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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

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

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

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