Modelling and aerodynamic simulation of a vehicle and failure analysis of a laminated front fender

Master Thesis in Mechanical Engineering field of Maintenance and Production

Reacção de cisão da molécula de azoto em xénon supercrítico

Apenas há 100 anos atrás foi finalmente estabelecido que os sistemas biológicos têm a capacidade de fixar o azoto. A Química ainda se encontrava atrasada, mas em 1913, Haber e Bosh projectaram a primeira instalação comercial de fixação do azoto e fundaram a indústria química inorgânica moderna. Os mecanismos destes dois processos relacionados são, no entanto, muito diversos. Laplaza e Cummins apresentaram na revista Science uma reacção que representa o culminar de 30 anos de trabalho da comunidade química na fixação de azoto em condições próximas das atmosféricas. Esta descoberta apresenta um complexo inorgânico simples que pode quebrar a ligação tripla da molécula de azoto para formar um novo nitrilo-complexo sem a necessidade de qualquer outro reagente. Esta publicação inspirou o trabalho apresentado nesta tese. Como a transferência de massa entre as fases – gasosa (azoto) e o solvente líquido – constituía um factor limitativo da cinética da reacção, assim a utilização de um solvente supercrítico pareceu ser uma melhoria óbvia. O xénon é o único fluido supercrítico, à temperatura ambiente suficientemente inerte quimicamente para ser usado como solvente em contacto com uma substância extremamente reactiva, capaz de quebrar a ligação da molécula de azoto. Neste trabalho, a reacção descoberta por Laplaza e Cummins foi efectuada em xénon supercrítico. A realização desta reacção envolveu diversas etapas: 1. As sínteses do composto Mo(NRAr)3 (1) (onde R é C(CD3)2CH3 e Ar é 3,5-C6H3(CH3)2), usando caixa de luvas e técnicas sob atmosfera de árgon; 2. A construção de uma nova instalação, projectada para a realização da reacção do composto 1 com o azoto em xénon supercrítico, com monitorização contínua através de espectrofotometria visível; 3. A introdução de sucessivas modificações devido a dificuldades experimentais imprevistas conduziu à reconstrução substancial da primeira instalação utilizada, de forma a ser possível medir a solubilidade do composto 1 em xénon supercrítico, e de proporcionar a difusão do azoto no xénon. 4. Medições da solubilidade do complexo 1 em xénon supercrítico, à temperatura ambiente e pressões entre 6 e 10MPa; 5. Medições da cinética da reacção do composto 1 com azoto gasoso, usando xénon supercrítico como solvente, em diversas condições, com diversos ambientes de solventes, em diferentes quantidades do composto 1, e usando métodos de detecção completamente diferentes do método espectroscópico inicialmente programado; 6. Utilização de simulações em CFD (Computer Fluid Dynamics) para interpretar os resultados obtidos. Estas simulações sugerem que a elevada densidade do xénon induz a sedimentação lenta do excesso (não dissolvido) do composto 1, que controla a distribuição do produto da reacção dentro do reactor. A conclusão principal foi a de que a cisão da ligação da molécula do azoto pelo composto 1 pode ser obtida em segundos em xénon supercrítico.

Simulação de Escoamentos Atmosféricos para Estudo de Parques Eólicos: Estudo comparativo dos softwares OpenFOAM e Windie

A presente tese tem como principal objetivo a comparação entre dois software de CFD (Computer Fluid Dynamics) na simulação de escoamentos atmosféricos com vista à sua aplicação ao estudo e caracterização de parques eólicos. O software em causa são o OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) - freeware open source genérico - e o Windie, ferramenta especializada no estudo de parques eólicos. Para este estudo foi usada a topografia circundante a um parque eólico situado na Grécia, do qual dispúnhamos de resultados de uma campanha de medições efetuada previamente. Para este _m foram usados procedimentos e ferramentas complementares ao Open-FOAM, desenvolvidas por da Silva Azevedo (2013) adequados para a realização do pré-processamento, extração de dados e pós-processamento, aplicados na simulação do caso pratico. As condições de cálculo usadas neste trabalho limitaram-se às usadas na simulação de escoamentos previamente simulados pelo software Windie: condições de escoamento turbulento, estacionário, incompressível e em regime não estratificado, com o recurso ao modelo de turbulência RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes ) k - E atmosférico. Os resultados de ambas as simulações - OpenFOAM e Windie - foram comparados com resultados de uma campanha de medições, através dos valores de speed-up e intensidade turbulenta nas posições dos anemómetros.

