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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

Submitted by Marlon Silva (marlonviniciuspacheco@gmail.com) on 2021-02-13T17:10:00Z No. of bitstreams: 1 LucillaCoelhoDeAlmeida.pdf: 11825802 bytes, checksum: 723e9bb027f07377860b503742dcd81f (MD5) Made available in DSpace on 2021-02-13T17:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LucillaCoelhoDeAlmeida.pdf: 11825802 bytes, checksum: 723e9bb027f07377860b503742dcd81f (MD5) Previous issue date: 2018-03 Dentre as vantagens dos reatores nucleares do tipo leito fluidizado, a transferência de calor e mistura aprimoradas, a vazão do fluido refrigerante como um mecanismo de controle adicional e a possibilidade de remover o combustível do núcleo por gravidade no caso de um acidente se destacam. A modelagem acurada das partículas e do fluido é necessária para avaliar de forma confiável a eficiência termo-hidráulica e a margem de segurança desses reatores. Este trabalho apresenta um acoplamento CFD-DEM usando uma formulação de condução de calor melhorada para partículas esféricas. As partículas são tratadas como uma fase discreta, seguindo a abordagem DEM, enquanto o fluido é tratado como uma fase contínua, descrito pelas equações de Navier-Stokes promediadas no volume da célula. Em vez de aproximar a temperatura da superfície pela temperatura média da partícula como na abordagem de parâmetros concentrados clássica, desenvolveu-se um modelo aprimorado que relaciona a temperatura média da partícula com a temperatura e o fluxo de calor na superfície usando aproximações do tipo Hermite para integrais. Casos simples foram utilizados para validar a metodologia de acoplamento proposta. O método foi então aplicado à simulação de um leito fluidizado borbulhante do tipo Geldart D. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais de pressão e velocidade, mostrando boa concordância. Os resultados de temperatura mostram que a suposição da temperatura uniforme pode influenciar o cálculo da transferência de calor entre as partículas e, portanto, prever temperaturas menores do que as reais no leito. Amongst the advantages of fluidized bed nuclear reactors, the improved heat transfer and mixing, the adjustment of the refrigerant flow rate as an extra control mechanism and the possibility of removing the fuel by gravity from the movable core in the event of an accident stand out. Accurate modelling of the particles and the refrigerant behavior is required to reliably evaluate the thermo-hydraulic efficiency and margin of safety of these reactors. This work presents a CFD-DEM coupling approach using an improved heat conduction formulation for spherical particles. In this approach, particles are treated as a discrete phase following the DEM approach, while the fluid is treated as a continuous phase, described by the volume averaged Navier-Stokes equations. Instead of approximating the surface temperature by the average temperature of the particle through classical lumped approach, an improved lumped model was developed, relating the surface to particle average temperatures and surface heat flux by Hermite-type approximations for integrals. Simple cases were used to validate the proposed coupling methodology and their results compared against analytical or empirical results. Then, the proposed method was applied to the simulation of a Geldart D bubbling fluidized bed. The numerical results obtained using the classical and improved formulations are compared with experimental pressure and velocity data, showing good agreement. The temperature results show that the uniform particle temperature assumption can influence the heat transfer calculation, predicting smaller bed temperatures than obtained in reality.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:08:48Z No. of bitstreams: 2 Gustavo Charles Peixoto de Oliveira Pt1.pdf: 3559937 bytes, checksum: 0d4a9e831a70eba14dc765a666ef7e37 (MD5) Gustavo Charles Peixoto de Oliveira Pt2.pdf: 6266470 bytes, checksum: f0b968a02c9ce8bcbc743fb723003e91 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:08:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Gustavo Charles Peixoto de Oliveira Pt1.pdf: 3559937 bytes, checksum: 0d4a9e831a70eba14dc765a666ef7e37 (MD5) Gustavo Charles Peixoto de Oliveira Pt2.pdf: 6266470 bytes, checksum: f0b968a02c9ce8bcbc743fb723003e91 (MD5) Previous issue date: 2015-02-20 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Um código computacional para escoamentos bifásicos incorporando metodologia híbrida entre oMétodo dos Elementos Finitos e a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária do movimento é usado para simular a dinâmica de um jato transversal de gotas na zona primária de quebra. Os corpos dispersos são descritos por meio de um método do tipo front-tracking que produz interfaces de espessura zero através de malhas formadas pela união de elementos adjacentes em ambas as fases e de técnicas de refinamento adaptativo. Condições de contorno periódicas são implementadas de modo variacionalmente consistente para todos os campos envolvidos nas simulações apresentadas e uma versão modificada do campo de pressão é adicionada à formulação do tipo um-fluido usada na equação da quantidade de movimento linear. Simulações numéricas diretas em três dimensões são executadas para diferentes configurações de líquidos imiscí veis compatíveis com resultados experimentais encontrados na literatura. Análises da hidrodinâmica do jato transversal de gotas nessas configurações considerando trajetórias, variação de formato de gota, espectro de pequenas perturbações, além de aspectos complementares relativos à qualidade de malha são apresentados e discutidos. A two-phase flow computational code taking a hybrid Arbitrary Lagrangian-Eulerian desciption of movement along with the Finite Element Method is used to simulate the dynamics of an incompressible drop jet in crossflow in the primary breakup zone. Dispersed entities are described by means of a front-tracking method which produces zero-thickness interfaces through contiguous element meshing and adaptive refinement techniques. Periodic boundary conditions are implemented in a variationally consistent way for all the scalar fields involved in the presented simulations and amodified version of the pressure field is added to the one-fluid formulation employed in the momentum equation. Three-dimensional direct numerical simulations for different flow configurations of immiscible liquids pertinent to experimental results found in literature. Analyses of the hydrodynamics of the drop jet in crossflow in these configurations considering trajectories, drop shape variations, spectrum of small disturbances, besides additional aspects relating to mesh quality are presented and discussed.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T14:41:35Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_RicardoDiasDosSantos.pdf: 6782293 bytes, checksum: 760689f16a6706491964e09cc25b5d60 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-07T14:41:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_RicardoDiasDosSantos.pdf: 6782293 bytes, checksum: 760689f16a6706491964e09cc25b5d60 (MD5) Previous issue date: 2014-02-17 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In a wide range of physical problems governed by differential equations, it is often of interest to obtain solutions for the unsteady state and therefore it must be employed temporal integration techniques. One possibility could be the use of an explicit methods due to its simplicity and computational efficiency. However, these methods are often only conditionally stable and are subject to severe restrictions for the time step choice. For advective problems governed by hyperbolic equations, this restriction is known as the Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) condition. When there is the need to obtain numerical solutions for long periods of time, or when the computational cost for each time step is high, this condition becomes a handicap. In order to overcome this restriction implicit methods can be used, which are generally unconditionally stable. In this study, some implicit formulations for time integration are used in the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to enable the use of larger time increments and obtain a strong stability in the time evolution process. Due to the high computational cost required by the particles tracking at each time step, the implementation will be feasible only if efficient algorithms were applied for this type of matrix structure such as Krylov subspace methods. Therefore, we carried out a study for the appropriate choice of methods best suited to this problem, and the methods chosen were the Bi-Conjugate Gradient (BiCG), the Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) and the Quasi-Minimal Residual(QMR). Some test problems were used to validate the numerical solutions obtained with the implicit version of the SPH method. Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.