Impact of convective motions on pollutant dispersion in urban canyons: an analysis through RANS simulations

Since the majority of the population of the world lives in cities and that this number is expected to increase in the next years, one of the biggest challenges of the research is the determination of the risk deriving from high temperatures experienced in urban areas, together with improving responses to climate-related disasters, for example by introducing in the urban context vegetation or built infrastructures that can improve the air quality. In this work, we will investigate how different setups of the boundary and initial conditions set on an urban canyon generate different patterns of the dispersion of a pollutant. To do so we will exploit the low computational cost of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations to reproduce the dynamics of an infinite array of two-dimensional square urban canyons. A pollutant is released at the street level to mimic the presence of traffic. RANS simulations are run using the k-ɛ closure model and vertical profiles of significant variables of the urban canyon, namely the velocity, the turbulent kinetic energy, and the concentration, are represented. This is done using the open-source software OpenFOAM and modifying the standard solver simpleFoam to include the concentration equation and the temperature by introducing a buoyancy term in the governing equations. The results of the simulation are validated with experimental results and products of Large-Eddy Simulations (LES) from previous works showing that the simulation is able to reproduce all the quantities under examination with satisfactory accuracy. Moreover, this comparison shows that despite LES are known to be more accurate albeit more expensive, RANS simulations represent a reliable tool if a smaller computational cost is needed. Overall, this work exploits the low computational cost of RANS simulations to produce multiple scenarios useful to evaluate how the dispersion of a pollutant changes by a modification of key variables, such as the temperature.

Wavelets And Adaptive Grids For The Discontinuous Galerkin Method

In this paper, space adaptivity is introduced to control the error in the numerical solution of hyperbolic systems of conservation laws. The reference numerical scheme is a new version of the discontinuous Galerkin method, which uses an implicit diffusive term in the direction of the streamlines, for stability purposes. The decision whether to refine or to unrefine the grid in a certain location is taken according to the magnitude of wavelet coefficients, which are indicators of local smoothness of the numerical solution. Numerical solutions of the nonlinear Euler equations illustrate the efficiency of the method. © Springer 2005.

Verification of a mixed high-order accurate DNS code for laminar turbulent transition by the method of manufactured solutions

This paper presents results on a verification test of a Direct Numerical Simulation code of mixed high-order of accuracy using the method of manufactured solutions (MMS). This test is based on the formulation of an analytical solution for the Navier-Stokes equations modified by the addition of a source term. The present numerical code was aimed at simulating the temporal evolution of instability waves in a plane Poiseuille flow. The governing equations were solved in a vorticity-velocity formulation for a two-dimensional incompressible flow. The code employed two different numerical schemes. One used mixed high-order compact and non-compact finite-differences from fourth-order to sixth-order of accuracy. The other scheme used spectral methods instead of finite-difference methods for the streamwise direction, which was periodic. In the present test, particular attention was paid to the boundary conditions of the physical problem of interest. Indeed, the verification procedure using MMS can be more demanding than the often used comparison with Linear Stability Theory. That is particularly because in the latter test no attention is paid to the nonlinear terms. For the present verification test, it was possible to manufacture an analytical solution that reproduced some aspects of an instability wave in a nonlinear stage. Although the results of the verification by MMS for this mixed-order numerical scheme had to be interpreted with care, the test was very useful as it gave confidence that the code was free of programming errors. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Discrete approximation to the global spectrum of the tangent operator for flow past a circular cylinder

This paper deals with the calculation of the discrete approximation to the full spectrum for the tangent operator for the stability problem of the symmetric flow past a circular cylinder. It is also concerned with the localization of the Hopf bifurcation in laminar flow past a cylinder, when the stationary solution loses stability and often becomes periodic in time. The main problem is to determine the critical Reynolds number for which a pair of eigenvalues crosses the imaginary axis. We thus present a divergence-free method, based on a decoupling of the vector of velocities in the saddle-point system from the vector of pressures, allowing the computation of eigenvalues, from which we can deduce the fundamental frequency of the time-periodic solution. The calculation showed that stability is lost through a symmetry-breaking Hopf bifurcation and that the critical Reynolds number is in agreement with the value presented in reported computations. (c) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Numerical Study of Hypersonic Leeward Flow over a Blunt Nosed Delta Wing

A kinetic theory based Navier-Stokes solver has been implemented on a parallel supercomputer (Intel iPSC Touchstone Delta) to study the leeward flowfield of a blunt nosed delta wing at 30-deg incidence at hypersonic speeds (similar to the proposed HERMES aerospace plane). Computational results are presented for a series of grids for both inviscid and laminar viscous flows at Reynolds numbers of 225,000 and 2.25 million. In addition, comparisons are made between the present and two independent calculations of the some flows (by L. LeToullec and P. Guillen, and S. Menne) which were presented at the Workshop on Hypersonic Flows for Re-entry Problems, Antibes, France, 1991.

