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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2019.tde-18052020-094801
Documento
Autor
Nome completo
Cezar Augusto Bellezi
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Yee, Cheng Liang (Presidente)
Alves, José Luis Drummond
Morooka, Celso Kazuyuki
Pesce, Celso Pupo
Vasco, Joel Roberto Guimarães
Título em inglês
Studies of nonlinear hydrodynamics based on moving particles semi-implicit method: development and applications.
Palavras-chave em inglês
Computational fluid dynamics
Gap resonance
Hydrodynamic impact
Multiresolution
Nonlinear hydrodynamics
Particle-based method
Sloshing
Resumo em inglês
The present work is focused on the development and application of the Moving Particles Semi-Implicit (MPS) method to the investigation of complex nonlinear hydrodynamics problems in naval and offshore engineering. This work is divided into three different studies that share this background and each one presents its own original contribution: PART 1: The first study consists in the proposal of a perforated swash bulkhead with optimized geometry in order to mitigate the sloshing in rectangular tanks. The first step of the investigation comprises the assessment of the effects of the bulkhead openarea ratio in the sloshing flow based on a comprehensive parameter analysis. Then, a function of the optimized open-area ratio as function of the filling ratio is proposed. Three different swash bulkhead models with optimized geometry are evaluated and successfully mitigated the sloshing resonance in the frequency range encompassing the three first sloshing resonant modes for different filling ratios. This investigation resulted in technological innovation, as a highly effective engineering solution with simple implementation was achieved. PART 2: In the second study, the resonance within narrow gaps between naval and offshore structures is investigated by MPS simulations. It consists on a parameter analysis of a simplified two-dimensional barge with imposed harmonic sway motion. Different widths of the gap, motion frequencies and amplitudes were considered. Two different resonant modes in the gap were observed from the particle-based simulations: the piston-mode and the sloshing-mode. In particular, two peaks in the frequency domain were observed for the piston-mode resonant flow. The behavior of the second peak resembled a syphon U-tube flow and it was not previously reported in the literature. Then, two simple mechanical models, with 1 DOF and 2 DOF were adopted in order to explain these two peaks. PART 3: In the third study of this thesis, a multiresolution technique called "border mapping" is proposed for the MPS method. The border mapping technique aims to obtain an "equivalent particle distribution" in the truncated boundary between two sub-domains with different resolutions and it is divided into two steps: the refinement of the coarse region of the border and the simplification of the fine region of the border. The main aspect of the proposed approach is to use the actual irregular particle distribution in the border region, which enhances the numerical stability. The preliminary tests of the proposed technique were promising, as the pressure was correctly calculated, the mass of the system was properly conserved and the computational cost could be substantially reduced in relation to a single-resolution simulation. This study is a contribution to the state-of-the-art of the meshless methods in computational fluid dynamics.
Título em português
Estudos em hidrodinâmica não linear com método de partículas moving particles semi-implicit: desenvolvimento e aplicações.
Palavras-chave em português
Dinâmica dos fluidos computacional
Hidrodinâmica
Impacto hidrodinâmico
Método de partículas
Multirresolução
Ressonância em gap
Sloshing
Resumo em português
Esta tese foca-se no desenvolvimento e aplicação do método de partículas Moving Particles Semi-Implicit (MPS) para a investigação de complexos problemas de hidrodinâmica não-linear no contexto da engenharia naval e oceânica. A mesma é dividida em três diferentes trabalhos que partilham deste contexto, sendo que cada trabalho apresenta suas próprias contribuições originais: PARTE 1: O primeiro estudo da presente tese consiste na proposta de uma geometria otimizada de antepara perfurada para a mitigação do fenômeno de sloshing em tanques retangulares. Investigou-se os efeitos da razão de abertura das anteparas perfuradas no fenômeno de sloshing por meio de uma abrangente análise paramétrica. Com base nos resultados obtidos, é proposta uma relação de razão de abertura otimizada em função do nível de preenchimento. Três modelos de antepara com geometria otimizada são então testados com sucesso para a mitigação de sloshing a diferentes níveis de preenchimento para frequências englobando os três primeiros modos de ressonância do fenômeno de sloshing. Trata-se de um estudo que resultou em invoção tecnológica, ao propor uma solução em engenharia bastante efetiva e de simples implementação. PARTE 2: No segundo estudo, o método de partículas foi empregado na investigação do fenômeno de ressonância de fluido confinado entre estruturas próximas, conhecido como "gap effect". É realizada uma análise paramétrica do fenômeno de ressonância no gap em modelos bidimensionais de uma barcação com movimento harmônico imposto de "sway". Gaps com diferentes dimensões e movimentos com diferentes frequências e amplitudes foram considerados. As simulações numéricas capturam os diferentes modos de ressonância no gap: o modo pistão e modo sloshing. Dois diferentes picos no domínio da frequência foram observados para a ressonância no modo pistão. O segundo deles se assemelha a um escoamento em tubo em U, o qual não havia sido previamente reportado na literatura. Por fim, o comportamento do escoamento em cada um deles foi explicado por uma analogia a sistemas mecânicos simples, um com 1 e outro com 2 graus de liberdade. PARTE 3: No terceiro estudo, propôs-se uma nova técnica multirresolução para o método de partículas denominada técnica de "mapeamento da borda". A técnica de mapeamento da borda consiste em obter distribuições de partícula equivalentes em cada lado da fronteira truncada entre dois sub-domínios de resoluções diferentes, a qual pode ser dividida em duas etapas: o "refinamento" da borda de baixa-resolução e a "simplificação" da borda de alta-resolução. Diferentemente de outras técnicas propostas na literatura, o mapeamento baseia-se na atual distribuição irregular de partículas na região de borda, o que aumenta a estabilidade numérica. Os testes preliminares da técnica proposta mostram que a pressão pode ser calculada adequadamente, os algoritmos do mapeamento conservam a massa do sistema e o tempo de processamento pode ser significativamente reduzido em relação à simulações de resolução única. Este estudo é uma contribuição ao estado-da-arte dos métodos sem malhas para dinâmica dos fluidos computacional.
 
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Data de Publicação
2020-05-27
 
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