativistic spacetime are `flattened') which would also pass such tests. Thus, (a) issues of underdetermination in the context of GR loom much larger than one might have thought, and (b) given this, one has to think more carefully about what exactly such tests in fact are testing.

Decades of research have established that while people’s performance suffers when they need to quickly switch between tasks, they can reduce these performance costs the more time they have to prepare. Two major theories have attempted to explain how people actively prepare for tasks over time, debating whether these task state transitions are discrete or gradual. We attempted to bring clarity to this debate by developing new statistical methods for single-trial modeling of task state transitions, which we use in a task that combines the strengths of cued and predictable task-switching. We found that participants’ behavior was best explained as a hybrid between discrete and gradual transitions. Over the preparation period, participants discretely transitioned from an unprepared state into a dynamic, increasingly prepared state. These findings provide a new account of cognitive flexibility, paving the way for mechanistic models of task-switching.

In this work, we propose a framework whereby flow imaging data is leveraged to extract relevant information from flowfield visualizations. To this end, a vision transformer (ViT) model is developed to predict the unsteady pressure distribution over an airfoil under dynamic stall from images of the flowfield. The network is capable of identifying relevant flow features present in the images and associate them to the airfoil response. Results demonstrate that the model is effective in interpolating and extrapolating between flow regimes and for different airfoil motions, meaning that ViT-based models may offer a promising alternative for sensors in experimental campaigns and for building robust surrogate models of complex unsteady flows. In addition, we uniquely treat the image semantic segmentation as an image-to-image translation task that infers semantic labels of structures from the input images in a supervised way. Given an input image of the velocity field, the resulting convolutional neural network (CNN) generates synthetic images of any corresponding fluid property of interest. In particular, we convert the velocity field data into pressure in order to subsequently estimate the pressure distribution over the airfoil in a robust manner.

Travelling-wave problems, due to their sizeable Kolmogorov n-width, have brought critical challenges to conventional model reduction techniques. This study aims to provide new insights into this problem by exploiting the Radon cumulative distribution transform (R-CDT) [1] emerged in the sector of computer vision science. The core lies in the unique property of the nonlinear in-vertible R-CDT that renders both travelling and scaling components into amplitude modulations. In contrast to the physical space, a substantial model-reduction is achieved in the R-CDT space while sustaining high accuracy. The method is parameter-free and data-driven that lends itself to problems regardless of the dimensions or boundary conditions. Examples start with one-dimensional Burger's equation subject to non-periodic boundary conditions, where both travelling and diffusion dominate the physics. Further in higher-dimensional problems, we show the model reduction of travelling Gaussian solitons. In addition to foreseeable motions, the proposed method is capable of handling random travelling with a non-differentiable trajectory.

Extremum seeking control (ESC) and its slope seeking generalization are applied in a high-fidelity flow simulation framework for reduction of acoustic noise generated by a NACA0012 airfoil. Two Reynolds numbers are studied for which different noise generation mechanisms are excited. For a low Reynolds number flow, the scattering of vortex shedding at the airfoil trailing edge produces tonal noise while, for a moderate Reynolds number case, boundary layer instabilities scatter at the trailing edge leading to noise emission at multiple tones superimposed on a broadband hump. Different control setups are investigated and they are configured to either find an optimal steady actuator intensity or an optimal position for a blowing/suction device. Implementation details are discussed regarding the control modules and design of digital filters., Comment: 39 pages, 32 figures

This work is motivated by CFD simulations from a realistic landing gear performed modeling only the half bottom of the aircraft fuselage [15]. Hence, in this previous analysis, the aeroacoustic predictions had to employ incomplete FWH surfaces. In the present study, a discussion on the closed surface requirement is provided for the frequency domain FWH formulation, although we believe that the approach presented here can also be applied for the time-domain methodology. We show that all sources computed on the closed permeable surface may play an important role if the acoustic prediction is sought at observer positions distributed along the entire circular arc. However, results obtained for 2D and 3D model problems show that, if wisely designed, a permeable FWH surface composed only by a finite patch, i.e., an incomplete surface, can be employed to accurately predict the noise at specific observer positions. In this case, the surface must be placed between the line of sight from the sources to the observers, for example, in flyover or sideline locations. In the current applications, results from finite surfaces agree with the expected values as long as the source magnitudes decay on elements distant from the true incident source, i.e., the airframe. Hence, in order for this approach to be valid, the sources cannot be truncated. The planar setup is beneficial in airframe noise applications since it avoids contamination by quadrupole sources crossing the boundaries and also may simplify the surface design., Comment: 12 pages, 9 figures

High-fidelity simulations are performed to study active flow control techniques for alleviating deep dynamic stall of a SD7003 airfoil in plunging motion. The flow Reynolds number is $Re=60{,}000$ and the freestream Mach number is $M=0.1$. Numerical simulations are performed with a finite difference based solver that incorporates high-order compact schemes for differentiation, interpolation and filtering on a staggered grid. A mesh convergence study is conducted and results show good agreement with available data in terms of aerodynamic coefficients. Different spanwise arrangements of actuators are implemented to simulate blowing and suction at the airfoil leading edge. We observe that, for a specific frequency range of actuation, mean drag and drag fluctuations are substantially reduced while mean lift is maintained almost unaffected, especially for a 2D actuator setup. For this frequency range, 2D flow actuation disrupts the formation of the dynamic stall vortex, what leads to drag reduction due to a pressure increase along the airfoil suction side, towards the trailing edge region. At the same time, pressure is reduced on the suction side near the leading edge, increasing lift and further reducing drag.

© 2017 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved. The critical role in surface reactions and heterogeneous catalysis of metal atoms with low coordination numbers, such as found at atomic steps and surface defects, is firmly established. But despite the growing availability of tools that enable detailed in situ characterization, so far it has not been possible to document this role directly. Surface properties can be mapped with high spatial resolution, and catalytic conversion can be tracked with a clear chemical signature; however, the combination of the two, which would enable high-spatial-resolution detection of reactions on catalytic surfaces, has rarely been achieved. Single-molecule fluorescence spectroscopy has been used to image and characterize single turnover sites at catalytic surfaces, but is restricted to reactions that generate highly fluorescing product molecules. Herein the chemical conversion of N-heterocyclic carbene molecules attached to catalytic particles is mapped using synchrotron-radiation-based infrared nanospectroscopy with a spatial resolution of 25 nanometres, which enabled particle regions that differ in reactivity to be distinguished. These observations demonstrate that, compared to the flat regions on top of the particles, the peripheries of the particles-which contain metal atoms with low coordination numbers-are more active in catalysing oxidation and reduction of chemically active groups in surface-anchored N-heterocyclic carbene molecules.

Thermonuclear burning of hydrogen on white dwarfs (WDs) is an inevitable occurence for accreting WDs in binary systems. After the onset of thermally-unstable nuclear burning, the WD rapidly expands and ejects much of its hydrogen-rich matter. Once it regains thermal equilibrium, it contracts and becomes a luminous source of supersoft X-rays. This supersoft phase can last anywhere from days (for novae on massive WDs) to millions of years (for persistent supersoft sources). In this dissertation, we explore how the supersoft phase of accreting WDs proceeds and what observations of it reveal about the underlying WD. We present stellar models of persistent supersoft sources and novae. We then use these models to explain the isothermal nature of the ejecta as observed in the radio. We also use these models to test the efficacy of g-modes excited in the burning layer as an explanation of observed oscillations in the supersoft phase of novae. While we find excited modes, their periods are too short to account for the observed oscillations.

Current design constraints have encouraged the studies of aeroacoustic fields around compressible jet flows. The present work addresses the numerical study of unsteady turbulent jet flows as a preparation for future aeroacoustic analyses of main engine rocket plumes. An in-house large eddy simulation tool is used in order to reproduce high fidelity results of compressible jet flows. The large eddy simulation formulation is written using a second order numerical scheme for a finite difference spatial discretization. Numerical simulations of perfectly expanded jets are performed and the results are compared to the literature. Dynamic mode decompositions (DMD) of the jet flow, using large size three-dimensional snapshots, are performed. Three variables are analyzed, namely, the velocity magnitude, the vorticity magnitude and the divergence of velocity. In particular, two frequencies are identified and they are linked to flow structures observed in experiments performed by other authors in the literature. The spatial shapes of the corresponding dynamic modes are also discussed CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

Current design constraints have encouraged the studies of aeroacoustics fields around compressible jet flows. The present work addresses the numerical study of subgrid scale modeling for unsteady turbulent jet flows as a preliminary step for future aeroacoustic analyses of main engine rocket plumes. An in-house large eddy simulation (LES) tool is developed in order to reproduce high fidelity results of compressible jet flows. In the present study, perfectly expanded jets are considered because the authors want to emphasize the effects of the jet mixing phenomena. The large eddy simulation formulation is written using the finite difference approach, with an explicit time integration and using a second order spatial discretization. The energy equation is carefully discretized in order to model the energy equation of the filtered Navier-Stokes formulation. The classical Smagorinsky model, the dynamic Smagorinsky model and the Vreman models are the chosen subgrid scale closures for the present work. Numerical simulations of perfectly expanded jets are performed and compared with the literature in order to validate and compare the performance of each subgrid closure in the solver. © 2016, American Institute of Aeronautics and Astronautics FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Fechado

The work contained in thesis represents our efforts towards a fundamental understanding of gold in the context of redox cycling. The use of late transition metals in catalysis typically relies on two or more readily accessible oxidation states for bond breaking and bond forming events. However, the heaviest coinage metal does not enjoy such a wealth of reactivity and has been comparatively unexplored.Chapter 1 summarizes the research by our group and others in advancing the concept of redox active gold catalysis. Two strategies that differ on the use sacrificial oxidants to affect catalysis are described, as well as our efforts to improve on the performance of bimetallic gold catalysts through a ligand design approach. A brief survey of fundamental reactivity of Au(I) towards oxidative addition is also presented, to provide context for our studies as described in the subsequent chapters.Chapter 2 describes our studies on the C(sp2)–C(sp2) reductive elimination of biaryls from Au(III). Low temperature NMR studies revealed and characterized an unexpectedly rapid process that is mechanistically distinct from previous studies on C(sp3)–C(sp3) reductive elimination from Au(III). In addition, our preliminary efforts towards the development of a gold-catalyzed biaryl cross-coupling were informed by these studies on reductive elimination.Chapter 3 focuses on our investigations of a photochemical oxidative addition of CF3I to Au(I) complexes. This type of transformation was initially described for the oxidation of phosphine-supported Au(I) alkyl complexes; however the use of phosphine-supported Au(I) aryl complexes allows for the isolation and characterization of organometallic Au(III) complexes containing the –CF3 moiety. These complexes are also capable of C(sp2)–CF3 bond forming reductive elimination upon halide abstraction at low temperature and represent a unique class of compound in this regard.Chapter 4 builds on the results from chapter 3 and focuses on the effects of halide ligands on the C(sp2)–CF3 reductive elimination from Au(III) at elevated temperature. A series of Au(III) complexes containing each member of the halide family (I, Br, Cl, and F) were prepared and the effects of these ancillary ligands on the selectivity of C(sp2)–CF3 vs. C(sp2)–X (X = halide) elimination from Au(III) were characterized. The selectivity can be tuned by choice of halide ligand, and this phenomenon is attributed to increasing Au–X bond strengths which correlate with an increase in selectivity for C(sp2)–CF3 elimination.

Agradecimentos: The authors acknowledge the financial support received from Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP, under grants No. 2014/10166-6, No. 2013/03413-4 and No. 2013/07375-0, and the financial support received from Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, under Grant No. 470695/2013-7. The authors also thank to Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São Paulo, CENAPAD-SP, for providing the computer resources for the numerical simulations under project 551. The authors also acknowledge Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES, for providing a MSc. scholarship to the first author Este artigo foi apresentado nos eventos Pan-American Congress on Computational Mechanics e Argentine Congress on Computational Mechanics Abstract: This work presents further results of the effects of trailing edge bluntness on airfoil tonal noise generation and propagation at low and moderate Reynolds numbers. Here, several simulations are conducted for a NACA 0012 airfoil at different free-stream Mach numbers. The effects of compressibility on sound generation and propagation are analyzed along with the effects of scattering by blunt trailing edges with different radii of curvature. Sound generation is computed by a hybrid method and an accurate two-dimensional direct calculation, and results are compared. The hybrid approach uses direct calculation for near-field source computations and the Ffowcs Williams-Hawkings equation as the acoustic analogy formulation. Numerical results show that the airfoil emits an intense "narrowband" tone and that a thicker trailing edge emits higher noise levels than a thinner one since the magnitude of quadrupole sources are larger for the thicker configuration. At moderate Reynolds numbers, several tonal peaks are superimposed on a broadband spectrum for the thinner trailing edge investigated. For the blunter trailing edge, a tonal noise spectrum is shown CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

Herein we report the mechanism of oxidative addition of CF3I to Au(I), and remarkably fast Caryl-CF3 bond reductive elimination from Au(III) cations. CF3I undergoes a fast, formal oxidative addition to R3PAuR' (R = Cy, R' = 3,5-F2-C6H4, 4-F-C6H4, C6H5, 4-Me-C6H4, 4-MeO-C6H4, Me; R = Ph, R' = 4-F-C6H4, 4-Me-C6H4). When R' = aryl, complexes of the type R3PAu(aryl)(CF3)I can be isolated and characterized. Mechanistic studies suggest that near-ultraviolet light (λmax = 313 nm) photoinitiates a radical chain reaction by exciting CF3I. Complexes supported by PPh3 undergo reversible phosphine dissociation at 110 °C to generate a three-coordinate intermediate that undergoes slow reductive elimination. These processes are quantitative and heavily favor Caryl-I reductive elimination over Caryl-CF3 reductive elimination. Silver-mediated halide abstraction from all complexes of the type R3PAu(aryl)(CF3)I results in quantitative formation of Ar-CF3 in less than 1 min at temperatures as low as -10 °C.

