Métodos de fronteira imersa para corpos esbeltos: implementação e validação

The immersed boundary (IB) methods are used to enforce boundary conditions on surfaces not aligned with the computational mesh in a numerical simulation. This methodology has been used as a practical approach to model flow problems involving complex and/or moving bodies. Despite the great advantages of the immersed boundary methodology, it is shown in this work that some difficulties and challenges are posed when it is used to simulate the flow past sharp geometries. In present work, two main objectives are proposed: first, to assess the accuracy and efficiency of IB methods in simulations of flows past immersed bodies with highly sharp corners or thin plates. Secondly, we implement a numerical method which is able to satisfy these flow conditions. The study was composed of four stages: First, an extensive bibliographic review was conducted in order to know and understand the different immersed boundary methods; in the second stage it was presented modifications in Multi-Direct Forcing method; further on, it was presented a local directional ghost cell approach. Finally, the methods are implemented and tested for a number of problems, the modified multi-direct forcing approach was validated for a uniform flow past a circular cylinder, a sphere and an airfoil NACA0012. The local directional ghost cell approach was employed to calculate a Poiseuille flow, an impulsively started flow past a flat plate and uniform flow around a circular cylinder between two parallels wallsMestre em Engenharia MecânicaA metodologia de fronteira imersa (FI) se presta a aplicar as condições de contorno em escoamentos sobre corpos imersos cuja malha computacional não seja alinhada com a geometria do obstáculo. Esta metodologia tem sido aplicada em simulações de escoamentos envolvendo a presença de corpos de geometria complexas e/ou em movimento. Apesar das grandes vantagens dos métodos de fronteira imersa, é mostrado no presente trabalho que algumas dificuldades e desafios são encontrados quando este é empregado, especialmente em escoamentos sobre corpos de geometria esbelta e quinas agudas. No presente trabalho, dois objetivos foram propostos. Primeiramente, avaliar a acurácia e eficiência dos métodos de FI em simulações sobre corpos com geometria altamente esbelta e irregular e implementar um método numérico capaz de satisfazer as condições de contorno dessas geometrais. O estudo foi composto por quatro etapas: no primeiro capítulo, uma extensiva pesquisa bibliográfica foi conduzida para compreensão e conhecimento dos diferentes métodos de fronteira imersa; na segunda etapa, foi proposta uma modificação no método de Múltipla Imposição da Força; na terceira etapa, foi apresentado o método de fronteira imersa com volumes fantasmas locais; por fim, os métodos são implementados e testados para vários casos diferentes, o método de múltipla imposição da força foi validado para um escoamento sobre um cilindro circular, uma esfera e um perfil aerodinâmico NACA0012. O método de volumes fantasmas locais foi testado e validado para os casos de um escoamento de Poiseuille, escoamento sobre uma placa plana vertical e escoamento uniforme sobre um cilindro circular entre duas placas paralelas