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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Problemas de interação termo-fluido-estrutural, ou de transferência térmica conjugada, correspondem a classe de fenômenos físicos em que efeitos térmicos alteram a dinâmica do acoplamento fluido-estrutural. Estes problemas são caracterizados por apresentarem uma contínua troca de energia térmica entre a estrutura sólida e o escoamento, de modo que, condições de contorno térmicas convencionais não são aplicáveis à interface fluido-sólido, exigindo a utilização de acoplamentos térmicos. Extensos são os fenômenos naturais ou industriais envolvendo interações térmicas conjugadas entre escoamento e estrutura, e dependendo da finalidade da aplicação pretendida, os seus efeitos podem ser potencializados ou minimizados. Progressos tecnológicos no campo da engenharia, requerem a confecção de equipamentos e máquinas com capacidades de arrefecimento e/ou isolamento cada vez melhores. Assim, o projeto tanto estrutural quando fluidodinâmico desses equipamentos devem ser pensados visando a interação térmica entre escoamento e estrutura. Dessa forma, crescente é a busca e interesse em ferramentas que viabilizem a análise e estudo desses problemas, onde a experimentação virtual baseada na metodologia numérico-computacional vêm se destacando. Sendo assim, o presente trabalho objetiva a modelagem física, a matemática e a computacional de problemas de transferência térmica conjugada, além do desenvolvimento de um código computacional em linguagem de programação Fortran 90, sendo este destinado a tratar de problemas bidimensionais com a presença de um corpo sólido condutivo, fazendo-se necessária a aplicação da metodologia da fronteira imersa. Nas implementações realizadas, as equações que modelam a dinâmica, o transporte e a transformação de energia no subdomínio fluido são discretizadas e resolvidas em um domínio bidimensional, euleriano, cartesiano e fixo, através do método das diferenças finitas, onde é empregado o método do passo fracionado para o acoplamento pressão-velocidade. A equação que modela o balanço de energia térmica no subdomínio sólido é discretizada e resolvida em um domínio lagrangiano, formado por elementos triangulares, por meio do método dos elementos finitos. A metodologia da fronteira imersa é aplicada, a fim de se abordar ambos os subdomínios de formas distintas e independentes. As soluções obtidas para cada subdomínio, de forma individual, são acopladas de acordo com a metodologia do acoplamento particionado de natureza forte. Testes de verificação são realizados, com o intuito de se verificar as implementações realizadas. Simulações são conduzidas a fim de validar o modelo numérico-computacional desenvolvido, onde os resultados obtidos estão em conformidade com os apresentados na literatura. Problems of thermo-fluid-structural interaction, or conjugate heat transfer, correspond to the class of physical phenomena in which heats effects alter the dynamics of fluid-structural coupling. These problems are characterized by a continuous exchange of thermal energy between the solid structure and the flow, so that conventional thermal boundary conditions are not applicable to the fluid-solid interface, requiring the use of heat couplings. Extensive are the natural or industrial phenomena involving conjugated heat interactions between flow and structure, and depending on the purpose of the intended application, their effects can be potentiated or minimized. Technological advances in the field of engineering require the manufacture of equipment and machines with increasingly better cooling and/or insulation capabilities. Thus, the structural and fluid dynamic design of these equipments must be designed aiming at the thermal interaction between flow and structure. Thus, the search and interest in tools that enable the analysis and study of these problems is growing, where virtual experimentation based on numerical-computational methodology has been highlighted. Therefore, the present work aims at the physical, mathematical and computational modeling of conjugated heat transfer problems, in addition to the development of a computational code in Fortran 90 programming language, which is intended to deal with two-dimensional problems with the presence of a conductive solid body, making it necessary to apply the immersed boundary methodology. In the implementations carried out, the equations that model the dynamics, transport and energy transformation in the fluid subdomain are discretized and solved in a two-dimensional, eulerian, cartesian and fixed domain, through the finite difference method, where the fractional step method is used for pressure-velocity coupling. The equation that models the thermal energy balance in the solid subdomain is discretized and solved in a lagrangian domain, formed by triangular elements, using the finite element method. The immersed boundary methodology is applied in order to approach both subdomains in distinct and independent ways. The solutions obtained for each subdomain, individually, are coupled according to the strong partitioned coupling methodology. Verification tests are performed in order to verify the implementations performed. Simulations are carried out in order to validate the numerical-computational model developed, where the results obtained are in accordance with those presented in the literature. Dissertação (Mestrado)

Devido a grande demanda por recursos energéticos, é necessário a busca por novas fontes de energia e melhoria da eficiência dos equipamentos que dependem dela. Uma alternativa é a utilização de biorreatores para transformar matéria orgânica em biogás, que vem se tornando uma alternativa viável para a obtenção de matriz energética. Como fonte de matéria orgânica passível de ser transformada em biogás, a indústria sucroalcooleira e de produção de biodiesel geram uma grande quantidade de resíduos, como a vinhaça e o glicerol. Dentre os tipos de biorreatores, os de agitação pneumática possuem a característica de utilizar gases injetados em seu interior com a finalidade de proporcionar uma melhor mistura. Reatores do tipo gaslift utilizam gases com a ausência de oxigênio, sendo mais comum o biogás. Compreender o comportamento do fluido no interior de biorreatores auxilia o desenvolvimento de melhorias, aumentando a produtividade da produção de biogás. A fim de compreender o comportamento do fluido, a Fluidodinâmica Computacional (CFD) oferece ferramentas que possibilitam a análise dos fluxos, sem que para isso seja necessário a construção de um biorreator físico. Para que os resultados sejam válidos, é necessário a comparação dos resultados obtidos computacionalmente e obtidos experimentalmente. O trabalho desenvolvido neste estudo buscou a validação e compreensão dos resultados obtidos através de técnicas de CFD, analisando um escoamento bifásico gás/líquido e validando os resultados utilizando velocimetria de partículas por imagem (PIV). Com os resultados validados, modificou-se o diâmetro de bolha entre 0,5 e 7,0 mm, mantendo a mesma vazão de entrada para ambas as fases. Esses resultados demonstraram que bolhas com diâmetro menor possuem velocidades inferiores às de diâmetro maior para a fase gasosa e um aumento da velocidade da fase líquida. Observou que essa influência do diâmetro de bolha causou uma maior mistura, devido ao volume de gás retido em bolhas de diâmetro menor. [resumo fornecido pelo autor] Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES Due to the great demand for energy resources, it is necessary to search for new energy sources and improve the efficiency of the equipment that depends on it. An alternative is the use of bioreactors to transform organic matter into biogas which has become a viable alternative for obtaining an energy source. As a source of organic matter that can be transformed into biogas, the sugar and alcohol industry and the production of biodiesel generate a large amount of waste, such as vinasse and glycerol. Among the types of bioreactors, the pneumatic stirring ones have the characteristic of using injected gases in their interior in order to provide a better mixture. Gaslift reactors use gases with the absence of oxygen with biogas being the most common. Understanding the behaviour of the fluid inside bioreactors helps the development of improvements increasing the productivity of biogas production. In order to understand the behaviour of the fluid, Computational Fluid Dynamics (CFD) offers tools that allow the analysis of flows, without the need to build a physical bioreactor. For the results to be valid, it is necessary to compare the results obtained computationally and experimentally. The work developed in this study sought to validate and understand the results obtained through CFD techniques, analysing a two-phase gas/liquid flow and validating the results using particle imaging velocimetry (PIV). With the validated results, the bubble diameter was modified between 0.5 and 7.0 mm, maintaining the same inlet flow for both phases. These results showed that bubbles with smaller diameters have velocities lower than those with larger diameters for the gas phase and an increase in the velocity of the liquid phase. It was observed that this influence of the bubble diameter caused a greater mixing, due to the volume of gas trapped in bubbles of smaller diameter. [resumo fornecido pelo autor]

Submitted by Pedro Trombini Rodrigues (pedro.trombini@unesp.br) on 2022-07-09T16:07:30Z No. of bitstreams: 1 rodrigues_gennaro_souza_artigo_sjbv.pdf: 3284583 bytes, checksum: 68c9ba2a32e507eb43bca32c426dcddb (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2022-07-12T21:10:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodrigues_pt_versaoeditor_sjbv_effect.pdf: 3284583 bytes, checksum: 68c9ba2a32e507eb43bca32c426dcddb (MD5) Made available in DSpace on 2022-07-12T21:10:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodrigues_pt_versaoeditor_sjbv_effect.pdf: 3284583 bytes, checksum: 68c9ba2a32e507eb43bca32c426dcddb (MD5) Previous issue date: 2022-06-30 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) A rotação é conhecida por reduzir o volume da região de escoamento separado em seções próximas à raiz de pás de turbina eólica de eixo horizontal. Essa redução é frequentemente atribuída ao bombeamento centrífugo. No entanto, recentes investigações acerca da estabilização de vórtices de bordo de ataque sugerem que o transporte radial de vorticidade pode não ser o mecanismo dominante que limita a circulação do vórtice em seções próximas à raiz de asas de inseto. Para tal condição de escoamento a baixo Reynolds, o efeito da componente tangencial da força de Coriolis destrói a componente radial da vorticidade, limitando o crescimento do vórtice de bordo de ataque, estabilizando-o. Entretanto, com o melhor conhecimento dos autores, a contribuição de tal fenômeno para o aumento rotacional observado em turbinas eólicas ainda não foi avaliada. No trabalho descrito aqui, foram empregadas simulações quasi-3D a fim de investigar o papel da aceleração de Coriolis para o balanço da componente radial da vorticidade dentro da região de escoamento separado no extradorso de seções de pá de turbina eólica a elevados ângulos de ataque. A taxa de destruição da componente radial da vorticidade devido à aceleração de Coriolis foi mais significativa na camada cisalhante livre sobre a fronteira acima da região de escoamento separado. Além disso, é mostrado que seu efeito integrado pode ser comparável à vazão da componente radial de vorticidade fluindo para a região de recirculação a partir da camada limite. Portanto, o mecanismo pode ser relevante para o aumento rotacional observado em seções próximas à raiz de pás de turbinas eólicas. The rotation is known to reduce the volume of the region of separated flow on inboard sections of horizontal-axis wind turbine blades. This reduction is frequently attributed to centrifugal pumping. However, recent investigations on the rotational stabilization of leading-edge vortex suggest that the radial transport of vorticity may not be the dominant mechanism limiting the vortex circulation on inboard sections of insect wings. For such low-Reynolds number, the effect of the tangential component of the Coriolis force destroys radial vorticity, limiting the growth of the leading-edge vortex and stabilizing it. However, to the best knowledge of the authors, the contribution of such a phenomenon to the rotational augmentation observed in wind turbines has not been assessed. We employed quasi-3D simulations to investigate the role of the Coriolis acceleration to the balance of span-wise vorticity within the region of separated flow on the upper surface of wind-turbine-blade sections at high angles of attack. The destruction rate of radial vorticity due to Coriolis acceleration was most significant in the free shear layer on the upper boundary of the separated-flow region. Moreover, it is shown that its integrated effect may be comparable to the rate of vorticity flowing in the recirculation region from the boundary layer. Therefore, the mechanism may be relevant to rotational augmentation observed in inboard sections of wind-turbines blades. Versão final do editor Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Engenharia de São João da Boa Vista FAPESP: 20/10972-3 FAPESP: 22/02812-1

Os transformadores de potência representam uma parte importante do investimento de capital em subestações de transmissão e distribuição. O arrefecimento dos enrolamentos (bobina elétrica) pode ser intensificado pela circulação forçada do óleo de arrefecimento através dos enrolamentos, bem como nos trocadores de calor externos. Uma troca de calor ineficaz entre o óleo de arrefecimento e os enrolamentos pode diminuir a vida útil do transformador ou até mesmo levar à sua falha repentina. O desenvolvimento da análise matemática, por meio de métodos numéricos, que contmeple as equações de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, vêm contribuir para a avaliação do comportamento fluidodinâmico, bem como para o aperfeiçoamento dos projetos de transformadores no sentido de previnir e identificar eventuais problemas de fabricação ou montagem que podem impactar o desempenho térmico do seu sistema de arrefecimento. Desta forma, o presente trabalho propõe um estudo numérico do sistema de arrefecimentode enrolamentos de um Transformador Móvel de Potência de 138x69-34x13,8 kV 25 MVA (designado por TM1), que avaliará o desempenho térmico do sistema de troca de calor operando em condições nominais e sob condições irregulares de escoamento ou falhas geométricas. É proposto um modelo matemático bidimensional, em regime permanente, para simular o escoamento e a transferência de calor entre o óleo e os enroalmentos. Para obter as soluções numéricas, utilizou-se o software Ansys-Fluent®. A validação da análise matemática e computacional é primeiramente embasada em resultados experimentais obtidos na literatura. Após a validação, parte-se para o estudo específico do comportamento fluidodinâmico em TM1, sendo inicialemnte inseridos os valores nominais de vazões de óleo, temperaturas e potência dissipada. Posteriormente, algumas restrições/imperfeições em relação aos parâmetros de entrada e/ou geométricos são artificialmente impostas no modelo, e os seus resultados permitem avaliar o seu impacto sobre o desempenho térmico do TM1. Dentre os casos simulados, verificou-se que alguns desvios geométricos e imperfeições secundárias do processo de manufatura podem afetar diretamente as distribuições de escoamento de óleo, o campo de temperaturas e a localização dos chamados pontos quentes no enrolamento, expondo determinadas áreas a temperaturas acima das admissíveis. Desse modo, para cada perturbação imposta obteve-se um mapeamento das possíveis vulnerabilidades do enrolamento. Power transformers represent an important part of capital investment in transmission and distribution substations. The cooling of the windings (electric coil) depends on the heat exchange, which can be intensified by the forced circulation of the cooling oil throughout the windings as well as in the external heat exchangers. An ineffective heat exchange between the cooling oil and the windings can shorten the lifespan of the transformer or even lead to its sudden failure due to overheating. The development of a mathematical model, and its solution throughout a numerical method, that involves the mass, momentum and energy conservation equations, contributes to the evaluation of the fluid dynamics behavior, as well to the improvement of the transformer´s design in order to prevent and identify manufacturing and/or assembling issues that may impact on the cooling system performance. Thus, the present work proposes a numerical study of the winding cooling system of a 138x69-34x13.8 kV 25 MVA Mobile Power Transformer (named TM1), which will be allowed evaluating the thermal performance of the heat exchange system operating under rated conditions and under irregular flow conditions or geometric issues. A two-dimensional steady state mathematical model is proposed to simulate the fluid flow and heat transfer between the oil and the windings. To obtain the numerical solutions, the Ansys-Fluent® software was used. The validation of the mathematical and computational analysis is initially based on with experimental results obtained in the literature. After validation, the specific study of TM1 is started, initially considering the nominal values for oil flow rates, temperatures, and dissipated power/heart. Subsequently, some restrictions and imperfections in relation to the input and geometric parameters are artificially imposed to the model, and their results allow us to evaluate their impact on the thermal performance of the TM1. Among the simulated cases, it was found that some geometric deviations and secondary imperfections of the manufacturing process can directly affect the oil flow and temperature fields, as well the location of the so-called hot spots in the winding, exposing certain areas to temperatures above of the admissible. In this way, for each disturbance imposed, a mapping of the possible vulnerabilities of the winding is obtained.

