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.

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.

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.

Contribuição para a validação do código numérico OpenFOAM em escoamentos com superfície livre

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Validation of NASA rotor 67 with openFOAM's transonic density-based solver

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Simulação numérica da propagação e rebentação de ondas utilizando o código OpenFoam

Esta dissertação teve o intuito de validar o código numérico do OpenFoam para problemas na área da hidrodinâmica e propagação de ondas. Para a geração de ondas através do código numérico recorreu-se ao solver Waves2Foam, uma ferramenta do OpenFoam baseada no InterFoam, solver baseado no método VoF (Volume of fluid) com a implementação de zonas de relaxamento para a geração e dissipação da energia das ondas. Os casos simulados nesta dissertação tiveram o objectivo de testar a ferramenta para diferentes condições de propagação de ondas e diferentes teorias. Assim é apresentado um caso bidimensional com fundo horizontal e profundidade considerada infinita e outro bidimensional com fundo variável de forma a verificar a ocorrência ou não de rebentação, ambos para ondas regulares de primeira ordem ou ondas de Airy. Além dos casos bidimensionais também são apresentados dois casos tridimensionais com fundo variável, para ondas regulares e bicromáticas e em situação com e sem rebentação. Tanto o caso bidimensional de profundidade variável como o primeiro caso tridimensional foram baseados em ensaios e dados experimentais realizados num canal de profundidade variável para ondas regulares em situação com e sem rebentação. O segundo caso tridimensional também foi baseado em ensaios experimentais no mesmo canal de fundo variável para ondas geradas bicromáticas em situação com e sem rebentação. Através das simulações realizadas pode-se concluir que para casos de propagação de ondas sem rebentação o solver Waves2Foam obtém bons resultados. Já nos casos com rebentação os resultados apresentam alguma discrepância devida à não utilização de modelos de turbulência. No geral, o código numérico do OpenFoam dá bons resultados para resolver problemas de hidrodinâmica através de ondas regulares e de ondas bicromáticas.

Simulação numérica da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código OpenFoam

O principal objetivo desta dissertação é explorar o potencial do código OpenFoam, no estudo de problemas de engenharia costeira, mais especificamente a interação de ondas com quebra-mares porosos. Neste sentido, inicialmente é realizada a validação do código numérico porousInterFoam, onde é estudada a dependência de malha e de modelos de turbulência. Conclui-se que os resultados numéricos obtidos apresentam uma boa correlação com os experimentais. Em seguida é feita uma comparação com outros códigos numéricos, nomeadamente o porousWaveFoam e o IHFOAM onde se verificam resultados idênticos. Por fim, é realizada uma simulação através do porousWaveFoam, da interação de uma onda regular com um quebra-mar poroso, e conclui-se, comparando os resultados obtidos com os resultados dos ensaios experimentais no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), que a elevação da superfície livre é bem modelada.

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.

Implementation of integral viscoelastic constitutive models in OpenFOAM® computational library

This work reports the implementation and verification of a new so lver in OpenFOAM® open source computational library, able to cope with integral viscoelastic models based on the integral upper-convected Maxwell model. The code is verified through the comparison of its predictions with analytical solutions and numerical results obtained with the differential upper-convected Maxwell model

