Jato transversal de gotas: simulações por ALE/FEM e efeitos interfaciais.

Um código computacional para escoamentos bifásicos incorporando metodologia híbrida entre oMétodo dos Elementos Finitos e a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária do movimento é usado para simular a dinâmica de um jato transversal de gotas na zona primária de quebra. Os corpos dispersos são descritos por meio de um método do tipo front-tracking que produz interfaces de espessura zero através de malhas formadas pela união de elementos adjacentes em ambas as fases e de técnicas de refinamento adaptativo. Condições de contorno periódicas são implementadas de modo variacionalmente consistente para todos os campos envolvidos nas simulações apresentadas e uma versão modificada do campo de pressão é adicionada à formulação do tipo um-fluido usada na equação da quantidade de movimento linear. Simulações numéricas diretas em três dimensões são executadas para diferentes configurações de líquidos imiscí veis compatíveis com resultados experimentais encontrados na literatura. Análises da hidrodinâmica do jato transversal de gotas nessas configurações considerando trajetórias, variação de formato de gota, espectro de pequenas perturbações, além de aspectos complementares relativos à qualidade de malha são apresentados e discutidos.

Formação de nanopadrões em superfícies por sputtering iônico: Estudo numérico da equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky.

Apresenta-se uma abordagemnumérica para ummodelo que descreve a formação de padrões por sputtering iônico na superfície de ummaterial. Esse processo é responsável pela formação de padrões inesperadamente organizados, como ondulações, nanopontos e filas hexagonais de nanoburacos. Uma análise numérica de padrões preexistentes é proposta para investigar a dinâmica na superfície, baseada em ummodelo resumido em uma equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky, em uma superfície bidimensional com condições de contorno periódicas. Apesar de determinística, seu caráter altamente não-linear fornece uma rica gama de resultados, sendo possível descrever acuradamente diferentes padrões. Umesquema semi implícito de diferenças finitas com fatoração no tempo é aplicado na discretização da equação governante. Simulações foram realizadas com coeficientes realísticos relacionados aos parâmetros físicos (anisotropias, orientação do feixe, difusão). A estabilidade do esquema numérico foi analisada por testes de passo de tempo e espaçamento de malha, enquanto a verificação do mesmo foi realizada pelo Método das Soluções Manufaturadas. Ondulações e padrões hexagonais foram obtidos a partir de condições iniciais monomodais para determinados valores do coeficiente de amortecimento, enquanto caos espaço-temporal apareceu para valores inferiores. Os efeitos anisotrópicos na formação de padrões foramestudados, variando o ângulo de incidência.

Análise da evolução termomecânica da Bacia do Amazonas

Os dados geológicos e geofísicos escolhidos para o tema de estudo pertencem a Bacia do Amazonas, na região centro-norte do Brasil. A Bacia do Amazonas é uma bacia intracratônica com cerca de 500.000 km. A mesma está limitada ao norte pelo Escudo das Guianas e ao sul pelo Escudo Brasileiro. O limite oeste com a Bacia do Solimões é marcado pelo Arco de Purus, ao passo que o Arco de Gurupá constitui seu limite leste. Possui características inerentes a uma bacia intracratônica paleozóica, com uma longa história evolutiva, marcada por discordâncias expressivas e com uma cunha sedimentar relativamente rasa se comparada às bacias cretáceas brasileiras, o que levanta controvérsia a respeito da suficiência do soterramento para a eficiência de geração de hidrocarboneto. Podem ser reconhecidas nos 5000 m do preenchimento sedimentar da Bacia do Amazonas, duas seqüências de primeira ordem: uma paleozóica, intrudida por diques e soleiras de diabásio, na passagem do Triássico para o Jurássico, e uma mesozóica-cenozóica que representam um aspecto importante na evolução térmica da matéria orgânica que ocorre na primeira seqüência. Com relação à exploração de petróleo, apesar do fomento exploratório ocorrido nos últimos anos, a bacia ainda é considerada pouco explorada sendo sua maior reserva a da província de Urucu. Um dos fatores que dificultam bastante a exploração desta bacia assim como a bacia do Solimões a oeste é o acesso restrito, pois estão situadas em áreas remotas e florestadas, de difícil acesso, com muitas reservas indígenas e florestais, o que causa restrições logísticas, operacionais e legais. O efeito térmico das intrusões ígneas é considerado como o responsável pelo acréscimo de calor necessário à maturação da matéria orgânica e conseqüente geração de hidrocarbonetos. Este trabalho contribui com a reconstrução da história térmica desta bacia a partir da modelagem das variáveis termais e da história de soterramento. Para isso, foram utilizados modelos consagrados na literatura, que permitem, de forma simples, a estimativa do fluxo térmico através do embasamento e da seqüência sedimentar. Na análise da influência de intrusões ígneas na estrutura térmica da bacia, o modelo bidimensional desenvolvido pelo método de diferenças finitas se mostrou apropriado. Utilizou-se o fluxo térmico basal calculado nas condições de contorno da modelagem da influência térmica das ígneas. Como resultado obteve-se a estruturação térmica da bacia e a historia maturação de suas rochas geradoras