O objetivo do presente trabalho foi avaliar o comportamento hidrodinâmico de um reator UASB de 18 L por meio da fluidodinâmica computacional (CFD) e de ensaios do tipo estímulo-resposta experimentais. Foram realizadas simulações computacionais do comportamento hidrodinâmico do reator operando com a injeção de ar na região da manta de lodo (1º etapa). Foi realizada também a simulação de operação do reator com o preenchimento de 35% do seu volume útil com um polímero absorvente de água abiótico (2ª etapa). O modelo computacional utilizado para a simulação do reator em escala de bancada foi validado por meio da comparação do volume de zonas mortas obtido por meio das simulações com os valores calculados nos ensaios de estímulo-resposta com o traçador Eosina Y. O volume de zonas mortas calculadas por meio dos ensaios apresentou um erro de aproximadamente 43% em relação ao valor obtido com o modelo computacional do reator para a 1ª etapa, validando os resultados da simulação. Palavras-chave: Fluidodinâmica computacional. Ansys CFX. Traçador. Difusão. Anomalias.

Pesquisa sem auxílio de agências de fomento Com a crescente necessidade de oxigênio em diversas áreas como na indústria petroquímica, bioquímica, farmacêutica, saneamento ambiental e piscicultura, o uso de dispositivos aeradores se torna cada vez mais importante. No entanto, devido ao alto consumo de energia por tais dispositivos, torna-se necessária a busca por novas fontes de aeração. O presente trabalho tem como objetivo estudar a aeração em tubo Venturi, que proporciona a oxigenação sem a utilização de equipamentos mecânicos fornecedores de ar. Ao escoar um fluido pressurizado por uma seção transversal inferior à seção original da tubulação, há um aumento na velocidade do escoamento e uma redução na pressão. Geometricamente, em um tubo Venturi, a variação da seção transversal na tubulação ocorre, de montante para jusante, a partir de uma redução gradual do diâmetro (seção convergente), seguida por uma seção estrangulada de diâmetro fixo (garganta) e, a partir daí, uma ampliação gradual de diâmetro (seção divergente). Na região estrangulada da garganta, quando a pressão se torna inferior à pressão atmosférica, ocorre uma sucção de ar externo a partir de um orifício instalado na parede dessa garganta. A estratégia metodológica adotada neste estudo engloba cálculos teóricos hidráulicos, experimentos hidráulicos e simulações computacionais. Inicialmente, com auxílio de um planejamento fatorial (33) e ferramentas estatísticas, avaliou-se teoricamente a interferência das variáveis potência da bomba (PB), comprimento da tubulação total (L) e diâmetro da tubulação (D) na capacidade de geração de vácuo na garganta do tubo Venturi. Para isso, fixou-se a razão geométrica β em 0,5 (essa razão geométrica β é a divisão do diâmetro interno da tubulação na região da garganta pelo diâmetro interno da tubulação original). Na sequência, com as variáveis PB, L e D fixas, foi avaliada, em uma unidade experimental, a aplicabilidade do tubo Venturi em quatro razões geométricas β distintas (0,2, 0,3, 0,4 e 0,5) por meio de: relação entre a vazão volumétrica e a pressão diferencial garganta/tubulação a montante; capacidade de oxigenação mensurada pelo coeficiente volumétrico de transferência de massa KLa. Na sequência, a fim de complementar a análise experimental, foram realizadas simulações do escoamento com e sem injeção de ar na região da garganta, por meio da técnica de fluidodinâmica computacional. Com os resultados, estatisticamente verificou-se que o diâmetro da tubulação apresenta maior influência na capacidade de geração de vácuo na garganta do tubo Venturi, quando comparado à potência da bomba e ao comprimento da tubulação. Quanto menor for a razão geométrica β, maiores são a queda de pressão e a sucção por parte do Venturi. Experimentalmente, considerando-se a maior vazão volumétrica de água, obteve uma queda de pressão igual a 1,2.105 Pa e 4.4.104 Pa, respectivamente, para β igual a 0,2 e 0,5. Através de cálculos teóricos, para β igual a 0,2 e 0,5, a vazão de ar succionada na garganta foi igual a 1,5 e 0,48 L/s, respectivamente. Obteve-se uma correlação entre os resultados experimentais e numéricos da pressão diferencial, alcançando um desvio médio de 6,33%. Por fim, verificou-se que o KLa para o sistema ficou na faixa de 0,0033 a 0,0040 s-1, sendo o melhor valor obtido em β igual a 0,4. Com isso, considera-se o tubo Venturi viável para a aeração do meio líquido, apresentando-se, assim, como uma alternativa aos processos convencionais. With the growing demand of oxygen by many industries and study areas, as like environmental sanitation, pisciculture, petrochemical, biochemical and pharmaceutical industries, aerators became a really important part of the process by those industries. However, due to the huge amount of consumed energy by aerators, a search for new sources of aeration in those systems became necessary. The present work has, as the main objective, the study of Venturi aerators, which provides systems oxygenation without using any air supplier mechanical equipment. As a pressurized fluid flows through the converging section, there is a progressive increase in the fluid velocity and a drop in the pressure. Geometrically, in a Venturi tube, the change in cross-sectional area occurs from upstream to downstream, due to a progressive diameter reduction (convergent section), followed by a throttled section with a fixed diameter (throat) and, after this section, a gradual diameter expansion (diverging section). In the throttled portion, when the pressure drop became lower than the atmospheric pressure, an air injection occurs, through an orifice connected in the throat. In this study, the methodological approach adopted includes hydraulic theoretical calculations, hydraulic experiments and computational simulations. At first, by performing a factorial experimental design (33) and through statistical tools, a system was evaluated, through theoretical calculations, to determine which, between the variables studied pump power (PB), length (L) and tubulation diameter (D), were having a bigger impact in the process of air suction at the Venturi tube throat. In this regard, the geometrical ratio between the internal throat diameter and the internal inlet diameter (β) was fixed at the value of 0.5. Furthermore, using the variables PB, L e D at a fixed value, through an experimental unit, the Venturi tube applicability with four distinct geometrical ratios (0.2, 0.3, 0.4 and 0.5) was evaluated, by means of: a relationship between volumetric flow rate and the differential pressure in the throat/inlet upstream portion; oxygenation capacity evaluated through an estimation of the volumetric coefficient of mass transfer (KLa). After, in order to complement the experimental analysis, flow numerical simulations were performed with and without air injection at the throat portion, through computational fluid dynamics. The theoretical results, statistically, indicate a bigger influence in the air suction capacity, at the throat section, by the tubulation diameter, between the dependent variables studied (pump power, length and tubulation diameter). Also, a certain influence of the geometric ratio in the pressure drop and air suction, as its value lowered, bigger pressure drop values were evaluated and suction increased by the Venturi aerator, obtaining, through experiments, 1.2.105 Pa for the ratio of 0.2 and 4.4.104 Pa for the 0.5, at the condition of higher flow rate by the experimental unit. Through theoretical calculations, for the ratio of 0.2 and 0.5, the air flow rate obtained was 1.5.10-3 and 4.8.10-4 m3/s, respectively. Beyond that, the results obtained for the differential pressure indicates a correlation between the experimental and numerical results, with a mean deviation of 6.33%. Finally, the KLa obtained was in the range of 0.0033 and 0.0040 s-1, and the best value was found with the geometric ratio of 0.4. Besides that, the Venturi tube is considered viable, due to the possibility of aeration in a liquid medium, becoming thus, an alternative to conventional processes. Dissertação (Mestrado)

Orientador: William Roberto Wolf Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O início e a evolução do vórtice de estol dinâmico (DSV, do inglês dynamic stall vortex) são analisados por meio de simulações de grandes escalas de um aerofólio SD7003 em movimento de plunge periódico em um escoamento com número de Reynolds Re=60,000. Interações entre as instabilidades de Kelvin-Helmholtz que se propagam a montante e uma camada de cisalhamento formada no bordo de ataque do aerofólio desencadeiam a separação do escoamento. A primeira instabilidade parece estar relacionada com as ondas acústicas geradas no bordo de fuga devido ao desprendimento inicial de vórtices. Dois números de Mach do escoamento livre (M=0.1 e 0.4) são empregados para examinar as diferenças do escoamento devido às variações de compressibilidade. A existência de um tempo comum para as perturbações acústicas em ambos os escoamentos sugere uma possível invariância do número de Mach para o nascimento da instabilidade de Kelvin-Helmholtz. O aumento da compressibilidade, no entanto, induz flutuações mais precoces na direção da envergadura, maior tridimensionalidade do escoamento e um DSV mais fraco e difuso, que é formado mais a jusante do bordo de ataque e tem menor tempo de residência. Para melhor caracterizar o início do DSV, dois critérios empíricos são avaliados: o parâmetro de sucção do bordo de ataque (LESP, do inglês leading edge suction paramenter) e a altura da camada de cisalhamento normal à corda. Os resultados demonstram uma maior robustez deste último parâmetro com relação às variações do número de Mach. Uma decomposição modal, realizada tanto com a decomposição em modos dinâmicos (DMD) clássica quanto com sua variante multi-resolução (mrDMD), destaca as principais tendências e demonstra a capacidade do mrDMD de extrair estruturas do escoamento fisicamente significativas relacionadas ao início do estol. Essa caracterização detalhada da camada de cisalhamento pode ser usada para uma exploração sistemática de estratégias de controle de escoamentos para aerofólios não-estacionários. No presente trabalho, também realizamos simulações de grandes escalas (LES) para investigar a equivalência pitch-plunge de um aerofólio SD7003 submetido a movimentos de rampa constantes para um número de Reynolds Re=60,000. A equivalência é construída com base no ângulo de ataque efetivo geométrico de acordo com a teoria de aerofólios finos quasi-estacionários. Duas taxas de descida (ou pitch up/arfagem) são analisadas para diferentes números de Mach para se investigar os efeitos da compressibilidade na evolução do DSV. Durante o início do DSV e seu transporte ao longo da superfície do aerofólio, notáveis semelhanças são encontradas entre pitch e plunge em termos de topologia do escoamento, coeficientes aerodinâmicos e assinaturas de pressão na parede e coeficientes de atrit. No entanto, essa semelhanças cessam em condições de alto carregamento à medida que o DSV se torna mais suscetível às peculiaridades do movimento do aerofólio, manifestado por diferentes vórtices de borda de fuga (TEVs, do inglês trailing-edge vortices). O emprego uma correção para o efeito de cambagem aparente induzida por rotação presente no caso de pitching, que resulta da teoria de aerofólio fino quasi-estacionário, melhora a concordância entre pitch e plunge, no entanto, não é suficiente assimilar seus sistemas de ponta de fuga díspares. Os resultados também demonstram que o ângulo limite no qual a equivalência pitch-plunge permanece válida diminui para números de Mach mais altos. Por fim, propomos um framework em que os dados de simulações numéricas são aproveitados para extrair informações relevantes de visualizações experimentais. Para tanto, o bloco convolucional de uma rede InceptionV3 pré-treinada é utilizado para construir um modelo de regressão que vincula o mapa de coeficiente de pressão aos coeficientes aerodinâmicos do aerofólio. A rede neural convolucional (CNN, do inglês Convolutional Neural Network) resultante interpreta corretamente os atributos presentes na imagem do escoamento usada como entrada. Aspectos da generalização do modelo são discutidos e o desempenho do campo de velocidade como entrada para o modelo é avaliado. Os resultados mostram que a pressão é preferível à velocidade quando se trata de construir nosso modelo de regressão. No entanto, demonstramos que a velocidade pode ser usada para sintetizar qualquer quantidade física correspondente através de uma abordagem de tradução de imagem para imagem. Aqui, o mapeamento entre o campo de coeficiente de velocidade e pressão é usado como exemplo Abstract: The onset and evolution of the dynamic stall vortex (DSV) are analyzed by means of large eddy simulations (LES) of an SD7003 airfoil undergoing periodic plunging motion in a transitional Reynolds number flow Re=60,000. Interactions between upstream propagating Kelvin-Helmholtz instabilities and a shear layer formed at the leading edge trigger flow separation. The former appear to be related to acoustic waves scattered at the trailing edge due to initial vortex shedding. Two freestream Mach numbers (M=0.1 and 0.4) are employed to examine the flow differences due to compressibility variations. The existence of a common timing for the acoustic perturbations in both flows suggests a possible Mach number invariance for the birth of the Kelvin-Helmholtz instability. Increasing compressiblity, however, induces earlier spanwise fluctuations, higher flow three-dimensionality and a weaker and more diffuse DSV, which is formed further downstream of the leading edge and has lower residency time. In order to better characterize the onset of the DSV, two empirical criteria are assessed: the leading edge suction parameter (LESP) and the chord-normal shear layer height. Results demonstrate a higher robustness of the latter with respect to Mach number variations. Modal decomposition, performed with both the classical dynamic mode decomposition (DMD) and its multi-resolution variant (mrDMD), highlights key trends and demonstrates the capacity of the mrDMD to extract physically meaningful flow structures related to the stall onset. Such detailed characterization of the shear layer can be used for a systematic exploration of flow control strategies for unsteady airfoils. In the present work, we also perform LES to investigate the pitch-plunge equivalence of an SD7003 airfoil undergoing constant ramp motions at Reynolds number Re=60,000. The equivalence is constructed based on the geometric effective angle of attack according to the quasi-steady thin-airfoil theory. Two rates of descent (or pitch up) are analyzed for different Mach numbers in order to investigate the effects of compressibility on the evolution of the DSV. During the onset of the DSV and its transport along the airfoil surface, remarkable similarities are found between pitch and plunge in terms of flow topology, aerodynamic loads and signatures of wall pressure and friction coefficients. However, these flow similarities cease at high-load conditions as the DSV becomes more susceptible to the peculiarities of the airfoil motion, manifested here by different trailing-edge vortices (TEVs). Employing a correction for the rotation-induced apparent camber effect present in the pitching case, which results from the quasi-steady thin-airfoil theory, improves the agreement between pitch and plunge. However, it is not sufficient to assimilate their disparate trailing-edge systems. Results also demonstrate that the limit angle at which pitch-plunge equivalence remains valid decreases for higher Mach numbers. Finally, we propose a framework whereby numerical simulation data is leveraged to extract relevant information from experimental visualizations. To this end, the convolutional block of pre-trained InceptionV3 network is used to build a regression model that links the map of pressure coefficient to aerodynamic coefficients of the airfoil. The resulting convolutional neural network (CNN) correctly interprets the attributes present in the input flow image. Aspects of the generalization of the model are discussed and the performance of the velocity field as input is assessed. Results show that pressure is preferable to velocity when it comes to building our regression model. Nonetheless, we demonstrate that the velocity can be used to synthesize any corresponding physical quantity through an image-to-image translation approach. Here, the mapping between velocity and pressure coefficient field is used as example Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2017/10795-1

