基于多矩的有限体积浸入边界法研究

浸入边界法（Immersed Boundary Method）是计算流体力学中求解具有复杂、移动边界流动问题的一类有效途径，该方法在笛卡尔坐标系上离散求解流体控制方程，并通过在控制方程中添加相应源相来代表浸入边界。尽管浸入边界法借助其简单、高效的显著特点在计算流体力学应用中显示出极强的生命力，特别是针对复杂的实际流动及动边界流动问题有着无可比拟的优势，但仍有许多问题需要进一步的研究。 本论文基于浸入边界方法及多矩VSIAM3（Volume/Surface Integrated Average Multi-Moment Method）格式提出了一种不可压缩流体求解数值格式。不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行法进行离散，引入浸入边界法处理复杂、移动流动边界条件，使用虚拟网格方法计算动量方程修正项，同时还考虑了对连续方程的修正。VSIAM3格式是一种基于多矩的有限体积法，在方程的离散中总是使用两种或两种以上的矩，如：VIA（Volume Integrated Average）和SIA（Surface Integrated Average）。而不同的矩在求解过程中依据不同形式的控制方程使用不同的离散方法进行更新。VSIAM3格式更多的局地自由度及同时使用交错网格和同位网格的特点使浸入边界法的实施更加便利、高效。研究中，浸入边界法不仅应用于处理动力边界条件，同样可以处理热动力边界条件。 研究中对大量经典算例进行了数值实验，包括一维线性初始问题、方腔流问题、二维绕静止及振荡圆柱流动、三维绕球流动及热对流问题等。数值结果同实验值及其它计算结果保持一致，该算法可准确、高效处理具有复杂、移动边界及存在热对流的不可压流动问题，为实际应用打下了基础。

摄动有限体积算法及其在两相流中应用

采用一种全新的摄动有限体积(PFV)算法和水平集(Level Set)技术对液液两相系统中液滴坠落进行数值模拟,数值结果表明,PFV新算法具有节点少、精度高,效率高,编程方便等优点,能成功模拟液液两相流动,为两相流动数值模拟提供了一种新的途径.

Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

Estimativa de erros no cálculo de gradientes em malhas de Voronoi

O presente trabalho propõe analisar metodologias para o cálculo do gradiente em malhas não-estruturadas do tipo Voronoi que são utilizadas no método de Volumes Finitos. Quatro metodologias para o cálculo do gradiente são testadas e comparadas com soluções analíticas. As técnicas utilizadas são: Método do Balanço de Forças, Método do Mínimo Resíduo Quadrático, Método da Média dos Gradientes Projetos e Método da Média dos Gradientes Projetados Corrigidos. Uma análise por série de Taylor também foi feita, e as equações analíticas comparadas com resultados numéricos. Os testes são realizados em malhas cartesianas e malhas triangulares, que em um trabalho anterior apresentaram alguns resultados inconsistentes. A influência do ponto gerador e do ângulo de rotação é analisada. É verificado que a posição do ponto gerador e a metodologia utilizada em cada malha influencia no cálculo do gradiente. Dependendo da malha e da metodologia utilizada, as equações analíticas indicaram que existem erros associados, que prejudicam o cálculo do gradiente.

Análise de erros da equação de advecção unidimensional no Método de Volumes Finitos

Uma análise utilizando a série de Taylor é apresentada para se estimar a priori os erros envolvidos na solução numérica da equação de advecção unidimensional com termo fonte, através do Método dos Volumes Finitos em uma malha do tipo uniforme e uma malha não uniforme. Também faz-se um estudo a posteriori para verificar a magnitude do erro de discretização e corroborar os resultados obtidos através da análise a priori. Por meio da técnica de solução manufaturada tem-se uma solução analítica para o problema, a qual facilita a análise dos resultados numéricos encontrados, e estuda-se ainda a influência das funções de interpolação UDS e CDS e do parâmetro u na solução numérica.

Análisis del flujo de

[ES]Este proyecto estudia el flujo de dióxido de carbono a través de toberas de diferentes diámetros con un software de simulación, mediante el método de los volúmenes finitos (CFD). El objetivo es poder elegir la tobera que optimice la cantidad de gas utilizado en función de la distancia a la que tenga que llegar. Con un modelo computacional adecuado, esta simulación puede realizarse en un ordenador sin tener que recurrir a ensayos, ahorrando costes y tiempo.