Developing discontinuous Galerkin methods for the resolution of the incompressible Navier-Stokes equations

Informe de investigación elaborado a partir de una estancia en el Laboratorio de Diseño Computacional en Aeroespacial en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, entre noviembre de 2006 y agosto de 2007. La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos referida al estudio de los movimientos de los líquidos o gases, cuya meta principal es predecir las fuerzas aerodinámicas en un avión o cualquier tipo de vehículo, incluyendo los automóviles. Las ecuaciones de Navier-Stokes representan un estado dinámico del equilibrio de las fuerzas que actúan en cualquier región dada del fluido. Son uno de los sistemas de ecuaciones más útiles porque describen la física de una gran cantidad de fenómenos como corrientes del océano, flujos alrededor de una superficie de sustentación, etc. En el contexto de una tesis doctoral, se está estudiando un flujo viscoso e incompresible, solucionando las ecuaciones de Navier- Stokes incompresibles de una manera eficiente. Durante la estancia en el MIT, se ha utilizado un método de Galerkin discontinuo para solucionar las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles usando, o bien un parámetro de penalti para asegurar la continuidad de los flujos entre elementos, o bien un método de Galerkin discontinuo compacto. Ambos métodos han dado buenos resultados y varios ejemplos numéricos se han simulado para validar el buen comportamiento de los métodos desarrollados. También se han estudiado elementos particulares, los elementos de Raviart y Thomas, que se podrían utilizar en una formulación mixta para obtener un algoritmo eficiente para solucionar problemas numéricos complejos.

Desenvolupament de codis numèrics per a la resolució de fluxos turbulents en ordinadors paral·lels emprant discretitzacions tipus symmetry-preserving

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of Groningen, Holanda, entre 2007 i 2009. La simulació directa de la turbulència (DNS) és una eina clau dins de la mecànica de fluids computacional. Per una banda permet conèixer millor la física de la turbulència i per l'altra els resultats obtinguts són claus per el desenvolupament dels models de turbulència. No obstant, el DNS no és una tècnica vàlida per a la gran majoria d'aplicacions industrials degut al elevats costos computacionals. Per tant, és necessari cert grau de modelització de la turbulència. En aquest context, s'han introduïts importants millores basades en la modelització del terme convectiu (no lineal) emprant symmetry-preserving regularizations. En tracta de modificar adequadament el terme convectiu a fi de reduir la producció d'escales més i més petites (vortex-stretching) tot mantenint tots els invariants de les equacions originals. Fins ara, aquest models s'han emprat amb èxit per nombres de Rayleigh (Ra) relativament elevats. En aquest punt, disposar de resultats DNS per a configuracions més complexes i nombres de Ra més elevats és clau. En aquest contexte, s'han dut a terme simulacions DNS en el supercomputador MareNostrum d'una Differentially Heated Cavity amb Ra=1e11 i Pr=0.71 durant el primer any dels dos que consta el projecte. A més a més, s'ha adaptat el codi a fi de poder simular el fluxe al voltant d'un cub sobre una pared amb Re=10000. Aquestes simulacions DNS són les més grans fetes fins ara per aquestes configuracions i la seva correcta modelització és un gran repte degut la complexitat dels fluxes. Aquestes noves simulacions DNS estan aportant nous coneixements a la física de la turbulència i aportant resultats indispensables per al progrés de les modelitzacións tipus symmetry-preserving regularization.

Dynamics of turing patterns under spatiotemporal forcing

We study, both theoretically and experimentally, the dynamical response of Turing patterns to a spatiotemporal forcing in the form of a traveling-wave modulation of a control parameter. We show that from strictly spatial resonance, it is possible to induce new, generic dynamical behaviors, including temporally modulated traveling waves and localized traveling solitonlike solutions. The latter make contact with the soliton solutions of Coullet [Phys. Rev. Lett. 56, 724 (1986)] and generalize them. The stability diagram for the different propagating modes in the Lengyel-Epstein model is determined numerically. Direct observations of the predicted solutions in experiments carried out with light modulations in the photosensitive chlorine dioxide-iodine-malonic acid reaction are also reported.

