Análise numérica de escoamentos de tornado usando os métodos de Taylor-Galerkin e CBS com adaptação de malha

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Aguirre, Miguel Angel
• Orientador(a): Braun, Alexandre Luis
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Tornados; Dinâmica dos fluidos computacional; Escoamento; Elementos finitos
• Palavras-chave em Inglês: Tornadoes; Finite Element Method (FEM); Large Eddy Simulation (LES); Adaptive meshes; CUDA-FORTRAN parallelization
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/271825

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre escoamentos de tornado e sua ação sobre corpos imersos usando modelos numéricos baseados nos métodos de Taylor-Galerkin e CBS (Characteristic-Based Split) e técnicas de adaptação de malha. A importância do tema constata-se pelos índices de ocorrência anual de tornados observados na região meridional da América do Sul, abrangendo o sul do Brasil e países vizinhos, e pela potencialidade de danos às estruturas e risco à vida associados ao fenômeno. Uma investigação comparativa é feita entre o modelo explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, usando elementos finitos hexaédricos com um ponto de integração, e um modelo baseado no Método CBS, utilizando elementos finitos tetraédricos de quatro nós e uma abordagem quase-implícita, aplicada pela primeira vez em problemas de Engenharia do Vento. Escoamentos turbulentos são simulados usando-se a metodologia LES (Large Eddy Simulation) e modelos de turbulência sub-malha. Modelos de perfis de velocidade algébricos e simulações numéricas de câmaras experimentais são adotados para a geração de campos de escoamentos típicos de tornado, onde condições de contorno de deslizamento em parede curva são incorporadas. Um esquema de movimento e refinamento de malha adaptativo e anisotrópico baseado em métrica riemanniana é adotado de forma inédita na análise de escoamentos de tornado. Em razão do alto custo computacional, um estudo introdutório sobre a simulação de escoamentos com técnicas de paralelização em memória compartilhada e placas gráficas é apresentado para o modelo de Taylor-Galerkin, onde são utilizadas instruções OpenMP e CUDA-FORTRAN. Problemas clássicos envolvendo escoamentos incompressíveis são analisados inicialmente para a verificação do modelo CBS proposto neste trabalho. Na sequência, resultados experimentais de escoamentos de tornado com e sem objetos imersos são reproduzidos numericamente utilizando-se as formulações aqui propostas. O uso de malha adaptativa anisotrópica e de paralelização com instruções CUDA-FORTRAN, mesmo que separadamente, significa um avanço importante para a simulação de tornados.