Agradecimentos: The authors gratefully acknowledge the partial support for this research provided by Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, under the Research Grants No. 309985/2013-7 and No. 470695/2013-7. This work is also supported by Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP, through a M.S. scholarship for the first author under the Research Grant No. 2013/12015-2. Additional support by FAPESP is provided under Grants No. 2013/07375-0 and No. 2013/03413-4. The computational resources provided by Centro Nacional de Supercomputação, CESUP, of Universidade Federal do Rio Grande do Sul, in Porto Alegre, are also gratefully acknowledged Abstract: The work presents comparative results between wall friction and pressure coefficient predictions from Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) computations in channel flows with an adverse pressure gradient created by a 2-D bump. Reynolds numbers range from Ret = 617 to 2000, based on the friction velocity at the channel inlet. LES produces very consistent results when compared to DNS or other highly resolved LES. Twoequation and seven-equation RANS models are found to correctly predict friction coefficients in zero and favorable pressure gradient regions, but they fail in regions of adverse pressure gradients. The Reynolds stress transport model shows a better performance when compared to two-equation eddy-viscosity models, particularly in the higher Reynolds number cases. However, none of the RANS models is able to capture the full physics of turbulence related with adverse pressure gradients. Such limitations seem to be related to the fact that these models do not correctly describe the evolution of the turbulent kinetic energy close to the walls in adverse pressure gradient regions CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

A multistage adaptive fast multipole method is used to accelerate the matrix-vector products arising from the Burton-Miller boundary integral equations, which are formed in a boundary element method. The present study considers the scattering of acoustic waves, generated by localized sources from bodies with rigid surfaces. Details on the implementation of a multistage adaptive fast multipole method are described for two and three-dimensional formulations. The code is verified through the solution of well documented test cases. The fast multipole method is tested for acoustic scattering problems of single and multiple bodies, and a discussion is provided on the performance of the method. Results for engineering problems with complex geometries, such as a multi-element wing, are presented in order to assess the implemented capability.

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A análise de componentes principais (do inglês Principal Components Analysis, PCA) tem sido amplamente utilizada na comunidade de fluidodinâmica para aplicações como identificação de estruturas coerentes em escoamentos, compressão de dados e construção de modelos de ordem reduzida. Entretanto, estes são tipicamente instáveis para casos cujos padrões possuem alta não linearidade, como ondas de choque e superfícies de contato, ou uma extensa faixa de escalas espaciais e temporais, como em escoamentos turbulentos. Dessa forma, a Análise de Componentes Principais de Kernel, KPCA, é um método promissor para superar os problemas anteriores, pois mapeia os dados não lineares a uma alta dimensão, transformando as fortes não linearidades em estruturas lineares neste espaço, utilizando funções de kernel. Assim, espera-se que os aspectos não lineares sejam incorporados nas bases do KPCA em menos modos para uma aproximação dos dados originais. Contudo, este método pode possuir custos computacionais altos (de memória e de processamento) para problemas de Mega Dados, portanto, aplicamos uma técnica de decomposição randômica no método, denominando-a: Randômica Análise de Componentes Principais de Kernel, RKPCA. Neste trabalho, investigamos a performance do KPCA, acurácia entre os dois métodos, KPCA e RKPCA. Além disso, aplicamos para ambos, PCA e KPCA, a reconstrução não linear em problemas de Shu-Osher e Ginzburg-Landau. No qual uma rede neural com Funções de Ativação de Base Radial, RN- RBF, é utilizada na reconstrução. Os resultados mostram que KPCA é uma técnica promissora Abstract: Principal Component Analysis, PCA, has been widely used in the community of fluid dynamics for applications such as analysis of coherent flow structures, data compression and construction of reduced-order models, ROMs. However, those are typically unstable for problems that present strong nonlinearities, such as shock waves and contact surfaces, or a broad range of temporal and spatial scales, in turbulent flows. Thus, Kernel Principal Components Analysis, KPCA, is a promising method for overcoming the previous issues since it maps the nonlinear data into a higher dimension, transforming its previous strong nonlinearities into linear structures, using kernel functions. One expects that nonlinear features are incorporated into the KPCA basis such that fewer modes are required for an approximation of the original data. However, this method might have higher computational coasts (memory and process) for Big Data problems,for that reason, we applied a randomized technique into the method, naming it as Randomized Kernel Principal Component Analysis, RKPCA. In this work, we investigate the perfomance of KPCA, the accuracy between both methods, KPOD and RKPOD. Also, we apply for both PCA and KPCA for the reconstruction of nonlinear solutions from a modified Shu-Osher shock tube problem and the Ginzburg-Landau equation. In which, a Radial Basis Function Neural Network, RBF-NN, is applied for the reconstructions and results show that the KPCA is a promising technique Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CAPES 88882.435253/2019-01

Orientador: William Roberto Wolf Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O início e a evolução do vórtice de estol dinâmico (DSV, do inglês dynamic stall vortex) são analisados por meio de simulações de grandes escalas de um aerofólio SD7003 em movimento de plunge periódico em um escoamento com número de Reynolds Re=60,000. Interações entre as instabilidades de Kelvin-Helmholtz que se propagam a montante e uma camada de cisalhamento formada no bordo de ataque do aerofólio desencadeiam a separação do escoamento. A primeira instabilidade parece estar relacionada com as ondas acústicas geradas no bordo de fuga devido ao desprendimento inicial de vórtices. Dois números de Mach do escoamento livre (M=0.1 e 0.4) são empregados para examinar as diferenças do escoamento devido às variações de compressibilidade. A existência de um tempo comum para as perturbações acústicas em ambos os escoamentos sugere uma possível invariância do número de Mach para o nascimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz. O aumento da compressibilidade, no entanto, induz flutuações mais precoces na direção da envergadura, maior tridimensionalidade do escoamento e um DSV mais fraco e difuso, que é formado mais a jusante do bordo de ataque e tem menor tempo de residência. Para melhor caracterizar o início do DSV, dois critérios empíricos são avaliados: o parâmetro de sucção do bordo de ataque (LESP, do inglês leading edge suction paramenter) e a altura da camada de cisalhamento normal à corda. Os resultados demonstram uma maior robustez deste último parâmetro com relação às variações do número de Mach. Uma decomposição modal, realizada tanto com a decomposição em modos dinâmicos (DMD) clássica quanto com sua variante multi-resolução (mrDMD), destaca as principais tendências e demonstra a capacidade do mrDMD de extrair estruturas do escoamento fisicamente significativas relacionadas ao início do estol. Essa caracterização detalhada da camada de cisalhamento pode ser usada para uma exploração sistemática de estratégias de controle de escoamentos para aerofólios não-estacionários. No presente trabalho, também realizamos simulações de grandes escalas (LES) para investigar a equivalência pitch-plunge de um aerofólio SD7003 submetido a movimentos de rampa constantes para um número de Reynolds Re=60,000. A equivalência é construída com base no ângulo de ataque efetivo geométrico de acordo com a teoria de aerofólios finos quasi-estacionários. Duas taxas de descida (ou pitch up/arfagem) são analisadas para diferentes números de Mach para se investigar os efeitos da compressibilidade na evolução do DSV. Durante o início do DSV e seu transporte ao longo da superfície do aerofólio, notáveis semelhanças são encontradas entre pitch e plunge em termos de topologia do escoamento, coeficientes aerodinâmicos e assinaturas de pressão na parede e coeficientes de atrit. No entanto, essa semelhanças cessam em condições de alto carregamento à medida que o DSV se torna mais suscetível às peculiaridades do movimento do aerofólio, manifestado por diferentes vórtices de borda de fuga (TEVs, do inglês trailing-edge vortices). O emprego uma correção para o efeito de cambagem aparente induzida por rotação presente no caso de pitching, que resulta da teoria de aerofólio fino quasi-estacionário, melhora a concordância entre pitch e plunge, no entanto, não é suficiente assimilar seus sistemas de ponta de fuga díspares. Os resultados também demonstram que o ângulo limite no qual a equivalência pitch-plunge permanece válida diminui para números de Mach mais altos. Por fim, propomos um framework em que os dados de simulações numéricas são aproveitados para extrair informações relevantes de visualizações experimentais. Para tanto, o bloco convolucional de uma rede InceptionV3 pré-treinada é utilizado para construir um modelo de regressão que vincula o mapa de coeficiente de pressão aos coeficientes aerodinâmicos do aerofólio. A rede neural convolucional (CNN, do inglês Convolutional Neural Network) resultante interpreta corretamente os atributos presentes na imagem do escoamento usada como entrada. Aspectos da generalização do modelo são discutidos e o desempenho do campo de velocidade como entrada para o modelo é avaliado. Os resultados mostram que a pressão é preferível à velocidade quando se trata de construir nosso modelo de regressão. No entanto, demonstramos que a velocidade pode ser usada para sintetizar qualquer quantidade física correspondente através de uma abordagem de tradução de imagem para imagem. Aqui, o mapeamento entre o campo de coeficiente de velocidade e pressão é usado como exemplo Abstract: The onset and evolution of the dynamic stall vortex (DSV) are analyzed by means of large eddy simulations (LES) of an SD7003 airfoil undergoing periodic plunging motion in a transitional Reynolds number flow Re=60,000. Interactions between upstream propagating Kelvin-Helmholtz instabilities and a shear layer formed at the leading edge trigger flow separation. The former appear to be related to acoustic waves scattered at the trailing edge due to initial vortex shedding. Two freestream Mach numbers (M=0.1 and 0.4) are employed to examine the flow differences due to compressibility variations. The existence of a common timing for the acoustic perturbations in both flows suggests a possible Mach number invariance for the birth of the Kelvin-Helmholtz instability. Increasing compressiblity, however, induces earlier spanwise fluctuations, higher flow three-dimensionality and a weaker and more diffuse DSV, which is formed further downstream of the leading edge and has lower residency time. In order to better characterize the onset of the DSV, two empirical criteria are assessed: the leading edge suction parameter (LESP) and the chord-normal shear layer height. Results demonstrate a higher robustness of the latter with respect to Mach number variations. Modal decomposition, performed with both the classical dynamic mode decomposition (DMD) and its multi-resolution variant (mrDMD), highlights key trends and demonstrates the capacity of the mrDMD to extract physically meaningful flow structures related to the stall onset. Such detailed characterization of the shear layer can be used for a systematic exploration of flow control strategies for unsteady airfoils. In the present work, we also perform LES to investigate the pitch-plunge equivalence of an SD7003 airfoil undergoing constant ramp motions at Reynolds number Re=60,000. The equivalence is constructed based on the geometric effective angle of attack according to the quasi-steady thin-airfoil theory. Two rates of descent (or pitch up) are analyzed for different Mach numbers in order to investigate the effects of compressibility on the evolution of the DSV. During the onset of the DSV and its transport along the airfoil surface, remarkable similarities are found between pitch and plunge in terms of flow topology, aerodynamic loads and signatures of wall pressure and friction coefficients. However, these flow similarities cease at high-load conditions as the DSV becomes more susceptible to the peculiarities of the airfoil motion, manifested here by different trailing-edge vortices (TEVs). Employing a correction for the rotation-induced apparent camber effect present in the pitching case, which results from the quasi-steady thin-airfoil theory, improves the agreement between pitch and plunge. However, it is not sufficient to assimilate their disparate trailing-edge systems. Results also demonstrate that the limit angle at which pitch-plunge equivalence remains valid decreases for higher Mach numbers. Finally, we propose a framework whereby numerical simulation data is leveraged to extract relevant information from experimental visualizations. To this end, the convolutional block of pre-trained InceptionV3 network is used to build a regression model that links the map of pressure coefficient to aerodynamic coefficients of the airfoil. The resulting convolutional neural network (CNN) correctly interprets the attributes present in the input flow image. Aspects of the generalization of the model are discussed and the performance of the velocity field as input is assessed. Results show that pressure is preferable to velocity when it comes to building our regression model. Nonetheless, we demonstrate that the velocity can be used to synthesize any corresponding physical quantity through an image-to-image translation approach. Here, the mapping between velocity and pressure coefficient field is used as example Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2017/10795-1

Orientadores: William Roberto Wolf, Diogo Berta Pitz Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O estudo de escoamentos cisalhantes com efeitos térmicos encontra diversas aplicações como na previsão do tempo, estudo de correntes oceânicas, trocadores de calor, refrigeração eletrônica, galvanoplastia, turbinas a gás, deposição química em fase vapor (CVD), entre outros. Em algumas dessas aplicações, como por exemplo em CVD, é preciso garantir um escoamento laminar para manter a qualidade do processo. Para investigar a influência térmica em escoamentos cisalhantes, uma abordagem usando estabilidade linear foi adotada neste trabalho. Esta análise permite a investigação de tais escoamentos incluindo suas respostas em relação a perturbações infinitesimais. A forma incompressível das equações de Navier-Stokes é empregada juntamente com a aproximação de Oberbeck-Boussinesq para modelar os escoamentos e, portanto, incluir efeitos de empuxo. Duas configurações de escoamento são estudadas, sendo elas o de Poiseuille-Rayleigh-Bénard (PRB), que é um escoamento em canal plano com gradiente de temperatura instavelmente estratificado, e o escoamento da camada limite de Blasius com efeitos térmicos, aqui chamado de camada limite com convecção mista. Para avaliar as propriedades de estabilidade dessas configurações em relação aos parâmetros do escoamento, são empregadas análises modais e não modais. A primeira metodologia consiste na solução de um problema de autovalor para obter as curvas neutras enquanto a segunda calcula o crescimento transiente e a análise resolvente e de entrada-saída. A análise do escoamento de PRB iniciou-se com a validação da formulação e dos métodos numéricos comparando os resultados obtidos com a literatura. Em seguida, foram realizadas as análises resolvente e de entrada-saída, fornecendo características semelhantes às obtidas para os estudos de crescimento transiente disponíveis na literatura. Os resultados apresentados sobre a camada limite com convecção mista são novos na literatura. Assim, uma validação inicial da formulação foi realizada para a camada limite de Blasius. Em seguida, foi realizado um estudo de malha para garantir a convergência da solução do problema de autovalor para o caso com convecção mista. Em seguida, são apresentados os resultados em termos de curvas neutras, crescimento transiente e mapas resolvente/entrada-saída. Para a camada limite com convecção mista, as flutuações de temperatura introduzem um novo mecanismo de amplificação de energia que é dominante para números de onda baixos. Na análise de entrada-saída do escoamento de PRB, verificou-se que a amplificação máxima ocorre para a velocidade na direção do escoamento. No entanto, para a camada limite com convecção mista, a amplificação máxima ocorre para a velocidade normal à parede Abstract: The study of shear flows with thermal effects finds several applications in weather prediction, study of ocean currents, heat exchangers, electronics cooling, electroplating, gas turbines, chemical vapor deposition (CVD), among others. In some of these applications, for example in CVD, one needs to ensure a laminar flow to keep the quality of the process. To investigate the thermal influence in shear flows, a linear stability approach was adopted in this work. This analysis allows the investigation of such flows including their response to infinitesimal disturbances. The incompressible form of the Navier-Stokes equations is employed together with the Oberbeck-Boussinesq approximation to model the present flows and, therefore, include buoyancy effects. Two different flow setups are studied: the Poiseuille-Rayleigh-Bénard (PRB) problem, which is a channel flow with an unstably stratified temperature gradient, and the Blasius boundary layer heated from below, here called mixed convection boundary layer. To assess the stability properties of these flow configurations with respect to critical parameters, modal and non-modal analyses are employed. The former consists in the eigenvalue solution to obtain the neutral curves while the latter computes the transient growth and the resolvent/input-output analysis. The PRB flow analysis started with the validation of the formulation and the numerical methods by comparing the obtained results with the literature. Then, the resolvent and input-output analyses were performed, providing similar features compared to those obtained for the transient growth studies available in the literature. The present mixed convection boundary layer results are novel. Hence, an initial validation of the formulation was performed for the isothermal Blasius boundary layer flow. Then, a mesh independence study was performed to ensure convergence of the eigenvalue solution for the mixed convection case. Then, results in terms of the neutral curves, transient growth and resolvent/input-output maps are presented. For the mixed convection boundary layer, the temperature fluctuations introduce a new energy amplification mechanism which is dominant for low wavenumbers. In the input-output analysis of the PRB flow, it was found that the maximum amplification occurs for the streamwise velocity. However, for the mixed convection boundary layer, the maximum amplification occurs for the wall-normal velocity Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CNPQ 131870/2020-3