Orientador: Antônio Pires de Camargo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola Resumo: A obstrução de emissores em sistemas de irrigação por gotejamento é comumente relatada como um dos principais impasses para o uso deste sistema. A obstrução de emissores é influenciada pelas características da água e pelas configurações geométricas do labirinto. Agentes de natureza física, química e biológica são os principais responsáveis pelo entupimento de emissores e, muitas vezes, esses agentes podem se combinar levando à interrupção do fluxo de água, tornando mais complexo o entendimento dos processos de obstrução. Nesta pesquisa, objetivou-se estudar os processos de obstrução provocados por partículas de pequena granulometria (< 125 ?m) e precipitados de carbonato de cálcio (CaCO3), de modo isolados e combinados em diferentes condições. Protótipos de labirintos de gotejadores com diferentes configurações geométricas foram utilizados nos ensaios. Entre esses protótipos, nove apresentam configuração geométrica que favorecem a formação de zonas de vórtices de diferentes magnitudes durante o escoamento, e seis apresentam configuração geométrica que favorece escoamento uniforme no canal. Os ensaios foram conduzidos em laboratório sob condições controladas utilizando-se água calcária sintética com dureza de 200 e 300 mg L-1 em CaCO3 e concentração de partículas sólidas (PS) de 125 e 500 mg L-1. O tempo de ensaio foi de 200 h e, a cada 40 h, foi determinada a vazão relativa de cada modelo. Imagens do interior do labirinto foram obtidas utilizando-se uma câmera de alta resolução a fim de verificar os padrões de deposição. Testes de precipitação em béquer foram realizados a fim de esclarecer os mecanismos envolvidos na interação entre PS, solução e cristais de CaCO3. A influência da concentração de PS no período de indução, taxa de precipitação e massa de CaCO3 formada foi estudada. Difração de raios-x e microscopia eletrônica de varredura foram empregadas a fim de analisar as fases cristalinas do material precipitado e as mudanças na morfologia do CaCO3 na presença de PS. Simulações de fluidodinâmica computacional foram realizadas para caracterizar o escoamento nos canais dos emissores. Nos ensaios apenas com PS, os resultados revelaram acúmulo de PS em 200 h de operação, porém não foi identificada variação de vazão dos emissores suficiente para classificá-los como obstruídos. Nos ensaios apenas com água calcária, gotejadores de escoamento uniforme foram sensíveis à deposição de CaCO3, e obstruíram nas duas condições de dureza estudadas. Nos ensaios de interação, a adição de PS na água impactou a deposição de CaCO3 nos labirintos e, consequentemente, a vazão dos gotejadores, uma vez que foi observado que a quantidade de material depositado no labirinto diminuiu com o aumento da concentração de PS na água. Em termos de resistência à obstrução, as características geométricas dos labirintos foram dominantes em relação à qualidade da água, sendo a largura do canal e a área da seção de fluxo os parâmetros geométricos que mais influenciaram na deposição nos labirintos. Finalmente, simulações de fluidodinâmica computacional foram úteis para antecipar zonas favoráveis à deposição e formação de incrustação e fornecer subsídios para o projeto de emissores Abstract: A obstrução de emissores em sistemas de irrigação por gotejamento é comumente relatada como um dos principais impasses para o uso deste sistema. A obstrução de emissores é influenciada pelas características da água e pelas configurações geométricas do labirinto. Agentes de natureza física, química e biológica são os principais responsáveis pelo entupimento de emissores e, muitas vezes, esses agentes podem se combinar levando à interrupção do fluxo de água, tornando mais complexo o entendimento dos processos de obstrução. Nesta pesquisa, objetivou-se estudar os processos de obstrução provocados por partículas de pequena granulometria (< 125 ?m) e precipitados de carbonato de cálcio (CaCO3), de modo isolados e combinados em diferentes condições. Protótipos de labirintos de gotejadores com diferentes configurações geométricas foram utilizados nos ensaios. Entre esses protótipos, nove apresentam configuração geométrica que favorecem a formação de zonas de vórtices de diferentes magnitudes durante o escoamento, e seis apresentam configuração geométrica que favorece escoamento uniforme no canal. Os ensaios foram conduzidos em laboratório sob condições controladas utilizando-se água calcária sintética com dureza de 200 e 300 mg L-1 em CaCO3 e concentração de partículas sólidas (PS) de 125 e 500 mg L-1. O tempo de ensaio foi de 200 h e, a cada 40 h, foi determinada a vazão relativa de cada modelo. Imagens do interior do labirinto foram obtidas utilizando-se uma câmera de alta resolução a fim de verificar os padrões de deposição. Testes de precipitação em béquer foram realizados a fim de esclarecer os mecanismos envolvidos na interação entre PS, solução e cristais de CaCO3. A influência da concentração de PS no período de indução, taxa de precipitação e massa de CaCO3 formada foi estudada. Difração de raios-x e microscopia eletrônica de varredura foram empregadas a fim de analisar as fases cristalinas do material precipitado e as mudanças na morfologia do CaCO3 na presença de PS. Simulações de fluidodinâmica computacional foram realizadas para caracterizar o escoamento nos canais dos emissores. Nos ensaios apenas com PS, os resultados revelaram acúmulo de PS em 200 h de operação, porém não foi identificada variação de vazão dos emissores suficiente para classificá-los como obstruídos. Nos ensaios apenas com água calcária, gotejadores de escoamento uniforme foram sensíveis à deposição de CaCO3, e obstruíram nas duas condições de dureza estudadas. Nos ensaios de interação, a adição de PS na água impactou a deposição de CaCO3 nos labirintos e, consequentemente, a vazão dos gotejadores, uma vez que foi observado que a quantidade de material depositado no labirinto diminuiu com o aumento da concentração de PS na água. Em termos de resistência à obstrução, as características geométricas dos labirintos foram dominantes em relação à qualidade da água, sendo a largura do canal e a área da seção de fluxo os parâmetros geométricos que mais influenciaram na deposição nos labirintos. Finalmente, simulações de fluidodinâmica computacional foram úteis para antecipar zonas favoráveis à deposição e formação de incrustação e fornecer subsídios para o projeto de emissores Doutorado Água e Solo Doutor em Engenharia Agrícola CAPES 88882.434695/2019-01 FAPESP 2018/20099-5

Orientador: Antonio Pires de Camargo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola Resumo: A filtragem é obrigatória quando se trabalha com sistemas de irrigação localizada e tem a finalidade de prevenir problemas de obstrução nos emissores e consequentes prejuízos a uniformidade e eficiência de aplicação de água num cultivo. O funcionamento inapropriado do sistema de filtragem pode prejudicar o desempenho do sistema de irrigação e o desenvolvimento das culturas. O presente trabalho apresenta-se organizado em quatro capítulos, sendo que o primeiro capítulo contém uma revisão bibliográfica sobre filtragem e os capítulos seguintes caracterizam artigos científicos oriundos da pesquisa. Os artigos científicos tratam da medição da vazão e da caracterização e melhoramento dos sistemas de filtragem. No primeiro artigo analisa-se a calibração de placas de orifício a partir de diferentes métodos, visando quantificar os erros presentes na medição de vazão e na estimativa do coeficiente de descarga. Embora esse capítulo não trate diretamente de sistemas de filtragem que é o objeto principal do estudo, essa etapa caracterizou parte inicial e obrigatória da pesquisa. No segundo artigo, efetuou-se caracterização operacional e de desempenho de um filtro de tela com mecanismo auto-limpante, avaliando-se elementos filtrantes de tela, com diversas características geométricas, de material, tipo de malha, entre outros. Determinou-se o tamanho mínimo de partículas que os elementos filtrantes são capazes de reter em condições de operação, confirmando (ou não) as condições dadas pelo fabricante. Por último, no terceiro artigo, analisa-se simulações utilizando fluido-dinâmica computacional como ferramenta para investigar e aprimorar o desempenho hidráulico do filtro, otimizando as dimensões da carcaça do filtro e ampliando a faixa de operação do equipamento Abstract: Filtering is a mandatory practice when working with micro-irrigation systems and is intended to prevent problems of clogging the emitters and consequent damage to the uniformity and efficiency of water application in a crop. The improper functioning of the filtration system can affect the performance of the irrigation system and the development of crops. The present work is organized into four chapters, the first chapter contains a bibliographical review on filtering and the following chapters feature scientific articles from the research. Scientific articles dealing with flow measurement and the characterization and improvement of filtration systems. The first article analyzes the calibration of orifice plates using different methods, aiming to quantify the errors present in the flow measurement and in the estimation of the discharge coefficient. Although this chapter does not deal directly with filtering systems, which is the main object of the study, this step was an initial and mandatory part of the research. In the second article, an operational and performance characterization of a screen filter with a self-cleaning mechanism was carried out, evaluating screen filtering elements with different geometric, material, mesh type characteristics, among others. The minimum particle size that the filter elements are able to retain under operating conditions was determined, confirming (or not) the conditions given by the manufacturer. Finally, in the third article, the use of simulations using computational fluid dynamics is analyzed as a tool to investigate and improve the hydraulic performance of the filter, optimizing the dimensions of the filter housing and expanding the operating range of the equipmen Doutorado Água e Solo Doutor em Engenharia Agrícola CAPES 88882.434694/2019-01

Orientador: Ludmila Corrêa de Alkmin e Silva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho, a otimização geométrica de um conversor de torque automotivo foi realizada para se alcançarem dois objetivos: minimizar o consumo específico de combustível do motor e maximizar a eficiência na transmissão de potência pelo conversor, utilizando-se de uma ferramenta de Fluidodinâmica Computacional (CFD). Para tal, foi efetuada uma parametrização da geometria de um conversor, a qual possibilita a criação de diferentes angulações das pás dos seus elementos (bomba, turbina e estator), ao passo que mantém constantes os outros parâmetros geométricos necessários à sua construção: perfil meridional, espessura das pás e número de pás dos elementos. Os diferentes conversores gerados são avaliados numericamente através da simulação de CFD, fornecendo os seus parâmetros equivalentes de consumo específico de combustível e eficiência do conversor. Por meio de uma técnica de planejamento de experimentos (DOE) foi possível concluir que a angulação das pás dos elementos é influente em relação aos parâmetros de saída da simulação de CFD, sendo o ângulo de saída da bomba o parâmetro geométrico mais crítico, apresentando 18% de influência sobre a eficiência do conversor. Com a finalidade de se obter uma geometria que atenda aos objetivos propostos, um algoritmo genético foi utilizado para efetuar a otimização multiobjetivo. Através do estudo, foi possível obter um formato das pás otimizado que é coerente com o observado na literatura. Por fim, a geometria otimizada fornece um desempenho favorável entre os critérios conflitantes, apresentando consumo específico médio de combustível de 288,14 g/kWh e eficiência média do conversor de 63,54% Abstract: In this work, a geometric optimization of an automatic torque converter was carried out to achieve two objectives: to minimize the engine fuel consumption and to maximize the efficiency in the power transmission by the converter, using a Computational Fluid Dynamics (CFD) consumption tool. The converter geometry was parameterized, which allows the creation of different angulations of its blade’s elements (pump, turbine, and stator) while keeping constant the other geometric parameters necessary for its construction: the meridional profile, blade thickness, and the number of element blades. The different generated converters are evaluated numerically through a CFD simulation, providing their equivalent specific fuel consumption and converter efficiency. Through a design of experiments (DOE) technique, it was concluded that the angulation of its blades elements is influential in relation to the output parameters of the CFD simulation, the pump outlet angle presented the greatest influence (18%) over the converter efficiency. In order to obtain the geometry that meets the proposed objectives, a genetic algorithm was used to perform the multi-objective optimization. Finally, the optimized geometry provides a favorable performance between the conflicting criteria, with average specific fuel consumption of 288.14 g/kWh and an average converter efficiency of 63.54% Mestrado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2018/00573-4