Development of an integral viscoelastic flow solver in OpenFOAM®

The usual high cost of commercial codes, and some technical limitations, clearly limits the employment of numerical modelling tools in both industry and academia. Consequently, the number of companies that use numerical code is limited and there a lot of effort put on the development and maintenance of in-house academic based codes. Having in mind the potential of using numerical modelling tools as a design aid, of both products and processes, different research teams have been contributing to the development of open source codes/libraries. In this framework, any individual can take advantage of the available code capabilities and/or implement additional features based on his specific needs. These type of codes are usually developed by large communities, which provide improvements and new features in their specific fields of research, thus increasing significantly the code development process. Among others, OpenFOAM® multi-physics computational library, developed by a very large and dynamic community, nowadays comprises several features usually only available in their commercial counterparts; e.g. dynamic meshes, large diversity of complex physical models, parallelization, multiphase models, to name just a few. This computational library is developed in C++ and makes use of most of all language capabilities to facilitate the implementation of new functionalities. Concerning the field of computational rheology, OpenFOAM® solvers were recently developed to deal with the most relevant differential viscoelastic rheological models, and stabilization techniques are currently being verified. This work describes the implementation of a new solver in OpenFOAM® library, able to cope with integral viscoelastic models based on the deformation field method. The implemented solver is verified through the comparison of the predicted results with analytical solutions, results published in the literature and by using the Method of Manufactured Solutions.

Development of a new 3D OpenFOAM® solver to model the cooling stage in profile extrusion

[Excerpt] The advantages resulting from the use of numerical modelling tools to support the design of processing equipment are almost consensual. The design of calibration systems in profile extrusion is not an exception . H owever , the complex geome tries and heat exchange phenomena involved in this process require the use of numerical solvers able to model the heat exchange in more than one domain ( calibrator and polymer), the compatibilization of the heat transfer at the profile - calibrator interface and with the ability to deal with complex geometries. The combination of all these features is usually hard to find in commercial software. Moreover , the dimension of the meshes required to ob tain accurate results, result in computational times prohibitive for industrial application. (...)

Modelling integral viscoelastic flows in OpenFOAM

[Excerpt] A large number of constitutive equations were developed for viscoelastic fluids, some empirical and other with strong physical foundations. The currently available macroscopic constitutive equations can be divided in two main types: differential and integral. Some of the constitutive equations, e.g. Maxwell are available both in differential and integral types. However, relevant in tegral models, like K - BKZ, just possesses the integral form. (...)

Using OpenFOAM to aid the design of complex profile extrusion dies

[Extrat] Thermoplastic profiles are very attractive due to their inherent design freedom. However, the usual methodologies employed to design extrusion forming tools, based on experimental based trial–and–error procedures, are highly dependent on the designer’s experience and lead to high resources consumption. Despite of the relatively low cost of the raw materials employed on the production of this type of profiles, the resources involved in the die design process significantly increase their cost. These difficulties are even more evident when a complex geometry profile has to be produced and there is no previous experience with similar geometries. Therefore, novel design approaches are required, in order to reduce the required resources and guarantee a good performance for the produced profile. (...)

A new integral viscoelastic flow solver in OpenFOAM®

The usual high cost of commercial codes, and some technical limitations, clearly limits the employment of numerical modelling tools in both industry and academia. Consequently, the number of companies that use numerical code is limited and there a lot of effort put on the development and maintenance of in-house academic based codes . Having in mind the potential of using numerical modelling tools as a design aid, of both products and processes, different research teams have been contributing to the development of open source codes/libraries. In this framework, any individual can take advantage of the available code capabilities and/or implement additional features based on his specific needs. These type of codes are usually developed by large communities, which provide improvements and new features in their specific fields of research, thus increasing significantly the code development process. Among others, OpenFOAM® multi-physics computational library, developed by a very large and dynamic community, nowadays comprises several features usually only available in their commercial counterparts; e.g. dynamic meshes, large diversity of complex physical models, parallelization, multiphase models, to name just a few. This computational library is developed in C++ and makes use of most of all language capabilities to facilitate the implementation of new functionalities. Concerning the field of computational rheology, OpenFOAM® solvers were recently developed to deal with the most relevant differential viscoelastic rheological models, and stabilization techniques are currently being verified. This work describes the implementation of a new solver in OpenFOAM® library, able to cope with integral viscoelastic models based on the deformation field method. The implemented solver is verified through the comparison of the predicted results with analytical solutions, results published in the literature and by using the Method of Manufactured Solutions

Aplicação de um modelo numérico na otimização de fornos alimentícios usando o OpenFOAM®

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)