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Type: Dissertação
Title: Análise e implementação de esquemas upwind polinomiais e suas aplicações em escoamentos de fluidos incompressíveis
Author: Magalhães, Mateus Teixeira
First Advisor: Queiroz, Rafael Alves Bonfim de
Co-Advisor: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Cirilo, Eliandro Rodrigues
Referee Member: Hallak, Patrícia Habib
Resumo: Diversos problemas científicos e de engenharia sobre fluidos são caracterizados por escoamentos convectivos. Problemas dessa natureza são desafiadores e exigem o desenvolvimento de esquemas numéricos eficientes, robustos e precisos. Dessa forma, o tema tem sido uma das principais preocupações da comunidade científica na área de CFD (“Computational Fluid Dynamics”). Soluções numéricas para esse tipo de problema envolvem, entre outros, o desenvolvimento de esquemas numéricos para tratamento do termo convectivo e modelagem de turbulência. O presente trabalho visa contribuir no estudo numérico e implementação de esquemas upwind polinomiais para tratamento do termo convectivo de equações diferenciais parciais e suas aplicações em escoamento de fluidos incompressíveis. Para tanto, este trabalho tem como objetivo a comparação dos esquemas upwind polinomiais TOPUS (“ThirdOrder Polynomial Upwind Scheme”), FSFL (“Flexible and Symmetric Flux Limiter”), SDPUSC1 (“Six-Degree Polynomial Upwind Scheme”) e EPUS (“Eight-degree Polynomial Upwind Scheme”) entre si utilizando experimentos computacionais com variação de parâmetros. Problemas unidimensionais são resolvidos numericamente através de implementação computacional utilizando o método de diferenças finitas e formulação em variáveis normalizadas. Simulações bidimensionais de escoamento de fluidos são realizadas utilizando o OpenFOAM, através do método de volumes finitos e formulação em limitadores de fluxo para os esquemas. Neste trabalho tem-se como objetivo o estudo e implementação de esquemas upwind polinomiais avançados bem como a sua incorporação na ferramenta OpenFoam. Uma contribuição importante deste trabalho é a implementação e estudo do esquema FSFL através de experimentos computacionais, fornecendo novos resultados e comparações não vistas na literatura até então. Os resultados obtidos com os experimentos realizados mostram que ambos os esquemas TOPUS, FSFL, SDPUS-C1 e EPUS fornecem bons resultados para o tratamento do termo convectivo de equações de transporte. Em destaque o esquema EPUS obteve um melhor desempenho em termos de exatidão e o esquema TOPUS se destacou ao atingir um resíduo temporal mínimo com menos iterações. Além disso o esquema SDPUS-C1 se mostrou muito efetivo tanto em termos de exatidão quanto de iterações para atingir um resíduo temporal mínimo estabelecido.
Abstract: Several scientific and engineering problems about fluids are characterized by convective flows. Problems of this nature are challenging and require the development of efficient, robust and accurate numerical schemes. Thus, the topic has been one of the main concerns of the scientific community in the area of CFD (Computational Fluid Dynamics). Numerical solutions for this type of problem involve, among others, the development of numerical schemes for the treatment of the convective term and turbulence modeling. The present work aims to contribute to the numerical study and implementation of polynomial upwind schemes for the treatment of the convective term of partial differential equations and their applications in the flow of incompressible fluids. Therefore, this work aims to compare the polynomial upwind schemes TOPUS (“Third-Order Polynomial Upwind Scheme”), FSFL (“Flexible and Symmetric Flux Limiter”), SDPUS-C1 (“Six-Degree Polynomial Upwind Scheme”) and EPUS (“Eight-degree Polynomial Upwind Scheme”) together using computational experiments with parameter variation. One-dimensional problems are numerically solved through computational implementation using the finite difference method and formulation in normalized variables. Two-dimensional fluid flow simulations are performed using OpenFOAM, through the finite volume method and formulation in flow limiters for the schemes. This work aims to study and implement advanced polynomial upwind schemes as well as their incorporation into the OpenFoam tool. An important contribution of this work is the implementation and study of the FSFL scheme through computational experiments, providing new results and comparisons not seen in the literature so far. The results obtained with the performed experiments show that both the TOPUS, FSFL, SDPUS-C1 and EPUS schemes provide good results for the treatment of the convective term of transport equations. The EPUS scheme performed better in terms of accuracy and the TOPUS scheme stood out by achieving a minimum temporal residual with fewer iterations. In addition, the SDPUS-C1 scheme proved to be very effective both in terms of accuracy and iterations to reach an established minimum time residual.
Keywords: Esquema upwind polinomial
Limitador de fluxo
Escoamento incompressível
Critério TVD/CBC
Polynomial upwind scheme
Flow limiter
Incompressible flow.
TVD / CBC criterion
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/di/2021/00422
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/13994
Issue Date: 20-Dec-2021
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