Orientadores: Diego Samuel Rodrigues, Laura Maria Canno Ferreira Fais Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia Resumo: Com o crescimento populacional e o desenvolvimento de determinadas regiões no Brasil, observou-se a necessidade de aumento de recursos hídricos, e com isso houve a necessidade de construção de novas barragens. Ao mesmo tempo, rompimentos de barragens têm ocorrido com mais frequência nos últimos anos, resultando em vários impactos ambientais, econômicos e sociais. A despeito da tomada de ações para prevenção de acidentes, também é relevante minimizar seus danos em áreas atingidas. Para isso, é fundamental a possibilidade de se avaliar vários cenários definidos por determinadas condições de inundação, através de simulações computacionais de modelos hidrodinâmicos, as quais requerem conhecer dados topográficos da área de estudo, condições de contorno e hidrogramas de fluxo. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é estudar o comportamento de vazões de cheia, o tempo de chegada e a dinâmica de escoamentos hidráulicos que ocorrem à jusante de barragens. No quesito de resistência ao escoamento, foi utilizado o coeficiente de Manning. Em relação à área escolhida, trata-se das imediações da Barragem Duas Pontes, localizada no Município de Amparo, no Estado de São Paulo, que terá capacidade útil de armazenamento de aproximadamente 53 bilhões de litros de água. A modelagem hidrodinâmica à jusante da referida barragem é desenvolvida utilizando-se das equações de águas rasas bidimensionais em regime não-permanente. Para tanto, como condição de contorno é imposta uma vazão proveniente de um hidrograma de fluxo parametrizado por volume vazado, vazão de pico e tempo de pico. Para a topografia da área de estudo é utilizado um modelo digital de elevação da base Alos-Palsar. As simulações são implementadas e desenvolvidas integralmente utilizando-se o software livre HEC-RAS. Para geração do hidrograma de fluxo, no qual a vazão é apresentada minuto a minuto, foram desenvolvidos códigos próprios no Octave e no Wolfram Mathematica. Neste último, como uma contribuição original deste trabalho, além da visualização paramétrica interativa da curva da vazão, o volume vazado também foi calculado analiticamente. Para os resultados são apresentados 9 cenários nos quais a vazão de pico é fixada a partir de informações de projeto. Em relação aos tempos de pico foram utilizados os valores de 5, 10 e 15 minutos. Para o volume percentual, observou-se que ele está aproximadamente e diretamente correlacionado à área inundada. Embora os resultados relativos às áreas de inundação tenham escopo limitado, espera-se que eles motivem outros trabalhos científicos relacionados no tema destinados a contribuir para o desenvolvimento de estratégias e ações em seguranças de barragens Abstract: With population growth and the development of certain regions in Brazil, there was a need for increased water resources, and with this, a need for the construction of new dams. At the same time, dam breaches have occurred more frequently in recent years, resulting in various environmental, economic, and social impacts. Despite taking actions to prevent accidents, it is also relevant to minimize their damage in the areas likely to be affected. To this end, it is essential to be able to evaluate various scenarios defined by certain flood conditions, through computer simulations of hydrodynamic models, which require knowledge of topographic data of the study area, boundary conditions and flow hydrographs. Accordingly, the objective of this work is to study the behavior of flood flows, the time of arrival, and the dynamics of hydraulic flows that occur downstream of dams. In terms of flow resistance, Manning's coefficient was used. Regarding the chosen area, it is the vicinity of the Duas Pontes Dam, located in the municipality of Amparo, in the state of São Paulo, which will have a useful storage capacity of approximately 53 billion liters of water. The hydrodynamic modeling downstream of the aforementioned dam is developed using the form of two-dimensional shallow water equations in a non-permanent regime. To this end, as a boundary condition, a flow rate is imposed from a flow hydrograph parameterized by flow volume, peak flow rate, and peak time. For the topography of the study area, a digital elevation model from Alos-Palsar is used. The simulations are implemented and fully developed using the free software HEC-RAS. For the generation of the flow hydrograph presented minute by minute, computational codes were developed in Octave and Wolfram Mathematica. In the latter, as an original contribution of this work, besides the interactive parametric visualization of the flow curve, the flow volume was also calculated analytically. For the results, 9 scenarios are presented and for which the peak flow rate is fixed in an established value found in the dam's project. The adopted values for the peak time were 5, 10, and 15 minutes. It was observed that the percentage volume is approximately and directly correlated to the flooded area. Although the results regarding the flooded areas are preliminary, it is hoped that they will motivate other related scientific work on the subject aimed at contributing to the development of strategies and actions in dam safety Mestrado Ambiente Mestra em Tecnologia CAPES 88887.484294/2020-00 FAEPEX 378/2020

Orientador: Dirceu Noriler Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Com a necessidade de diminuir as suas emissões de poluentes, a indústria de refino petroquímico tem investido cada vez mais em processos de tratamento dos combustíveis para eliminar compostos precursores de problemas ambientais, como chuva ácida, smog e problemas de saúde. Uma das metodologias mais aplicadas atualmente é o uso de reatores de hidrotratamento (HDT) que possuem um leito empacotado com catalisadores, como no caso dos reatores de leito gotejante (TBR), cujo intuito é remover os compostos de enxofre e de nitrogênio presente nos derivados do petróleo, a fim de diminuir as emissões de NOx, devido ao nitrogênio do ar, e de SOx, devido aos compostos sulfurosos dos derivados. No entanto, a presença de diolefinas e olefinas na composição de alimentação trazem um grande impacto na geração de calor e desativação dos catalisadores, principalmente em condições de temperatura e pressão utilizadas para o hidrotratamento. Assim, se vê a necessidade da realização de processos como a hidrogenação seletiva de diolefinas antes de processos de hidrotratamento. Combinado à isso, a aplicação de reatores de leito fixo requer diversos estudos do seus designs como o estudo do arranjo dos distribuidores de entrada. Os arranjos de entrada propostos foram o Retangular, Romboidal, Radial, Espiral e de Fermat. Uma das maneiras de se estudar a influência de parâmetros de operação e de design é a utilização de ferramentas de fluidodinâmica computacional (CFD). Deste modo, este projeto apresentou uma conversão geral de 98\% de diolefinas em olefinas para todos os arranjos, sendo o arranjo de Fermat o que proporcionou essa conversão mais rapidamente. Ao arranjo radial, destacou-se um menor fator de maldistribuição, indicando uma melhor distribuição do líquido utilizando esse arranjo Abstract: Due to the demand for lowering pollutant emissions, the refining industry have been continuously investing in fuel treatment processes in order to eliminate health and enviromental hazardous compounds. One of the main methodologies applied lately is the hydrotreating reactors which has a packed bed filled with catalysts, such as the Trickle Bed Reactors (TBR), which main objective is to remove sulfur and nitrogen compounds within the oil-derived products as a way to reduce the NOx, caused by the Nitrogen in the air, and SOx, caused by sulphurous compounds in the oil-derived products generated in its combustion. However, feed composition containing diolefins and olefins have a significant impact in heat generation and catalyst deactivation, specially in hydrotreating temperatura and pressure conditions. Therefore, there is a need in promoting the delective hydrogenation of diolefins before the hydrotreating process. Also, the application of this kind of reactors requires studies in its design, such as inlet distributors setup. This project studied five different arrengments, Retangular, Rhomboidal, Radial, Spiral and Fermat. One of the ways to study the operational parameters and reactor design is through the usage of computational fluid dynamics, CFD. In this regard, this project showed a 98 \% conversion of diolefin to olefins for all the setups, highlighting the Fermat arrangement, which reached this conversion faster than its counterparts. The radial setup showed a lower maldistribution factor, indicating a better liquid distribution when using this arrangement Mestrado Engenharia Química Mestre em Engenharia Química CNPQ 130576/2020-4

Orientador: Dirceu Noriler Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O negro de fumo é um fino pó de carbono produzido sob condições controladas, sendo empregado em numerosas aplicações industriais como: agente reforçador de borracha em pneus, pigmentação de tintas e toners de impressoras, revestimentos, proteção contra a luz UV e aditivo para melhorar a performance de baterias. Para aplicações mais específicas, como o caso em que é utilizado para compor eletrodos de baterias de alto desempenho, é necessário um controle mais rigoroso das características das nanopartículas, o que não é oferecido pelos métodos tradicionais de produção. Para suprir as demandas tecnológicas de produção, são explorados diferentes métodos de fabricação de materiais em escala nanométrica, com destaque ao processo de síntese por spray flamejante (flame spray pyrolysis – FSP). Esta técnica é versátil e consegue produzir nanopartículas com um controle rigoroso da distribuição de tamanhos. Negro de fumo pode ser produzido em um reator FSP, com a vantagem de que o combustível inserido é responsável pela formação de seu precursor. Desta forma, a modelagem matemática e simulação deste processo torna-se essencial para prever taxas de formação e distribuição de tamanho das nanopartículas, assim como permite simular diferentes parâmetros de processo e estudar aumento de escala. Partindo de uma abordagem Euleriana para a fase contínua (gasosa) e sólida (nanopartículas) e, uma abordagem Lagrangeana para a fase dispersa (líquida), a simulação do processo é calculada por meio de fluidodinâmica computacional (CFD) no software ANSYS Fluent 19.2. São comparadas as condições de reator isolado (parede adiabática) e não-isolado, onde a produção de negro de fumo é consideravelmente maior com a condição de parede adiabática. Uma malha estendida é proposta com o objetivo de simular as condições de ar atmosférico externo ao reator a fim de verificar as condições de parede da malha regular. Dois modelos são propostos a fim de descrever a formação de negro de fumo dentro do reator, um modelo de duas equações e um balanço populacional monodisperso composto por três equações. Os resultados analisados indicam que o balanço populacional monodisperso traz uma descrição mais adequada da população de partículas Abstract: Carbon black is a fine carbon powder produced under controlled conditions. It has several industrial applications as rubber reinforcement agent, pigments in inks and press toners, coatings, UV light protection and additive to improve battery performance. For more specific uses, as composing high performance battery electrodes, a strict control of size distribution is necessary, which is not offered by traditional methods of manufacture. To overcome the technological demands of production, several methods of nanomaterials producing are being explored, with a highlight on the flame spray pyrolysis process (FSP). This technique is versatile and is able to produce nanoparticles with a severe control of size distribution. Carbon black can be produced in a FSP reactor having the advantage that the fuel inserted in the reactor is the responsible for the formation of carbon black’s precursors. Thus, the mathematical modelling of the process becomes essential to predict formation rates and size distribution of the generated nanoparticles, simulate process parameters and to study scale up possibilities. Using transport equations and an Eulerian approach for the continuous (gas) and solid (nanoparticles) phases and, a Lagrangean approach for the disperse phase (liquid), the simulation is performed using computational fluid dynamics (CFD) at ANSYS Fluent 19.2 software. Conditions for an isolated (adiabatic weall) and non-isolated reactors are simulated and compared, where carbon black production rates are considerably higher for the adiabatic wall. An extended mesh is also proposed to simulate external conditions to the reactor, aiming to ensure the wall parameters used at the regular mesh. Two models to predict carbon black formation are used, a two-equation model and a monodisperse population balance with three equations. The analyzed results indicate that the monodisperse population balance has a more adequate description of the particle’s population Mestrado Engenharia Química Mestre em Engenharia Química CAPES 88887.482050/2020-00

Orientador: William Roberto Wolf Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A análise de componentes principais (do inglês Principal Components Analysis, PCA) tem sido amplamente utilizada na comunidade de fluidodinâmica para aplicações como identificação de estruturas coerentes em escoamentos, compressão de dados e construção de modelos de ordem reduzida. Entretanto, estes são tipicamente instáveis para casos cujos padrões possuem alta não linearidade, como ondas de choque e superfícies de contato, ou uma extensa faixa de escalas espaciais e temporais, como em escoamentos turbulentos. Dessa forma, a Análise de Componentes Principais de Kernel, KPCA, é um método promissor para superar os problemas anteriores, pois mapeia os dados não lineares a uma alta dimensão, transformando as fortes não linearidades em estruturas lineares neste espaço, utilizando funções de kernel. Assim, espera-se que os aspectos não lineares sejam incorporados nas bases do KPCA em menos modos para uma aproximação dos dados originais. Contudo, este método pode possuir custos computacionais altos (de memória e de processamento) para problemas de Mega Dados, portanto, aplicamos uma técnica de decomposição randômica no método, denominando-a: Randômica Análise de Componentes Principais de Kernel, RKPCA. Neste trabalho, investigamos a performance do KPCA, acurácia entre os dois métodos, KPCA e RKPCA. Além disso, aplicamos para ambos, PCA e KPCA, a reconstrução não linear em problemas de Shu-Osher e Ginzburg-Landau. No qual uma rede neural com Funções de Ativação de Base Radial, RN- RBF, é utilizada na reconstrução. Os resultados mostram que KPCA é uma técnica promissora Abstract: Principal Component Analysis, PCA, has been widely used in the community of fluid dynamics for applications such as analysis of coherent flow structures, data compression and construction of reduced-order models, ROMs. However, those are typically unstable for problems that present strong nonlinearities, such as shock waves and contact surfaces, or a broad range of temporal and spatial scales, in turbulent flows. Thus, Kernel Principal Components Analysis, KPCA, is a promising method for overcoming the previous issues since it maps the nonlinear data into a higher dimension, transforming its previous strong nonlinearities into linear structures, using kernel functions. One expects that nonlinear features are incorporated into the KPCA basis such that fewer modes are required for an approximation of the original data. However, this method might have higher computational coasts (memory and process) for Big Data problems,for that reason, we applied a randomized technique into the method, naming it as Randomized Kernel Principal Component Analysis, RKPCA. In this work, we investigate the perfomance of KPCA, the accuracy between both methods, KPOD and RKPOD. Also, we apply for both PCA and KPCA for the reconstruction of nonlinear solutions from a modified Shu-Osher shock tube problem and the Ginzburg-Landau equation. In which, a Radial Basis Function Neural Network, RBF-NN, is applied for the reconstructions and results show that the KPCA is a promising technique Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CAPES 88882.435253/2019-01

