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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2006.tde-07112006-134142
Document
Author
Full name
José Eduardo Alamy Filho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2006
Supervisor
Committee
Schulz, Harry Edmar (President)
Correa, Nivaldo Aparecido
Silveira Neto, Aristeu da
Silveira, Alexandre
Villela, Swami Marcondes
Title in Portuguese
Modelação numérica de processos de sedimentação em escoamentos turbulentos e análise da ressuspensão em canais
Keywords in Portuguese
método de fronteira imersa
simulação de grandes escalas
transporte de sedimentos
turbulência
Abstract in Portuguese
O estudo do transporte de sedimentos, partindo da estimativa de estruturas turbulentas relevantes, constituiu o principal foco deste trabalho. Assim, a equação de transporte de massa (advecção-difusão) foi aplicada em conjunto com as equações de Navier-Stokes e da continuidade filtradas. Neste contexto, houve a necessidade de uma descrição conveniente da turbulência, o que ocorreu mediante a aplicação da simulação de grandes escalas acoplada a modelos de viscosidade turbulenta sub-malha. O método de fronteira imersa foi utilizado na modelação da interface sólido/fluido, representada pela geometria de fundo dos canais. As equações de Navier-Stokes filtradas e da continuidade foram resolvidas numericamente pelo método de passos fracionados, o qual estabeleceu o almejado acoplamento entre ambas. Na discretização das equações governantes foi utilizado o método de diferenças finitas, aplicado sobre malhas deslocadas. Os esquemas explícitos de Adams-Bashforth (de segunda e quarta ordens) foram utilizados no avanço temporal das velocidades do escoamento e das concentrações de sedimentos. Uma nova formulação para a velocidade de sedimentação foi desenvolvida analiticamente, enquanto que eventuais fluxos de ressuspensão foram impostos como condição de contorno no fundo do canal. Todos os códigos computacionais, que estabeleceram as diretrizes e a lógica de cálculo, foram criados no contexto deste trabalho. Os resultados obtidos indicam que a simulação de grandes escalas, associada ao método de fronteira imersa, considerando velocidade de sedimentação conforme aqui modelada, e ainda utilizando a equação de advecção-difusão para o transporte de massa, constituem ferramentas altamente adequadas à estimativa do transporte de sedimentos pela água.
Title in English
Numerical modeling of settling processes in turbulent flows and channel re-suspension analysis
Keywords in English
immersed boundary method
large-eddy simulation
sediment transport
turbulence
Abstract in English
The goal of this work is the research of sediment transport phenomena, deriving from outstanding turbulent eddies estimative. Thus, the mass transport equation (advection-diffusion) was connected with the filtered Navier-Stokes and continuity equations. In this context, the large-eddy simulation and sub-grid viscosity modeling established a convenient description of turbulence effects. The immersed boundary method was applied to model solid/fluid interface, represented here by the shapes of channel bottom. The filtered Navier-Stokes and continuity equations were solved by the fractional step method. The equations were discretized with the finite difference method, applied over staggered grids, whereas explicit Adams-Bashforth schemes (second and forth orders) were used in temporal advancement of velocities and sediment concentration fields. A new analytical formulation for settling velocity was obtained, while fortuitous re-suspension flux was applied like a boundary condition in the channel bottom. The computational code was totally developed in this work. The results of present simulations show that large-eddy simulation coupled to the immersed boundary method, considering, yet, the settling velocity of particles and the advection-diffusion equation for mass transport, constitute potential tools for sediment transport evaluation in water flows.
 
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Tese.pdf (15.26 Mbytes)
Publishing Date
2006-11-23
 
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