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Uma metodologia numérica de baixo custo computacional é apresentada para o cálculo de espalhamento acústico em placas poro-elásticas de geometrias arbitrárias. O método de elementos de contorno, BEM, é aplicado para resolver a equação de Helmholtz submetida a condições de contorno relacionadas às vibrações estruturais da placa. Esta análise é realizada reescrevendo as condições de contorno do BEM em termos de uma base modal da placa poro-elástica que é calculada por uma ferramenta numérica que resolve o problema estrutural. A formulação atual permite uma solução direta do problema de interação fluido-estrutura completamente acoplado. A fim de acelerar a solução dos grandes sistemas lineares densos decorrentes da formulação BEM em problemas tridimensionais, um método de multipólos rápidos, FMM, com multi-níveis adaptativos de banda larga é empregado. Um estudo paramétrico é realizado para o espalhamento acústico de bordos de fuga para várias fontes acústicas, representativas de vórtices turbulentos não correlacionados ou de um jato turbulento não compacto. Os mecanismos físicos relacionados à redução de ruído devido à porosidade e elasticidade em frequências baixas e altas são discutidos. A redução de ruído pela combinação de porosidade e elasticidade com bordos de fuga enflexados e com extensões de serrilhados é investigada. As aplicações de espalhamento acústico também são apresentadas para aplicações aquáticas, onde as reduções de ruído são mais efetivas. Em geral, este trabalho mostra que as placas elásticas finitas são mais efetivas na redução do ruído espalhado para frequências mais altas. Por outro lado, a porosidade é mais eficaz na redução de ruído espalhado para frequências mais baixas. Os resultados demonstram que a elasticidade e a porosidade podem ser combinadas com bordos de fuga enflexados e com serrilhados no bordo de fuga para reduzir o ruído espalhado em um espectro mais amplo de freqüências para placas poro-elásticas. Diferentes configurações de interação fluido-estrutura são analisadas para placas com alongamentos baixos e altos. Uma avaliação do espalhamento acústico por placas isotrópicas metálicas e anisotrópicas de materias compósitos também é apresentada. Com a ferramenta numérica proposta, novos dispositivos podem ser projetados e otimizados para obter um espalhamento acústico mais eficiente para aplicações aéreas e aquáticas Abstract: We present a fast numerical framework for the computation of acoustic scattering by poro-elastic plates of arbitrary geometries. A boundary element method, BEM, is applied to solve the Helmholtz equation subjected to boundary conditions related to structural vibrations. This analysis is performed by rewriting the BEM boundary conditions in terms of a modal basis of the poro-elastic plate which is computed by a structural solver. The current formulation allows a direct solution of the fully coupled fluid-structure interaction problem. In order to accelerate the solution of the large dense linear systems arising from the BEM formulation in three-dimensional problems, a wideband adaptive multi-level fast multipole method, FMM, is employed. A parametric study is carried out for the trailing-edge scattering of sample acoustic sources, representative of either uncorrelated turbulent eddies or a non-compact turbulent jet. We discuss about the physical mechanisms related to the reduction of noise scattering due to porosity and elasticity at low and high frequencies. Noise reduction by the combination of porosity and elasticity with swept and serrated trailing edges is demonstrated. Applications of acoustic scattering are also shown for underwater applications, where the most effective noise reductions are obtained. Overall, it is shown that finite elastic plates are more effective in reducing the scattered noise at higher frequencies. On the other hand, porosity is more effective in reducing the radiated sound for lower frequencies. Results demonstrate that elasticity and porosity can be combined with trailing-edge sweep and serrations to reduce the scattered noise at a broad range of frequencies for poro-elastic plates. Different fluid-structure interaction configurations are analyzed for plates of low and high aspect ratios. We also present an assessment of noise scattering by isotropic metallic and anisotropic composite plates. With the current numerical framework, novel low-noise-emission devices can be designed for aerial and underwater applications Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 1581546 CNPQ

Orientadores: Flávio de Campos Bannwart, Sergio Adriani David Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As máquinas termoacústicas são geralmente consideradas ferramentas viáveis dentro do contexto de regeneração de energia. O modelo analítico mais usado para a propagação da onda de pressão em dispositivos termoacústicos é o desenvolvido por Nikolaus Rott, representado por uma equação diferencial linear de segunda ordem. Neste trabalho, propõe-se uma generalização da equação de Rott por meio do cálculo de ordem fracionária, ou não-inteira. Uma solução para a equação generalizada é proposta e verificada por simulações de motores termoacústicos, que indicam possíveis vantagens de uma ordem fracionária ajustável com dados experimentais, posto o fato que tal ordem possa cobrir não-linearidades e efeitos de complexidades geométricas geralmente observadas em plataformas de teste. Diferentes valores de ordem fracionária são testados e comparados tanto ao modelo de ordem inteira quanto aos dados de origem experimental Abstract: Thermoacoustic engines are often investigated as viable alternatives within the context of energy regeneration. The most widely analytical model for pressure wave propagation in thermoacoustic devices is the second order linear model developed by Nikolaus Rott. In this work, we propose a generalization of Rott's equation by means of the non-integer order calculus, or fractional calculus. A solution for this generalized equation is also proposed and verified by simulations of thermoacoustic engines, which indicate potential advantages of a fractional order adjustable with experimental data, as it may cover nonlinearities and effects of geometrical complexities usually observed in test rigs. Different values of fractional orders are tested and compared to both the integer order model and the experimental data Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca Dedini Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho possui como principal objetivo analisar a influência da variação da temperatura e, consequentemente, da viscosidade do fluido lubrificante sobre o comportamento de mancais axiais lubrificados de geometria fixa. Foi implementado numericamente, para isto, um modelo termohidrodinâmico (THD) baseado na resolução da Equação de Reynolds generalizada e da Equação de Energia através do Método dos Volumes Finitos (MVF), permitindo a obtenção da distribuição de pressão e da distribuição de temperatura ao longo do filme de óleo presente entre o mancal estacionário e o colar do eixo em movimento. Os resultados de capacidade de carga axial do mancal e o seu comportamento dinâmico, cuja análise é feita através dos coeficientes equivalentes de rigidez e amortecimento do lubrificante, são comparados com os resultados obtidos através de um modelo exclusivamente hidrodinâmico (HD), isotérmico e isoviscoso, previamente desenvolvido, buscando-se compreender o grau de influência da variação da temperatura na análise de mancais deste tipo. A influência de uma gama de parâmetros geométricos envolvidos, tais como comprimento angular da rampa e do segmento e inclinação da rampa, também é analisada, com o objetivo de se definir parâmetros geométricos ótimos do mancal que resultam em uma maior capacidade de carga axial. A influência de parâmetros de operação, tais como velocidade de rotação e espessura mínima de fluido, também é analisada. Resultados experimentais obtidos através de uma bancada de testes montada com um turbocompressor são utilizados para se validar os resultados do modelo implementado numericamente e analisar o comportamento de um sistema real capaz de funcionar a velocidades de rotação muito altas e sujeito a esforços axiais abruptos e elevados Abstract: The main aim of this work is to analyse the influence of the temperature variation and, as consequence, the viscosity variation of the lubricant fluid on the behaviour of lubricated fixed-geometry thrust bearings. For this purpose, a thermohydrodynamic (THD) model, based on the solution of the Generalized Reynolds¿ Equation and of the Energy Equation by use of a Finite Volume Method, was developed, enabling the calculation of both pressure and temperature distribution along the fluid film present between the stationary bearing and the rotating collar. The results of axial load capacity of the bearing and its dynamic behaviour, characterised by the equivalent stiffness and damping coefficients, are compared to the results obtained by a previously developed purely hydrodynamic (HD), isothermal and isoviscous model, with the objective of understanding the influence of the temperature variation on the analysis of this type of bearings. The influence of several geometric parameters, such as pad length, ramp length and slope of the ramp, is also analysed, with the objective of defining the optimum values that lead to a higher load capacity. Also, the influence of operating parameters as speed and minimum film thickness on the behaviour of the system is studied. Experimental results, obtained at a test rig mounted with a small turbocharger are used to validate the simulated results and analyse the behaviour of a real system, capable of supporting high speeds of rotation and severe and abrupt external loads Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Baseado na teoria de Amiet, esse trabalho propõe uma abordagem numérica para calcular a função de transferência aeroacústica para aerofólios de geometria realística. A funço de transferência aeroacústica relaciona a amplitude e fase de uma rajada periódica incidente a sua respectiva resposta de sustentação não-estacionária, permitindo, então, a aplicação da analogia de Curle para predição do ruído radiado. A presente metodologia é focada no problema de bordo de ataque de aerofólios, que ocorre quando se tem um escoamento turbulento incidindo sobre uma asa. Essa abordagem é válida para escoamentos subsônicos e asas de elevado alongamento sujeitas a rajadas periódicas tridimensionais com velocidade de traço supersônica no bordo de ataque (i.e., rajadas supercríticas). Ela também permite considerar o efeito de espalhamento secundário no bordo de fuga e, consequentemente, o efeito de aerofólios compactos. Esse trabalho propõe a aplicação iterativa do método de elementos de contorno para resolver numericamente o problema prescrito pela teoria de aerofólios linearizada no plano transformado de Prandtl-Glauert. Detalhes da implementação numérica são discutidos e incluem a aplicação de diferentes condições de contorno em cada passo do processo iterativo, o tratamento das derivadas numéricas na implementação da condição de Kutta e a representação acurada das singularidades presentes nos bordos de ataque e de fuga. O estudo valida a ferramenta numérica comparando os resultados com a teoria de Amiet obtida analiticamente para uma placa plana. Em seguida, efeitos de aerofólios realísticos no ruído são apresentados Abstract: Based on Amiet's theory formalism, we propose a numerical framework to compute the aeroacoustic transfer function of realistic airfoil geometries. The aeroacoustic transfer function relates the amplitude and phase of an incoming periodic gust to the respective unsteady lift response permitting, therefore, the application of Curle's analogy to compute the radiated noise. The methodology is focused on the airfoil leading-edge noise problem being able to also consider the trailing-edge back-scattering and, consequently, airfoil compactness effects. The approach is valid for compressible subsonic flows and the airfoil blade is assumed of large aspect ratio subjected to three-dimensional periodic gusts with supersonic velocity trace at the airfoil leading edge (i.e. supercritical gusts). This work proposes the iterative application of the boundary element method to numerically solve the boundary value problem prescribed by the linearized airfoil theory. Details of the numerical implementation are discussed and include the application of boundary conditions in different steps of the iterative procedure, treatment of derivatives in the implementation of the Kutta condition and accurate representation of singularities present at the leading- and trailing-edges. This study validates the numerical approach by comparing results with Amiet's theory obtained analytically. Subsequently, effects of realistic airfoil geometries on the leading-edge airfoil radiated noise are presented Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2015/19538-6

Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A O presente trabalho trata a respeito do problema aeroacústico presente em um escoamento complexo ocorrido dentro de um duto de ventilação e ar condicionado automotivo. O principal objetivo é investivar a geração de ruído em um escoamento turbulento em uma geometria por meio da utilização da Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Uma geometria simplificada de um duto de ar condicionado foi adotada como estudo de caso, uma vez que a mesma enfatiza os principais mecanismos de geração de ruído em escoamentos internos: regiões de descolamento e gradientes adversos de pressão e escoamento em torno de um obstáculo. Para as análises apresentadas, foram adotadas algumas hipóteses simplificadoras. Foram avaliadas as influências de dois diferentes esquemas de discretização (SOU e CDS) no contexto de simulações DES (\emph{Detached Eddy Simulation}). Comparações foram realizadas com resultados experimentais disponíveis na literatura, em que os campos do escoamento e os níveis de pressão sonora (NPS) apresentaram concordância satisfatória com a física do problema. As simulações numéricas foram realizadas no UNSCYFL3D, código desenvolvido na Universidade Federal de Uberlândia. Por meio dos resultados encontrados neste trabalho obtem-se as técnicas e conjuntos de parâmetros para este tipo de problema, bem como a utilização de esquemas apropriados para a aeroacústica em simulações DES em dutos de ar condicionado e ventilação. The present research deals with the aeroacoustic problem in a complex flow inside an HVAC (Heating and Ventilation Air-Conditioning) system. This work aims to investigate the flow-induced noise generation in a turbulent pipe flow by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). A simplified HVAC geometry was adopted as a benchmark case. This geometry represents the main noise sources: pressure driven flow and flow around an obstacle. In order to develop the present analysis and to find the most accurate approach for this application, we evaluated different advective discretization schemes in the context of DES (Detached Eddy Simulation). Comparisons are established with experimental data of benchmark cases, for which gauge pressure in specific regions, sound pressure level and velocity fields are evaluated. Simulations are carried out using an in-house code, i.e. UNSCYFL3D, which was developed at the Federal University of Uberlândia. By means of this work, we were able to find the most accurate setup parameters for such a problem. Reynolds Averaged Navier-Stokes turbulence models did not yield satisfactory results, whereas the Detached Eddy Simulation (DES) was found to produce much more accurate results, obviously at a higher computational cost. It is concluded that DES, along with the central difference scheme for the advection, is a viable approach for computational aeroacoustics of HVAC ducts. Dissertação (Mestrado)