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2022. A fotocatálise heterogênea tem ganhado crescente interesse desde os anos de 1970. Desde então, diversas aplicações estão associadas com a fotocatálise heterogênea, tais como a busca por fontes alternativas de energia, síntese orgânica e tratamento de correntes líquidas e gasosas. Ao longo das últimas décadas, misturadores estáticos e reatores em escala milimétrica ou inferior têm ganhado atenção. Mili- e microdispositivos têm sido empregados em processos químicos pelo fato de otimizarem as trocas de calor e massa. Associados a fotocatálise, mili- e microreatores podem ser uma vantajosa alternativa para a degradação de poluentes orgânicos contidos em correntes gasosas. Os reatores fotocatalíticos enfrentam duas limitações principais: transferência de massa e transferência de fótons. Essas limitações podem ser superadas por meio de mudanças no sistema de iluminação do reator e por meio de melhorias na geometria do mesmo. Neste trabalho, a transferência de fótons no milireator fotocatalítico denominado NETmix é avaliada usando um algoritmo baseado na técnica conhecida como ray tracing. Este tipo de algoritmo é capaz de simular o comportamento da luz utilizando os princípios da óptica geométrica associada à técnicas de Monte Carlo. A radiação sobre uma superfície fina de catalisador de TiO2 é avaliada para vários sistemas de iluminação, considerando a posição e um número distinto de LEDs. O impacto que o sistema de iluminação tem sobre a degradação fotocatalítica de uma corrente de ar contendo n-decano é investigada e permite a determinação de um número ideal / econômico de LEDs no sistema de iluminação, bem como uma distância ideal entre os LEDs e o reator. Neste trabalho avalia-se também, através de números adimensionais, a performance do sistema fotocatalítico, determinando qual é a etapa limitante do sistema - transferência de massa ou taxa de reação - para distintas condições operacionais. Abstract: Heterogeneous photocatalysis has gained increasing interest since the 1970s. Since then, several applications have been associated with heterogeneous photocatalysis, such as the search for alternative energy sources, organic syntheses and the treatment of liquid and gas streams. Over the past few decades, static mixers and reactors on a millimeter scale or less have gained attention. Milli- and microdevices have been used in chemical processes due to the fact that they optimize heat and mass transfer. Associated with photocatalysis, milli- and micro-reactors can be an advantageous alternative for the degradation of organic pollutants contained in gas streams. Photocatalytic reactors face two main limitations: mass transfer and photon transfer. These limitations can be overcome through changes in the illumination system of reactor and through improvements on the reactor?s geometry. In this work, the photon transfer in the NETmix milli-photoreactor is evaluated using a ray tracing algorithm. This type of algorithm is capable to simulate the behavior of light using the principals of geometrical optics associated with Monte Carlo techniques. The radiation field over a TiO2 thin catalyst surface is evaluated for several illumination systems, considering the position and a distinct number of LEDs. The impact that the illumination system has over the photocatalytic degradation of an air stream containing n-decane is investigated and allows the determination of an ideal/economical number of LEDs in the illumination system, as well as an ideal LEDs-to-reactor distance. In the current work, it is also evaluated through dimensionless numbers the performance of the photocatalytic system to determine the system bottleneck phenomena - mass transfer or reaction rate - under distinct operational conditions.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Fernando de Lima Luz Junior Coorientador: Prof. Dr. Éliton Fontana Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ. Defesa : Curitiba, 16/05/2022 Inclui referências: p. 79-88 Resumo: A água subterrânea é o recurso natural mais extraído do subsolo brasileiro, e esse recurso é utilizado para o abastecimento doméstico, indústria e agropecuária. Considerando o cenário atual de escassez hídrica, são de suma importância trabalhos que tem por objetivo a recuperação e preservação desse recurso. O TCE (tricloroetileno) é um solvente clorado, conhecido por sua toxicidade presente em muitos reservatórios de água subterrânea e, por tratar-se de um contaminante menos viscoso e mais denso que a água, alcança o substrato impermeável dos reservatórios permanecendo aprisionado no sistema de poros por anos ou décadas. A técnica de remoção do TCE estudada neste trabalho é a redução por nanopartículas de ferro zero valente. Neste caso o Fe0 atua como doador de elétrons para que o TCE se reduza a compostos menos nocivos e mais fáceis de serem removidos. E, tão importante quanto a redução do TCE por meio da reação química, são os distúrbios de pressão causados pela injeção da solução de nanopartículas e pelo gás que é um dos produtos da reação. Esses distúrbios são capazes de deslocar o TCE do interior dos poros facilitando a sua remoção posterior. Por meio de simulações de fluidodinâmica computacional, utilizando software livre openFoam, foi possível comprovar que o etileno, que é um dos produtos da reação de redução do TCE, é capaz de deslocar o DNAPL do interior dos poros. Por meio das simulações em duas dimensões obteve-se uma redução de 97% da saturação do TCE (temperatura de 25ºC e 1 atm) por deslocamento do contaminante para fora do campo de visão. Vale destacar também que as simulações realizadas apresentaram consistência com resultados experimentais realizados por outros autores. Além disso, avaliou-se também o comportamento do escoamento TCE - água em função do ângulo de contato TCE - água - parede dos grãos. Nesse caso, observou-se uma maior recuperação do TCE para a condição de drenagem do mesmo, com ângulos de contato de aproximadamente 140º. Abstract: Groundwater is the most extracted natural resource from the Brazilian subsoil, and this resource is used for domestic supply, industry and agriculture. Considering the current scenario of water scarcity, works aimed at the recovery and preservation of this resource are very important. TCE (trichlorethylene) is a chlorinated solvent, known for its toxicity present in many underground water reservoirs and, as it is a less viscous and denser contaminant than water, it reaches the impermeable substrate of the reservoirs, remaining trapped in the water system. pores for years or decades. The TCE removal technique studied in this work is the reduction by nanoparticles of zero valent iron. In this case, Fe0 acts as an electron donor so that TCE is reduced to less harmful compounds that are easier to remove. And, just as important as the reduction of TCE through the chemical reaction, are the pressure disturbances caused by the injection of the solution of nanoparticles and by the gas that is one of the products of the reaction. These disorders are capable of displacing the TBI from the interior of the pores, facilitating its later removal. Through computational fluid dynamics simulations, using openFoam free software, it was possible to prove that ethylene, which is one of the products of the TCE reduction reaction, is capable of displacing DNAPL from the interior of the pores. Through two-dimensional simulations, a 97% reduction in TCE saturation was obtained due to displacement of the contaminant out of the field of view. It is also worth noting that the simulations performed were consistent with experimental results performed by other authors. In addition, the behavior of the TCE - water flow was also evaluated as a function of the contact angle TCE - water - grain wall. In this case, there was a greater recovery of the TCE for its drainage condition, with contact angles of approximately 140º.

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: No presente trabalho, desenvolveu-se um código numérico em linguagem C ++, que resolve a equação na forma bi-dimensional de Navier-Stoke, de balanço de massa e energia no estado estacionário e transitório, para fluidos incompressíveis em regime laminar. Implementando um algoritmo SIMPLE para acoplar velocidade e pressão. A hipótese de Boussinesq foi adotada para modelar os efeitos de variação de densidade devido a temperatura em problemas de convecção natural. Usando este novo código, a relação de aspecto na convecção natural foi analisada numericamente em uma cavidade retangular aquecida em um dos lados e resfriada no lado oposto. Este método de transferência de calor tem um interesse especial em ciências térmicas, mecânica de fluidos e uma ampla gama de aplicações em engenharia. Nas simulações numéricas, as temperaturas das diferentes paredes foram assumidas como constantes. O objetivo foi determinar os efeitos da relação de aspecto H / L (Altura / Comprimento) e do esquema numérico sobre o comportamento do fluxo e a transferência de calor na cavidade. As simulações foram realizadas para razões de aspecto 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 e 4,0 e números de Rayleigh 103, 104, 105 e 106 usando os esquemas UpWind, Lei de Potência e Central. Os resultados mostram que a relação de aspecto tem menor influência na temperatura e no campo de velocidade do que o número de Rayleigh. Finalmente, para analisar a escalabilidade, um novo código paralelo foi implementado usando a ferramenta PETSc (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation) e uma avaliação sobre o uso desta foi realizada Abstract: In the present work, was developed a numerical code homemade on C++ language, which solve in the bi-dimensional form the Navier-Stoke equation, the mass and energy balance on steady state or transient, for non-compressible fluid in laminar regime. Implementing a SIMPLE algorithm to couple the differential equations of velocity and pressure. The Boussinesq hypothesis was adopted to model the effects of density variation due to temperature in natural convection problems. Using this new code the aspect ratio in natural convection was numerically analyzed in a rectangular cavity heated on one of the sides and cooled on the opposite side. This spontaneous method of heat transfer has an especial interest in thermal sciences, fluid mechanics and a wide range of applications in engineering. In the numerical simulations temperatures of the different walls were assumed to be constant. The objective was to determine the effects of the aspect ratio H/L (Height/Length) and the numerical scheme on flow behavior and heat transfer in the cavity. Simulations were performed for aspect ratios 0.25, 0.5, 1.0, 2.0 and 4.0 and Rayleigh number 103, 104, 105 and 106 using the UpWind, Power Law and Central schemes. Results show that the aspect ratio has lower influence in the temperature and streamlines fields than Rayleigh number. Finally to analyze the scalability a new parallel code was implemented using PETSc (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation) and an evaluation about this tool was done Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Sávio Souza Venâncio Vianna, Flávio Vasconcelos da Silva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Vazamentos acidentais de gases inflamáveis representam uma grande preocupação em indústrias químicas devido às potenciais perdas humanas e econômicas. A imediata identificação de cenários de vazamentos favorece a manutenção corretiva evitando o efeito dominó. Neste trabalho, redes neurais recorrentes de memória de longo prazo foram treinadas e testadas para fonte de vazamento de metano em um módulo de processo químico. Exploraram-se os benefícios de variar o comprimento temporal das variáveis de entrada, e os conjuntos de dados foram obtidos empregando simulações tridimensionais por fluidodinâmica computacional. Consideraram-se quatro locais de vazamento, quatro velocidades de vento e oito direções de vento, além do cenário de não vazamento para as mesmas velocidades e direções do vento. Os modelos foram treinados usando diferentes valores de passos de tempo para avaliar a precisão da previsão para dados não vistos. Os resultados mostraram melhora progressiva do desempenho dos modelos com maiores valores de passos de tempo, e boa generalização com acurácia do teste acima de 95,3%, indicando a capacidade do modelo em prever corretamente a fonte de vazamento utilizando variáveis facilmente monitoráveis Abstract: Accidental leaks of flammable gases represent a major concern in chemical industries due to potential human and economic losses. The immediate identification of leak scenarios favours corrective maintenance, avoiding the domino effect. In this work, long short-term memory recurrent neural networks were trained and tested to methane leakage source in a chemical process module. The benefits of varying the temporal length of the input variables were explored, and the data sets were obtained using three-dimensional computational fluid dynamics simulations. Four leak locations, four wind speeds and eight wind directions were considered, in addition to the non-leakage scenario for the same wind speeds and directions. Models were trained using different values of timesteps to assess prediction accuracy for unseen data. The results showed a progressive improvement in the performance of models with higher values of timesteps, and good generalization with test accuracy above 95.3%, indicating the model's ability to correctly predict the source of leakage using easily monitored variables Mestrado Engenharia Química Mestre em Engenharia Química CNPQ 130523/2020-8

Submitted by Gustavo Barbosa Micheli (gustavobm.micheli@gmail.com) on 2021-12-20T02:33:15Z No. of bitstreams: 1 Tese de doutorado_versão_final.pdf: 5836993 bytes, checksum: afa5bbe6a4c5330324ad193a76f6dfae (MD5) Approved for entry into archive by Celia Silva Cruz Morales (celia.morales@unesp.br) on 2021-12-20T12:33:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 micheli_gb_dr_bauru.pdf: 5836993 bytes, checksum: afa5bbe6a4c5330324ad193a76f6dfae (MD5) Made available in DSpace on 2021-12-20T12:33:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 micheli_gb_dr_bauru.pdf: 5836993 bytes, checksum: afa5bbe6a4c5330324ad193a76f6dfae (MD5) Previous issue date: 2021-12-07 O fenômeno de sloshing de um líquido em reservatórios parcialmente cheios, causado por mudanças bruscas e repentinas de um veículo em movimento, pode impactar na integridade estrutural do reservatório e, ao mesmo tempo, na estabilidade dinâmica do veículo. No caso de pulverizadores agrícolas, os efeitos do fenômeno de sloshing no reservatório de calda de pesticidas são investigados nesse trabalho. Os mesmos ocorrem devido à desaceleração repentina da máquina, e foram analisados sob três níveis de enchimento, 25%, 50% e 75%. As distribuições de pressão na parede do reservatório ao longo do tempo foram avaliadas pelo uso de modelos multifásicos transientes (água e ar como gás ideal) com a consideração de superfície livre num modelo homogêneo. Foi possível verificar o comportamento das ondas de sloshing. A condição de enchimento de 75% da capacidade do reservatório foi a que gerou valores mais altos de pressão na parede do mesmo. A eficiência de dois arranjos com diferentes tipos de defletores verticais para reduzir a pressão de impacto foi numericamente investigada. A tensão de cisalhamento na parede inferior do reservatório com a inclusão desses arranjos propostos foi analisada utilizando modelos em regime permanente com agitação mecânica, considerando o reservatório totalmente cheio. A solução proposta composta por dois defletores verticais parciais e com um espaço entre eles foi a mais eficaz. Esse arranjo promoveu uma maior redução da pressão de impacto na parede do reservatório e outras instabilidades devido ao sloshing, e ao mesmo tempo manteve os resultados de agitação da calda no caso do reservatório sem os defletores. The sloshing phenomenon occurs in partially filled tankers due to sudden movement can affect the tank structure integrity and impair the dynamic stability of the tanker. The effects of sloshing phenomena in a spray mixture tank due to acceleration or deceleration of the agricultural vehicle is investigated under three filling levels of 25%, 50%, and 75%. The pressure time distributions on the tank wall were evaluated by using a multiphase transient model (water and air as an ideal gas) and a free surface flow in a homogeneous model. It was possible to verify the wave behavior of sloshing. The condition of 75% tank filling volume generated the highest pressure on the tank wall. The effectiveness of two types of vertical baffles in suppressing pressure was numerically investigated. Shear stress on the tank bottom wall under these proposed arrangements was analyzed by steady-state models and mechanical agitation, considering a filled tank. The proposed solution based on two partial vertical baffles and a central gap was the most effective. It promotes the higher reduction of wall impact pressure and other sloshing instabilities and maintains similar results of mixture agitation of the tank without baffles.

