Numerical-Value Perturbation Method with Application of Solving Convective-Diffusion Integral Equation

The convective--diffusion equation is of primary importance in such fields as fluid dynamics and heat transfer hi the numerical methods solving the convective-diffusion equation, the finite volume method can use conveniently diversified grids (structured and unstructured grids) and is suitable for very complex geometry The disadvantage of FV methods compared to the finite difference method is that FV-methods of order higher than second are more difficult to develop in three-dimensional cases. The second-order central scheme (2cs) offers a good compromise among accuracy, simplicity and efficiency, however, it will produce oscillatory solutions when the grid Reynolds numbers are large and then very fine grids are required to obtain accurate solution. The simplest first-order upwind (IUW) scheme satisfies the convective boundedness criteria, however. Its numerical diffusion is large. The power-law scheme, QMCK and second-order upwind (2UW) schemes are also often used in some commercial codes. Their numerical accurate are roughly consistent with that of ZCS. Therefore, it is meaningful to offer higher-accurate three point FV scheme. In this paper, the numerical-value perturbational method suggested by Zhi Gao is used to develop an upwind and mixed FV scheme using any higher-order interpolation and second-order integration approximations, which is called perturbational finite volume (PFV) scheme. The PFV scheme uses the least nodes similar to the standard three-point schemes, namely, the number of the nodes needed equals to unity plus the face-number of the control volume. For instanc6, in the two-dimensional (2-D) case, only four nodes for the triangle grids and five nodes for the Cartesian grids are utilized, respectively. The PFV scheme is applied on a number of 1-D problems, 2~Dand 3-D flow model equations. Comparing with other standard three-point schemes, The PFV scheme has much smaller numerical diffusion than the first-order upwind (IUW) scheme, its numerical accuracy are also higher than the second-order central scheme (2CS), the power-law scheme (PLS), the QUICK scheme and the second-order upwind(ZUW) scheme.

Computation of flow over a rotating body on unstructured Chimera mesh

Flow around moving boundary is ubiquitous in engineering applications. To increse the efficienly of the algorithm to handle moving boundaries is still a major challenge in Computational Fluid Dynamics (CFD). The Chimera grid method is one type of method to handle moving boundaries. A concept of domain de-composition has been proposed in this paper. In this method, sub-domains are meshed independently and governing equations are also solved separately on them. The Chimera grid method was originally used only on structured (curvilinear) meshes. However, in a problem which involves both moving boundary and complex geometry, the number of sub-domains required in a traditional (structured) Chimera method becomes fairly large. Thus the time required in the interior boundary locating, link-building and data exchanging also increases. The use of unstructured Chimera grid can reduce the time consumption significantly by the reduction of domain(block) number. Generally speaking, unstructured Chimera grid method has not been developed. In this paper, a well-known pressure correction scheme - SIMPLEC is modified and implemented on unstructured Chimera mesh. A new interpolation scheme regarding the pressure correction is proposed to prevent the possible decoupling of pressure. A moving-mesh finite volume approach is implemented in an inertial reference frame. This approach is then used to compute incompressible flow around a rotating circular and elliptic cylinder. These numerical examples demonstrate the capability of the proposed scheme in handling moving boundaries. The numerical results are in good agreement with other experimental and computational data in literature. The method proposed in this paper can be efficiently applied to more challenge cases such as free-falling objects or heavy particles in fluid.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Reducción del riesgo de colisión durante el mecanizado en 5 ejes de piezas de turbomaquinaria mediante simulación en Siemens NX9.

[ES]Este proyecto se concibe como respuesta a la creciente demanda de piezas de turbomaquinaria y a la problemática que entraña su fabricación. En los procesos de mecanizado de tales piezas de geometrías complejas, las colisiones entre herramienta-máquina-utillaje son un problema real que puede ocasionar serias pérdidas económicas. Se implementará una metodología de simulación con Siemens NX9 previa a la fabricación para evitar tales colisiones.

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

Modelagem da Dinâmica do Sistema de Controle de Lastro de uma Plataforma Semisubmersível.

É descrita a modelagem, para controle, da dinâmica de uma plataforma semisubmersível com seis graus de liberdade. O modelo inclui os efeitos dos tanques de lastro como forças e momentos, assim como a dinâmica da plataforma. Os parâmetros do sistema foram obtidos das características da plataforma e de resultados experimentais obtidos com uma plataforma semisubmersível de dimensões reduzidas. O desenvolvimento de uma metodologia e de um software capazes de determinar o volume submerso e o centro de empuxo de uma estrutura com geometria complexa foram pontos determinantes nessa Dissertação, tendo em vista a complexidade do processo e as importâncias desses parâmetros para o desenvolvimento do modelo. A linearização do modelo permitiu a elaboração de uma estratégia de controle capaz de estabilizar a plataforma mesmo em condições iniciais distantes do equilíbrio. As equações que descrevem o movimento da plataforma nos graus de liberdade vertical, jogo e arfagem foram desenvolvidas. A realocação dos polos e um observador de estado foram utilizados com o objetivo de melhorar o controle do sistema.

