A Multiscale-Domain Decomposition Method for High Reynolds Number Flows

The high Reynolds number flow contains a wide range of length and time scales, and the flow domain can be divided into several sub-domains with different characteristic scales. In some sub-domains, the viscosity dissipation scale can only be considered in a certain direction; in some sub-domains, the viscosity dissipation scales need to be considered in all directions; in some sub-domains, the viscosity dissipation scales are unnecessary to be considered at all. For laminar boundary layer region, the characteristic length scales in the streamwise and normal directions are L and L Re-1/ 2 , respectively. The characteristic length scale and the velocity scale in the outer region of the boundary layer are L and U, respectively. In the neighborhood region of the separated point, the length scale l<flows, an idea of solving the conservation equations for discrete cells was proposed and named the discrete fluid dynamics (DFD) algorithm. Analysis shows that the basic conservative equations for discrete cells are the Euler equations, NS- and diffusion parabolized (DP) NS equations. In this paper, a new multiscale-domain decomposition method is developed for the high Reynolds number flow. First, the whole domain is decomposed to different sub-domains with the different characteristic scales. Then the different dominant equation of all sub-domains is defined according to the diffusion parabolized (DP) theory of viscous flow. Finally these different equations are solved simultaneously in whole computational region. For numerical tests of high Reynolds numerical flows, two-dimensional supersonic flows over rearward and frontward steps as well as an interaction flow between shock wave and boundary layer were solved numerically. The pressure distributions and local coefficients of skin friction on the wall are given. The numerical results obtained by the multiscale-domain decomposition algorithm are well agreement with those by NS equations. Comparing with the usual method of solving the Navier-Stokes equations in the whole flow, under the same numerical accuracy, the present multiscale domain decomposition method decreases CPU consuming about 20% and reflects the physical mechanism of practical flow more accurately.

Modeling of Ammonothermal Growth of Gallium Nitride Single Crystals

Ammonothermal growth of GaN crystals with a retrograde solubility has been modeled and simulated here using fluid dynamics, thermodynamics and heat transfer models. The nutrient is considered as a porous media bed and the flow in the porous charge is simulated using the Darcy-Brinkman-Forchheimer model. The resulting governing equations are solved using the finite volume method. For the case of retrograde solubility, the charge is put above the baffle. The temperature difference between the dissolving zone and growth zone is found smaller than that applied on the sidewall of autoclave. The baffle opening has a strong effect on the nutrient transport and supersaturation of GaN species in the growth zone.

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.

Transport Phenomena in Ammonothermal Growth of Gallium Nitride

GaN can be used to fabricate blue/green/UV LEDs and high temperature, high power electronic devices. Ideal substrates are needed for high quality III-nitride epitaxy, which is an essential step for the manufacture of LEDs. GaN substrates are ideal to be lattice matched and isomorphic to nitride-based films. Bulk single crystals of GaN can be grown from supercritical fluids using the ammonothermal method, which utilizes ammonia as fluid rather than water as in the hydrothermal process. In this process, a mineralizer such as amide, imide or azide is used to attack a bulk nitride feedstock at temperatures from 200 - 500癈 and pressures from 1 - 4 kbar. Baffle design is essential for successful growth of GaN crystals. Baffle is used to separate the dissolving zone from the growth zone, and to maintain a temperature difference between the two zones. For solubility curve with a positive coefficient with respect to temperature, the growth zone is maintained at a lower temperature than that in the dissolving zone, thus the nutrient becomes supersaturated in the growth zone. The baffle opening is used to control the mixing of nutrients in the two zones, thus the transfer of nutrient from the lower part to the upper part. Ammonothermal systems have been modeled here using fluid dynamics, thermodynamics and heat transfer models. The nutrient is considered as a porous media bed and the flow is simulated using the Darcy-Brinkman-Forchheimer model. The resulting governing equations are solved using the finite volume method. We investigated the effects of baffle opening and position on the transport phenomena of nutrient from dissolving zone to the growth zone. Simulation data have been compared qualitatively with experimental data.

Receptivity to free-stream disturbance waves for blunt cone axial symmetry hypersonic boundary layer

Based on high-order compact upwind scheme, a high-order shock-fitting finite difference scheme is studied to simulate the generation of boundary layer disturbance waves due to free-stream waves. Both steady and unsteady flow solutions of the receptivity problem are obtained by resolving the full Navier-Stokes equations. The interactions of bow-shock and free-stream disturbance are researched. Direct numerical simulation (DNS) of receptivity to free-stream disturbances for blunt cone hypersonic boundary layers is performed.

Framework for the Shape Optimization of Aerodynamic Profiles Using Genetic Algorithms

This study developed a framework for the shape optimization of aerodynamics profiles using computational fluid dynamics (CFD) and genetic algorithms. Agenetic algorithm code and a commercial CFD code were integrated to develop a CFD shape optimization tool. The results obtained demonstrated the effectiveness of the developed tool. The shape optimization of airfoils was studied using different strategies to demonstrate the capacity of this tool with different GA parameter combinations.