Trocadores de calor são amplamente utilizados na indústria por meio de diversas aplicações, como resfriamento, condensação, aquecimento de uma mistura e quebra de emulsões entre o petróleo e água. É comum utilizar diversos desses equipamentos em paralelo, para aumentar a produtividade, cujo efeito esperado é que tenham as mesmas condições operacionais na saída do processo. Quando um conjunto de equipamentos idênticos apresentam resultados diferentes, devem ser investigadas as causas que levam a esses desvios operacionais. O objetivo deste trabalho é realizar um estudo de um sistema de trocadores de calor de uma refinaria de petróleo, mais especificamente do sistema de condensadores de topo da fracionadora de uma unidade de craqueamento catalítico. O sistema constituído de seis trocadores de calor, denominados com sufixos A a F operam em pares e apenas o último par E/F opera com características muito diferentes dos outros dois conjuntos A/B e C/D. A metodologia empregada no trabalho foi utilizar técnicas de modelagem e simulação para avaliar o desempenho do sistema, como balanços de energia, cálculos de perda de carga em tubulações e trocadores de calor, estudos de análise de sensibilidade e construção de um modelo fluidodinâmico. Os resultados mostraram que os balanços de energia e o modelo fluidodinâmico apresentaram divergências em relação ao modelo analítico. Este último, constituído pelos cálculos da perda de carga e a análise de sensibilidade, apontam que o problema está na alta queda de pressão do lado da água, tanto nos tubos dos trocadores quanto nos headers de distribuição, principalmente do conjunto E/F. Para minimizar esse problema, conclui-se que a melhor solução seria a instalação de placas de orifício nos trechos A/B e C/D para equalizar a variação de pressão entre os três pares de trocadores de calor, precedida de uma etapa de instalação de sensores de pressão e vazão nas entradas e saídas de água de cada um dos pares de equipamentos e monitoramento em tempo real dessas variáveis. Heat exchangers are widely used in industry in a variety of applications such as cooling, condensing, heating, and breaking down oil-water emulsions. It is common to use several of these devices in parallel to increase productivity. The expected effect is to have the same operating conditions at the output of the process. When a set of identical equipment presents different results, the causes that lead to these operational deviations must be investigated. The objective of this work is to carry out a study of a heat exchanger system in an oil refinery, more specifically the top condenser system of the fractionator in a catalytic cracking unit. The system consists of six heat exchangers, named with suffixes A to F and they operate in pairs. The last pair E/F operates with very different characteristics from the other two sets A/B and C/D. The methodology used in this work was to use modeling and simulation techniques to evaluate the system performance, based on energy balances, calculations of pressure drop in pipes and heat exchangers, sensitivity analysis studies, and construction of a fluid dynamic model. The results showed that energy balances and fluid dynamic model were not consistent with the analytical model – based on pressure drop calculations and sensitivity analysis. The results also revealed that the problem is in association with the high-pressure drop on the waterside, both in the exchanger tubes and in the distribution headers, mainly at the E/F set. To minimize this problem, it is concluded that the best solution would be to install orifice plates in sections A/B and C/D to equalize the pressure variation between the three pairs of heat exchangers, preceded by an installation of pressure and flow sensors at the inputs and outputs of each pair of equipment and real-time monitoring step of these variables.

Orientador: José Roberto Nunhez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Os Erlenmeyers agitados têm sido utilizados como uma ferramenta em pesquisa na área biotecnológica e laboratórios industriais, especialmente em estágios iniciais, onde graças a sua praticidade, muitos experimentos podem ser realizados simultaneamente com um baixo custo e virtualmente sem supervisão. No entanto, esses dispositivos só fornecem informação limitada dos processos fenomenológicos que acontecem dentro do Erlenmeyer, tais como a velocidade rotacional, que dá uma ideia dos requerimentos de mistura, etc. Esta limitação pode dificultar a transição de um novo processo da bancada experimental para a escala piloto ou industrial. Alguns estudos de pesquisa têm sido realizados para determinar importantes variáveis de processo, tais como consumo de potência volumétrico, capacidade de transferência de oxigênio, estresse hidrodinâmico, etc. A fluidodinâmica computacional (CFD) tem ganhado importância recentemente no estudo dos fenômenos de transporte, graças aos avanços no desenvolvimento de software especializado, e poder computacional. O objetivo desse trabalho é simular o processo de agitação desenvolvido em um Erlenmeyer agitado em máquinas orbitais, utilizando o pacote computacional CFX versão 14. Os resultados CFD são comparados com os dados experimentais disponíveis para validar o modelo com o objetivo de estudar a fluidodinâmica desenvolvida nestes dispositivos Abstract: Erlenmeyers have been used as a tool in many biotechnology research and industrial laboratories, especially in its early stages when many experiments can be performed simultaneously at low cost and nearly without supervision. However, these devices offer only limited information on the phenomenological processes occurring within these shake flasks, as the rotational speed which gives an idea of the mixing requirements, etc. This limitation could be a difficulty when trying to scale up new processes developed in laboratories to a pilot plant scale or an industrial processes. Some experimental research has been carried out to determine important process variables in Erlenmeyer agitation such as volumetric power consumption, oxygen transfer capacity, hydrodynamic stress, etc. Computational fluid dynamics (CFD) has recently gained importance in the study of transport phenomena, thanks to advances in the development of specialized software, and computational power. The objective of this work is to simulate the mixing process in an Erlenmeyer flask. The software used is CFX version 14. The CFD results is compared with the experimental data available to validate this computational model in order to study the fluid dynamics that develops in these devices Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: José Roberto Nunhez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A qualidade da mistura de fluidos em um processo químico é importante quando se deseja melhorar as características do produto final. Dependendo do tipo de fluido, o processo de mistura pode apresentar dificuldades, como é o caso dos fluidos não newtonianos ou fluidos newtonianos com altas viscosidades. Os misturadores estáticos são amplamente utilizados na mistura de fluidos newtonianos e não newtonianos. Estes equipamentos permitem obter misturas com alto grau de homogeneização e quedas de pressão moderadas. O presente trabalho analisa o grau de homogeneização dos fluidos newtonianos na mistura de uma solução aquosa de Glicerol 80% p/p e a mistura de um óleo pesado (16°API) com um óleo leve (28,3°API), estes últimos utilizados no processo de diluição de óleo pesado. De igual forma é estudado o grau de homogeneização dos fluidos não newtonianos na mistura de uma solução aquosa de Carbopol 940 0,1% p/p e a mistura de uma solução aquosa de Carbopol 940 0,1% p/p e Carbopol 940 0,2% p/p. A simulação da mistura dos fluidos realizou-se em um misturador estático helicoidal. O Coeficiente de Variação (CoV), a queda de pressão em relação ao fator KL e a velocida analisaram-se para as misturas propostas. O CoV para as misturas dos fluidos newtonianos atingiu um valor ? 0,05 com 14 elementos de mistura. No caso dos fluidos não newtonianos o valor ? 0,05 foi atingido com 14 e 16 elementos de mistura. Os valores do fator KL foram comparados com o valor de KL comercial para o misturador estático helicoidal. As diferenças entre estes valores encontram-se em torno de 2% para os fluidos newtonianos. A direção na rotação dos elementos estáticos tem sido estudada considerando a influência no CoV final. Esta rotação da geometria proporciona um padrão de fluxo diferente que permite obter uma variação de CoV desde 0,283 para 0,156 no caso do Glicerol e desde 0,244 para 0,197 no caso dos hidrocarbonetos para um comprimento de L/D = 21 (6 elementos de mistura). O modelo de simulação proposto considera um fluido multicomponente em regime laminar e é desenvolvido utilizando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). Os resultados obtidos compararam-se com resultados encontrados na literatura, apresentando proximidade. O uso do misturador estático helicoidal na mistura de hidrocarbonetos mostrou resultados adequados obtendo um valor de CoV = 0,034 (? 0,05) permitindo inferir que o uso do misturador estático helicoidal poderia ser uma alternativa para a mistura de hidrocarbonetos no processo de diluição de óleo pesado Abstract: The quality of the fluid mixture in chemical processes is important when it is necessary to improve the characteristics of the final product. Depending on the type of fluid, the mixture process can present difficulties, as is the case of no Newtonian fluids and Newtonian fluids with high viscosities. Static mixers are widely used in the mixture of Newtonian fluids and no Newtonian fluids. This equipment allows obtaining high homogenization with a moderate pressure drop. The aim of this work is to analyze the homogenization degree of Newtonian fluids in a mixture of an aqueous solution of Glycerol 80% p/p and a mixture of heavy oil (16ºAPI) with light oil (28.3ºAPI) (in the heavy oil dilution process). Similarly, it is studying the homogenization degree of no Newtonian fluids in a mixture of an aqueous solution of Carbopol 940 0.1% p/p and a mixture of an aqueous solution of Carbopol 940 0.1% p/p and Carbopol 940 0.2% p/p. The simulation of the mixtures was performed in a helical static mixer. The Coefficient of Variation CoV, the pressure drop in function of the KL factor and the velocity was analyzed for the proposed mixtures. The CoV for the Newtonian fluids mixture reached a value ? 0.05 with 14 mixer elements. In the case of no the Newtonian fluids, the CoV? 0.05 was achieved with 14 and 16 mixer elements. The values of KL factor were compared with the commercial KL factor value to the helical static mixer. The differences between this KL factor values represent 2% in the case of the Newtonian fluids. The influence of the rotation and direction of the static elements has also been studied considering the influence in the CoV. Depending on the direction of rotation, the CoV value varies from 0.283 to 0.156 in the Glycerol mixture and from 0.244 to 0.197 in the hydrocarbons mixture in L/D = 21 (6 mixer elements). The 3D model proposed considers a multi-component flow in laminar regime, using Computational Fluid Dynamics (CFD). The results obtained are consistent with the literature experimental. The use of the helical static mixer in the hydrocarbon mixture shown good results related to the CoV, obtaining 0.034 (? 0.05). The results permit to infer the use of this static mixer would be an alternative to mixing fluids in the dilution of heavy oil process Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Desenvolvimento de modelos mecanísticos via CFD: análise dos fenômenos de transporte para fins de biosseparação em matrizes cromatográficas monolíticas. Orientador: Luis Antônio Minim. Coorientador: Marcio Arêdes Martins. Muitos estudos foram desenvolvidos referente ao preparo, modificação e caracterização de matrizes macroporosas monolíticas. Por outro lado, a investigação dos fenômenos de transporte nestas matrizes permanece pouco explorado. Neste sentido, a área de modelagem matemática oferece alternativas para melhor compreender os processos a nível micro e macro nestas matrizes. No campo da cromatografia preparativa, as características geométricas e estruturais do meio monolítico têm efeito significativo nas propriedades de transporte, mas poucos estudos incorporam tais características nos modelos matemáticos para melhoria das predições. Este trabalho objetivou desenvolver modelos matemáticos, via dinâmica dos fluidos computacional (CFD), que sejam capazes de prever diferentes cenários de processos e viabilizar a tomada de decisões mais assertivas para propósitos de biosseparação. O suporte cromatográfico analisado foi a matriz polimérica, esponjosa, macroporosa e altamente interconectada conhecida como criogel. Estes adsorventes oferecem baixa resistência a transferência de massa e a advecção tende a ser predominante. A fim de melhor avaliar estes mecanismos, a abordagem aqui adotada combina a transferência simultânea de massa e a dinâmica dos fluidos, acoplando as leis de conservação de momento no modelo de conservação de massa. Em todos os modelos propostos desta tese, percebe-se uma predominância da advecção, por meio da análise de escala, representado pelo número adimensional de Péclet. Além disso, verifica-se que o processo de adsorção é sensível a alterações nos perfis de velocidade que, por sua vez, são afetados pela geometria do meio poroso. Paralelamente, a geometria do meio monolítico influencia os perfis de aceleração, vorticidade e desaceleração do escoamento, que podem promover respostas diferentes ao processo de transferência de massa. Novas propostas de geometria representativas de meios porosos monolíticos têm sido encorajadas há alguns anos, embora poucas aplicações sejam atribuídas aos criogéis. Portanto, a tese apresenta estratégias de estudo e avaliação de fenômenos de transporte nos criogéis macroporosos por meio da modelagem mecanística, utilizando representações simplificadas da rede monolítica. Palavras-chave: Modelagem matemática. Criogel. Rede monolítica. Fenômenos de transporte. Cromatografia. Fluido Dinâmica Computacional (CFD). Many studies have been developed concerning the preparation, modification and characterization of monolithic macroporous matrices. On the other hand, the investigation of transport phenomena in these matrices remains little explored. In this sense, the area of mathematical modeling offers alternatives to better understand the processes at the micro and macro level in these matrices. In the field of preparative chromatography, the geometrical and structural characteristics of the monolithic medium have a significant effect on transport properties, but few studies incorporate such characteristics in mathematical models to improve predictions. This work proposed to develop mathematical models, via computational fluid dynamics (CFD), that are able to predict different process scenarios and enable more assertive decision making for bioseparation purposes. The chromatographic support analyzed was the spongy, macroporous, highly interconnected polymeric matrix known as cryogel. These adsorbents offer low resistance to mass transfer and advection tends to be predominant. In order to better evaluate these mechanisms, the approach adopted here combines simultaneous mass transfer and fluid dynamics by coupling the momentum conservation laws into the mass conservation model. In all the proposed models of this thesis, a predominance of advection is perceived, through the scale analysis, represented by the Péclet's dimensionless number. Furthermore, it can be seen that the adsorption process is sensitive to changes in the velocity profiles, which are affected by the geometry of the porous medium. In parallel, the geometry of the monolithic medium influences the acceleration, vorticity, and deceleration profiles of the flow, which can promote different responses to the mass transfer process. New proposals for representative geometry of monolithic porous media have been encouraged for some years, although few applications are attributed to cryogels. Therefore, the thesis presents strategies for studying and evaluating transport phenomena in macroporous cryogels through mechanistic modeling using simplified representations of the monolithic network. Keywords: Mathematical modeling. Cryogel. Monolithic network. Transport phenomena. Cromatography. Computational Fluid Dynamics (CFD).

