Modelagem matemática e computacional de camada limite laminar utilizando a metodologia mista pseudoespectral de fourier e fronteira imersa

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Freitas, Thiago Fernando Santiago de
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38748
http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.286
Resumo: FURNAS - Centrais Elétricas e o “Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico” da ANEEL financiaram esse trabalho.
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spelling Modelagem matemática e computacional de camada limite laminar utilizando a metodologia mista pseudoespectral de fourier e fronteira imersaMathematical and computational modeling of laminar boundary layer using mixed methodology fourier pseudospectral and immersed boundaryMétodo pseudoespectral de FourierFourier pseudoespectral methodMétodo de fronteira imersaImmersed boundary methodMétodo FringeFringe methodIMERSPECIMERSPECModelagem da camada limite laminar em uma placa planaLaminar boundary layer over a flat plateEngenharia MecânicaMechanical engineeringCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia mecânicaFourier, Análise deAnálise espectralMétodos de modelagemFURNAS - Centrais Elétricas e o “Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico” da ANEEL financiaram esse trabalho.Computational Fluid Dynamics is a tool that can assist in the understanding and optimization of wind farms. The modeling of complex phenomena, such as the interaction of wind turbines with the atmospheric boundary layer, is achieved through a well-developed solid knowledge base. Based on this argument, the present dissertation employs a hybrid methodology combining the pseudospectral Fourier method (MPF) with the immersed boundary method (MFI), called IMERSPEC, for the two-dimensional modeling of the laminar boundary layer over a flat plate. IMERSPEC is a high-order convergence methodology with low computational cost compared to other high-order methods. It decouples the pressure from its numerical-computational solution process. It is worth noting that IMERSPEC is the pioneering approach in modeling the Blasius boundary layer using the spectral Fourier domain in all flow directions. To achieve the proposed objective, numerical-computational verification steps of the methodology are performed, along with understanding its functioning and typical implementation techniques. The two-dimensional code verification is conducted for Taylor-Green vortices, demonstrating the high accuracy of IMERSPEC. Virtual experiments representing developing two-dimensional plane jets in temporal and spatial domains are conducted to verify the accuracy of this methodology in representing physical phenomena and to become familiar with the application of flow periodicity methods for spatial modeling, where the computational domain is subdivided into complementary and useful domains. The imposition of white numerical noise is necessary to develop instabilities in free shearing flows transitioning to turbulence. The spatially developing Blasius boundary layer is modeled with IMERSPEC using the fringe method, the best alternative for periodicity in this type of modeling. Mesh refinement and CFL analyses are performed, indicating that the most significant computational errors are due to the fringe method. Subsequently, an optimization of computational implementation parameters is carried out, including the flat plate imposition method, possible boundary conditions at the top of the useful domain, and the evaluation of the size of the non-modeled domain. Overall, the computational results indicate a satisfactory modeling of the laminar boundary layer over a flat plate.Pesquisa sem auxílio de agências de fomentoDissertação (Mestrado)A dinâmica dos fluidos computacional é uma ferramenta que pode auxiliar na compreensão e otimização de parques eólicos. A modelagem de fenômenos muito complexos como a interação de aerotransformadores com a camada limite atmosférica é obtida a partir de uma base de conhecimento sólida bem desenvolvida. Com base nesse argumento, na presente dissertação é utilizada uma metodologia híbrida do método pseudoespectral de Fourier (MPF) junto ao método de fronteira imersa (MFI), denominada IMERSPEC, para a modelagem bidimensional da camada limite laminar sobre uma placa plana. O IMERSPEC é uma metodologia de alta ordem de convergência e baixo custo computacional, comparado com outros métodos de alta ordem, que desacopla a pressão de seu processo de solução numérico-computacional. Destaca-se que o IMERSPEC é a abordagem pioneira na modelagem da camada limite de Blasius utilizando o domínio espectral de Fourier em todas as direções do escoamento. A fim de atingir o objetivo proposto são realizadas etapas de verificação numérico-computacional da metodologia e compreensão de seu funcionamento e usuais artifícios de implementação. A verificação do código bidimensional é realizada para os vórtices de Taylor-Green em que constata-se a elevada acurácia do IMERSPEC. Experimentos virtuais representando jatos planos bidimensionais em desenvolvimento temporal e espacial são realizados a fim de verificar a acurácia dessa metodologia na representação de fenômenos físicos e se familiarizar com a aplicação de métodos de periodização de escoamentos para modelagens espaciais em que se subdivide o domínio computacional em domínio complementar e domínio útil. A imposição de ruído branco numérico é necessária para que se desenvolva instabilidades em escoamentos cisalhantes livres em transição à turbulência. A camada limite de Blasius em desenvolvimento espacial é modelada com o IMERSPEC utilizando o método fringe, melhor alternativa para a periodização nesse tipo de modelagem. Análises de refinamento de malha e de CFL são realizadas em que nota-se que os erros computacionais mais significativos são decorrentes do método fringe. Sucede-se então uma otimização de parâmetros de implementação computacional, são eles: a forma de imposição da placa plana, possíveis condições de contorno do topo do domínio útil e a avaliação do tamanho do domínio não modelado. De modo geral, os resultados computacionais indicam uma modelagem da camada limite laminar em uma placa plana satisfatória.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaMariano, Felipe Pamplonahttp://lattes.cnpq.br/4538460201961283Silveira Neto, Aristeu dahttp://lattes.cnpq.br/4650888739121183Vedovotto, João Marcelohttp://lattes.cnpq.br/5630598971511798Medeiros, Marcello Augusto Faraco dehttp://lattes.cnpq.br/7772253950731916Freitas, Thiago Fernando Santiago de2023-07-25T12:56:24Z2023-07-25T12:56:24Z2023-07-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfFREITAS, Thiago Fernando Santiago de. Modelagem matemática e computacional de camada limite laminar utilizando a metodologia mista pseudoespectral de Fourier e fronteira imersa. 2023. 105 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.286.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38748http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.286porAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United Stateshttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2023-10-25T13:07:25Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/38748Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2023-10-25T13:07:25Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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