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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17277
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | ALE finite element method for simulating flows with the streamfunction-vorticity formulation |
Título(s) alternativo(s): | Método de elementos finitos ALE para simulação de escoamentos utilizando a formulação corrente-vorticidade |
Autor: | Cunha, Luís Henrique Carnevale da ![]() |
Primeiro orientador: | Anjos, Gustavo Rabello dos |
Primeiro coorientador: | Mangiavacchi, Norberto |
Primeiro membro da banca: | Faria, Cristiane Oliveira de |
Segundo membro da banca: | Coutinho, Alvaro Luiz Gayoso de Azeredo |
Terceiro membro da banca: | Theodorakis, Panagiotis |
Resumo: | Fluid Dynamics is an important area of research in many fields of science and engineering. It is present in the study of aerodynamics, heat exchanges, meteorology and even in biological systems. Due to the complex behavior of flow in different circumstances, being able to accurately describe the fluid motion is a challenge. The purpose of this dissertation is to implement a Finite Element algorithm capable of simulating one phase two-dimensional flow using movable computational mesh grids. The mathematical model of fluid flow used is the stream function-vorticity formulation which is a substitute for the Navier-Stokes equation and is written for the Arbitrary Lagrangian-Eulerian referential to accommodate the mesh movement. A first order semi-Lagrangian method is used to approximate the advective term found in the formulation. This is an unconditionally stable method which allows the algorithm to take larger time steps. A third party open source software called GMSH is used to generate the computational mesh with linear triangular elements. To avoid large distortions, a Laplacian smoothing technique is implemented to help maintain the mesh quality during its movement. Code development is based on Python script language where highly demanding methods are implemented in its compiling version namely Cython. Several test cases were successfully used as benchmarks to verify and validate the proposed new methodology including the cavity driven and Poiseuille flows. Additionally, the flow past an object was chosen as study case for several interesting geometries including the classical cylinder. |
Abstract: | Dinâmica de fluidos é um importante tópico de pesquisa em diversas áreas da ciência e engenharia. Ela está presente no estudo de aerodinâmica, trocadores de calor, meteorologia, e até mesmo em sistemas biológicos. Devido ao comportamento complexo de escoamentos sob diferentes circunstâncias, descrever o movimento de um fluido com suficiente acurácia é um desafio. A proposta dessa dissertação é implementar um algoritmo capaz de simular escoamentos monofásicos em duas dimensões através do método de Elementos Finitos e usando uma malha computacional móvel. O modelo matemático utilizado é uma alternativa às equações de Navier-Stokes, conhecido como formulação corrente-vorticidade, que foi escrita no referencial arbitrário Lagrangiano-Euleriano para o movimento de malha. A discretização do termo advectivo da formulação foi feita através da aplicação de um método semi-Lagrangiano de primeira ordem, que é incondicionalmente estável e com isso permite o uso de maiores passos no tempo. O software open source GMSH foi usado para gerar as malhas computacionais com uma triangulação de elementos lineares. Para evitar grandes distorções, uma técnica de suavização Laplaciana foi implementada para ajudar a manter uma boa qualidade de malha durante o movimento. O código foi escrito principalmente com a linguagem de programação Python e algumas funções foram otimizadas usando Cython. O problema clássico de escoamento em torno de um cilindro foi escolhido como um caso de estudo, primeiro para uma posição fixa e depois para um movimento oscilatório com outras geometrias. |
Palavras-chave: | Engenharia mecânica Dinâmica dos fluidos Método dos elementos finitos Algoritmos Mechanical engineering Fluid dynamics Finite element method Algorithms |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE |
Idioma: | eng |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
Citação: | CUNHA, Luís Henrique Carnevale da. ALE finite element method for simulating flows with the streamfunction-vorticity formulation. 2020. 91 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2020. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17277 |
Data de defesa: | 15-Dez-2020 |
Aparece nas coleções: | Mestrado em Engenharia Mecânica |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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Dissertação - Luís Henrique Carnevale da Cunha - 2020 - Completo.pdf | 12,47 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar |
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