As the world population increases, the need to develop more efficient wastewater treatment systems requires the use of new technologies. Software aided project and optimization of bioreactors and bioprocesses have become a matter of interest in recent years, especially due to the advance in the state-of-the-art of computational resources. This work aimed to perform gas/liquid numerical simulations using the Fluent 16.2 software and to validate this model through Particle Image Velocimetry (PIV) and shadow imaging techniques. Eulerian-Eulerian, laminar, tridimensional and transient simulations were carried out. The results for the mass imbalance for the gas and liquid phases, gas volumetric fraction, gas velocity, bubble size, liquid magnitude and upflow velocity and the velocity profiles for the liquid phase were successfully validated against experimental data. Concerning the dispersed phase, it was found a difference of 4.37% for the gas volumetric fraction between experiments and simulations. Simulated results showed a difference for the bubble mean velocity of 1.73% when compared with shadow imaging results. No coalescence was observed along the experiments, and the flow regime was characterized as dispersed bubble flow. Regarding the liquid phase, it was found a difference of 3.2% for the mean velocity, between simulated and PIV results. Simulated and experimental velocity profiles showed a better agreement at the center of the reactor. Some differences were observed in those profiles, due to geometry simplifications assumed in order to get a better mesh. Considering the good agreement between simulation and experiments, the model was considered validated. RESUMO Conforme a população mundial aumenta, a necessidade de desenvolvimento de sistemas de tratamento de efluentes mais eficientes requer o uso de novas tecnologias. O projeto e otimização de biorreatores e bioprocessos auxiliados por softwares têm se tornado uma questão de interesse, em especial devido ao avanço no estado da arte quando se trata de recursos computacionais. O objetivo deste trabalho foi realizar simulações numéricas gás/liquido, utilizando o software Fluent 16.2, e validar experimentalmente o modelo computacional através de técnicas de PIV e Shadow Imaging. Foram realizadas simulações laminares, tridimensionais, transientes adotando uma abordagem Euleriana-Euleriana. Os resultados para o desequilíbrio de massa para as fases gasosa e líquida, a fração volumétrica de gás, a velocidade do gás, o tamanho da bolha, a magnitude e a velocidade ascensional do líquido e os perfis de escoamento do líquido foram validados experimentalmente com êxito. Foi verificada uma diferença de 4,37% entre resultados numéricos e experimentais para a fração volumétrica de gás no reator. Quando comparados os resultados das simulações com os resultados obtidos através de Shadow Imaging, foi encontrada uma diferença de 1,73% para a velocidade média da bolha. Não foi verificada coalescência ao longo dos experimentos realizados, e o escoamento foi caracterizado como fluxo de bolhas dispersas. Em relação à fase líquida, foi encontrada uma diferença de 3,2% para a velocidade média, entre os resultados simulados e de PIV. Os perfis de velocidade simulada e experimental mostraram uma melhor concordância no centro do reator. Algumas diferenças foram observadas nesses perfis, devido às simplificações geométricas assumidas para obter uma malha melhor. Considerando a boa concordância entre resultados numéricos e experimentais, o modelo foi considerado validado.

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho foi desenvolvido a partir de uma revisão da literatura técnica sobre o projeto térmico de dissipadores de aletas retas com seção transversal constante, resfriadas por um escoamento de ar com a configuração de entrada de ar pelo topo. Diversos modelos foram comparados entre si e com alguns resultados experimentais. Devido a uma falta de concordância observada entre os resultados obtidos pelas correlações analisadas, tanto entre si quanto com as medidas experimentais disponíveis, simulações numéricas foram então efetuadas para avaliar a taxa de troca convectiva forçada de calor e a queda de pressão nos canais desses dissipadores de calor. As simulações foram efetuadas para uma faixa de vazões de ar no dissipador, considerando canais de tamanhos distintos e também o efeito de uma abertura parcial para a entrada de ar no topo do dissipador. Os resultados numéricos obtidos foram utilizados para avaliar o coeficiente convectivo médio nos canais do dissipador, baseado na temperatura média de mistura do escoamento de ar. Uma nova correlação foi então proposta para o número de Nusselt médio nestes canais, em função do número de Reynolds do escoamento de ar e de três parâmetros geométricos dos canais. A nova correlação foi comparada com os resultados das simulações efetuadas e também com alguns resultados experimentais disponíveis. Uma comparação adicional também foi efetuada com novos resultados experimentais obtidos no laboratório de pesquisa, com um dissipador térmico de placas paralelas e testado com a configuração de entrada de ar pelo topo. Embora este dissipador não satisfizesse exatamente todas as restrições geométricas impostas pela nova correlação empírica, os resultados experimentais obtidos foram compatíveis com as previsões da nova correlação. A correlação desenvolvida para o número de Nusselt médio nos canais desses dissipadores térmicos foi então utilizada para a sua otimização térmica. Três funções objetivo foram utilizadas com esta finalidade. A primeira buscou minimizar a resistência térmica do dissipador e as outras duas foram baseadas na Segunda Lei da Termodinâmica. Resultados preliminares da otimização apontaram para configurações geométricas semelhantes para as funções objetivo escolhidas Abstract: This work was developed from a review of the technical literature for the thermal design of parallel plates¿ heat sinks with uniform cross section cooled by airflow with the top inlet and side exit configuration. Several models from the literature were compared to each other and to some experimental results. Due to an observed lack of agreement of the literature correlations among themselves and also with the available experimental results, numerical simulations were then performed to evaluate the forced convective heat transfer in the channels of these heat sinks. The simulations encompassed a range of heat sink airflow rates, considering distinct channel sizes also the effect of a partial opening for the airflow entrance at the heat sink top. The obtained numerical results were employed to evaluate the average convective heat transfer coefficient in the heat sink channels, based on the flow mixed mean temperature as the reference. A new empirical correlation was then proposed for the average Nusselt number in these channels as a function of the airflow Reynolds number and three dimensionless channel geometric parameters. The new correlation was compared with the performed simulation results and also with some available experimental results. An additional comparison was also performed with new experimental results obtained in our Research Laboratory with a commercially available parallel plates¿ heat sink operating with the top inlet and side exit configuration. Although this heat sink did not satisfy exactly all the geometric constraints of the new empirical correlation, the obtained experimental results were compatible with the predictions of the new correlation. The correlation developed for the average Nusselt number in the channels of these heat sinks was then employed for their thermal optimization. Three objective functions were used for this purpose. The first one was to minimize the heat sink thermal resistance and the other two were based on the Second Law of Thermodynamics. Preliminary results with the objective functions presented similar geometric configurations Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CNPQ 141195/2013-4

Orientadores: Sávio Souza Venâncio Vianna, Roger Josef Zemp Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A liberação de fluido denso em um ambiente com fluido menos denso sobre uma superfície gera uma estrutura de escoamento denominada corrente de gravidade, caracterizada por uma região de acúmulo de fluido denso na fronte, chamada de cabeça, seguida de uma camada densa estratificada chamada de cauda. A compreensão do mecanismo de mistura entre os dois fluidos é de grande importância, seja para entendimento da natureza, como também para aplicações de engenharia. Este trabalho tem como objetivo compreender o mecanismo de mistura e quantificar a taxa de diluição entre fluidos em correntes de gravidade. Neste trabalho, primeiramente realizou-se simulações numéricas de casos reais de dispersão de gás denso utilizando o pacote não comercial de fluido dinâmica computacional (CFD) OpenFOAM, especificamente o solver rhoReactingBuoyantFoam. Comparação dos resultados numéricos com dados experimentais demonstraram o potencial do software, também limitações quanto a acurácia relativo ao tempo (em casos transientes) e concentração de gás em regiões distantes do ponto de vazamento. Posteriormente, uma série de experimentos foi realizada, estes consistiram em gerar correntes de gravidade em laboratório por meio de liberação contínua de solução salina sobre uma superfície inclinada (5?) em um tanque preenchido com água. Corante alimentício foi usado para permitir a visualização e captura de imagens pela câmera Nikon D90. As imagens foram processadas utilizando o software MATLAB e a técnica de tenuação de luz foi aplicada para obtenção de distribuição de densidade dentro da estrutura de escoamento. Observou-se que existe mistura entre os fluidos em toda corrente de gravidade, próximo a fonte de liberação, cauda e cabeça. Cada uma dessas regiões foram estudadas separadamente e valores de diluição foram encontrados em função das propriedades do escoamento, com estes parâmetros, um modelo semi-empirico foi desenvolvido para previsão de volume da corrente de gravidade em função do tempo. Por último, simulação numérica dos experimentos foi realizada usando solvers do OpenFOAM com modelo compressível (rhoReactingBuoyantFoam) e incompressível (twoLiquidMixingFoam) utilizando abordagem RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes)... O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The release of dense fluid in an environment with less dense fluid on a surface generates a flow structure named a gravity current, caracterised a high region at the forehead, named head, followed by a stratified dense layer named tail. The understanding of the fluid mixing mechanism is of great importance, either for understanding nature as well as for engineering applications. This work aims to understand the mechanism of mixing and quantify the rate of dilution between fluids in gravity currents. In this work, firstly it was performed numerical simulations of real cases of dense gas dispersion using the noncommercial computational fluid dynamic (CFD) package OpenFOAM, specifically the rhoReactingBuoyantFoam solver. Comparison of numerical results with experimental data demonstrated the potential of the software, as well as limitations regarding the accuracy of time (in transient cases) and gas concentration in far field regions. Subsequently, a series of experiments were performed, these consisted of generating gravity currents in the laboratory by continuously pump saline solution on a sloped surface (5?) into a tank filled with water. Food dye was used to allow visualising and capturing of images by the Nikon D90 camera. The images were processed using MATLAB software and the light attenuation technique was applied to obtain density distribution within the flow structure. It has been observed that there is mixture between the fluids in all gravity current regions, near the source of release, tail and head. Each of these regions were studied separately and dilution values were obtained as a function of the flow properties. With these parameters, a semi-empirical model was developed to predict the volume of the gravity current as a function of time. Finally, numerical simulation of the experiments was performed using OpenFOAM solvers with compressible (rhoReactingBuoyantFoam) and incompressible (twoLiquidMixingFoam) models using RANS (Reynolds Averaged NavierStokes) approach... The abstract is available with the full electronic document Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química CNPQ 140323/2013-9 CAPES 099999.006707/2015-07

Orientador: Milton Mori Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Nesta pesquisa investigou-se numericamente as características fluidodinâmicas de colunas de bolhas em leito de lama operando sob diferentes regimes de escoamento e concentrações de sólido particulado empregando a técnica CFD. A síntese de metanol em duas etapas (carbonilação e hidrogenação catalítica) também foi estudada numericamente em um reator em leito de lama. Na análise fluidodinâmica, o papel das interações entre as diferentes fases, a turbulência induzida pelas bolhas e o balanço populacional destas foram estudados. As predições das simulações foram validadas com dados experimentais obtidos da literatura. Na análise fluidodinâmica e cinética, os fenômenos de transferência de massa e de calor entre fases e as taxas das reações químicas foram avaliadas e os resultados foram comparados a dados experimentais de composição da fase líquida e de conversão do gás de síntese obtidos da literatura. As interações disperso-contínuo (arrastes gás-líquido e sólido-líquido) mostraram ser fundamentais na modelagem correta de sistemas trifásicos. As interações entre as fases dispersas (arraste gás-sólido e interação sólido-sólido) apresentaram influências significativas sob certas condições operacionais. O modelo de balanço populacional não-homogêneo promoveu bons resultados para a condição operacional estudada. A turbulência induzida pelas bolhas também demonstrou ser essencial na modelagem correta do escoamento de sistemas gás-líquido-sólido. Os modelos fluidodinâmicos com expressões cinéticas do tipo Langmuir-Hinshelwood para a síntese de metanol representaram bem o sistema reativo estudado. Em síntese, os modelos CFD propostos e simulados foram capazes de predizer o comportamento do escoamento de colunas de bolhas em leito de lama nas condições estudadas Abstract: In the present work, numerical simulations using CFD were performed to study the fluid dynamic characteristics of a slurry bubble column operating under different flow regimes and particulate solid concentrations. The two-step methanol synthesis (carbonylation and catalytic hydrogenolysis) was also numerically investigated in a slurry bubble column reactor. In the fluid dynamic analysis, the role of phase interactions, bubble induced turbulence and population balance for bubbles were evaluated. The simulations were validated with experimental data from literature. In the fluid dynamic with chemical reactions analysis, mass and heat transfer between phases and reaction rates were evaluated and the results were compared with experimental data of liquid compositions and syngas conversion. Dispersed-continuous interactions (gas-liquid and solid-liquid drag forces) showed to be fundamental to model correctly three-phase systems. Dispersed-dispersed interactions (gas-solid drag force and solid-solid interactions) exhibited expressive influences under certain operating conditions. The inhomogeneous population balance model promoted good results for the operating conditions studied. Bubble induced turbulence is also an essential feature in the modelling of gas-liquid-solid systems. The fluid dynamic model with Langmuir-Hinshelwood-type rate expressions for the methanol synthesis represented well the reaction system studied. The proposed CFD models were capable to predict flow behaviour of slurry systems in the investigated operating conditions Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química

Orientador: Daniella Jorge de Moura Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola Resumo: Um dos principais problemas no interior de instalações de criação animal é o controle do ambiente por meio ventilação, sendo de grande importância para a qualidade aérea e conforto térmico de verão e inverno, principalmente em regiões de clima tropical. O uso de técnicas para o estudo do ambiente avança a cada dia em qualidade e precisão dos resultados. Uma das novas técnicas é a modelagem computacional que auxilia, de forma rápida, a solução de diversos problemas, mesmos os complexos, com baixo custo, em comparação com métodos experimentais. Sendo assim, o objetivo deste projeto será de validar um modelo computacional de Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics ¿ sigla em inglês, CFD) com o uso da geoestatística e com o cálculo do erro da variável temperatura de bulbo seco, demonstrando que podem ser utilizadas diferentes metodologias para sua validação. Além disso objetivou-se estudar os efeitos de diferentes malhas no processamento e na qualidade dos resultados obtidos, apresentando ou sugerindo uma metodologia para estudos futuros Abstract: In animal production, the major problem of animal facilities is the internal temperature control through ventilation systems. This is responsible for maintaining proper air quality and thermal comfort for the animals during the summer and winter conditions, especially in regions with tropical climate. The environment at studies using new techniques, such as Computational Fluid Dynamics (CFD) has became more popular due to the quality and precision of the results. In this respect, the computational modelling is a powerful tool to help in the solution of several problems, including complex ones, with reduced cost when compared with experimental methods. Thus, the goal of this study is to validate a CFD computational model with geostatistics technique and the estimation of the error of the dry bulb temperature prediction by the model in order to validate the CFD model. It also, analyses the effect of different meshing methods in the results, developing thus way a methodology for future researches Doutorado Construções Rurais e Ambiencia Doutora em Engenharia CNPQ CAPES