Turbomachinery computational fluid dynamics: asymptotes and paradigm shifts.

This paper reviews the development of computational fluid dynamics (CFD) specifically for turbomachinery simulations and with a particular focus on application to problems with complex geometry. The review is structured by considering this development as a series of paradigm shifts, followed by asymptotes. The original S1-S2 blade-blade-throughflow model is briefly described, followed by the development of two-dimensional then three-dimensional blade-blade analysis. This in turn evolved from inviscid to viscous analysis and then from steady to unsteady flow simulations. This development trajectory led over a surprisingly small number of years to an accepted approach-a 'CFD orthodoxy'. A very important current area of intense interest and activity in turbomachinery simulation is in accounting for real geometry effects, not just in the secondary air and turbine cooling systems but also associated with the primary path. The requirements here are threefold: capturing and representing these geometries in a computer model; making rapid design changes to these complex geometries; and managing the very large associated computational models on PC clusters. Accordingly, the challenges in the application of the current CFD orthodoxy to complex geometries are described in some detail. The main aim of this paper is to argue that the current CFD orthodoxy is on a new asymptote and is not in fact suited for application to complex geometries and that a paradigm shift must be sought. In particular, the new paradigm must be geometry centric and inherently parallel without serial bottlenecks. The main contribution of this paper is to describe such a potential paradigm shift, inspired by the animation industry, based on a fundamental shift in perspective from explicit to implicit geometry and then illustrate this with a number of applications to turbomachinery.

Electroosmotic flow analysis of a branched U-turn nanofluidic device.

In this paper, we present the analysis of electroosmotic flow in a branched -turn nanofluidic device, which we developed for detection and sorting of single molecules. The device, where the channel depth is only 150 nm, is designed to optically detect fluorescence from a volume as small as 270 attolitres (al) with a common wide-field fluorescent setup. We use distilled water as the liquid, in which we dilute 110 nm fluorescent beads employed as tracer-particles. Quantitative imaging is used to characterize the pathlines and velocity distribution of the electroosmotic flow in the device. Due to the device's complex geometry, the electroosmotic flow cannot be solved analytically. Therefore we use numerical flow simulation to model our device. Our results show that the deviation between measured and simulated data can be explained by the measured Brownian motion of the tracer-particles, which was not incorporated in the simulation.

Towards topology-free optimization - An application to turbine internal cooling geometries

The application of automated design optimization to real-world, complex geometry problems is a significant challenge - especially if the topology is not known a priori like in turbine internal cooling. The long term goal of our work is to focus on an end-to-end integration of the whole CFD Process, from solid model through meshing, solving and post-processing to enable this type of design optimization to become viable & practical. In recent papers we have reported the integration of a Level Set based geometry kernel with an octree-based cut- Cartesian mesh generator, RANS flow solver, post-processing & geometry editing all within a single piece of software - and all implemented in parallel with commodity PC clusters as the target. The cut-cells which characterize the approach are eliminated by exporting a body-conformal mesh guided by the underpinning Level Set. This paper extends this work still further with a simple scoping study showing how the basic functionality can be scripted & automated and then used as the basis for automated optimization of a generic gas turbine cooling geometry. Copyright © 2008 by W.N.Dawes.

Wrapping the cube and other polyhedra

An infinite series of twofold, two-way weavings of the cube, corresponding to 'wrappings', or double covers of the cube, is described with the aid of the two-parameter Goldberg- Coxeter construction. The strands of all such wrappings correspond to the central circuits (CCs) of octahedrites (four-regular polyhedral graphs with square and triangular faces), which for the cube necessarily have octahedral symmetry. Removing the symmetry constraint leads to wrappings of other eight-vertex convex polyhedra. Moreover, wrappings of convex polyhedra with fewer vertices can be generated by generalizing from octahedrites to i-hedrites, which additionally include digonal faces. When the strands of a wrapping correspond to the CCs of a four-regular graph that includes faces of size greater than 4, non-convex 'crinkled' wrappings are generated. The various generalizations have implications for activities as diverse as the construction of woven-closed baskets and the manufacture of advanced composite components of complex geometry. © 2012 The Royal Society.

Fractal roughness characterization of super-ground Mn-Zn ferrite single crystals

The surface of superground Mn-Zn ferrite single crystal may be identified as a self-affine fractal in the stochastic sense. The rms roughness increased as a power of the scale from 10(2) nm to 10(6) nm with the roughness exponent alpha = 0.17 +/- 0.04, and 0.11 +/- 0.06, for grinding feed rate of 15 and 10 mu m/rev, respectively. The scaling behavior coincided with the theory prediction well used for growing self-affine surfaces in the interested region for magnetic heads performance. The rms roughnesses increased with increase in the feed rate, implying that the feed rate is a crucial grinding parameter affecting the supersmooth surface roughness in the machining process.