Orientadores: Christian Rodolfo Esteve Rothenberg, Leandro Martinez Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A computação em nuvem tem se tornado mais frequente nas empresas e universidades, principalmente devido ao fato da nuvem computacional ser mais facilmente administrada uma vez que seu ambiente esteja devidamente configurado. Entretanto, há resistência na implantação de ambientes de computação de alto desempenho em nuvem e isso pode estar associado ao fato da nuvem precisar de um hypervisor para a administração das máquinas virtuais, resultando em uma perda de desempenho causado pela camada de virtualização. Por outro lado, as tecnologias de virtualização estão em constante avanço, tornando essa perda de desempenho menor com o passar dos anos. Sendo assim, este trabalho faz uma análise do desempenho de aplicações paralelas, utilizando benchmarks e aplicações paralelas através de um estudo de caso voltado principalmente à aplicações da área da físico-química, visando testar a infraestrutura voltada à computação de alto desempenho, avaliar as características dos hypervisors XenServer e KVM com o propósito de comparar o desempenho de cada ambiente e identificar o hypervisor com o melhor desempenho a ser utilizado na criação de um ambiente de computação de alto desempenho virtualizado Abstract: Cloud computing has become increasingly common in companies and universities. This happened because cloud computing has made management easier once your environment has been completely configured. However, there is resistance in deploying high-performance cloud computing environments and it is associated with the fact that the cloud needs a hypervisor to manage the virtual machines. It results in a performance loss caused by the virtualization layer. On the other hand, virtualization technologies are constantly advancing and make the performance loss smaller over the years. Therefore, this work makes an analysis of the performance of parallel applications, using benchmarks and parallel applications and a case study focused on applications in the area of physical chemistry, aiming to test the infrastructure aimed at high performance computing and evaluate the characteristics of the hypervisors XenServer and KVM to compare the performance of each environment and identify the hypervisor with the best performance to be used in the creation of a high performance virtualized computing environment Mestrado Engenharia de Computação Mestre em Engenharia Elétrica CAPES 001 FAPESP 2013/08293-7

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Simulações de grandes escalas com resolução de parede são realizadas com o objetivo de investigar escoamentos turbulentos e estruturas coerentes empregando ferramentas estatísticas. Os estudos são conduzidos empregando-se o aerofólio NACA0012 com números de Reynolds Rec = 200.000$ e 800.000 para um ângulo de ataque 5º e número de Mach M = 0.115. As simulações são resolvidas considerando duas malhas sobrepostas que permitem resoluções adequadas tanto da camada limite, quanto da esteira aerodinâmica. Métodos compactos de alta ordem para diferenciação, interpolação e filtragem são empregados na solução dos escoamentos e uma metodologia de tripping aleatório é proposta para transicionar a camada limite. Propriedades do escoamento como o parâmetro de Rotta-Clauser, espessura da camada limite, fator de forma, perfis de velocidade média e tensões de Reynolds, e coeficientes de atrito e pressão são apresentados. A técnica de decomposição ortogonal própria (POD) também é empregada com diferentes normas para o cálculo da matriz de covariância em duas regiões do escoamento: a esteira e a camada limite no extradorso do aerofólio. Na esteira, estruturas bidimensionais altamente correlacionadas com a norma de flutuações de velocidade normais ao escoamento são observadas, sendo estas responsáveis por geração de ruído tonal. Na camada limite streaks são identificados pela norma de flutuações de velocidade na direção do escoamento. A técnica de POD foi empregada para reconstruir o campo de flutuações do escoamento com diferentes quantidades de energia com o objetivo de verificar o papel das estruturas coerentes nas estatísticas do campo de flutuações. Neste caso, analisou-se as tensões de Reynolds, anisotropia do escoamento, as trajetórias no triângulo de Lumley, balanços de energia cinética turbulenta, gráficos de dispersão e funções densidade de probabilidade para se analisar o papel dos streaks nos escoamentos investigados Abstract: Large eddy simulations with wall resolution are performed with the objective of investigating turbulent flows and coherent structures using statistical tools. The studies are conducted using the NACA0012 airfoil with Reynolds numbers Rec = 200,000 and 800,000 for an angle of attack 5º and Mach number M = 0.115. The simulations are solved considering two overlapping meshes that allow an adequate resolution of both the boundary layer and aerodynamic wake. High-order compact schemes for differentiation, interpolation and filtering are employed in the solution of the flows and a random tripping methodology is proposed to transition the boundary layer. Flow properties such as the Rotta-Clauser parameter, boundary layer thickness, shape factor, mean velocity profiles and Reynolds stresses, besides friction and pressure coefficients are presented. The proper orthogonal decomposition (POD) technique is also used with different norms for calculating the covariance matrix in two flow regions: the wake and the suction side boundary layer. Along the wake, two-dimensional structures highly correlated with the v-velocity norm are observed and these structures are responsible for tonal noise generation. In the boundary layer, streaks are identified by the norm of u-velocity fluctuations. The POD technique was used to reconstruct the flow fluctuation field with different percentages of energy in order to verify the role of coherent structures in the statistics of the fluctuation field. In this case, Reynolds stresses, flow anisotropy, the trajectories along the Lumley triangle, turbulent kinetic energy balances, scatter plots and probability density functions were analyzed to understand the role of streaks in the present turbulent flows Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 88882.435241/2019-01

Orientador: Marcelo Souza de Castro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os escoamentos multifásicos, como escoamentos bifásicos líquido-líquido e trifásicos gás-líquido-líquido, estão presentes em diversos processos industriais, sendo de grande interesse para a indústria de petróleo. Estes escoamentos possuem diferentes características e podem assumir diferentes padrões de escoamento que são as distribuições geométricas das diferentes fases na seção transversal. Tais escoamentos são estudados de forma experimental, teórica e, mais recentemente, por simulação numérica. Embora os estudos com simulação de escoamento bifásico e trifásico utilizando de técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD na sigla em inglês) sejam escassos na bibliografia, alguns trabalhos com simulações numéricas em escoamentos bifásicos óleo-água vem relatando resultados satisfatórios. No entanto, diferentes modelos e hipóteses são empregados e testados pelos pesquisadores, de maneira que neste trabalho foram observados resultados diferentes com a variação de abordagens utilizadas. Com isso, ainda existem dúvidas sobre as melhores hipóteses e abordagens para se construir e simular os escoamentos bifásicos líquido-líquido. Assim, este trabalho se propôs realizar estudos comparativos de simulações numéricas de escoamentos bifásicos óleo-água em tubulações horizontais, buscando encontrar e propor as configurações ideias para a simulação desses escoamentos. Para isso, foram realizadas simulações variando configurações e esquemas, sendo empregado o software OpenFOAM, no qual foram utilizados os solver multiphaseEulerFoam e interFoam, além desses, também se realizou simulações com software Ansys-Fluent. Os resultados foram comparados com dados experimentais, sendo verificados diferentes resultados com as diferentes abordagens utilizadas, de maneira que sugestões e configurações bases puderam ser sugeridas. Uma segunda parte do estudo é relacionada a simulação de escoamentos trifásicos óleo-água-ar em tubulações horizontais de três polegadas, onde o conhecimento obtido com os casos líquido-líquido foram empregados e adaptados. Com isso, os resultados das simulações dos casos trifásicos foram comparados com os experimentais e se mostram positivos Abstract: Multiphase flows, such as two-phase liquid-liquid and three-phase gas-liquid-liquid flows, are present in several industrial processes, being of great interest to the oil industry. These flows have different characteristics and can assume different flow patterns, which are the geometric distributions of the different phases in the cross section. Such flows are studied experimentally, theoretically and, more recently, by numerical simulation. Although studies with simulation of two-phase and three-phase flow using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are scarce in the bibliography, some studies with numerical simulations in two-phase oil-water flows have reported satisfactory results. However, different models and hypotheses are employed and tested by the researchers, so that in this work different results were observed with the variation of approaches used. Thus, there are still doubts about the best hypotheses and approaches to build and simulate two-phase liquid-liquid flows. Thus, this work proposed to carry out comparative studies of numerical simulations of two-phase oil-water flows in horizontal pipes, seeking to find and propose the ideal configurations for the simulation of these flows. For this, simulations were carried out varying configurations and schemes, using the OpenFOAM software, in which the multiphaseEulerFoam and interFoam solvers were used, in addition to these, simulations were also carried out with Ansys-Fluent software. The results were compared with experimental data, and different results were verified with the different approaches used, so that suggestions and basic configurations could be suggested. A second part of the study is related to the simulation of three-phase oil-water-air flows in three-inch horizontal pipes, where the knowledge obtained from the liquid-liquid cases were used and adapted. With that, the results of the simulations of the three-phase cases were compared with the experimental ones and proved to be positive Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica Funcamp

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. Resumo: Uma análise de modelos de ordem reduzida obtidos por técnicas de projeção é apresentada neste trabalho visando aplicações em escoamentos não-estacionários. A redução de ordem é realizada por meio da decomposição ortogonal própria (POD, do inglês proper orthogonal decomposition) e os modelos são relacionados às equações governantes pelos métodos de Galerkin e Petrov-Galerkin. Uma redução adicional dos custos computacionais é possível através da aplicação de hiper-redução que, neste trabalho, é realizada pelo método guloso de estimativa de ponto faltante acelerado. Além disso, estratégias de modelagem de fechamento baseadas em dados são discutidas. Estas são baseadas na minimização do erro dos modos temporais de POD e podem requerer regularização. Além disso, os coeficientes de fechamento podem ser lineares ou não-lineares. Os métodos são testados em escoamentos incompressíveis e compressíveis envolvendo uma disparidade de escalas espaciais e temporais. Os escoamentos incompressíveis tratam da transferência de calor por convecção em cavidades retangulares e uma comparação com modelos baseados somente em dados é fornecida. Nos casos compressíveis, escoamentos sobre aerofólios são analisados em regimes subsônicos e supersônicos. Além disso, um caso de aerofólio em movimento de plunge periódico em estol dinâmico profundo também é examinado. Os modelos de escoamentos compressíveis são construídos utilizando uma formulação não-conservativa das equações de Navier-Stokes devido aos termos não-lineares quadráticos que surgem nos operadores espaciais. Observou-se que os modelos de ordem reduzida baseados em projeção são geralmente capazes de obter soluções estáveis e acuradas para problemas de escoamentos complexos. Para isso, os modelos necessitam de técnicas de fechamento para funcionar adequadamente quando integrados temporalmente por longos períodos Abstract: An analysis of projection-based reduced order models (ROMs) applied to unsteady flows is presented in this work. Order reduction is performed through proper orthogonal decomposition (POD) and models are tied to the governing equations using Galerkin and least-squares Petrov-Galerkin (LSPG) methods. Further cost reduction is made possible using hyper-reduction which, in this work, is performed by the accelerated greedy missing point estimation (MPE) method. Additionally, data-driven closure modeling strategies are discussed. These are based on the error minimization of the POD temporal modes and may require regularization. Also, closure coefficients can be either linear or non-linear. Methods are tested on incompressible and compressible flow problems involving a disparity of spatial and temporal scales. The incompressible flows consist of convective heat transfer in rectangular cavities and a comparison to data-driven ROMs is provided. For compressible flows, airfoils provide the necessary motivation and are studied in both subsonic and supersonic regimes. Furthermore, a more challenging periodically plunging airfoil undergoing deep dynamic stall problem is also examined. All compressible flow ROMs use a non-conservative form of the compressible Navier-Stokes equations motivated by the quadratic non-linearity of the spatial operators. Summarily, projection-based ROMs are generally capable of obtaining stable and accurate models for complex flow problems but may require closure techniques to perform adequately for long-term temporal integration Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2018/11410-9; 2019/18809-7 CNPQ 407842/2018-7

Orientador: William Roberto Wolf Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Previsões de ruído de configurações de trem de pouso são obtidas combinando simulações de alta fidelidade e analogia acústica de Ffowcs Williams e Hawkings (FWH). Diferentes geometrias são investigadas, incluindo o modelo em escala LAGOON e um trem de pouso realístico em escala real. A previsão aeroacústica de sistemas complexos depende da habilidade da malha e dos métodos numéricos para resolver importantes características de fluxo. Nesse sentido, ambas as geometrias são estudadas primeiro com uma resolução de malha mais grossa. Com o conhecimento adquirido na avaliação inicial, uma malha com discretização mais fna é utilizada para melhorar a precisão numérica. Assim, melhores soluções do campo de flutuação e mecanismos de geração de ruído são alcançadas. Os resultados são apresentados em termos de campos médios e de flutuação, bem como previsões de ruído utilizando a formulação de Ffowcs Williams e Hawkings. O trem de pouso LAGOON é investigado com dois objetivos distintos. Primeiramente, para a validação tanto as ferramentas numéricas como a metodologia empregada neste trabalho, visto que esta configuração tem uma extensa base de dados experimental e numérica disponível na literatura. Em segundo lugar, apesar de ser um modelo de trem de pouso, essa configuração apresenta as mesmas tendências de geometrias mais complexas. Portanto, o conhecimento desse caso pode ser aplicado para a segunda configuração, mais complexa. Para o trem de pouso realístico, duas configurações com diferentes níveis de fidelidade são estudadas, incluindo uma versão simplificada, onde os componentes de pequena escala são removidos, e a versão completa, incluindo todos os componentes. Com os resultados de ambas as configurações, é possível investigar o papel dos componentes de menor escala na geração de ruído. Isso é importante para entender se a configuração simplificada pode capturar toda a física relevante mesmo com um custo reduzido. A identificação e análise de fontes de ruído são realizadas aplicando analogias acústicas a componentes individuais do trem de pouso para identificar potenciais fontes de ruído tonal. Em seguida, uma decomposição modal é aplicada para identificar estruturas hidrodinâmicas coerentes responsáveis pela geração de ruído tonal por diferentes componentes, incluindo o pino para reboque, cavidades das rodas e compartimento do trem de pouso. Este procedimento visa melhorar a capacidade de realizar previsões numéricas de ruído e identificação da fonte de configurações complexas deve fornecer os meios para o projeto de aeronaves com emissões de ruído reduzidas Abstract: Noise predictions of landing gear configurations are obtained combining high-fidelity CFD simulations and the Ffowcs Williams and Hawkings (FWH) acoustic analogy. Different geometries are investigated, including the scale-model LAGOON and a full-scale realistic landing gear. The aeroacoustic prediction of such a complex aeronautical system depends on the ability of the mesh and numerical methods to resolve important flow features. In this sense, both geometries are first studied with a baseline grid. With the knowledge acquired from this initial assessment, a second grid with finer discretization is designed to improve numerical accuracy. Hence, better solutions of the fluctuation fields and noise generation mechanisms are achieved. Results are presented in terms of time-averaged and unsteady hydrodynamic data and noise predictions, the latter computed using the Ffowcs Williams and Hawkings formulation. The LAGOON landing gear is investigated for two reasons. First, it presents an extensive experimental and numerical database available in the literature and it is an important milestone for validation of the numerical tools and methodology employed in this work. Second, despite being a model landing gear, this configuration presents a rich flow physics with the same trends observed in more complex geometries. Hence, the knowledge from this case can be applied to the second, more complex, configuration. For the realistic landing gear, two setups with different levels of fidelity are analyzed. One is a simplified setup, where small components are removed, and the other is a full complexity setup including all geometrical features. With results from both cases, it is possible to investigate the role of small scale components on the flow dynamics and noise generation. It is important to understand if the simplified configuration can capture all the relevant physics compared to the full complexity one, but at a reduced computational cost. The identification and analysis of noise sources is performed by applying acoustic analogies to individual components of the landing gear to identify potential sources of tonal noise. Then, proper orthogonal decomposition is applied to identify mechanisms of noise generation at specific frequencies. It is shown that turbulent coherent structures are responsible for tonal noise generation by different components, including the towing link, wheel cavities and landing gear compartment. For the external cavity of the wheel, a Rossiter mode is excited and leads to resonance. Improving the capability to perform numerical noise predictions and source identification of complex configurations should provide the means to design aircraft with reduced noise emissions Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CNPQ 140091/2018-1 FAPESP 2018/11835-0

