Estudo experimental do fenômeno de vibração induzida por vórtices em cilindro rígido livre para oscilar com dois graus de liberdade.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices.

Intensificação da transferência de calor e otimização de trocadores de calor compactos tipo venezianas com geradores de vórtices tipo delta-winglets.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente.

Desenvolvimento da modelagem de turbulência e interação fluido-estrutura para as vibrações induzidas por vórtices de cilindro rígido.

Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de modelos de turbulência, transição laminar-turbulenta e de interações fluido-estrutura ao escoamento externo em cilindro rígido estacionário e em vibrações induzidas por vórtices. Tais desenvolvimentos foram realizados no código ReFRESCO, baseado em técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Realizou-se um estudo quanto ao desempenho do modelo k- SST em extensa faixa de números de Reynolds, segundo o qual se identificaram as deficiências de modelagem para este escoamento. A modelagem adaptativa das escalas (SAS) e o modelo de transição por correlações locais (LCTM), ambos combinados ao SST, melhoraram a aderência aos resultados experimentais para este escoamento, em uma contribuição original deste trabalho. A aplicação de técnicas de verificação e validação possibilitou a estimação de incertezas e erros para os modelos e números de Reynolds e também de identificada como outra contribuição deste trabalho. A combinação da modelagem em SST, SAS e LCTM com movimentos impostos de realizada para números de Reynolds moderados, diferentes frequências e amplitudes de vibração, algo que poucas publicações abordam em detalhes. Com relação aos movimentos livres, este trabalho traz contribuições com a aplicação dos modelos SST e SAS ao estudo de vibrações induzidas por vórtices em dois graus de liberdade, baixa razão de massa e números de Reynolds moderados, mais altos do que normalmente observados na literatura. Por fim, a investigação da importância relativa de efeitos da turbulência aos casos de movimentos livres e impostos, com relação ao caso de cilindro estacionário, comprovou a conjetura formulada na parte inicial deste trabalho, no que tange à escolha do modelo de turbulência em determinadas aplicações. Tal escolha mostrou-se menos decisiva no caso do cilindro em movimento imposto e ainda menos nos movimentos livres, em comparação ao caso estacionário, uma vez que a resposta em movimentos do corpo filtra grande parte dos efeitos turbulentos de ordem superior. Esta observação mostra-se relevante, uma vez que pode permitir simplificações na modelagem e aplicação de ferramentas de CFD em uma classe importante de projetos de engenharia.

Modelo computacional para avaliação do desempenho hidrodinâmico de embarcações de planeio em águas calmas.

Em geral, uma embarcação de planeio é projetada para atingir elevados níveis de velocidade. Esse atributo de desempenho está diretamente relacionado ao porte da embarcação e à potência instalada em sua planta propulsiva. Tradicionalmente, durante o projeto de uma embarcação, as análises de desempenho são realizadas através de resultados de embarcações já existentes, retirados de séries sistemáticas ou de embarcações já desenvolvidas pelo estaleiro e/ou projetista. Além disso, a determinação dos atributos de desempenho pode ser feita através de métodos empíricos e/ou estatísticos, onde a embarcação é representada através de seus parâmetros geométricos principais; ou a partir de testes em modelos em escala reduzida ou protótipos. No caso específico de embarcações de planeio, o custo dos testes em escala reduzida é muito elevado em relação ao custo de projeto. Isso faz com que a maioria dos projetistas não opte por ensaios experimentais das novas embarcações em desenvolvimento. Ao longo dos últimos anos, o método de Savitsky foi largamente utilizado para se realizar estimativas de potência instalada de uma embarcação de planeio. Esse método utiliza um conjunto de equações semi-empíricas para determinar os esforços atuantes na embarcação, a partir dos quais é possível determinar a posição de equilíbrio de operação e a força propulsora necessária para navegar em uma dada velocidade. O método de Savitsky é muito utilizado nas fases iniciais de projeto, onde a geometria do casco ainda não foi totalmente definida, pois utiliza apenas as características geométricas principais da embarcação para realização das estimativas de esforços. À medida que se avança nas etapas de projeto, aumenta o detalhamento necessário das estimativas de desempenho. Para a realização, por exemplo, do projeto estrutural é necessária uma estimativa do campo de pressão atuante no fundo do casco, o qual não pode ser determinado pelo método de Savitsky. O método computacional implementado nesta dissertação, tem o objetivo de determinar as características do escoamento e o campo de pressão atuante no casco de uma embarcação de planeio navegando em águas calmas. O escoamento é determinado através de um problema de valor de contorno, no qual a superfície molhada no casco é considerada um corpo esbelto. Devido ao uso da teoria de corpo esbelto o problema pode ser tratado, separadamente, em cada seção, onde as condições de contorno são forçadamente respeitadas através de uma distribuição de vórtices.