Métodos computacionais em engenharia mecânica

Este estudo pretende mostrar algumas aplicações dos métodos computacionais na actividade de projecto em Engenharia Mecânica. Apresentam-se problemas concretos de engenharia que foram abordados durante um estágio realizado no CERN – Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, e onde foram utilizados: a) o método dos elementos finitos para cálculo de temperaturas e fluxos de calor e a sua influência sobre os deslocamentos, tensões e deformações que ocorrem numa peça; b) o método híbrido dos elementos finitos/volumes finitos para a discretização das equações de Navier-Stokes e a análise do escoamento de fluidos; c) um algoritmo genético para a obtenção da solução óptima de um problema estrutural. O projecto em engenharia é uma actividade cada vez mais complexa, que requer o uso de ferramentas computacionais sofisticadas tais como os programas ANSYS e MATLAB que foram utilizados no estudo. A criação de modelos numéricos e a análise do seu comportamento com estas ferramentas requer simultaneamente um bom conhecimento dos princípios que estão na base do seu desenvolvimento e uma boa perícia na sua manipulação. Com elas é possível obter soluções quando os constrangimentos do projecto são exigentes e análises detalhadas do comportamento estrutural são necessárias. Neste estudo pretende-se também demonstrar que uma combinação inovadora destas ferramentas pode contribuir para obter aplicações úteis para a actividade de projecto em engenharia.

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.

Estudo numérico de uma técnica de redução de esforços numa estrutura cilíndrica circular

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

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.

Simulação de Escoamentos Atmosféricos para Estudo de Parques Eólicos: Estudo comparativo dos softwares OpenFOAM e Windie

A presente tese tem como principal objetivo a comparação entre dois software de CFD (Computer Fluid Dynamics) na simulação de escoamentos atmosféricos com vista à sua aplicação ao estudo e caracterização de parques eólicos. O software em causa são o OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) - freeware open source genérico - e o Windie, ferramenta especializada no estudo de parques eólicos. Para este estudo foi usada a topografia circundante a um parque eólico situado na Grécia, do qual dispúnhamos de resultados de uma campanha de medições efetuada previamente. Para este _m foram usados procedimentos e ferramentas complementares ao Open-FOAM, desenvolvidas por da Silva Azevedo (2013) adequados para a realização do pré-processamento, extração de dados e pós-processamento, aplicados na simulação do caso pratico. As condições de cálculo usadas neste trabalho limitaram-se às usadas na simulação de escoamentos previamente simulados pelo software Windie: condições de escoamento turbulento, estacionário, incompressível e em regime não estratificado, com o recurso ao modelo de turbulência RaNS (Reynolds-averaged Navier-Stokes ) k - E atmosférico. Os resultados de ambas as simulações - OpenFOAM e Windie - foram comparados com resultados de uma campanha de medições, através dos valores de speed-up e intensidade turbulenta nas posições dos anemómetros.

Estudo numérico do escoamento numa chaminé como ventilador estático

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Determinação das forças de impacto num quebra-mar misto utilizando o modelo numérico Smoothed Particle Hydrodynamics

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Controle óptimo de fluidos não newtonianos

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Matemática

Estudo numérico do fenómeno de vibração induzida por vórtices num cilindro com 1 grau de liberdade em OpenFoam

Esta dissertação tem o intuito de validar o código numérico OpenFoam para problemas de fenómeno de vibração induzida por desprendimento de vórtices num cilindro circular com um grau de liberdade transversal ao escoamento. Na primeira parte é simulado o escoamento em torno de um cilindro circular fixo, e na segunda parte o escoamento em torno do cilindro oscilatório. O número de Reynolds é 200 para todas as simulações e o movimento do cilindro é descrito segundo um sistema massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para o movimento do cilindro utilizou-se o solver sixDoFRigidDisplacement e para a resolução de problemas de malha móvel o solver displacementLaplacian. O código numérico utilizado para o caso do cilindro fixo foi pimpleFoam e para o caso do cilindro oscilatório o pimpleDyMFoam. As simulações foram feitas através da resolução das equações de Navier-Stokes num domínio computacional bidimensional. Na simulação do escoamento em redor do cilindro fixo, os coeficientes de arrasto e sustentação e o número de Strouhal foram calculados e comparados com resultados da literatura. Os resultados estão próximos da realidade, no entanto observa-se que a dimensão da malha é muito importante para a precisão dos mesmos. Na simulação do escoamento em torno do cilindro oscilatório foram calculados os coeficientes de arrasto e sustentação e deslocamento do cilindro, para os sistemas massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para os dois sistemas foi apresentada e comparada a evolução destes resultados em função da velocidade reduzida e por fim foram comparados. Observa-se que o fator de amortecimento afeta as respostas do cilindro, dependo da velocidade reduzida. Os resultados obtidos em ambos os estudos foram satisfatórios e conclui-se que o código OpenFoam é uma boa ferramenta para resolver problemas com o fenómeno de vibração induzida por vórtices.

Modelação, simulação e implementação de agitação acústica para aplicações em microfluídica

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia Biomédica)