Inverse aerodynamic design applications using the MGM hybrid formulation

The well-known modified Garabedian-Mcfadden (MGM) method is an attractive alternative for aerodynamic inverse design, for its simplicity and effectiveness (P. Garabedian and G. Mcfadden, Design of supercritical swept wings, AIAA J. 20(3) (1982), 289-291; J.B. Malone, J. Vadyak, and L.N. Sankar, Inverse aerodynamic design method for aircraft components, J. Aircraft 24(2) (1987), 8-9; Santos, A hybrid optimization method for aerodynamic design of lifting surfaces, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 1993). Owing to these characteristics, the method has been the subject of several authors over the years (G.S. Dulikravich and D.P. Baker, Aerodynamic shape inverse design using a Fourier series method, in AIAA paper 99-0185, AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, January 1999; D.H. Silva and L.N. Sankar, An inverse method for the design of transonic wings, in 1992 Aerospace Design Conference, No. 92-1025 in proceedings, AIAA, Irvine, CA, February 1992, 1-11; W. Bartelheimer, An Improved Integral Equation Method for the Design of Transonic Airfoils and Wings, AIAA Inc., 1995). More recently, a hybrid formulation and a multi-point algorithm were developed on the basis of the original MGM. This article discusses applications of those latest developments for airfoil and wing design. The test cases focus on wing-body aerodynamic interference and shock wave removal applications. The DLR-F6 geometry is picked as the baseline for the analysis.

Flush air data system calibration using numerical simulation

The use of computational fluid dynamics simulations for calibrating a flush air data system is described, In particular, the flush air data system of the HYFLEX hypersonic vehicle is used as a case study. The HYFLEX air data system consists of nine pressure ports located flush with the vehicle nose surface, connected to onboard pressure transducers, After appropriate processing, surface pressure measurements can he converted into useful air data parameters. The processing algorithm requires an accurate pressure model, which relates air data parameters to the measured pressures. In the past, such pressure models have been calibrated using combinations of flight data, ground-based experimental results, and numerical simulation. We perform a calibration of the HYFLEX flush air data system using computational fluid dynamics simulations exclusively, The simulations are used to build an empirical pressure model that accurately describes the HYFLEX nose pressure distribution ol cr a range of flight conditions. We believe that computational fluid dynamics provides a quick and inexpensive way to calibrate the air data system and is applicable to a broad range of flight conditions, When tested with HYFLEX flight data, the calibrated system is found to work well. It predicts vehicle angle of attack and angle of sideslip to accuracy levels that generally satisfy flight control requirements. Dynamic pressure is predicted to within the resolution of the onboard inertial measurement unit. We find that wind-tunnel experiments and flight data are not necessary to accurately calibrate the HYFLEX flush air data system for hypersonic flight.

Prediction of carbon monoxide in fires by conditional moment closure

Carbon monoxide is the chief killer in fires. Dangerous levels of CO can occur when reacting combustion gases are quenched by heat transfer, or by mixing of the fire plume in a cooled under- or overventilated upper layer. In this paper, carbon monoxide predictions for enclosure fires are modeled by the conditional moment closure (CMC) method and are compared with laboratory data. The modeled fire situation is a buoyant, turbulent, diffusion flame burning under a hood. The fire plume entrains fresh air, and the postflame gases are cooled considerably under the hood by conduction and radiation, emulating conditions which occur in enclosure fires and lead to the freezing of CO burnout. Predictions of CO in the cooled layer are presented in the context of a complete computational fluid dynamics solution of velocity, temperature, and major species concentrations. A range of underhood equivalence ratios, from rich to lean, are investigated. The CMC method predicts CO in very good agreement with data. In particular, CMC is able to correctly predict CO concentrations in lean cooled gases, showing its capability in conditions where reaction rates change considerably.