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Uma metodologia numérica para construção de modelos de ordem reduzida, ROMs, de escoamentos de fluidos através da combinação de decomposição modal de escoamentos e análise de regressão é apresentada. A decomposição espectral ortogonal própria, SPOD, é aplicada para reduzir a dimensionalidade do modelo e, ao mesmo tempo, filtrar os modos temporais de POD. A etapa de regressão é realizada por uma rede neural profunda, DNN, para obter um sistema de equações diferenciais ordinárias, EDOs, que representam a dinâmica dos modos temporais de POD. A metodologia numérica é implementada em um contexto semelhante ao algoritmo de identificação esparsa de sistemas não-lineares, SINDy. Uma discussão sobre a otimização dos hiperparâmetros da DNN é fornecida para obter os melhores ROMs e uma avaliação desses modelos é apresentada para um oscilador não linear e um escoamento compressível ao redor de um cilindro. Em seguida, o método é testado na reconstrução de um escoamento turbulento obtido por uma simulação de grandes escalas de um aerofólio em condição de estol dinâmico. O modelo de ordem reduzida é capaz de capturar a dinâmica do vórtice de estol sobre o extradorso do aerofólio. Para os casos analisados, a abordagem numérica permite a predição dos campos de escoamento além da janela de treinamento, utilizando incrementos de tempo maiores que os empregados pelo modelo de ordem completa. Demostrou-se também a robustez dos ROMs obtidos através de redes neurais profundas por meio de uma comparação com os métodos de regressão esparsa. A abordagem usando DNNs é capaz de aprender características transientes do escoamento, além de apresentar previsões de longo prazo mais acuradas e estáveis em comparação com o algoritmo SINDy Abstract: A numerical methodology for construction of reduced order models, ROMs, of fluid flows through the combination of flow modal decomposition and regression analysis is presented. Spectral proper orthogonal decomposition, SPOD, is applied to reduce the dimensionality of the model and, at the same time, filter the POD temporal modes. The regression step is performed by a deep feedforward neural network, DNN, in order to obtain a system of ordinary differential equations, ODEs, which represents the dynamics of POD temporal modes. The current framework is implemented in a context similar to the sparse identification of non-linear dynamics algorithm, SINDy. A discussion on the optimization of the DNN hyperparameters is provided for obtaining the best ROMs and an assessment of these models is presented for a canonical nonlinear oscillator and the compressible flow past a cylinder. Then, the method is tested on the reconstruction of a turbulent flow computed by a large eddy simulation of a plunging airfoil under dynamic stall. The reduced order model is able to capture the dynamics of the leading edge stall vortex and the subsequent trailing edge vortex. For the cases analyzed, the numerical framework allows the prediction of the flowfield beyond the training window using larger time increments than those employed by the full order model. We also demonstrate the robustness of the current ROMs constructed via deep feedforward neural networks through a comparison with sparse regression. The DNN approach is able to learn transient features of the flow and presents more accurate and stable long-term predictions compared to the SINDy algorithm Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CNPQ 131988/2018-2

Orientadores: William Roberto Wolf, João Luiz Filgueiras de Azevedo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O desenvolvimento de escoamentos turbulentos na presença de paredes ocorre tanto em aplicações industriais quanto na natureza. Essa classe de escoamentos turbulentos possui grandes diferenças comparando-se com turbulência livre e os avanços em técnicas experimentais e poder computacional estão permitindo entender mais profundamente sobre as estruturas turbulentas encontradas em tais escoamentos. Neste trabalho, estudamos escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis em canais utilizando a técnica de simulação de grandes escalas. Escoamentos incompressíveis em canais com variações de forma são estudados com o propósito de se entender os efeitos de variação de gradiente de pressão e curvatura na formação de instabilidades de streaks. Além disso, os efeitos de variação de forma na anisotropia do escoamento também são investigados através de uma análise dos invariantes to tensor de Reynolds e do balanço espectral de energia cinética turbulenta. Escoamentos supersônicos em canais lisos também são analisados com o intuito de se compreender os efeitos de compressibilidade e número de Reynolds na turbulência e a importância dos modos hidrodinâmicos, térmicos e acústicos nas estruturas turbulentas coerentes. Para isso, uma análise dos efeitos de velocidade de advecção de estruturas de velocidade e propriedades termodinâmicas é apresentada. Finalmente, técnicas de análise modal são aplicadas para investigar a física das estruturas coerentes em escoamentos supersônicos na presença de paredes para diferentes números de Mach e Reynolds Abstract: The development of turbulent flows in the presence of walls occurs in both industrial and nature applications. This class of turbulent flows has great differences when compared to free turbulence and the advances in experimental techniques and computational power allow a deeper understanding of the turbulent structures found in such flows. In this work, we study incompressible and compressible turbulent flows in channels using the large eddy simulation technique. Incompressible flows in channels with shape modifications are studied in order to understand the effects of pressure gradient variations and curvature in the formation of streak instabilities. In addition, the effects of shape variation on flow anisotropy are also investigated through an analysis of the anisotropic Reynolds stress tensor invariants and the turbulent kinetic energy spectral balance. Supersonic flows over smooth channels are also analyzed in order to understand the effects of compressibility and Reynolds number on turbulence and the importance of the hydrodynamic, thermal and acoustic modes in the coherent turbulent structures. This analysis is performed through an assessment of the advection velocities of the velocity components and thermodynamic properties in different regions of the boundary layer. Finally, flow modal decomposition techniques are applied to investigate the physics of coherent structures in supersonic wall-bounded flows for different Mach and Reynolds numbers Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/07623-6; 2016/03985-6

Orientador: Rafael Gabler Gontijo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho são realizadas simulações por Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) de um escoamento de Poiseuille plano de um ferrofluido sob a ação de um campo magnético uniforme aplicado. Uma metodologia numérica original para calcular campos magnéticos e hidrodinâmicos é proposta, incluindo uma discussão importante sobre uma região de entrada de magnetização identificada. Três modelos de magnetização diferentes são considerados para calcular o campo de magnetização. Esses modelos são implementados e validados por meio de diferentes abordagens, incluindo uma teoria assintótica desenvolvida neste manuscrito. As discrepâncias obtidas entre os resultados dados pelos diferentes modelos são fisicamente discutidas e interpretadas por meio das escalas de tempo do problema. Um intrincado equilíbrio entre diferentes mecanismos físicos é identificado e parece ser responsável por um comportamento difusivo do campo de magnetização. Esse equilíbrio é regido por uma competição entre a vorticidade do escoamento e os mecanismos de relaxação magnética, o que leva à proposição de um coeficiente difusivo de magnetização equivalente. Além disso, mostra-se que a combinação de três diferentes escalas de tempo rege a dinâmica do desequilíbrio da magnetização: a escala de tempo difusiva Browniana, uma hidrodinâmica (convectiva) e uma escala de tempo magnética controlável associada à intensidade do campo magnético aplicado. Os resultados obtidos indicam a possibilidade de se controlar o desenvolvimento do campo de magnetização do fluxo por meio do campo magnético aplicado, da distribuição do tamanho das partículas, da concentração do fluido e da vazão. Inúmeros resultados relativos ao escoamento totalmente desenvolvido também são apresentados, incluindo perfis de magnetização e ângulos entre o campo aplicado ???? e o campo de magnetização ????. Além disso, um perfil de magnetização contínua para o fluxo totalmente desenvolvido é reconstruído usando uma abordagem de dinâmica de Langevin discreta para as partículas magnéticas. As simulações dinâmicas discretas de Langevin de uma coleção de partículas interagindo magneticamente leva em consideração as interações de longo alcance às quais as partículas estão sujeitas. Assim, as partículas interagem magneticamente com um campo magnético externo aplicado e com elas mesmas através de seus momentos dipolares magnéticos, além de estarem sujeitas a flutuações Brownianas devido ao seu pequeno tamanho. Nesta metodologia, os valores de vorticidade local extraídos das simulações CFD são usados ??como entrada para as simulações numéricas discretas, que consideram uma suspensão coloidal submetida a um escoamento Couette local. Supõe-se que os momentos dipolares das partículas magnéticas são fixos a si mesmas, o que significa que giram ao longo da velocidade angular da partícula sem atraso. Para tanto, a rotação de partículas, promovida tanto por torques Brownianos quanto magnéticos, também é explorada nas simulações discretas, uma vez que a resposta de magnetização da suspensão está estritamente relacionada ao movimento rotacional das partículas. As equações que governam o movimento de partículas magnéticas suspensas em um fluido viscoso são resolvidas por simulações numéricas diretas em diferentes cenários físicos. Em geral, uma concordância muito boa entre os perfis de magnetização contínua e discreta foi obtida Abstract: In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of a ferrofluid plane Poiseuille flow under the action of a uniform applied magnetic field are performed. An original numerical methodology to compute magnetic and hydrodynamic fields is proposed, including an important discussion regarding an identified magnetization entrance region. Three different magnetization models are considered in order to compute the magnetization field. These models are implemented and validated through different approaches, including an asymptotic theory developed in this manuscript. The obtained discrepancies between the results given by the different models are physically discussed and interpreted by means of the problem¿s timescales. An intricate balance between different physical mechanisms is identified and it seems to be responsible for a diffusive-like behavior of the magnetization field. This balance is ruled by a competition between the flow¿s vorticity and magnetic relaxation mechanisms, which leads to the proposition of an equivalent diffusive coefficient of magnetization. In addition, it is shown that the combination of three different timescales rules magnetization non-equilibrium dynamics: the Brownian diffusive timescale, a (convective) hydrodynamic and a controllable magnetic timescale associated with the intensity of the applied magnetic field. The obtained results indicate towards the possibility of ontrolling the development of the flow¿s magnetization field by means of the applied magnetic field, size distribution of the particles, concentration of the fluid and flow rate. Numerous results regarding the fully developed flow are also presented, including magnetization profiles and angles between the applied field ???? and the magnetization field ????. In addition, a continuous magnetization profile for the fully developed flow is reconstructed by using a discrete Langevin dynamics approach for the agnetic particles. The discrete Langevin dynamics simulations of a collection of magnetically interacting particles takes into consideration long-range interactions to which the particles are subjected to. Hence, the particles interact magnetically with an external applied magnetic field and with themselves through their magnetic dipole moments, besides being subjected to Brownian fluctuations due to their small size. In this methodology, local vorticity values extracted from the CFD simulations are used as an input for the discrete numerical simulations, which consider a colloidal suspension subjected to a local Couette flow. It is assumed that the dipole moments of the magnetic particles are fixed to themselves, meaning they rotate along the particle¿s angular velocity without delay. For this purpose, particle rotation, promoted both by Brownian and magnetic torques, is also explored in the discrete simulations, since the suspension¿s magnetization response is strictly related to the particles¿ rotational movement. The equations governing the motion of magnetic particles suspended in a viscous fluid are solved by direct numerical simulations under different physical scenarios. In general, a very good agreement between the continuous and discrete magnetization profiles was obtained Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 001 FAPESP 2017/05643-8 CNPQ 301467/2017-0