Método para análise da interação fluido-estrutura em travessas do pré-distribuidor de turbinas hidráulicas.

Um dos grandes desafios enfrentados pelos fabricantes de turbinas hidráulicas é prevenir o aparecimento de vibrações induzidas pelo escoamento nas travessas do pré-distribuidor e pás do rotor. Considerando apenas as travessas, e atribuídos a tais vibrações, foram relatados 28 casos de trincas ou ruídos anormais nas últimas décadas, que acarretaram enormes prejuízos associados a reparos, atrasos e perda de geração. O estado da arte na prevenção destes problemas baseia-se na utilização de sofisticados, e caros, programas comerciais de dinâmica dos fluidos computacional para o cálculo transiente do fenômeno. Este trabalho faz uma ampla revisão bibliográfica e levantamento de eventos de trincas ou ruídos ocorridos em travessas nos últimos 50 anos. Propõe, então, um enfoque alternativo, baseado exclusivamente em ferramentas de código aberto. A partir de hipóteses simplificadoras devidamente justificadas, o problema é formulado matematicamente de forma bidimensional, no plano da seção transversal da travessa, levando em conta a interação fluido-estrutura. Nesta estratégia, as equações de Navier-Stokes são resolvidas pelo método dos elementos finitos por meio da biblioteca gratuita oomph-lib. Um código especial em C++ é desenvolvido para o problema de interação fluido-estrutura, no qual o fenômeno de turbulência é levado em consideração por meio de um algoritmo baseado no modelo de Baldwin-Lomax. O método proposto é validado por meio da comparação dos resultados obtidos com referências e medições disponíveis na literatura, que tratam de problemas de barras retangulares suportadas elasticamente. O trabalho finaliza com a aplicação do método a um estudo de caso envolvendo uma travessa particular.

Wind Shear, Gust, and Yaw-Induced Dynamic Stall on Wind-Turbine Blades

This study examined the effect of a spanwise angle of attack gradient on the growth and stability of a dynamic stall vortex in a rotating system. It was found that a spanwise angle of attack gradient induces a corresponding spanwise vorticity gradient, which, in combination with spanwise flow, results in a redistribution of circulation along the blade. Specifically, when modelling the angle of attack gradient experienced by a wind turbine at the 30% span position during a gust event, the spanwise vorticity gradient was aligned such that circulation was transported from areas of high circulation to areas of low circulation, increasing the local dynamic stall vortex growth rate, which corresponds to an increase in the lift coefficient, and a decrease in the local vortex stability at this point. Reversing the relative alignment of the spanwise vorticity gradient and spanwise flow results in circulation transport from areas of low circulation generation to areas of high circulation generation, acting to reduce local circulation and stabilise the vortex. This circulation redistribution behaviour describes a mechanism by which the fluctuating loads on a wind turbine are magnified, which is detrimental to turbine lifetime and performance. Therefore, an understanding of this phenomenon has the potential to facilitate optimised wind turbine design.

Saving Libya from itself: What the EU should do now. CEPS Commentary, 1 December 2014

Libya is experiencing its worst security crisis since the 2011 revolution, the intervention by NATO and the overthrow of Colonel Muammar Gaddafi. While the parliamentary elections of July 2012 provided “an opportunity to put the transition process back on track and overcome the recent political polarisation”, the country has instead descended into a deadly vortex of conflicting political groups, militias and tribes. Without the international political attention that is needed to save it from itself, Libya is now breaking up in at least two parts. Each faction is under pressure to declare its allegiance to the two biggest rival coalitions: either ‘Libyan Dignity’ or ‘Libyan Dawn’. The authors suggest that EU action take place on three levels.

Tambora 1815 as a test case for high impact volcanic eruptions: Earth system effects

The eruption of Tambora (Indonesia) in April 1815 had substantial effects on global climate and led to the ‘Year Without a Summer’ of 1816 in Europe and North America. Although a tragic event — tens of thousands of people lost their lives — the eruption also was an ‘experiment of nature’ from which science has learned until today. The aim of this study is to summarize our current understanding of the Tambora eruption and its effects on climate as expressed in early instrumental observations, climate proxies and geological evidence, climate reconstructions, and model simulations. Progress has been made with respect to our understanding of the eruption process and estimated amount of SO2 injected into the atmosphere, although large uncertainties still exist with respect to altitude and hemispheric distribution of Tambora aerosols. With respect to climate effects, the global and Northern Hemispheric cooling are well constrained by proxies whereas there is no strong signal in Southern Hemisphere proxies. Newly recovered early instrumental information for Western Europe and parts of North America, regions with particularly strong climate effects, allow Tambora’s effect on the weather systems to be addressed. Climate models respond to prescribed Tambora-like forcing with a strengthening of the wintertime stratospheric polar vortex, global cooling and a slowdown of the water cycle, weakening of the summer monsoon circulations, a strengthening of the Atlantic Meridional Overturning Circulation, and a decrease of atmospheric CO₂. Combining observations, climate proxies, and model simulations for the case of Tambora, a better understanding of climate processes has emerged.

Characterising the three-dimensional ozone distribution of a tidally locked Earth-like planet

We simulate the 3D ozone distribution of a tidally locked Earth-like exoplanet using the high-resolution, 3D chemistry climate model CESM1(WACCM) and study how the ozone layer of a tidally locked Earth (TLE) (ΩTLE = 1/365 days) differs from that of our present-day Earth (PDE) (ΩPDE = 1/1 day). The middle atmosphere reaches a steady state a symptotically within the first 80 days of the simulation. An upwelling, centred on the subsolar point, is present on the day side while a downwelling, centred on the antisolar point, is present on the night side. In the mesosphere, we find similar global ozone distributions for the TLE and the PDE, with decreased ozone on the day side and enhanced ozone on the night side. In the lower mesosphere, a jet stream transitions into a large-scale vortex around a low-pressure system, located at low latitudes of the TLE night side. In the middle stratosphere, the concentration of odd oxygen is approximately equal to that of the ozone [(Ox) ≈ (O3)]. At these altitudes, the lifetime of odd oxygen is ~16 h and the transport processes significantly contribute to the global distribution of stratospheric ozone. Compared to the PDE, where the strong Coriolis force acts as a mixing barrier between low and high latitudes, the transport processes of the TLE are governed by jet streams variable in the zonal and meridional directions. In the middle stratosphere of the TLE, we find high ozone values on the day side, due to the increased production of atomic oxygen on the day side, where it immediately recombines with molecular oxygen to form ozone. In contrast, the ozone is depleted on the night side, due to changes in the solar radiation distribution and the presence of a downwelling. As a result of the reduced Coriolis force, the tropical and extratropical air masses are well mixed and the global temperature distribution of the TLE stratosphere has smaller horizontal gradients than the PDE. Compared to the PDE, the total ozone column global mean is reduced by ~19.3 %. The day side and the night side total ozone column means are reduced by 23.21 and 15.52 %, respectively. Finally, we present the total ozone column (TOC) maps as viewed by a remote observer for four phases of the TLE during its revolution around the star. The mean TOC values of the four phases of the TLE vary by up to 23 %.

Water flow about a swimming fish /

Mode of access: Internet.

Examination of the solutions of the Navier-Stokes equations for a class of three-dimensional vortices,

"Contract AF 49(638)-255."

Théorie des tourbillons. Leçons professées pendant le deuxième semestre 1891-92,

Available on demand as hard copy or computer file from Cornell University Library.