Modelagem da dispersão de odores em ambientes urbanos

O presente trabalho investigou o problema da modelagem da dispersão de compostos odorantes em presença de obstáculos (cúbicos e com forma complexa) sob condição de estabilidade atmosférica neutra. Foi empregada modelagem numérica baseada nas equações de transporte (CFD1) bem como em modelos algébricos baseados na pluma Gausseana (AERMOD2, CALPUFF3 e FPM4). Para a validação dos resultados dos modelos e a avaliação do seu desempenho foram empregados dados de experimentos em túnel de vento e em campo. A fim de incluir os efeitos da turbulência atmosférica na dispersão, dois diferentes modelos de sub-malha associados à Simulação das Grandes Escalas (LES5) foram investigados (Smagorinsky dinâmico e WALE6) e, para a inclusão dos efeitos de obstáculos na dispersão nos modelos Gausseanos, foi empregado o modelo PRIME7. O uso do PRIME também foi proposto para o FPM como uma inovação. De forma geral, os resultados indicam que o uso de CFD/LES é uma ferramenta útil para a investigação da dispersão e o impacto de compostos odorantes em presença de obstáculos e também para desenvolvimento dos modelos Gausseanos. Os resultados também indicam que o modelo FPM proposto, com a inclusão dos efeitos do obstáculo baseado no PRIME também é uma ferramenta muito útil em modelagem da dispersão de odores devido à sua simplicidade e fácil configuração quando comparado a modelos mais complexos como CFD e mesmo os modelos regulatórios AERMOD e CALPUFF. A grande vantagem do FPM é a possibilidade de estimar-se o fator de intermitência e a relação pico-média (P/M), parâmetros úteis para a avaliação do impacto de odores. Os resultados obtidos no presente trabalho indicam que a determinação dos parâmetros de dispersão para os segmentos de pluma, bem como os parâmetros de tempo longo nas proximidades da fonte e do obstáculo no modelo FPM pode ser melhorada e simulações CFD podem ser usadas como uma ferramenta de desenvolvimento para este propósito. Palavras chave: controle de odor, dispersão, fluidodinâmica computacional, modelagem matemática, modelagem gaussiana de pluma flutuante, simulação de grandes vórtices (LES).

Esforços hidrodinâmicos em comportas verticais (Downpull)

O downpull é uma força gerada pelo efeito do escoamento em comportas planas com estanquidade a jusante e pode condicionar, de forma determinante, o dimensionamento do órgão de manobra e a preponderância de fecho de uma comporta vertical em condições de emergência. Neste trabalho é desenvolvido um modelo de cálculo analítico para a obtenção do downpull e um modelo de simulação numérica com Computational Fluid Dynamics (CFD). O modelo analítico desenvolvido foi exposto numa folha de cálculo e permite a obtenção de resultados em poucos minutos, factor essencial sob o ponto de vista económico. O modelo em CFD tem como principal objectivo a validação do modelo analítico. Sendo um modelo mais complexo e dispendioso em termos de tempo despendido, apenas poderá ser utilizado em situações pontuais que exijam um maior rigor nos resultados obtidos.

Modelação e concepção da carroçaria do veículo eléctrico ecológico (VEECO)

Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento da carroçaria do Veículo Eléctrico Ecológico – VEECO recorrendo a tecnologias assistidas por computador. Devido à impossibilidade de abranger toda a temática das tecnologias assistidas por computador, associadas ao desenvolvimento de uma carroçaria automóvel, o foco deste trabalho assenta no processo de obtenção de um modelo digital válido e no estudo do desempenho aerodinâmico da carroçaria. A existência de um modelo digital válido é a base de qualquer processo de desenvolvimento associado a tecnologias assistidas por computador. Neste sentido, numa primeira etapa, foram aplicadas e desenvolvidas técnicas e metodologias que permitem o desenvolvimento de uma carroçaria desde a sua fase de “design” até à obtenção de um modelo digital CAD. Estas abrangem a conversão e importação de dados, a realização de engenharia inversa, a construção/reconstrução CAD em CATIA V5 e a preparação/correcção de modelos CAD para a análise numérica. Numa segunda etapa realizou-se o estudo da aerodinâmica exterior da carroçaria, recorrendo à ferramenta de análise computacional de fluidos (CFD) Flow Simulation da CosmosFloworks integrado no programa SolidWorks 2010. Associado à temática do estudo aerodinâmico e devido à elevada importância da validação dos resultados numéricos por meio de dados experimentais, foi realizado o estudo de análise dimensional que permite a realização de ensaios experimentais à escala, bem como a análise dos resultados experimentais obtidos.

Coletores de distribuição e sua otimização hidráulica, aplicados a uma instalação de produção de água arrefecida em sistemas de AVAC ( Fórum Picoas)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

The influence of geometric factors on the wall shear stress distribution in realistic human coronary arteries

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica. A presente dissertação foi desenvolvida no Erasmus Medical Center em Roterdão, Holanda

Development of procedures for the simulation of atmospheric flows over complex terrain, using OpenFOAM