Simulação numérica do escoamento de água em áreas alagáveis da floresta amazônica com a utilização da estrutura de dados Autonomous Leaves Graph

A Amazônia exibe uma variedade de cenários que se complementam. Parte desse ecossistema sofre anualmente severas alterações em seu ciclo hidrológico, fazendo com que vastos trechos de floresta sejam inundados. Esse fenômeno, entretanto, é extremamente importante para a manutenção de ciclos naturais. Neste contexto, compreender a dinâmica das áreas alagáveis amazônicas é importante para antecipar o efeito de ações não sustentáveis. Sob esta motivação, este trabalho estuda um modelo de escoamento em áreas alagáveis amazônicas, baseado nas equações de Navier-Stokes, além de ferramentas que possam ser aplicadas ao modelo, favorecendo uma nova abordagem do problema. Para a discretização das equações é utilizado o Método dos Volumes Finitos, sendo o Método do Gradiente Conjugado a técnica escolhida para resolver os sistemas lineares associados. Como técnica de resolução numérica das equações, empregou-se o Método Marker and Cell, procedimento explícito para solução das equações de Navier-Stokes. Por fim, as técnicas são aplicadas a simulações preliminares utilizando a estrutura de dados Autonomous Leaves Graph, que tem recursos adaptativos para manipulação da malha que representa o domínio do problema

Avaliação dos algoritmos de Picard-Krylov e Newton-Krylov na solução da equação de Richards

A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards.

Estudo de fluxos numéricos para modelos magneto-hidrodinâmicos utilizando o código Flash

A teoria magneto-hidrodinâmicos permite a estruturação de modelos computacionais, designados modelos MHDs, que são uma extensão da dinâmica dos fluidos para lidar com fluidos eletricamente carregados, tais como os plasmas, em que se precisa considerar os efeitos de forças eletromagnéticas. Tais modelos são especialmente úteis quando o movimento exato de uma partícula não é de interesse, sendo que as equações descrevem as evoluções de quantidades macroscópicas. Várias formas de modelos MHD têm sido amplamente utilizadas na Física Espacial para descrever muitos tipos diferentes de fenômenos de plasma, tais como reconexão magnética e interações de ventos estelares com diferentes objetos celestiais. Neste trabalho, o objetivo é analisar o comportamento de diversos fluxos numéricos em uma discretização de volumes finitos de um modelo numérico de MHD usando um esquema de malha entrelaçada sem separação direcional considerando alguns casos testes. Para as simulações, utiliza-se o código Flash, desenvolvido pela Universidade de Chicago, por ser um código de amplo interesse nas simulações astrofísicas e de fenômenos no espaço próximo à Terra. A metodologia consiste na inclusão de um fluxo numérico, permitindo melhoria com respeito ao esquema HLL.

Numerical simulations of unsteady wet steam flows with non-equilibrium condensation in the nozzle and the steam turbine

Numerical techniques for non-equilibrium condensing flows are presented. Conservation equations for homogeneous gas-liquid two-phase compressible flows are solved by using a finite volume method based on an approximate Riemann solver. The phase change consists of the homogeneous nucleation and growth of existing droplets. Nucleation is computed with the classical Volmer-Frenkel model, corrected for the influence of the droplet temperature being higher than the steam temperature due to latent heat release. For droplet growth, two types of heat transfer model between droplets and the surrounding steam are used: a free molecular flow model and a semi-empirical two-layer model which is deemed to be valid over a wide range of Knudsen number. The computed pressure distribution and Sauter mean droplet diameters in a convergent-divergent (Laval) nozzle are compared with experimental data. Both droplet growth models capture qualitatively the pressure increases due to sudden heat release by the non-equilibrium condensation. However the agreement between computed and experimental pressure distributions is better for the two-layer model. The droplet diameter calculated by this model also agrees well with the experimental value, whereas that predicted by the free molecular model is too small. Condensing flows in a steam turbine cascade are calculated at different Mach numbers and inlet superheat conditions and are compared with experiments. Static pressure traverses downstream from the blade and pressure distributions on the blade surface agree well with experimental results in all cases. Once again, droplet diameters computed with the two-layer model give best agreement with the experiments. Droplet sizes are found to vary across the blade pitch due to the significant variation in expansion rate. Flow patterns including oblique shock waves and condensation-induced pressure increases are also presented and are similar to those shown in the experimental Schlieren photographs. Finally, calculations are presented for periodically unsteady condensing flows in a low expansion rate, convergent-divergent (Laval) nozzle. Depending on the inlet stagnation subcooling, two types of self-excited oscillations appear: a symmetric mode at lower inlet subcooling and an asymmetric mode at higher subcooling. Plots of oscillation frequency versus inlet sub-cooling exhibit a hysteresis loop, in accord with observations made by other researchers for moist air flow. Copyright © 2006 by ASME.