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Analysis and simulation of combustion oscillations in a laboratory spray combustor

The unstable combustion that can occur in combustion chambers is a major problem for aeroengines and ground-based industrial gas turbines. Nowadays, CFD provides a flexible, low cost tool to supplement direct measurement. This paper presents simulations of combustion oscillations in a liquid-fuelled experimental rig at the University of Cambridge. Linear acoustic theory was used to describe the acoustic waves propagating upstream and downstream of the combustion zone and to develop inlet and outlet boundary conditions just upstream and downstream of the combustion region enabling the CFD calculation to be efficiently concentrated on the combustion zone. A combustion oscillation was found to occur with its predicted frequency in good agreement with experimental measurements. More details about the unstable combustion can be obtained from the simulation results. The approach developed here is expected to provide a powerful tool for the design and operation of stable combustion systems. Copyright © 2009 by ASME.

Microstructural optimization of cellular acoustic materials

A microstructure based acoustic model is introduced, which can be used to optimize the microstructure of cellular materials and thus to obtain their optimal acoustic property. This acoustic model is an unsteady one which is appropriate in the limit of low Reynolds numbers. The model involves three elements. This first involves the propagation of acoustic waves passing the cylinders whose axes are aligned parallel to the direction of propagation. The second model relates to the propagation of acoustic waves passing the cylinders whose axes are aligned perpendicular to the direction of propagation. In both cases the interaction between adjacent cylinders is taken into account by considering the effect of polygonal periodic boundary conditions. As these two models are linear they are combined to give the characteristics of propagation at arbitrary incidence. The third model involves propagation passing spheres in order to represent the joints. Heat transfer is also included. These three models are then used to expand the design space and calculate the optimum cell structure for desired acoustic performance in a number of different applications. Moreover, the application fields are also analyzed.

A statistical model of climates in the southwestern United States

EXTRACT (SEE PDF FOR FULL ABSTRACT): We describe an empirical-statistical model of climates of the southwestern United States. Boundary conditions include sea surface temperatures, atmospheric transmissivity, and topography. Independent variables are derived from the boundary conditions along 1000-km paths of atmospheric circulation. ... Predictor equations are derived over a larger region than the application area to allow for the increased range of paleoclimate. This larger region is delimited by the autocorrelation properties of climatic data.

Investigation of the losses in the stator duct spacers of large A.C. motors using the A -ip 3-D eddy current formulation

This paper describes how the A -if) formulation may be applied to determine the losses in the stator duct spacers of large a.c. motors. The model is described in terms of its geometry and boundary conditions. The novel aspects of the application of the formulation to this problem are explained. These include the modelling of fixed currents sources (the stator windings), the location of the necessary cut surfaces and the determination of their magnetic scalar potential differences, and the implementation of periodic boundary conditions for vector variables. Results are presented showing how the duct spacer losses vary with load, and with the relative permeability of the spacer material. The effects of modelling iron nonlinearity, of both the spacer and the steel laminations, are also illustrated. © 1996 IEEE.

On the domain decomposition and transmission line modelling finite element method for time-domain induction motor analysis

This paper demonstrates how a finite element model which exploits domain decomposition is applied to the analysis of three-phase induction motors. It is shown that a significant gain in cpu time results when compared with standard finite element analysis. Aspects of the application of the method which are particular to induction motors are considered: the means of improving the convergence of the nonlinear finite element equations; the choice of symmetrical sub-domains; the modelling of relative movement; and the inclusion of periodic boundary conditions. © 1999 IEEE.

A discrete dislocation analysis of fatigue crack growth

Cyclic loading of a plane strain mode I crack under small scale yielding is analyzed using discrete dislocation dynamics. The dislocations are all of edge character, and are modeled as line singularities in an elastic solid. At each stage of loading, superposition is used to represent the solution in terms of solutions for edge dislocations in a half-space and a non-singular complementary solution that enforces the boundary conditions, which is obtained from a linear elastic, finite element solution. The lattice resistance to dislocation motion, dislocation nucleation, dislocation interaction with obstacles and dislocation annihilation are incorporated into the formulation through a set of constitutive rules. An irreversible relation between the opening traction and the displacement jump across a cohesive surface ahead of the initial crack tip is also specified, which permits crack growth to emerge naturally. It is found that crack growth can occur under cyclic loading conditions even when the peak stress intensity factor is smaller than the stress intensity required for crack growth under monotonic loading conditions; however below a certain threshold value of ΔKI no crack growth was seen.