Dynamics of domain walls in pattern formation under traveling-wave forcing

We study dynamics of domain walls in pattern forming systems that are externally forced by a moving space-periodic modulation close to 2:1 spatial resonance. The motion of the forcing induces nongradient dynamics, while the wave number mismatch breaks explicitly the chiral symmetry of the domain walls. The combination of both effects yields an imperfect nonequilibrium Ising-Bloch bifurcation, where all kinks (including the Ising-like one) drift. Kink velocities and interactions are studied within the generic amplitude equation. For nonzero mismatch, a transition to traveling bound kink-antikink pairs and chaotic wave trains occurs.

Defect dynamics in viscous fingering

We study the dynamics of Staffman-Taylor fingering in terms of topological defects of the flow field. The defects are created and/or annihilated at the interface. The route towards the single-finger steady state is characterized by a detailed mechanism for defect annihilation. For small viscosity contrast this mechanism is impeded, and creation of new defects leads the system away from a single-finger solution. Strong evidence for a drastic reduction of the basin of attraction of the Saffman-Taylor finger is presented.

Phase separation dynamics under stirring

Phase separation dynamics in the presence of externally imposed stirring is studied. The stirring is assumed independent of the concentration and it is generated with a well-defined energy spectrum. The domain growth process is either favored or frozen depending on the intensity and correlation length of this advective flow. This behavior is explained by analytical arguments.

Effects of small surface tension in Hele-Shaw multifinger dynamics: an analytical and numerical study

We study the singular effects of vanishingly small surface tension on the dynamics of finger competition in the Saffman-Taylor problem, using the asymptotic techniques described by Tanveer [Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 343, 155 (1993)] and Siegel and Tanveer [Phys. Rev. Lett. 76, 419 (1996)], as well as direct numerical computation, following the numerical scheme of Hou, Lowengrub, and Shelley [J. Comput. Phys. 114, 312 (1994)]. We demonstrate the dramatic effects of small surface tension on the late time evolution of two-finger configurations with respect to exact (nonsingular) zero-surface-tension solutions. The effect is present even when the relevant zero-surface-tension solution has asymptotic behavior consistent with selection theory. Such singular effects, therefore, cannot be traced back to steady state selection theory, and imply a drastic global change in the structure of phase-space flow. They can be interpreted in the framework of a recently introduced dynamical solvability scenario according to which surface tension unfolds the structurally unstable flow, restoring the hyperbolicity of multifinger fixed points.

Stochastic generation of homogeneous isotropic turbulence with well-defined-spectra

A precise and simple computational model to generate well-behaved two-dimensional turbulent flows is presented. The whole approach rests on the use of stochastic differential equations and is general enough to reproduce a variety of energy spectra and spatiotemporal correlation functions. Analytical expressions for both the continuous and the discrete versions, together with simulation algorithms, are derived. Results for two relevant spectra, covering distinct ranges of wave numbers, are given.

Excitability transitions and wave dynamics under spatiotemporal structured noise

We present an analytic and numerical study of the effects of external fluctuations in active media. Our analytical methodology transforms the initial stochastic partial differential equations into an effective set of deterministic reaction-diffusion equations. As a result we are able to explain and make quantitative predictions on the systematic and constructive effects of the noise, for example, target patterns created out of noise and traveling or spiral waves sustained by noise. Our study includes the case of realistic noises with temporal and spatial structures.

Interface dynamics in Hele-Shaw flows with centrifugal forces. Preventing cusp singularities with rotation

A class of exact solutions of Hele-Shaw flows without surface tension in a rotating cell is reported. We show that the interplay between injection and rotation modifies the scenario of formation of finite-time cusp singularities. For a subclass of solutions, we show that, for any given initial condition, there exists a critical rotation rate above which cusp formation is suppressed. We also find an exact sufficient condition to avoid cusps simultaneously for all initial conditions within the above subclass.