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesse trabalho, uma definição e revisão sobre contaminação na superfície de veículos é apresentada, mostrando sua importância na segurança, visibilidade e satisfação visual do motorista. Esse estudo é focado em contaminação no vidro traseiro de veículos automotivos. Resultados de simulação numérica de um veículo real utilizando a técnica de Lattice-Boltzmann são validadas através de resultados experimentais obtidos em túnel de vento com veículo em escala real. O programa comercial PowerFLOW da empresa Daussault Systems é utilizado nas simulações numéricas e correlação com o teste físico. A simulação consiste em uma análise transiente, multifásica, tridimensional na qual se obtém resultados aerodinâmicos e de acúmulo de contaminantes na superfície do veículo. Alguns parâmetros geométricos tais como presença de spoiler no teto e variação do ângulo de inclinação do vidro traseiro foram estudados na simulação numérica. Alguns parâmetros não geométricos também foram investigados nesse estudo, tais como a taxa de vazão de contaminantes, velocidade do veículo e resolução da malha no modelo computacional. Os resultados do teste de túnel de vento e da simulação numérica foram bastante próximos e coerentes, permitindo validar a mesma. Isto evidencia que simulações numéricas podem ser utilizadas para tomadas de decisão, como por exemplo, na remoção do limpador do vidro traseiro. Uma nova metodologia foi utilizada para comparar os resultados de contaminação do vidro traseiro, que pode ser estendida para outras áreas no veículo. Tal metodologia consiste no índice de contaminação no qual o número de partículas é medido em uma determinada área para se efetuar uma comparação quantitativa dos resultados Abstract: A review and definition of contamination on vehicle surface is presented herein, showing its importance on safety, vision and visual satisfaction of the driver. This study is focused on automobile vehicle back glass contamination. Numerical simulation results of a real vehicle using Lattice-Boltzmann are validated in a full-scale wind tunnel experimental test. The commercial software PowerFLOW by Daussault System is used to perform the numerical simulations and correlation with physical tests. The simulation consists in a transient, multiphase and tridimensional analysis, where aerodynamics and contamination build-up are measured on the vehicle surface. Some geometric parameters such as the presence of roof spoiler and back light angle inclination were studied using the numerical simulation. Some non- geometric parameters were also investigated in this study, such as contaminants flow rate, vehicle speed and mesh resolution in the computational model. The wind tunnel test results and the numerical simulation results were very similar and comparable, allowing the software validation. That highlights that numerical simulations can be used to take decisions, for instance, the rear wiper removal. A new technology was used to compare the back glass contamination results, which can be extended to other areas on the vehicle. Such methodology consists in the contamination index, where the number of particles are counted on a determined area to compare the results qualitatively Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: William Roberto Wolf, João Luiz Filgueiras de Azevedo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho apresenta uma análise de escoamentos em regime laminar hipersônico envolvendo não-equilíbrio termodinâmico sobre configurações de cápsulas e satélites durante a fase de re-entrada atmosférica. Os escoamentos são modelados utilizando as equações de Navier-Stokes modificadas para incluir os efeitos de reações químicas e calcular a transferência entre diferentes modos de energia. Apesar da baixa densidade do escoamento, é mostrado que o meio pode ser modelado como contínuo e que uma aproximação de escoamento laminar é válida. As equações são resolvidas numericamente através do método de volumes finitos. O esquema numérico empregado resolve os termos de fluxo convectivo entre células usando um método de Steger-Warming modificado para reduzir a dissipação artificial em regiões de camada limite. O avanço temporal das equações é realizado por um método implícito de marcha no tempo para evitar o problema de rigidez numérica proveniente dos termos de reações químicas e com o intuito de acelerar a convergência para o estado estacionário. As elevadas temperaturas típicas de escoamentos hipersônicos induzem o não-equilíbrio termodinâmico, e o modelo de duas temperaturas de Park é usado para se calcular os modos de temperatura translacional-rotacional e vibracional-eletrônico. Estudos sobre os efeitos de dissociação e ionização das misturas de gases são apresentados incluindo uma análise da topologia dos escoamentos e de suas propriedades termodinâmicas. Uma investigação dos escoamentos sobre as cápsulas de reentrada MARS PATHFINDER, FIRE II e RED DRAGON é apresentada, além de um estudo sobre o satélite brasileiro SARA. Os resultados numéricos de distribuição de fluxo térmico sobre a superfície da cápsula MARS são comparados com dados experimentais disponíveis na literatura como forma de validar as soluções numéricas. Escoamentos de ar e dióxido de carbono são considerados nas análises. Uma comparação entre escoamentos reativos e inertes é apresentada para o satélite SARA considerando diversas condições da trajetória de reentrada atmosférica. Neste caso, comparações são realizadas com simulações diretas de Monte Carlo para condições de números de Knudsen elevados. Condições de contorno envolvendo paredes catalíticas são apresentadas no estudo sobre a cápsula FIRE II para condições extremas de números de Mach onde os efeitos de ionização são relevantes. Finalmente, uma investigação sobre a cápsula RED DRAGON é apresentada para uma mistura de gases que modela a atmosfera do planeta Marte. Abstract: This work presents an analysis of hypersonic laminar flows involving thermodynamic non-equilibrium over configurations of capsules and satellites during the phase of atmospheric reentry. The flows are modeled using the Navier-Stokes equations which are modified to include the effects of chemical reactions and calculate the energy transfer between different modes. Despite the low density flows, it is shown that the medium can be modeled as a continuum and that a laminar flow approximation is valid. The equations are solved numerically using the finite volume method. The numerical scheme resolves the convective flux terms between cells using a modified Steger-Warming method that reduces artificial dissipation in boundary layers. The time integration of the equations is performed using an implicit time-marching scheme to avoid the numerical stiffness arising from the chemical reaction terms and to accelerate the steady-state convergence. The high temperatures typical of hypersonic flows induce thermodynamic non-equilibrium, and Park¿s two-temperature model is used to calculate the translational-rotational and vibrational-electronic temperature modes. Studies on the dissociation and ionization effectsof gas mixtures are presented, including an analysis of the flow topology and its thermodynamic properties. An investigation of the flows over the MARS PATHFINDER, FIRE II and RED DRAGON reentry capsules is presented in addition to a study of the Brazilian satellite SARA. Numerical results are presented in terms of surface thermal flux distribution for the MARS capsule and they are compared against experimental data available in the literature to validate the numerical solutions. Air and carbon dioxide flows are considered in the analyzes. A comparison between reactive and inert flows is presented for the SARA satellite considering several conditions of the atmospheric reentry path. In this case, comparisons are made with Direct Simulations Monte Carlo for conditions of high Knudsen numbers. Boundary conditions involving catalytic walls are presented in the study of the FIRE II capsule for extreme Mach number conditions where ionization effects are relevant. Finally, an investigation of the RED DRAGON capsule is presented for a mixture of gases that models the atmosphere of the planet Mars. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CNPQ 309985/2013-7;304335/2018-5; 407842/2018-7 FAPESP

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Simulações de alta fidelidade são realizadas com o intuito de estudar técnicas de controle ativo para amenizar um vórtice de estol dinâmico em um aeorfólio SD7003 em manobra de plunge com número de Reynolds Re = 60000 e número de Mach M = 0.1. Simulações numéricas são realizadas utilizando uma ferramenta numérica que incorpora métodos compactos de alta ordem para diferenciação, interpolação e filtragem numa malha deslocada. Um estudo de convergência de malha é conduzido e os resultados obtidos mostram boa concordância com dados disponíveis na literatura em termos de coeficientes aerodinâmicos. Atuadores com diferentes arranjos na direção da envergadura foram modelados afim de simular o assopramento e sucção do escoamento na região do bordo de ataque. Foi observado que, numa faixa de frequências específica, a média e flutuação de arrasto foram subtancialmente reduzidas enquanto a sustentação quase não foi afetada, especialmente para um atuador bi-dimensional (2D). Nessa faixa de frequências, atuação 2D perturba a formação do vórtice de estol dinâmico, o que leva a uma redução do arrasto devido ao aumento da pressão no extradorso do aerofólio na região de meia corda. Ao mesmo tempo, a pressão é reduzida na proximidade do bordo de ataque, o que aumenta sustentação e empuxo. Uma decomposição modal do escoamento também é realizada. Com apenas 20 modos da decomposição, notou-se que a maior parte da dinâmica do escoamento responsável pelos coeficientes aerodinâmicos é recuperada Abstract: High-fidelity simulations are performed to study active flow control techniques for alleviating deep dynamic stall of a SD7003 airfoil in a plunging motion at Reynolds number Re = 60,000 and freestream Mach number M = 0.1. Numerical simulations are performed with a finite difference based solver that incorporates high-order compact schemes for differentiation, interpolation and filtering on a staggered grid. A mesh convergence study is conducted and results show good agreement with available data in terms of aerodynamic coefficients. Different spanwise arrangements of actuators are implemented to simulate blowing and suction at the airfoil leading edge. We observe that, for a specific frequency range of actuation, mean drag and drag fluctuations are substantially reduced while mean lift is maintained almost unaffected, especially for a 2D actuator setup. At this frequency range, 2D flow actuation disrupts the formation of the dynamic stall vortex, what leads to drag reduction due to a pressure increase along the airfoil suction side, towards the trailing edge region. At the same time, pressure is reduced near the leading edge, increasing both lift and thrust. Modal decomposition is then performed and it is found that, with only 20 modes, most of the flow dynamics responsible for the aerodynamic loads is recovered Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2016/24504-6

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Redução de ruído aeroacústico é uma crescente preocupação na indústria automotiva. Com a proliferação de Veículos Elétricos e Direção Autônoma, os ocupantes de um veículo estarão mais suscetíveis a ruídos aerodinâmicos. Os fenômenos aeroacústicos de natureza tonal são os mais severos em veículos automotores. Bagageiros de teto possuem uma barra transversal diretamente exposta ao escoamento e geram ruído em banda larga e um tonal aeólico característico. Atualmente, as soluções aplicadas ao ruído tonal são empíricas, sustentadas pelo fato de os perfis comerciais não serem rombudos como um cilindro, nem finos como um perfil de asa. O objetivo deste trabalho é investigar os mecanismos de geração de ruído em barras transversais de teto com perfil elíptico, através de medições acústicas em pista. Na primeira parte do projeto, medições de pressão e intensidade sonora feitas em pista e em túnel de vento aeroacústico foram correlacionadas com o objetivo de avaliar a precisão e repetitividade dos testes em pista. A medição de pressão sonora com um único microfone posicionado fora do veículo se demonstrou um método preciso na captura de efeitos de banda larga e estreita, apesar da condição não controlada do ruído de fundo. A interação da esteira da barra com o teto também foi avaliada através de medições acústicas de referência e visualização de escoamento. Na segunda parte, o ruído gerado por um perfil elíptico foi comparado ao ruído gerado por um cilindro circular e por um perfil NACA 0012 de mesma espessura e nas mesmas condições de operação. Os resultados mostraram que as características do ruído do perfil elíptico se aproximam às do cilindro circular em números de Reynolds mais baixos, e às do perfil NACA 0012 em velocidades mais altas. Na etapa seguinte, investigou-se o efeito de alterações geométricas do perfil elíptico no ruído gerado. Diferentes combinações de bordo de ataque e fuga foram testadas e demonstraram que o bordo de fuga é o principal contribuinte para o ruído tonal, enquanto que o bordo de ataque está associado ao ruído em banda larga. Bordos de fuga finos foram capazes de eliminar completamente o ruído tonal. Ângulos de incidência positivos e negativos apresentaram tendências contrárias em relação à redução de ruído, e se demonstraram soluções não efetivas em altas velocidades. Por final, soluções conhecidas como perturbação da camada limite foram testadas e comparadas com soluções inovadoras (Assopramento e Perfuração). Ambas técnicas reduziram efetivamente o ruído tonal mas apresentaram efeitos indesejados como a excitação de tons em alta frequência Abstract: Aeroacoustic noise reduction is one of the growing concerns in the automotive industry. With the advention of Electric Vehicles and Autonomous Driving, vehicle occupants will become more sensitive to aerodynamic noise. The most severe aeroacoustic phenomena in ground vehicles are the ones with a tonal nature. Roof carrier systems have a leading crossbar directly exposed to the airflow, generating broadband noise and a discrete aeolian tone. Nowadays, most of the applied solutions to aeolian tone are empirical, sustained by the fact that commercial crossbar profiles are not as blunt as a circular cylinder, neither as thin as a wing section. The objective of this project is to investigate the noise mechanisms involved in elliptical crossbars through actual acoustic measurements taken on track. The first part of the project correlated sound pressure and intensity measurements taken on track and in an aeroacoustic wind tunnel, with the objective of assessing track data accuracy and repeatability. Acoustic pressure taken outside the vehicle with a single microphone has demonstrated good accuracy in capturing both narrow and broadband noise effects, despite of the uncontrolled background noise. The crossbar wake interaction with the roof plane was also assessed through reference measurements and local flow visualization. The second part of the project compared the noise generated by an elliptical cylinder with that generated by a circular cylinder and a NACA 0012 airfoil with the same thicknesses and at the same operational conditions. Results have shown that the elliptical crossbar noise characteristics have similarities when compared to those of blunt bodies at low Reynolds numbers and wing sections at higher speeds. The following step investigated the effects of the ellipse geometry and angle of attack on the generated sound. Different leading and trailing edge combinations were tested and demonstrated that the trailing edge is the key contributor to the aeolian tone characteristics, while the leading edge affects primarily the broadband noise. Thin trailing edges were capable to completely eliminate the aeolian tone. Positive and negative incidence angles presented opposite trends towards noise reduction and have proven to be ineffective in higher speeds. Finally, industry-known solutions such as Boundary Layer Tripping (BLT) were assessed and compared to innovative solutions (Trailing Edge Blowing (TEB) and Perforation). Both TEB and Perforation were effective on reducing the aeolian tone but presented counter effects such as high frequency whistling Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Erick de Moraes Franklin Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo da transição de camadas limite turbulentas completamente desenvolvidas sobre paredes lisas ao passar para superfícies rugosas, e também a transição de volta para a parede lisa...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: This MSc thesis presents an experimental study on turbulent boundary layers at the transition from smooth to rough walls, and back to the smooth wall. This transition causes a shift on flow velocity profiles that changes its parameters when compared to the flow over a smoothwall...Note: The complete abstract is available with the full electronic document Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Decomposição Ortogonal Própria é aplicada para identificar estruturas coerentes em escoamentos turbulentos sobre um perfil NACA0012. A base de dados numérica é formada por um escoamento a M?= 0.115 e 5 graus de ângulo de ataque, um a M? = 0.4 e 5 graus de ângulo de ataque e um a M? = 0.115 e 0 graus de ângulo de ataque. São apresentadas análises de diferentes técnicas de POD usando o método de snapshots. O método espectral (SPOD) e a combinação Fourier-POD com SPOD também são apresentadas. Esta é possível devido à direção homogênea na envergadura. É realizada uma avaliação de diferentes normas vetoriais e funções filtro na matriz de correlação. SPOD é aplicado assumindo sinais temporais periódicos e não-periódicos. Resultados mostram que o SPOD melhora o acoplamento dos modos, redistribuindo a energia ao longo dos autovalores e levando à uma melhor identificação das estruturas coerentes. Aplicação dp filtro gaussiano permite melhor controle na resposta do SPOD comparado ao filtro quadrado. A hipótese de sinais temporais periódicos na matriz de correlação melhora o acoplamento dos modos e limpa seu conteúdo espectral. Normas de pressão e energia cinética são usadas. Para ambas, o primeiro par de modos é relacionado a estruturas coerentes responsáveis pela geração de ruído tonal. Entretanto, a norma de energia cinética tende a capturar estruturas de baixa frequência nos modos subsequentes, enquanto a norma de pressão captura estruturas de alta frequência. A combinação Fourier-POD permite uma melhor identificação das estruturas coerentes para cada modo de Fourier ao longo da envergadura. O conteúdo espectral dos modos de POD pode ser desacoplado para cada modo de Fourier. Foi possível identificar a interação entre modos em diferentes frequências nos dados numéricos. Vórtices alinhados com a envergadura são relacionados ao ruído tonal na análise acústica, identificando as fontes sonoras. Vórtices alinhados com o escoamento ou na diagonal são formados em todos os dados devido à curvatura do perfil e ao gradiente de pressão adverso após a transição turbulenta. Para os casos a 5 graus de ângulo de ataque, apenas vórtices diagonais de alta frequência estão presentes. Afetados pelo gradiente de pressão mais fraco, vórtices diagonais de baixa frequência estão presentes no perfil a 0 graus de ângulo de ataque Abstract: he numerical database is formed by a flow at M? = 0.115 and 5 degs. angle of attack, one at M? = 0.4 and 5 degs. angle of attack and another at M? = 0.115 and 0 degs. angle of attack. Analysis of different POD techniques is presented using the snapshot method. Also, the spectral POD method (SPOD) and a Fourier-POD implementation combined with the SPOD. The latter technique is viable once the present turbulent flow has a homogeneous direction along the airfoil span. An assessment of different vector norms and filter functions employed in the correlation matrix is presented. The spectral POD technique is applied assuming periodic and non-periodic temporal signals. Results show that the SPOD method provides a better coupling of the modes, redistributing the energy among the POD eigenvalues and leading to an improved identification of coherent structures. The application of a Gaussian filter allows an enhanced control in the response of the SPOD when compared to a square-box filter. The assumption of periodic temporal signals in the construction of the correlation matrix provides further improvement in the coupling of POD modes and cleans their spectral content. Pressure based on kinetic energy norms are used. For both norms, the first pair of POD modes are related to coherent structures responsible for airfoil tonal noise generation. However, the kinetic energy norm tends to reconstruct low-frequency structures in the flow field for higher POD modes while the pressure norm reconstructs high-frequency structures. The combination of Fourier decomposition with the SPOD method allows a clear identification of coherent structures for the specific Fourier modes along the airfoil span. The spectral content of the POD modes can be decoupled to each spanwise Fourier mode. For the coherent structures identified in the numerical database, the interaction between modes at different ranges of frequencies were identified. Coherent structures aligned with the span are shown to be related to tonal peaks in the acoustic scattering analysis, making possible to identify the main aeroacoustic sources. Coherent structures aligned with the stream and diagonally aligned are formed for all flow configurations due to the curvature of the airfoil and the adverse pressure gradient after the forced turbulence transition. For flows at 5 degs. angle of attack, only diagonal structures at high frequencies are present. At 0 degs. angle of attack, diagonal coherent structures at low frequencies are present affected by the weaker adverse pressure gradient Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017 CNPQ