Secondary flow near an undulatory surface induced by wall blocking effect

Prandtl's secondary mean motions of the second kind near an undulating surface were explained in terms of turbulent blocking effect and kinematic boundary conditions at the surface, and its order of magnitude was estimated. Isotropic turbulence is distorted by the undulating surface of wavelength λ and amplitude h with a low slope, so that h « λ. The prime mechanism for generating the mean flow is that the far-field Isotropic turbulence is distorted by the non-local blocking effect of the surface to become anisotropic axisymmetric turbulence near the surface with principal axis that is not aligned with the local curvature of the undulation. Then the local analysis can be applied and the mechanism is similar to the mean flow generation mechanism for homogeneous axisymmetric turbulence over a planer surface, i.e. gradients of the Reynolds stress caused by the turbulent blocking effect generate the mean motions. The results from this simple analysis are consistent with previous exact analysis in which the effects of curvature are strictly taken into account. The results also qualitatively agree with flow visualization over an undulating surface in a mixing-box.

TOPS (Task optimization in the presence of signal-dependent noise) model

This paper proposes a movement trajectory planning model, which is a maximum task achievement model in which signal-dependent noise is added to the movement command. In the proposed model, two optimization criteria are combined, maximum task achievement and minimum energy consumption. The proposed model has the feature that the end-point boundary conditions for position, velocity, and acceleration need not be prespecified. Consequently, the method can be applied not only to the simple point-to-point movement, but to any task. In the method in this paper, the hand trajectory is derived by a psychophysical experiment and a numerical experiment for the case in which the target is not stationary, but is a moving region. It is shown that the trajectory predicted from the minimum jerk model or the minimum torque change model differs considerably from the results of the psychophysical experiment. But the trajectory predicted from the maximum task achievement model shows good qualitative agreement with the hand trajectory obtained from the psychophysical experiment. © 2004 Wiley Periodicals, Inc.

Computational fluid-structure interaction methods for simulation of inflatable aerodynamic decelerators

Inflatable aerodynamic decelerators have potential advantages for planetary re-entry in robotic and human exploration missions. It is theorized that volume-mass characteristics of these decelerators are superior to those of common supersonic/subsonic parachutes and after deployment they may suffer no instabilities at high Mach numbers. A high fidelity computational fluid-structure interaction model is employed to investigate the behavior of tension cone inflatable aeroshells at supersonic speeds up to Mach 2.0. The computational framework targets the large displacements regime encountered during the inflation of the decelerator using fast level set techniques to incorporate boundary conditions of the moving structure. The preliminary results indicate large but steady aeroshell displacement with rich dynamics, including buckling of the inflatable torus that maintains the decelerator open under normal operational conditions, owing to interactions with the turbulent wake. Copyright © 2009 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Vibration of fluid loaded conical shells.

An analytical model is presented to describe the vibration of a truncated conical shell with fluid loading in the low frequency range. The solution for the dynamic response of the shell is presented in the form of a power series. Fluid loading is taken into account by dividing the shell into narrow strips which are considered to be locally cylindrical. Analytical results are presented for different boundary conditions and have been compared with the computational results from a boundary element model. Limitations of the model to the low frequency range are discussed.

Geometrical properties and turbulent flame speed measurements in stationary premixed V-flames using direct numerical simulation

Three dimensional, fully compressible direct numerical simulations (DNS) of premixed turbulent flames are carried out in a V-flame configuration. The governing equations and the numerical implementation are described in detail, including modifications made to the Navier-Stokes Characteristic Boundary Conditions (NSCBC) to accommodate the steep transverse velocity and composition gradients generated when the flame crosses the boundary. Three cases, at turbulence intensities, u′/sL, of 1, 2, and 6 are considered. The influence of the flame holder on downstream flame properties is assessed through the distributions of the surface-conditioned displacement speed, curvature and tangential strain rates, and compared to data from similarly processed planar flames. The distributions are found to be indistinguishable from planar flames for distances greater than about 17δth downstream of the flame holder, where δth is the laminar flame thermal thickness. Favre mean fields are constructed, and the growth of the mean flame brush is found to be well described by simple Taylor type diffusion. The turbulent flame speed, sT is evaluated from an expression describing the propagation speed of an isosurface of the mean reaction progress variable c̃ in terms of the imbalance between the mean reactive, diffusive, and turbulent fluxes within the flame brush. The results are compared to the consumption speed, sC, calculated from the integral of the mean reaction rate, and to the predictions of a recently developed flame speed model (Kolla et al., Combust Sci Technol 181(3):518-535, 2009). The model predictions are improved in all cases by including the effects of mean molecular diffusion, and the overall agreement is good for the higher turbulence intensity cases once the tangential convective flux of c̃ is taken into account. © 2010 Springer Science+Business Media B.V.