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- Estudo da física do escoamento secundário e modelação computacional do escoamento turbulento 3D em coroas de pás de turbinasPublication . Xisto, Carlos Manuel Cipriano; Marques, José Carlos PáscoaUma breve pesquisa bibliográfica, restringida a um panorama nacional, sobre modelação de turbulência 3D em pás de turbinas, leva-nos a verificar que esta tem sido uma área de menor atenção dos investigadores portugueses. No mesmo panorama, verificou-se a inexistência de simulações computacionais em andares de turbomáquinas. O facto deste tipo de simulações ser, a um nível internacional, prática corrente na optimização de turbinas é um dos factores de motivação para a realização desta dissertação. É um facto que as simulações computacionais de pás isoladas não reflectem a realidade física completa de uma turbomáquina. Isto porque, no caso de uma turbina, o movimento relativo do rotor em relação ao estator influencia significativamente o campo de escoamento. Como tal, para compreender e avaliar as perdas que ocorrem numa turbina é necessário realizar simulações em um ou mais andares de turbina. O trabalho aqui apresentado divide-se em três partes distintas, mas complementares. Numa primeira parte é feita uma revisão ao estado da arte sobre a física de escoamentos secundários e sobre modelação de turbulência. Aqui pretende-se avaliar a importância dos escoamentos secundários na optimização de turbinas axiais e, demonstrar como é feita a modelação de turbulência, quer a um nível geral, quer ao nível de turbomáquinas. Numa segunda parte pretende-se, através da modelação do escoamento turbulento na cascata de pás linear T106, verificar o modelo físico-matemático a utilizar na modelação do andar transónico de turbina de Graz. Pretende-se também avaliar as limitações das funções de parede na modelação de escoamentos com fortes efeitos de separação e transição. Para tal comparam-se os resultados obtidos com o modelo de Spalart-Allmaras, com uma verificação do y+ nas paredes inferior a 1, com os resultados obtidos através dos modelos k − ǫ, k − ω SST e de Spalart-Allmaras usando funções de parede. Esta modelação permitiu avaliar a capacidade das funções de parede na previsão de escoamentos secundários. A terceira parte apresenta a modelação computacional de um andar de uma turbina de baixa pressão, previamente ensaiado experimentalmente no Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, University of Technology, Graz, Austria. Aqui comparam-se resultados numéricos com experimentais, avaliando assim os limites de precisão dos resultados obtidos com o recurso a funções de parede.
- Métodos numéricos para a dinâmica de gases e escoamentos magnetohidrodinâmicos a números de Mach arbitrários : aplicações em tubeiras magnetoplasmadinâmicasPublication . Xisto, Carlos Manuel Cipriano; Marques, José Carlos Páscoa; Oliveira, Paulo Jorge dos Santos Pimentel deA magnetohidrodinâmica (MHD) é a área cientí ca que se dedica ao estudo da interação de um uido condutor em movimento com um ou vários campos magnéticos. Fenómenos desta natureza são extremamente comuns no campo da astrofísica, sabendo-se que grande parte dos efeitos observados na dinâmica dos plasmas resulta da interação do escoamento com campos elétricos e/ou magnéticos. Outro campo de aplicação da ciência da MHD diz respeito à análise de sistemas de propulsão elétrica, mais concretamente na modelação de tubeiras magnetoplasmadin âmicas (MPD). Os sistemas MPD utilizam a força de Lorentz como principal mecanismo de aceleração, o que lhes permite obter velocidades de escape extremamente elevadas para uma pequena massa de gás propelente. Uma forma de analisar este tipo de escoamentos é através de ferramentas numéricas baseadas nas equações que governam o escoamento MHD. O trabalho que aqui vai ser exposto pode dividir-se em duas partes. Na primeira é elaborado um método numérico e caz para resolver as equações de Euler, que apresenta algumas novidades relativamente aos métodos existentes sendo capaz de calcular escoamentos a número de Mach arbitrário. Este método é baseado no algoritmo PISO e utiliza o esquema AUSM+ up para o cálculo dos uxos convectivos. É apresentada uma explicação pormenorizada sobre as bases deste método, onde vai ser demonstrado que é possível adaptar o esquema AUSM de forma a este ser integrado num algoritmo baseado na equação da pressão. Vai também ser acrescentado e testado no código em uso o esquema de interpolação de alta resolução CUBISTA. Para validar o código proposto são apresentados resultados para uma tubeira axissimétrica a operar em vários regimes de número de Mach. O caso de teste seguinte compreende um túnel com um obstáculo de secção circular cujo escoamento será abordado nos três regimes de esc. subsónico, transónico e supersónico. Esta primeira parte do trabalho é encerrada com o cálculo de um escoamento supersónico e hipersónico mais complexo, no qual o uido vai de encontro a um objeto de geometria circular gerando ondas de choque a montante do obstáculo. A segunda parte do trabalho compreende a extensão do método, anteriormente proposto para análise das equações de Euler, agora aplicado ao cálculo de escoamento MHD compressível. Este novo método é igualmente baseado no algoritmo PISO mas utiliza uma versão modi cada do esquema AUSM, devidamente adaptada para escoamento MHD. O método aqui proposto vai ser exposto de forma pormenorizada e as várias técnicas de correção do campo magnético são aqui apresentadas. No que concerne à sua validação, são utilizados vários casos de teste padrão do tipo uni-dimensional e bidimensional. Inicialmente vão ser abordados dois problemas de escoamento MHD resistivo em canais de secção quadrada. Seguidamente a ordem de precisão do método vai ser analisada através do cálculo de ondas de Alfvén num espaço bidimensional. A precisão no cálculo de descontinuidades vai ser posteriormente analisada com recurso ao problema de Riemann uni-dimensional e a vários problemas bidimensionais de escoamento MHD ideal. O método de simulação MHD aqui desenvolvido vai nalmente ser aplicado na análise paramétrica dos efeitos da geometria dos elétrodos sobre o desempenho de uma tubeira MPD de campo induzido.