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Um estudo numérico é realizado para se avaliar os efeitos de espessura, sucção e assopramento em bordos de fuga nos processos de geração e propagação de ruído de aerofólios. Simulações numéricas diretas, DNS, (do inglês Direct Numerical Simulations) são realizadas para um aerofólio NACA 0012 em diversas condições de escoamentos com números de Mach (Ma = 0.1 até 0.3), ângulos de incidência (AoA = 0 e 3 deg.), e números de Reynolds baseados na corda do aerofólio (Rec = 5000, 10000, 50000 e 100000). Simulações bi-dimensionais são realizadas para um perfil NACA 0012 com modificações nos bordos de fuga espessos. Os efeitos de sucção e assopramento são avaliados no processo de geração de ruído para as condições de escoamento acima. Uma metodologia híbrida que emprega DNS para o cálculo das fontes acústicas e a formulação de analogia acústica de Ffowcs Williams¿Hawkings é utilizada para quantificar as contribuções das fontes sonoras do tipo dipolo e quadrupolo no ruído total. Resultados para escoamentos em baixos números de Reynolds mostram que o aerofólio emite um único componente tonal e que um bordo de fuga mais espesso produz um nível de ruído maior comparado com um bordo de fuga mais fino uma vez que os valores das fontes quadrupolo são maiores e se encontram mais próximas da superficie do aerofólio. No entanto, resultados para os escoamentos com números de Reynolds moderados revelam que o aerofólio pode emitir múltiplos tons sobrepostos num espectro de banda larga, dependendo da configuração do escomento. Esses resultados indicam a existência de um mecanismo de retroalimentação acústico conforme discutido na literatura. A presença dos tons secundários é muito dependente dos efeitos de compressibilidade, ângulo de incidência e espessura de bordo de fuga. Para baixos números de Reynolds, assopramento no bordo de fuga reduz o nível de ruído gerado. Para os casos em que o ruído de banda larga com múltiplos tons são observados, sucção e assopramento modificam consideravelmente a região hidrodinâmica responsável pela geração de ruído e, para alguns dos casos analisados, o assopramento pode eliminar completamente os picos tonais. Este trabalho também apresenta um estudo sobre novas técnicas de simulação numérica que podem ser aplicadas no estudo de ruído de aerofólios. Esse estudo é resultado de um estágio de 6 meses no Lawrence Livermore National Laboratory realizado pelo autor Abstract: A numerical investigation is performed to assess the effects of trailing edge bluntness and trailing edge suction & blowing on airfoil self-noise generation and propagation. A suite of direct numerical simulations (DNS) are carried out for a NACA 0012 airfoil at different free-stream Mach numbers (Ma=0.1 to 0.3), angles of incidence (AoA = 0 and 3 deg.), and Reynolds numbers based on the airfoil chord (Rec=5000, 10000, 50000 and 100000). Two-dimensional simulations are performed for a NACA 0012 airfoil profile with two modified blunt trailing edges. The effects of suction and blowing on airfoil self-noise generation are also examined for the flow configurations above. A hybrid methodology that employs DNS for near-field source computations and the Ffowcs Williams--Hawkings equation as an acoustic analogy formulation is applied to quantify the individual contributions of the dipole and quadrupole sources to the total noise. Results for the low Reynolds number flows studied show that the airfoil emits a single "narrow-band'' tone, and that a thicker trailing edge produces higher noise levels than a thinner one due to an increase in the intensity and proximity of quadrupole sources to the airfoil surface. On the other hand, results for the moderate Reynolds number flows analyzed reveal that the airfoil emits multiple "narrow-band'' tones superimposed on a broadband hump depending on the flow configuration. These results indicate the existence of an acoustic feedback loop as discussed in literature. It is shown that the presence of the secondary tones is very dependent on compressibility effects, angle of incidence and trailing edge bluntness. For those cases where a broadband hump with multiple tones are observed, trailing edge blowing and suction considerably modifies the near-field hydrodynamic region responsible for noise generation and, for some of the flow configurations investigated, blowing can completely eliminate the tonal peaks. This work also shows in appendix A further details of novel numerical techniques which can be applied for the study of airfoil noise. This chapter is an outcome of a 6-month internship performed at Lawrence Livermore National Laboratory by the present author Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/10166-6 CAPES

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Predições aero-acústicas de um problema modelo de ruído de airframe são conduzidas de modo a investigar os efeitos da interação entre esteiras de vórtices na geração de ruído e no escoamento aerodinâmico. Simulações bidimensionais de escoamentos não estacionários em baixo número de Reynolds, incluindo a geração e sua subsequente propagação de ruído, são realizadas primeiramente para uma configuração com um cilindro posicionado acima de um aerofólio NACA0012 à um ângulo de ataque de 5 graus, e em seguida é investigada uma configuração com um cilindro posicionado a montante de um aerofólio. A investigação das fontes de ruídos são apresentadas usando uma metodologia hibrida que consiste no calculo direto do escoamento para fontes próximas de paredes sólidas e a propagação do ruído utilizando a analogia acústica de Ffowcs Williams-Hawking (FW-H). Para a primeira configuração investigada, um cilindro é posicionado acima do aerofolio, variando o número de Mach em M? = 0.1, 0.3 e 0.5, para duas posições do cilindro. É observado que ocorre uma forte interferencia entre os dipolos do cilidro e do aerofólio para todas os casos analisados, ou seja, cada um dos corpos reflete o som proveniente do outro. Além disto, para escoamentos com números de Mach moderados, com interação entre esteiras de vórtices, fontes do tipo quadrupolo se tornam importantes para a predição acústica total, especialmente para radiação de ruído na direção do intradorso. De modo a investigar como a interação entre esteiras afeta a radiação de ruído, uma comparação entre o atual problema e um problema contendo um único cilindro é apresentado. Portanto, efeitos de compressibilidade e interação entre esteiras são de grande importância no presente problema modelo, e são indicados como responsáveis por um aumento significativo na radiação do ruído de quadrupolo. A segunda configuração investigada consiste em um problema envolvendo um cilindro posicionado a montante de um aerofólio. As presentes configurações de escoamento permitem o entendimento dos efeitos de escoamento perturbado batendo na superficie do aerofolio e sua subsequente radiação de ruído. Uma análise parametrica é conduzida variando a distância entre o centro do cilindro e o bordo de ataque do aerofólio, o diâmetro do cilindro e o número de Mach, que possui valores de M? = 0.1 e 0.3. Os resultados mostram que variação em cada um dos parâmetros tem grande impacto tanto no campo de escoamento como no campo acústico. Finalmente, análises de POD são conduzidas de modo a fornecer um entendimento detalhado dos mecanismos físicos envolvidos a geração do ruído de bordo de ataque Abstract: Aeroacoustic predictions of model airframe noise problems are conducted in order to assess the effects of wake interaction on flow and acoustic fields. Two-dimensional simulations of unsteady low Reynolds number flows, including both noise generation and its subsequent propagation to the far field, are performed for a configuration composed of a cylinder placed above a NACA 0012 airfoil at 5 deg. angle of incidence and, also for a cylinder placed upstream the airfoil. The investigation of the noise sources is presented using a hybrid methodology which employs direct calculation for near field source computations and the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equation as the acoustic analogy formulation. For the first case investigated, an assessment of cylinder position and freestream Mach number effects on sound radiation is presented for M? = 0.1, 0.3 and 0.5. It is observed that intense interference among cylinder and airfoil dipoles occurs for all configurations analyzed. In this case, each body scatters the sound emitted by the other. In addition, for moderate Mach number flows with wake interaction, quadrupole sources become important to the total acoustic prediction, specially for the downward noise radiation. In order to investigate how wake interaction affects noise radiation, a comparison between the current model airframe noise problem with a single cylinder case is presented. Results show that wake interaction becomes a major feature of the airfoil-cylinder flow, causing a faster downstream decay of convecting disturbances when compared to the isolated cylinder case. Therefore, wake interaction and compressibility effects play a key role in the present airframe noise model problem and are proposed as responsible for the significant increase of quadrupole noise radiation. The second case concerns the problem involving a cylinder placed upstream an airfoil leading edge. The present flow configuration allows the assessment of the effects of a perturbed flow impinging on the airfoil surface including its noise radiation. A parametric analysis is conducted varying the gap between the cylinder and the airfoil, the cylinder diameter and the freestream Mach number, which has values of M? = 0.1 and M? = 0.3. Results show that changes in all these parameters have a great impact on the flow and acoustic fields. Finally, a POD analysis is conducted to provide a detailed understanding of the physical mechanisms involved in leading edge noise generation Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAEPEX

Orientador: Erick de Moraes Franklin Dissertação (mestrado) Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho apresenta uma análise do comportamento inicial da superfície livre de um líquido escoando em um plano inclinado onde, sob algumas condições, instabilidades de ondas longas podem surgir. Estas instabilidades podem evoluir para ondas de superfície, que frequentemente aparecem em filmes líquidos finos. Tal conhecimento é útil na indústria, uma vez que filmes líquidos ajudam a remover o calor de superfícies sólidas, e também reduzem a fricção entre fluidos de alta viscosidade e as paredes de um tubo, pela injeção, próxima à parede, de um fluido menos viscoso. A instabilidade da superfície livre é governada pela equação de Orr-Sommerfeld e suas condições de contorno. Este trabalho apresenta uma solução de onda-longa para a equação de Orr-Sommerfeld baseada em uma expansão assintótica e uma solução numérica. Para perturbações de ondas longas, o número de onda pode ser tratado como um parâmetro pequeno, e as formas das equações sugerem que a velocidade e a amplitude das autofunções podem ser tratadas como séries de potência do número de onda, das quais consideramos até a segunda ordem de aproximação para a solução assintótica. A solução numérica foi baseada em um método de Galerkin usando polinômios de Chebyshev para a discretização, o que tornou possível expressar a equação de Orr-Sommerfeld e suas condições de contorno como um problema de autovalor generalizado. Essas escolhas foram feitas devido à abordagem geral do método Galerkin, o que torna a implementação das condições de contorno de superfície livre mais fáceis, e à alta acurácia dos polinômios de Chebyshev. Um código em Matlab foi implementado para resolver o sistema linear usando um algoritmo QZ. As soluções assintótica e numérica proporcionam uma aproximação para o autovalor físico do problema, uma vez em posse deste resultado é possível encontrar a taxa de crescimento, a velocidade da onda e o número de Froude crítico do filme líquido para a instabilidade marginal. Os resultados são comparados com dados anteriormente publicados Abstract: This work presents an analysis of the initial behavior of free surface liquid flows on inclined planes where, under some conditions, long-wave instability may appear. These instabilities may evolve to surface-wave, that often appear on thin liquid films. Such knowledge is useful in industry, once liquid films help to remove the heat from solid surfaces, and also reduces the friction between high viscosity fluids and pipe walls, by injecting, close to the wall, a less viscous fluid. The surface-wave instability is governed by the Orr-Sommerfeld equation and their boundary conditions. In this work, we present a long-wave solution for the Orr-Sommerfeld equation based on asymptotic expansions and a numerical solution. For the long-wave perturbations, the wave number can be treated as a small parameter, and the form of the equations suggests that the speed and amplitude of the eigenfunction can be sought as a power series of the wave number, which we considered until the second order of approximation for the asymptotic solution. The numerical solution was based on a Galerkin method using Chebyshev polynomials for the discretization, which made it possible to express the Orr-Sommerfeld equation and their boundary conditions as a generalized eigenvalue problem. Those choices were made due to the general approach of the Galerkin method, which makes the implementation of the boundary condition of free surface easier, and the high accuracy of the Chebyshev polynomials. A code was implemented in Matlab to solve the linear system using a QZ algorithm. The asymptotic and numerical solutions give an approximation for the physical eigenvalue of the problem, once in possession of this result it is possible to find the growth rate, the wave speed and the critical Froude number of the liquid film at the instability threshold. The results are compared with previously published data Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES

Orientadores: William Roberto Wolf, Alex Mendonça Bimbato Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O método de vórtices discretos (DVM) não necessita de malhas por ser uma descrição lagrangiana da equação do transporte de vorticidade. Esta, por sua vez, é separada em termos difusivos e convectivos. Esta equação é resolvida pela discretização do campo de vorticidade em N vórtices discretos. Diversos métodos podem ser usados para modelar os efeitos da difusão; pode-se citar o método do passo aleatório, método do crescimento do núcleo, método da troca de intensidade, entre outros. Os termos de convecção são resolvidos pela utilização da derivada material para evitar termos não-lineares. Assim, cada vórtice discreto é convectado pelo campo local de velocidade, que é calculado pela contribuição do escoamento livre, superfícies sólidas e pela solução da lei de Biot-Savart que rege a interação entre vórtices. Entretanto, esta última contribuição exige um dispendioso passo de convolução com O(N 2 ) operações, que impõe restrição no uso do método para a solução de problemas típicos de engenharia. Assim, métodos alternativos são necessários para acelerar a solução do DVM. O método de multipolos rápidos, FMM, considerado um dos 10 melhores algoritmos do século 20, foi proposto por Greengard and Rokhlin (1987) para a solução da interação gravitacional entre N corpos. O algoritmo consiste no agrupamento da influência de elementos próximo entre si, e então calcula-se a interação em regiões distantes, como por exemplo o centro de outro agrupamento. Esta operação tem custo computacional de ordem O(N) para um número N suficientemente grande. Assim, a influência entre grupos distantes de elements é calculada mais eficientemente do que a ordem O(N 2 ) para calcular diretamente a lei de Biot-Savart. Neste trabalho, nós usamos um esquema não-adaptativo multi-nível do FMM com melhorias para acelerar o preprocessamento bem como os cálculos de interação no FMM. O acoplamento dos métodos é investigado para três diferentes problemas: a simulação de um cilindro abruptamente acelerado e a evolução temporal de uma esteira de aeronave assim como de uma camada de mistura. Uma comparação do custo computacional do método acelerado é comparado com a solução usando apenas a lei de Biot-Savart. Finalmente, como uma camada de mistura requer condições de contorno periódicas, o estudo de uma série alternativa para o cerne do FMM é feito com a investigação da precisão e do tempo computacional Abstract: The Discrete Vortex Method (DVM) is a meshless numerical method based on a Lagrangian description of the vorticity transport equation, which is split into diffusive and convective effects. In order to solve this equation, the vorticity field is discretized in N vortex-particles. Several formulations can be used to model the diffusive effects, e.g., the random walk method, the core spreading method, the particle strength exchange, etc. The convection term can be treated using a material derivative to avoid the solution of a non-linear term. Therefore, each vortex is convected with the fluid velocity field, which is evaluated by the contributions from the incident flow, the perturbation due to the body, and the vortex-vortex interactions calculated by the Biot-Savart law. However, the last contribution requires an expensive convolution step of O(N 2 ) calculations, which imposes a heavy limitation on the usage of the method to solve engineering problems. With that in mind, alternative ways are required to accelerate the DVM simulations. The Fast Multipole Method is listed as one of the top 10 algorithms of the twentieth century, and it was developed by Greengard and Rokhlin (1987) for the solution of N -body gravitational problems. The algorithm consists of clustering the influence of elements close to each other, and then evaluating their interaction at distant locations, i.e., the center of far away clusters, with computational cost O(N) for a large number N . This way, the influence among different groups of particles is computed faster than the O(N 2 ) operations required by the direct Biot-Savart law. Here, we use the non-adaptive multi-level FMM with an optimization in the pre-processing steps, along with several techniques to speed up both pre-processing and FMM steps. The coupling of DVM and FMM is investigated in the present work, in three different problems: the simulation of the flow past an impulsively started cylinder and the temporal evolution of both an aircraft wake as well as a mixing layer. For these problems, there is a comparison of the computational time used by both the DVM-FMM and solely by the DVM. Finally, as the temporal evolution of a mixing layer requires periodic boundary conditions, a solution of an alternative kernel for the FMM is also employed in order to solve the problem, followed by the investigation of its precision Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Eugênio Spanó Rosa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho propõe um solver de Riemann do tipo Roe aplicado à sistemas bifásicos gás-líquido em regime transitório empregando-se o modelo de mistura (drift-flux). Para tanto, iniciou-se o desenvolvimento deste a partir de um solver mais simples capaz de simular problemas de acústica. Num segundo estágio adaptou-se o solver para a resolução de três equações não lineares das leis de conservação em sistemas monofásicos utilizando-se gás ideal. Por fim o solver foi direcionado à resolução de sistemas gás-líquido, fazendo-se uso da linearização proposta por Roe (1981), assim como ocorrera na segunda etapa. Em todos os estágios validou-se o solver contra dados experimentais e/ou analíticos disponíveis na literatura, tais como problemas de tubo de choque e de escoamentos monofásicos e bifásicos no interior de dutos. Três principais contribuições foram apresentadas no que tange a sistemas bifásicos gás-líquido. A primeira consta da obtenção da matriz Jacobiana na sua forma exata de maneira analítica. Como os termos da matriz Jacobiana exata são bastante complexos, propôs-se uma simplificação baseada no fato de o quadrado da razão das velocidades do som nas fases gás e líquido ser muito menor que a unidade, sendo possível fornecer assim expressões algébricas mais simples para os autovalores da matriz Jacobiana. Tal hipótese simplificadora foi avaliada dentro de uma faixa de interesse prático. No processo de linearização propôs-se o uso de um vetor parâmetros de Roe ainda não testado com sucesso na literatura. Para os termos da matriz de Roe em que não foi possível uma integração totalmente analítica, aplicou-se uma quadratura gaussiana com três pontos. Diferentes esquemas de discretização foram testados na validação do solver. A priori, na etapa de validação do escoamento compressível de um gás ideal testou-se o esquema Upwind de primeira ordem, Lax-Wendroff de segunda ordem e os esquemas de alta resolução Lax-Wendroff juntamente do limitador de van Leer e Lax-Wendroff+SUPERBEE, dentre os quais, escolheu-se os esquemas de maior acurácia e que apresentaram menor custo computacional, para as simulações posteriores. Nestas, como resultados apresentou-se o comportamento transiente das variáveis de interesse em pontos específicos da tubulação. Em alguns casos o perfil destas ao longo do duto fora explorado, assim como as velocidades das ondas de pressão e de fração de vazio. Nas simulações computacionais abordou-se os padrões de escoamento de golfadas, estratificado liso/ondulado, agitado (churn), anular e de bolhas, empregando-se diferentes correlações de drift e relações de viscosidade de mistura, nos arranjos horizontal e vertical Abstract: The present thesis proposes a Roe-type Riemann solver applied to the transient gas-liquid two-phase systems employing the drift-flux model. For this, the development started from a simpler solver able to simulate acoustic problems. In a second stage the solver was adapted to solve three non-linear equations of the conservation laws in single-phase systems using an ideal gas. Finally, the proposed solver was directed to the resolution of gas-liquid flows, making use of the Roe (1981) linearization, as occurred on the second stage. At all steps the Riemann solver was validated against experimental data and/or analytical solutions avaliable in the literature, such as shock tube problems, single and two phase flow inside ducts. Three main contributions were presented regarding to the gas-liquid two-phase systems. First, the Jacobian matrix was obtained in its exact form fully analytical. As the exact Jacobian terms are extensive complex, we propose a simplification hypothesis based on the fact that the square of the ratio of the sound speeds in the gas and liquid phases is much lower than one, providing simpler algebraic expressions for the eigenvalues. The simplification hypothesis was evaluated within a range of practical interest. On the linearization process we propose a Roe parameter vector untested in the literature yet. Some terms of the Roe matrix were treated numerically using a Gauss-Legendre quadrature with three points. Different discretization schemes were tested to validate the transient solver. Initially, in the validation step of compressible flow of an ideal gas was tested the 1st order Upwind scheme, the 2nd order Lax-Wendroff, and the high resolution methods Lax-Wendroff+van Leer limiter and Lax-Wendroff+SUPERBEE limiter, among which were chosen in the further simulations the schemes that presented the highest accuracy and lower computational cost (CPU time). The results presented the transient behavior of some primitive variables of practical interest at specific points of the pipe. In some cases, the profiles were displayed along the duct for different times. The wave speeds of pressure and void fraction were also analyzed. In the computer simulations were addressed the slug, stratified smooth/wavy, churn, annular and bubbles flow patterns, by employing different drift correlations and mixture viscosity relations in horizontal and vertical arrangements Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica Funcamp 4721

Orientador: Luiz Fernando Milanez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Excluídos problemas simples de condução de calor nos quais a temperatura depende apenas do tempo ou apenas de uma coordenada de posição, os demais levam a equações diferenciais parciais, as quais tem soluções em termos de séries obtidas de vários métodos como a separação de variáveis, a superposição, a função de Green, a técnica da transformada integral, a transformada de Laplace e o teorema de Duhamel. Estas soluções dependem de autovalores que são obtidos das raízes de equações transcendentais que na maioria dos casos não podem ser expressas em forma fechada, mas podem ser obtidas de tabelas, expressões aproximadas, e expressões iterativas. O objetivo desse estudo é encontrar novas expressões para estas raízes, que sejam mais simples ou que tenham mais exatidão do que as já existentes. As três equações transcendentais que são consideradas aqui são as mais frequentemente utilizadas entre as que não tem solução fechada, e surgem quando as condições de contorno são convectivas. Uma nova família de funções iterativas é obtida, a qual inclui várias funções clássicas e, em particular, toda a família de métodos de Householder. Um novo método obtido é o que tem convergência mais rápida para as presentes equações. Apesar das tabelas de raízes apresentarem valores com vários dígitos significativos, problemas reais dificilmente levam a um valor da variável independente que pode ser diretamente encontrado, tornando-se necessário o uso de interpolação. Então, a exatidão de raízes obtidas por estas tabelas é limitada pela exatidão da interpolação, a qual pode ser comparada com a das expressões aproximadas. As expressões existentes são analisadas utilizando propriedades das raízes. Uma expressão aproximada desenvolvida para a primeira raiz das três equações é baseada no método do ponto fixo, outra é obtida da aplicação do conceito de MiniMax para se reajustar expressões de outros autores, e uma final tem forma algébrica. O conceito de MiniMax não é obtido através de algum método que possa ser considerado elementar, e dois novos métodos são desenvolvidos para aplicá-lo. Modernos sistemas algébricos computacionais são utilizados para gerar novas expressões aproximadas para a primeira raiz, mas encontrou-se que elas podem ser melhoradas através de métodos analíticos. Expansão em frações contínuas e novamente a aproximação de Padé são utilizadas para se obter expressões de grande exatidão. Expressões que levam a bons resultados para a primeira raiz são generalizadas para que elas sirvam para as demais raízes. Finalmente, uma comparação é feita considerando todas expressões aproximadas, indicando quais são consideradas as melhores Abstract: Apart from simple problems of heat conduction in which the temperature depends only on the time or just on a position coordinate, the others lead to partial differential equations, which have solutions in terms of series obtained from various methods such as separation variables, superposition, the Green's function, the technique of integral transform, the Laplace transform and Duhamel's theorem. These solutions depend on eigenvalues, which are obtained from the roots of transcendental equations that in most cases cannot be expressed in closed form, but they can be obtained from tables, approximate expressions and iterative expressions. The objective of this study is to find new expressions for these roots, which are simpler or have more accuracy than the existing ones. The three transcendental equations that are considered here are the most frequently used among those that have not closed solution, and appear when the boundary conditions are convective. A new family of iterative functions is proposed, which includes several classical functions and, in particular, the entire family of Householder methods. A new method is obtained which has faster convergence to the present equations. Although the tables of roots present values with various significant digits, real problems hardly lead to a value of the independent variable that can be directly found, making it necessary to use interpolation. Then, the accuracy of the roots obtained from these tables is limited by the accuracy of the interpolation, which can be compared with the approximate expressions. Existing expressions are analyzed using the root properties. An approximate expression developed for the first root of the three equations is based on the fixed point method, another is obtained from the application of the concept of MiniMax to readjust expressions of others authors, and the last one has an algebraic form. The MiniMax concept is not obtained through any method that can be considered elementary, and two new methods are developed to apply it. Modern computer algebra systems are used to generate new approximate expressions for the first root, but it is found that they can be improved by analytical methods. Expansion in continuous fractions is adopted and the Padé approximation to obtain expressions of greater accuracy. Expressions leading to good results for the first root are generalized so that they serve for the other roots. Finally, a comparison is made considering all approximate expressions, indicating what are considered the best Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Sávio Souza Venâncio Vianna Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A simulação numérica é de grande importância em diversas áreas da engenharia, tais como otimização e manutenção de processo químico, bem como na indústria do petróleo e segurança do processo. O Fire Dynamics Simulator (FDS) é um código de Fluidodinâmica Computacional com base na simulação das grandes escalas. Este foi desenvolvido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). O código FDS foi originalmente projetado para modelar baixo fluxo de velocidade comumente encontrados em cenários de incêndio. Assim, o FDS não é adequado para simulação de casos onde o número de Mach é elevado. Para superar esta limitação, este trabalho propõe um novo modelo dedicado às características próximas da saída do jato a fim de permitir o FDS simular cenários de jatos e dispersão de gás. A abordagem também reduz significativamente o tempo da simulação computacional. A ferramenta proposta é uma alternativa livre e confiável para a modelagem de dispersão de gás. Os resultados são amplamente discutidas e um estudo de caso de uma plataforma é apresentado. A comparação com os resultados experimentais, bem como um pacote CFD comercial mostram boa concordância Abstract: The numerical simulation is of great importance in various areas of engineering such as optimization and maintenance of chemical process, petroleum industry and process safety. The Fire Dynamics Simulator (FDS) is a Computational Fluid Dynamics (CFD) code based on Large Eddy Simulation (LES) modeling and developed by National Institute of Standards and Technology (NIST). FDS code was originally designed to model low speed flow commonly found in fire scenarios. Hence, FDS is not suitable for modeling high Mach number cases. To overcome this limitation this work proposes a novel model dedicated to the near field jet characteristics in order to enable FDS to simulate jet scenarios and gas dispersion. The approach also reduces the computational time significantly as far as turbulent jet flows are concerned. The proposed tool is a free and reliable alternative for gas dispersion modeling. Results are extensively discussed and case study for a typical offshore site is presented. Comparison with experimental results as well as commercial CFD package show good agreement Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química CAPES

Orientador: Erick de Moraes Franklin Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O transporte de sedimentos por um fluido é frequentemente encontrado em rios, oceanos, escoamentos periglaciais e outros processos naturais. É também encontrado na indústria, tal como em linhas de petróleo que arrastam sedimentos, em sistemas de esgotos e em processos de dragagem, por exemplo. Nessa dissertação, o transporte de grãos em um leito granular cisalhado pelo escoamento de um líquido será investigado experimentalmente. Nos experimentos, um escoamento de água turbulento totalmente desenvolvido foi imposto sobre o leito granular de geometria conhecida. Sob as condições testadas, os grãos foram transportados como leito móvel (\textit{bed load}, em inglês), i.e., sedimentos são transportados rolando ou deslizando sobre o leito. Para diferentes vazões de água, os deslocamentos dos grãos são filmados por uma câmera rápida. Os deslocamentos e campos de velocidade dos grãos foram determinados através do tratamento das imagens. A taxa de transporte dos grãos foi então estimada e correlacionada com o escoamento do fluido Abstract: Sediment transport by a fluid flow is frequently found in rivers, oceans, periglacial flows and other natural processes. It is also commonly found in industry, such as in petroleum pipelines conveying grains, in sewer systems and in dredging lines, for example. In this thesis, the transport of grains of a granular bed sheared by a liquid flow was experimentally investigated. In the experiments, fully-developed turbulent water flows were imposed over a granular bed of known granulometry. Under the tested conditions, the grains were transported as bed load, i.e., sediment was carried by rolling and sliding over the bed. For different water flow rates, the displacements of grains were filmed by a high-speed camera. The grains displacement and velocity fields were determined by post-processing the images. The bed-load transport rate was estimated and correlated to the water flow conditions Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES