Solução numérica das Equações de Navier-Stokes usando uma hibridação das metodologias Fronteira Imersa e Pseudo-Espectral de Fourier
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2011 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14700 |
Resumo: | In the present these a new methodology is developed for incompressible Navier-Stokes equations applied in flow over complex geometries. This methodology is supported by coupling of Fourier pseudo-spectral methodology (FPSM) and immersed boundary methodology (IBM). The main features of FPSM is high numerical accuracy combined with high computational efficiency, since is not necessary to solve the linear system for pressure-velocity coupling. However, it is restricted to problems with periodic boundary conditions. In order to expand the FPSM applicability in Computational Fluid Dynamics (CFD) it is coupled with IBM. The IBM was carried out to solve flows over complex and moving geometries using a cartesian mesh. Generally, IBM reach only low accuracy in solution near of immersed interface. Using the hybridation proposed in the present work, the accuracy increase in results near of boundary. In the present work are shown verification and validation results of hybrid methodology. Manufactured solutions technique is used in order to verify the IMERSPEC methodology. Fourth order convergence rate is obtained. For validation of methodology classical CFD benchmarks flows are simulated: flow over a backward-facing step 2D and 3D and flow over a cylinders. In order to demonstrate the methodology capabilities are also simulated the free fall of rigid body, which is a fluid-structure interaction problem. The results of all benchmark problems are in agreement with literature data. |
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Solução numérica das Equações de Navier-Stokes usando uma hibridação das metodologias Fronteira Imersa e Pseudo-Espectral de FourierNumerical solution of Navier-Stokes equations using a hybrid methodology of immersed boundary and Fourier pseudo-spectralDinâmica dos fluidos computacionalMétodo pseudo-espectral de fourierMétodo da fronteira imersaDinâmica dos fluidos - MatemáticaDinâmica dos fluidos - Modelos matemáticosDinâmica dos fluidos - Processamento de dadosComputational fluid dynamicsFourier pseudo-spectral methodImmersed boundary methodCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAIn the present these a new methodology is developed for incompressible Navier-Stokes equations applied in flow over complex geometries. This methodology is supported by coupling of Fourier pseudo-spectral methodology (FPSM) and immersed boundary methodology (IBM). The main features of FPSM is high numerical accuracy combined with high computational efficiency, since is not necessary to solve the linear system for pressure-velocity coupling. However, it is restricted to problems with periodic boundary conditions. In order to expand the FPSM applicability in Computational Fluid Dynamics (CFD) it is coupled with IBM. The IBM was carried out to solve flows over complex and moving geometries using a cartesian mesh. Generally, IBM reach only low accuracy in solution near of immersed interface. Using the hybridation proposed in the present work, the accuracy increase in results near of boundary. In the present work are shown verification and validation results of hybrid methodology. Manufactured solutions technique is used in order to verify the IMERSPEC methodology. Fourth order convergence rate is obtained. For validation of methodology classical CFD benchmarks flows are simulated: flow over a backward-facing step 2D and 3D and flow over a cylinders. In order to demonstrate the methodology capabilities are also simulated the free fall of rigid body, which is a fluid-structure interaction problem. The results of all benchmark problems are in agreement with literature data.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDoutor em Engenharia MecânicaNo presente trabalho é desenvolvida uma nova metodologia para a solução das equações de Navier-Stokes na formulação incompressível aplicada a escoamentos sobre geometrias complexas. Ela é baseada no acoplamento da metodologia pseudo-espectral de Fourier (MPEF) juntamente com a metodologia da fronteira imersa (MFI). As principais particularidades do MPEF é a alta acurácia numérica, aliada com o baixo custo computacional, pois não é necessário resolver o sistema linear do acoplamento pressão-velocidade. Entretanto, ela é limitada a problemas com condições de contorno periódicas. Com o intuito de expandir a aplicabilidade da MPEF a outros problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), ela foi acoplada à MFI. A MFI é uma metodologia desenvolvida para simular escoamentos sobre geometrias complexa e móveis usando malha cartesiana. Normalmente, apresenta baixa acurácia nos resultados próximos à região da interface imersa. Com a hibridação proposta no presente trabalho, obtém-se um aumento da precisão dos resultados sobre a fronteira. No presente trabalho mostra-se os resultados de verificação e validação da metodologia híbrida. Para a verificação utilizou-se a técnica das soluções manufaturas, obtendo quarta ordem de convergência numérica. Para a validação simularam-se problemas clássicos de CFD: escoamentos sobre degrau 2D e 3D e escoamentos sobre cilindros. A fim de testar as potencialidades da metodologia também simulou-se a queda de uma partícula em um meio fluido, o qual constitui um problema de interação fluido-estrutura. Os resultados mostraram-se de acordo com os dados da literatura.Universidade Federal de UberlândiaBRPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaEngenhariasUFUSilveira Neto, Aristeu dahttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781876D5&dataRevisao=nullPrata, Alvaro Toubeshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781599Z8Lepore Neto, Francisco Paulohttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4780224Z5Souza, Francisco José dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4703183Y4Azevedo, João Luiz Filgueiras dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4781903U4Mariano, Felipe Pamplona2016-06-22T18:39:29Z2011-06-102016-06-22T18:39:29Z2011-03-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfMARIANO, Felipe Pamplona. Numerical solution of Navier-Stokes equations using a hybrid methodology of immersed boundary and Fourier pseudo-spectral. 2011. 177 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14700porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2016-06-23T06:55:42Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/14700Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2016-06-23T06:55:42Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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Solução numérica das Equações de Navier-Stokes usando uma hibridação das metodologias Fronteira Imersa e Pseudo-Espectral de Fourier Mariano, Felipe Pamplona Dinâmica dos fluidos computacional Método pseudo-espectral de fourier Método da fronteira imersa Dinâmica dos fluidos - Matemática Dinâmica dos fluidos - Modelos matemáticos Dinâmica dos fluidos - Processamento de dados Computational fluid dynamics Fourier pseudo-spectral method Immersed boundary method CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
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In the present these a new methodology is developed for incompressible Navier-Stokes equations applied in flow over complex geometries. This methodology is supported by coupling of Fourier pseudo-spectral methodology (FPSM) and immersed boundary methodology (IBM). The main features of FPSM is high numerical accuracy combined with high computational efficiency, since is not necessary to solve the linear system for pressure-velocity coupling. However, it is restricted to problems with periodic boundary conditions. In order to expand the FPSM applicability in Computational Fluid Dynamics (CFD) it is coupled with IBM. The IBM was carried out to solve flows over complex and moving geometries using a cartesian mesh. Generally, IBM reach only low accuracy in solution near of immersed interface. Using the hybridation proposed in the present work, the accuracy increase in results near of boundary. In the present work are shown verification and validation results of hybrid methodology. Manufactured solutions technique is used in order to verify the IMERSPEC methodology. Fourth order convergence rate is obtained. For validation of methodology classical CFD benchmarks flows are simulated: flow over a backward-facing step 2D and 3D and flow over a cylinders. In order to demonstrate the methodology capabilities are also simulated the free fall of rigid body, which is a fluid-structure interaction problem. The results of all benchmark problems are in agreement with literature data. |
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MARIANO, Felipe Pamplona. Numerical solution of Navier-Stokes equations using a hybrid methodology of immersed boundary and Fourier pseudo-spectral. 2011. 177 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2011. https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14700 |
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