The main purpose of this work was the development of procedures for the simulation of atmospheric ows over complex terrain, using OpenFOAM. For this aim, tools and procedures were developed apart from this code for the preprocessing and data extraction, which were thereafter applied in the simulation of a real case. For the generation of the computational domain, a systematic method able to translate the terrain elevation model to a native OpenFOAM format (blockMeshDict) was developed. The outcome was a structured mesh, in which the user has the ability to de ne the number of control volumes and its dimensions. With this procedure, the di culties of case set up and the high computation computational e ort reported in literature associated to the use of snappyHexMesh, the OpenFOAM resource explored until then for the accomplishment of this task, were considered to be overwhelmed. Developed procedures for the generation of boundary conditions allowed for the automatic creation of idealized inlet vertical pro les, de nition of wall functions boundary conditions and the calculation of internal eld rst guesses for the iterative solution process, having as input experimental data supplied by the user. The applicability of the generated boundary conditions was limited to the simulation of turbulent, steady-state, incompressible and neutrally strati ed atmospheric ows, always recurring to RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) models. For the modelling of terrain roughness, the developed procedure allowed to the user the de nition of idealized conditions, like an uniform aerodynamic roughness length or making its value variable as a function of topography characteristic values, or the using of real site data, and it was complemented by the development of techniques for the visual inspection of generated roughness maps. The absence and the non inclusion of a forest canopy model limited the applicability of this procedure to low aerodynamic roughness lengths. The developed tools and procedures were then applied in the simulation of a neutrally strati ed atmospheric ow over the Askervein hill. In the performed simulations was evaluated the solution sensibility to di erent convection schemes, mesh dimensions, ground roughness and formulations of the k - ε and k - ω models. When compared to experimental data, calculated values showed a good agreement of speed-up in hill top and lee side, with a relative error of less than 10% at a height of 10 m above ground level. Turbulent kinetic energy was considered to be well simulated in the hill windward and hill top, and grossly predicted in the lee side, where a zone of ow separation was also identi ed. Despite the need of more work to evaluate the importance of the downstream recirculation zone in the quality of gathered results, the agreement between the calculated and experimental values and the OpenFOAM sensibility to the tested parameters were considered to be generally in line with the simulations presented in the reviewed bibliographic sources.

Experimental and numerical study on the evaluation of ventilation efficiency

Buildings account for 40% of total energy consumption in the European Union. The reduction of energy consumption in the buildings sector constitute an important measure needed to reduce the Union's energy dependency and greenhouse gas emissions. The Portuguese legislation incorporate this principles in order to regulate the energy performance of buildings. This energy performance should be accompanied by good conditions for the occupants of the buildings. According to EN 15251 (2007) the four factors that affect the occupant comfort in the buildings are: Indoor Air Quality (IAQ), thermal comfort, acoustics and lighting. Ventilation directly affects all except the lighting, so it is crucial to understand the performance of it. The ventilation efficiency concept therefore earn significance, because it is an attempt to quantify a parameter that can easily distinguish the different options for air diffusion in the spaces. The two indicators most internationally accepted are the Air Change Efficiency (ACE) and the Contaminant Removal Effectiveness (CRE). Nowadays with the developed of the Computational Fluid Dynamics (CFD) the behaviour of ventilation can be more easily predicted. Thirteen strategies of air diffusion were measured in a test chamber through the application of the tracer gas method, with the objective to validate the calculation by the MicroFlo module of the IES-VE software for this two indicators. The main conclusions from this work were: that the values of the numerical simulations are in agreement with experimental measurements; the value of the CRE is more dependent of the position of the contamination source, that the strategy used for the air diffusion; the ACE indicator is more appropriate for quantifying the quality of the air diffusion; the solutions to be adopted, to maximize the ventilation efficiency should be, the schemes that operate with low speeds of supply air and small differences between supply air temperature and the room temperature.

Comparison of contaminant removal effectiveness and air change efficiency as indicator of air diffusion quality.

The ventilation efficiency concept is an attempt to quantify a parameter that can easily distinguish the different options for air diffusion in the building spaces. Thirteen strategies of air diffusion were measured in a test chamber through the application of the tracer gas method, with the objective to validate the calculation by Computational fluid dynamics (CFD). Were compared the Air Change Efficiency (ACE) and the Contaminant Removal Effectiveness (CRE), the two indicators most internationally accepted. The main results from this work shows that the values of the numerical simulations are in good agreement with experimental measurements and also, that the solutions to be adopted for maximizing the ventilation efficiency should be the schemes that operate with low speeds of supply air and small differences between supply air temperature and the room temperature.

Simulação de sistema de desenfumagem de parques de estacionamento recorrendo ao programa OpenFOAM

Os parques de estacionamento cobertos estão obrigados por legislação a terem sistemas de desenfumagem. Assim, nesta dissertação desenvolve-se um procedimento computacional para a analise e verificação de funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso para parques de estacionamento, recorrendo ao software de mecânica dos fluidos computacional OpenFOAM. Actualmente nos sistemas de desenfumagem de parques de estacionamento estão a ser aplicados ventiladores de impulso. Este tipo de ventiladores não estão contemplados pela legislação em vigor. Assim, para serem utilizados é necessário verificar se estes podem substituir as redes de condutas. A verificação do funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso e efectuada com recurso a programas de simulação de mecânica dos fluidos computacional. O software OpenFOAM não tem tutoriais para ventiladores de impulso. Assim, foi executado um procedimento para validação dos ventiladores de impulso. A validação consistiu em reproduzir-se uma experiência executada por Giesen et al. (2011). Executaram-se várias simulações com diferentes modelos de turbulência, verificando-se que o programa buoyantpimplefoam do software OpenFOAM ao utilizar o modelo de turbulência k -ɛ simulou quase na perfeição os ventiladores de impulso. O desenvolvimento do procedimento computacional foi executado para um parque de estacionamento com uma geometria bastante complexa. O parque de estacionamento foi criado com um software em 3D e posteriormente inserido numa malha j a criada com as dimensões exteriores do parque. Foram estipuladas as condições de fronteira e executou-se uma simulação de seiscentos segundos com parâmetros determinados previamente. O processamento da simulação teve a duração de aproximadamente oito dias. Dos resultados obtidos concluiu-se que o procedimento computacional apresentado simula adequadamente sistemas de desenfumagem em parques de estacionamento.

Desenvolvimento de um procedimento de Numerical Site Calibration para um Parque Eólico usando Dinâmica de Fluidos Computacional

Esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação de um procedimento de \Numerical Site Calibration" (NSC) para um Parque Eólico, situado a sul de Portugal, usando Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD). O NSC encontra-se baseado no \Site Calibration" (SC), sendo este um método de medição padronizado pela Comissão Electrónica Internacional através da norma IEC 61400. Este método tem a finalidade de quantificar e reduzir os efeitos provocados pelo terreno e por possíveis obstáculos, na medição do desempenho energético das turbinas eólicas. Assim, no SC são realizadas medições em dois pontos, no mastro referência e no local da turbina (mastro temporário). No entanto, em Parques Eólicos já construídos, este método não é aplicável visto ser necessária a instalação de um mastro de medição no local da turbina e, por conseguinte, o procedimento adequado para estas circunstâncias é o NSC. O desenvolvimento deste método é feito por um código CFD, desenvolvido por uma equipa de investigação do Instituto Superior de Engenharia do Porto, designado de WINDIETM, usado extensivamente pela empresa Megajoule Inovação, Lda em aplicações de energia eólica em todo mundo. Este código é uma ferramenta para simulação de escoamentos tridimensionais em terrenos complexos. As simulações do escoamento são realizadas no regime transiente utilizando as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds com aproximação de Bussinesq e o modelo de turbulência TKE 1.5. As condições fronteira são provenientes dos resultados de uma simulação realizada com Weather Research and Forecasting, WRF. Estas simulações dividem-se em dois grupos, um dos conjuntos de simulações utiliza o esquema convectivo Upwind e o outro utiliza o esquema convectivo de 4aordem. A análise deste método é realizada a partir da comparação dos dados obtidos nas simulações realizadas no código WINDIETM e a coleta de dados medidos durante o processo SC. Em suma, conclui-se que o WINDIETM e as suas configurações reproduzem bons resultados de calibração, ja que produzem erros globais na ordem de dois pontos percentuais em relação ao SC realizado para o mesmo local em estudo.

A method to correct the flow distortion of offshore wind data using CFD simulation and experimental wind tunnel tests

The assessment of wind energy resource for the development of deep offshore wind plants requires the use of every possible source of data and, in many cases, includes data gathered at meteorological stations installed at islands, islets or even oil platforms—all structures that interfere with, and change, the flow characteristics. This work aims to contribute to the evaluation of such changes in the flow by developing a correction methodology and applying it to the case of Berlenga island, Portugal. The study is performed using computational fluid dynamic simulations (CFD) validated by wind tunnel tests. In order to simulate the incoming offshore flow with CFD models a wind profile, unknown a priori, was established using observations from two coastal wind stations and a power law wind profile was fitted to the existing data (a=0.165). The results show that the resulting horizontal wind speed at 80 m above sea level is 16% lower than the wind speed at 80 m above the island for the dominant wind direction sector.

A new methodology for urban wind resource assessment

In the latest years the wind energy sector experienced an exponential growth all over the world. What started as a deployment of onshore projects, soon moved to offshore and, more recently to the urban environment within the context of smart cities and renewable micro-generation. However, urban wind projects using micro turbines do not have enough profit margins to enable the setup of comprehensive and expensive measurement campaigns, a standard procedure for the deployment of large wind parks. To respond to the wind assessment needs of the future smart cities a new and simple methodology for urban wind resource assessment was developed. This methodology is based on the construction of a surface involving a built area in order to estimate the wind potential by treating it as very complex orography. This is a straightforward methodology that allows estimating the sustainable urban wind potential, being suitable to map the urban wind resource in large areas. The methodology was applied to a case study and the results enabled the wind potential assessment of a large urban area being consistent with experimental data obtained in the case study area, with maximum deviations of the order of 10% (mean wind speed) and 20% (power density).