Topics in vortex motion

Six topics in incompressible, inviscid fluid flow involving vortex motion are presented. The stability of the unsteady flow field due to the vortex filament expanding under the influence of an axial compression is examined in the first chapter as a possible model of the vortex bursting observed in aircraft contrails. The filament with a stagnant core is found to be unstable to axisymmetric disturbances. For initial disturbances with the form of axisymmetric Kelvin waves, the filament with a uniformly rotating core is neutrally stable, but the compression causes the disturbance to undergo a rapid increase in amplitude. The time at which the increase occurs is, however, later than the observed bursting times, indicating the bursting phenomenon is not caused by this type of instability.

In the second and third chapters the stability of a steady vortex filament deformed by two-dimensional strain and shear flows, respectively, is examined. The steady deformations are in the plane of the vortex cross-section. Disturbances which deform the filament centerline into a wave which does not propagate along the filament are shown to be unstable and a method is described to calculate the wave number and corresponding growth rate of the amplified waves for a general distribution of vorticity in the vortex core.

In Chapter Four exact solutions are constructed for two-dimensional potential flow over a wing with a free ideal vortex standing over the wing. The loci of positions of the free vortex are found and the lift is calculated. It is found that the lift on the wing can be significantly increased by the free vortex.

The two-dimensional trajectories of an ideal vortex pair near an orifice are calculated in Chapter Five. Three geometries are examined, and the criteria for the vortices to travel away from the orifice are determined.

Finally, Chapter Six reproduces completely the paper, "Structure of a linear array of hollow vortices of finite cross-section," co-authored with G. R. Baker and P. G. Saffman. Free streamline theory is employed to construct an exact steady solution for a linear array of hollow, or stagnant cored vortices. If each vortex has area A and the separation is L, then there are two possible shapes if A^(1/2)/L is less than 0.38 and none if it is larger. The stability of the shapes to two-dimensional, periodic and symmetric disturbances is considered for hollow vortices. The more deformed of the two possible shapes is found to be unstable, while the less deformed shape is stable.

Resolução numérica de escoamentos compressíveis empregando um método de partículas livre de malhas e o processamento em paralelo (CUDA)

Os métodos numéricos convencionais, baseados em malhas, têm sido amplamente aplicados na resolução de problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional. Entretanto, em problemas de escoamento de fluidos que envolvem superfícies livres, grandes explosões, grandes deformações, descontinuidades, ondas de choque etc., estes métodos podem apresentar algumas dificuldades práticas quando da resolução destes problemas. Como uma alternativa viável, existem os métodos de partículas livre de malhas. Neste trabalho é feita uma introdução ao método Lagrangeano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. Dois códigos numéricos foram desenvolvidos, uma versão serial e outra em paralelo, empregando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA), que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo da NVIDIA Corporation. Os resultados numéricos foram validados e a eficiência computacional avaliada considerandose a resolução dos problemas unidimensionais Shock Tube e Blast Wave e bidimensional da Cavidade (Shear Driven Cavity Problem).

Desenvolvimento de um simulador numérico empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics para a resolução de escoamentos incompressíveis. Implementação computacional em paralelo (CUDA)

Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico baseado no método livre de malhas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis. Diferentemente da maioria das versões existentes deste método, o código numérico faz uso de uma técnica iterativa na determinação do campo de pressões. Este procedimento emprega a forma diferencial de uma equação de estado para um fluido compressível e a equação da continuidade a fim de que a correção da pressão seja determinada. Uma versão paralelizada do simulador numérico foi implementada usando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA) da NVIDIA Corporation. Foram simulados três problemas, o problema unidimensional do escoamento de Couette e os problemas bidimensionais do escoamento no interior de uma Cavidade (Shear Driven Cavity Problem) e da Quebra de Barragem (Dambreak).

Simulação de escoamentos incompressíveis empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics utilizando algoritmos iterativos na determinação do campo de pressões

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas.

Quantum Simulator for Transport Phenomena in Fluid Flows

Transport phenomena still stand as one of the most challenging problems in computational physics. By exploiting the analogies between Dirac and lattice Boltzmann equations, we develop a quantum simulator based on pseudospin-boson quantum systems, which is suitable for encoding fluid dynamics transport phenomena within a lattice kinetic formalism. It is shown that both the streaming and collision processes of lattice Boltzmann dynamics can be implemented with controlled quantum operations, using a heralded quantum protocol to encode non-unitary scattering processes. The proposed simulator is amenable to realization in controlled quantum platforms, such as ion-trap quantum computers or circuit quantum electrodynamics processors.

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

Uma formulação implícita para o método Smoothed Particle Hydrodynamics

Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.

Simulação numérica da cavitação em turbomáquinas usando uma formulação Euler-Lagrange.

Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas.

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.