Study of turbulent heat transfer of aviation kerosene flows in a curved pipe at supercritical pressure

The now and heat transfer characteristics of China No. 3 aviation kerosene in a heated curved tube under supercritical pressure are numerically investigated by a finite volume method. A two-layer turbulence model, consisting of the RNG k-epsilon two-equation model and the Wolfstein one-equation model, is used for the simulation of turbulence. A 10-species kerosene surrogate model and the NIST Supertrapp software are applied to obtain the thermophysical and transport properties of the kerosene at various temperature under a supercritical pressure of 4 MPa. The large variation of thermophysical properties of the kerosene at the supercritical pressure make the flow and heat transfer more complicated, especially under the effects of buoyancy and centrifugal force. The centrifugal force enhances the heat transfer, but also increases the friction factors. The rise of the velocity caused by the variation of the density does not enhance the effects of the centrifugal force when the curvature ratios are less than 0.05. On the contrary, the variation of the density increases the effects of the buoyancy. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

有限体积法在煤层气数值试井中应用的探索

通过对现代数值试井技术主要使用的数值计算方法优缺点的对比分析,说明了有限体积法求解煤层气扩散方程的优势,确定采用有限体积法对煤层气井的数值试井模型进行求解。建立了圆形区域煤层的一维径向流动和二维平面流动的煤层气井稳定解吸数值试井模型,推导出了相应的有限体积法离散格式。通过对求解结果的分析,详细讨论了解吸系数、边界距离、边界性质、组合系数等因素对试井理论曲线的影响。该研究成果的理论曲线特征明显地反映了不同条件下煤层气井的压力变化规律,说明了有限体积法适合于煤层气井的数值试井研究。该研究成果拓展了煤层气数值试井模型求解的计算方法,对煤层气数值试井的发展有积极的指导意义。

Study on reactive extrusion processes of block copolymer

The anionic copolymerization process of styrene-buradiene (S/B) block copolymer in a closely intermeshing co-rotating twin screw extruder with butyl-lithium initiator was studied. According to the anionic copolymerization mechanism and the reactive extrusion characteristics, the mathematical models of monomer conversion, average molecular weight and fluid viscosity during the anionic copolymerization of S/B were constructed, and then the reactive extrusion process was simulated by means of the finite volume method and the uncoupled semi-implicit iterative algorithm. Finally, the influence of the feeding mixture composition on conversion was discussed. The simulated results were nearly in agreement with the experimental results.

Numerical simulation of reactive extrusion processes of PA6

To analyze the complicated relationships among the variables during the reactive extrusion process of polyamide 6 (PA6), and then control the chemical reaction and the material structures, the process of continuous polymerization of caprolactam into PA6 in a closely intermeshing co-rotating twin screw extruder was simulated by means of the finite volume method, and the influences of three key processing parameters on the reactive extrusion process were discussed. The simulated results of an example were in good agreement with the experimental results.

A domain decomposition algorithm for viscous/inviscid coupling

In fluid mechanics, it is well accepted that the Euler equation is one of the reduced forms of the Navier-Stokes equation by truncating the viscous effect. There are other truncation techniques currently being used in order to truncate the Navier-Stokes equation to a reduced form. This paper describes one such technique, suitable for adaptive domain decomposition methods for the solution of viscous flow problems. The physical domain of a viscous flow problem is partitioned into viscous and inviscid subdomains without overlapping regions, and the technique is embedded into a finite volume method. Some numerical results are provided for a flat plate and the NACA0012 aerofoil. Issues related to distributed computing are discussed.