Orientador: Milton Mori Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Conversão de matéria-prima e rendimento são estudados através de um modelo 3D que simula o principal reator do processo de craqueamento catalítico fluidizado (FCC). Fluidodinâmica computacional (CFD) é usada como técnica com abordagem Euleriana-Euleriana para prever o comportamento do riser da FCC. O modelo considera 12 grupos com desativação do catalisador dada por coque e envenenamento por nitritos alcalinas e adsorção aromático policíclico para estimar o comportamento cinético, o qual partindo de uma determinada matéria prima, se craquea a diversos produtos. Composições diferentes para matérias-primas foram consideradas. Para validação o modelo foi comparado com dados experimentais em condições de operação industrial. O modelo é capaz de representar com precisão a geração de produtos para as diferentes condições de operação consideradas. Todas as condições consideradas foram resolvidos usando o solver Ansys CFX 14.0. As diferentes variáveis do processo de operação e efeitos hidrodinâmicos do riser industrial de craqueamento catalítico fluidizado (FCC) foram avaliadas. As previsões do modelo são apresentados e comparadas; conversão e produtos são apresentados. Recomendações para criar condições para obter maior rendimento do produto no processo industrial foram dadas Abstract: Feedstock conversion and yield products are studied through a 3D model simulating the main reactor of the fluid catalytic cracking (FCC) process. Computational Fluid Dynamic (CFD) is used with Eulerian-Eulerian approach to predict the fluid catalytic cracking behavior. The model considers 12 lumps with catalyst deactivation by coke and poisoning by alkaline nitrides and polycyclic aromatic adsorption to estimate the kinetic behavior which, starting from a given feedstock, produces several cracking products. Different feedstock compositions are considered. The model is compared with sampling data at industrial operation conditions. The simulation model is able to represent accurately the products behavior for the different operating conditions considered. All the conditions considered were solved using a solver Ansys CFX 14.0. The different operation process variables and hydrodynamic effects of the industrial riser of a fluid catalytic cracking (FCC) are evaluated. Predictions from the model are shown and comparison with experimental conversion and yields products are presented; recommendations are drawn to establish the conditions to obtain higher product yields in the industrial process Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Esta dissertação é parte de um amplo projeto de pesquisa, que visa ao desenvolvimento de uma plataforma computacional de dinâmica dos fluidos (CFD) capaz de simular a física de escoamentos que envolvem mistura de várias espécies químicas, com reação e combustão, utilizando um método hibrido Simulação de Grandes Escalas (LES) / Função Densidade Filtrada (FDF) Lagrangiana em malha adaptativa, bloco-estruturada. Uma vez que escoamentos com mistura proporcionam fenômenos que podem ser correlacionados com a combustão em escoamentos turbulentos, uma visão global da fenomenologia de mistura foi apresentada e escoamentos fechados, laminar e turbulento, que envolvem mistura de duas espécies químicas inicialmente segregadas foram simulados utilizando o código de desenvolvimento interno AMR3D e o código recentemente desenvolvido FDF Lagrangiana de composição. A primeira etapa deste trabalho consistiu na criação de um modelo computacional de partículas estocásticas em ambiente de processamento distribuído. Isto foi alcançado com a construção de um mapa Lagrangiano paralelo, que pode gerenciar diferentes tipos de elementos lagrangianos, incluindo partículas estocásticas, particulados, sensores e nós computacionais intrínsecos dos métodos Fronteira Imersa e Acompanhamento de Interface. O mapa conecta informações Lagrangianas com a plataforma Euleriana do código AMR3D, no qual equações de trans- porte são resolvidas. O método FDF Lagrangiana de composição realiza cálculos algébricos sobre partículas estocásticas e provê campos de composição estatisticamente equivalentes aos obtidos quando se utiliza o método de Diferenças Finitas para solução de equações diferenciais parciais; a técnica de Monte Carlo foi utilizada para resolver um sistema derivado de equações diferenciais estocásticas (SDE). Os resultados concordaram com os benchmarks, que são simulações baseadas em plataforma de Diferenças Finitas para solução de uma equação de transporte de composição filtrada. This master thesis is part of a wide research project, which aims at developing a com- putational fluid dynamics (CFD) framework able to simulate the physics of multiple-species mixing flows, with chemical reaction and combustion, using a hybrid Large Eddy Simulation (LES) / Lagrangian Filtered Density Function (FDF) method on adaptive, block-structured mesh. Since mixing flows provide phenomena that may be correlated with combustion in turbulent flows, we expose an overview of mixing phenomenology and simulated enclosed, ini- tially segregated two-species mixing flows, at laminar and turbulent states, using the in-house built AMR3D and the developed Lagrangian composition FDF codes. The first step towards this objective consisted of building a computational model of notional particles transport on distributed processing environment. We achieved it constructing a parallel Lagrangian map, which can hold different types of Lagrangian elements, including notional particles, particu- lates, sensors and computational nodes intrinsic to Immersed Boundary and Front Tracking methods. The map connects Lagrangian information with the Eulerian framework of the AMR3D code, in which transport equations are solved. The Lagrangian composition FDF method performs algebraic calculations over an ensemble of notional particles and provides composition fields statistically equivalent to those obtained by Finite Differences numerical solution of partially differential equations (PDE); we applied the Monte Carlo technique to solve a derived system of stochastic differential equations (SDE). The results agreed with the benchmarks, which are simulations based on Finite Differences framework to solve a filtered composition transport equation. Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Sérgio Tonini Button, José Divo Bressan Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A simulação numérica computacional é nos dia de hoje frequentemente aplicada na elaboração de projetos ou análise dos processos de conformação plástica dos metais. A extrusão de metais é um dos principais processos de conformação plástica e largamente aplicado na fabricação de produtos e peças na indústria metal-mecânica. Tradicionalmente, essas análises são feitas utilizando o Método dos Elementos Finitos. Entretanto, há um aumento no interesse dos pesquisadores na utilização do Método dos Volumes Finitos para este fim. A literatura sugere que o escoamento na extrusão de metais pode ser analisado pela formulação do escoamento plástico (flow Formulation). No qual, pode-se assumir como o escoamento de um fluido incompressível e viscoso. Essa hipótese pode ser assumida já que o processo de extrusão é um processo isocórico. O método MacCormack é geralmente aplicado para simular os escoamentos de fluidos compressíveis pelo Método do Volumes Finitos. No escoamento de um fluido incompressível ou no escoamento de metal não existe uma equação para a evolução da variável pressão, sendo necessário a utilização de um método de acoplamento entre a pressão e a velocidade. Este trabalho trata da apresentação de um novo esquema numérico para a determinação de informações sobre o escoamento de um fluido incompressível e viscoso e sobre o escoamento de metal em um processo de extrusão direta, ambos em regime permanente. As equações governantes foram discretizadas pelo Método dos Volume Finitos através do Método de MacCormack explícito para uma malha estruturada e co-localizada. O acoplamento entre a pressão e a velocidade foi feita pelo método SIMPLE. O novo esquema numérico foi aplicado em escoamentos incompressíveis e viscosos para a glicerina e em escoamento de metais em processos de extrusão direta para o chumbo e uma liga de alumínio. O escoamento da glicerina foi avaliado para o caso entre placas paralelas e em dutos circulares sob condição axissimétrica e obtiveram boa concordância em relação ao resultados analíticos. Os campos de velocidades obtidos para a extrusão de metal alcançaram rápida convergência, em torno de 20000 iterações, essa quantidade de iterações foi inferior a quantidade que a glicerina necessitou. Para todos os materiais analisados os resultados numéricos tiveram boa concordância em comparação com resultados analíticos e experimentais obtidas da literatura. O método MacCormack produziu resultados coerentes para o escoamento da glicerina e dos metais sem a necessidade da adição de viscosidade artificial, como sugere a sua definição. Portanto, os resultados numéricos sugerem que o método MacCormack com o SIMPLE pode ser aplicado na resolução de escoamentos de fluidos incompressíveis e na conformação de metais além da sua tradicional aplicação na resolução de escoamentos compressíveis Abstract: Computational numerical simulation is nowadays largely applied in the design and analysis of metal forming process. Extrusion of metals is one main forming process largely applied in the manufacturing of metallic products or parts. Historically, the Finite Element Method has been applied for decades in extrusion analysis. However, recently in the academy, there is a trend to use Finite Volume Method: literature suggests that metal flow by extrusion can be analysed by the flow formulation. Thus, metal flow can be modelled such us an incompressible viscous fluid. This hypothesis can be assumed because extrusion process is an isochoric process. The MacCormack Method is commonly used to simulate compressible fluid flow by the finite volume method. However, metal extrusion and incompressible fluid flow do not present state equations for the evolution of pressure, and therefore, a velocity-pressure coupling method is necessary to obtain a consistent velocity and pressure fields. Present work proposes a new numerical scheme to obtain information about both incompressible viscous fluid flow and metal flow in the extrusion process, in steady state. The governing equations were discretized by Finite Volume Method, using the Explicit MacCormack Method to structured and collocated mesh. The SIMPLE Method was applied to attain pressure-velocity coupling. These new numerical scheme was applied to incompressible viscous fluid flow of glycerine and forward extrusion process of lead and an aluminium alloy. The numerical results for glicerine fluid flow for parallel plates and axisymmetric flow in circular tube cases had quite good agreement in relation to the analytical solutions. The incompressible metal extrusion velocity fields achieved faster convergence than for liquid glycerine after 20.000 iterations and a good agreement with analytical and experimental results obtained from literature. The MacCormack Method applied for both glycerine and metals produced consistent results without the need of artificial viscosity as employed by the compressible flow simulation approaches. Hence, the present numerical results also suggest that MacCormack Method and SIMPLE can be applied in the solution of incompressible fluid flow and metal forming processes in adition to the traditional application for compressible fluid flow Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Elizabete Jordão, Moysés Alberto Navarro Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O escoamento monofásico termicamente estratificado ocorre em tubulações horizontais onde duas camadas diferentes de um mesmo líquido escoam separadamente, sem que ocorra mistura significativa entre as camadas, devido às baixas velocidades e à diferença de densidade (e temperatura). As consequências desse fenômeno não foram consideradas no projeto da maioria das centrais nucleares atualmente em operação. Entretanto, em alguns componentes de centrais nucleares, as diferenças de temperatura podem atingir cerca de 200 °C em uma região bastante estreita nas proximidades da interface entre as camadas de água fria e quente. Nesta condição, as fortes tensões geradas pelas diferenças de dilatação podem comprometer a integridade estrutural e a vida útil de tubulações relacionadas aos sistemas de segurança dessas centrais nucleares. Com o objetivo de estudar o fenômeno da estratificação foi projetada e construída a Instalação de Testes de Estratificação Térmica (ITET), tendo sido realizada uma série de experimentos simulando o bocal de injeção do gerador de vapor de uma central nuclear tipo PWR. Foram estudadas a evolução e as configurações de escoamento em regime de estratificação térmica, assim como a influência do número de Froude nos gradientes de temperatura, na posição da interface entre as camadas de água fria e de água quente e no aparecimento de oscilações desta interface. Os experimentos foram realizados com número de Froude variando de 0,02 a 0,4...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: One phase thermally stratified flows occur when two different layers of the same liquid at different temperatures flow separately in horizontal pipes without appreciable mixing due to the low velocities and difference in density (and temperature). The phenomenon was not considered in the design stage of most of the operating nuclear power plants. However, temperature differences of about 200 °C have been found in a narrow band around the hot and cold water interface in components under stratified flows. Loadings due to this phenomenon affected the integrity of safety related piping systems. The Thermal Stratification Test Facility (ITET), built to allow the experimental simulation of the thermal stratification, is presented so as the results of some experiments simulating one phase thermally stratified flows in geometry and flow condition similar to a nuclear reactor steam generator nozzle. They have the objective of studying the flow configurations and understanding the evolution of the of thermal stratification process. The driving parameter considered to characterize flow under stratified regime due to difference in specific masses is the Froude number. Different Froude numbers, from 0.02 to 0.4, were obtained in different testes by setting injection cold water flow rates and hot water initial temperatures as planned in the test matrix. Results are presented showing the influence of Froude number on the hot and cold water interface position, temperature gradients and striping phenomenon...Note: The complete abstract is available with the full electronic document Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira d'Avila Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Os principais problemas da simulação da fluidodinâmica em sistemas gás-líquido por CFD são as simplificações do comportamento dinâmico das bolhas. Na maioria dos processos industriais com escoamento gás-líquido em colunas de bolhas, as bolhas estão em velocidades altas e a coluna opera em regime heterogêneo. Existe ainda a influência da geometria do sistema e das propriedades físicas dos fluídos envolvidos no processo. Para que a técnica CFD seja aplicada adequadamente, visando aplicações industriais, é necessário considerar os fenômenos de quebra e coalescência. No entanto, existe uma carência de dados experimentais em tal regime de operação para testar a aplicabilidade dos modelos matemáticos empregados nas simulações. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental de duas colunas de bolhas operando em regime heterogêneo. No primeiro caso, foram realizadas análises quanto a influência de diferentes modelos de arraste, além do emprego das forças interfaciais de sustentação e de dispersão turbulenta. Diferentes modelos de turbulência foram também verificados, tomando a fração volumétrica de gás em diferentes posições axiais e velocidade do gás provenientes da literatura. No segundo caso, realizou-se medidas por meio da técnica PIV de velocidades axiais médias da fase líquida e suas flutuações. Análises de intensidade turbulenta, tensores de Reynolds e energia sindética turbulenta foram realizadas, a fim de obter informações acerca da turbulência em três diferentes velocidades superficiais de gás. Para as análises numéricas foi aplicado um modelo matemático tridimensional, turbulento e transiente para a representação do escoamento nas duas colunas utilizadas. Este modelo trata ambas as fases, gás e líquido, a partir de uma abordagem Euleriana. Diferentes distribuições de tamanhos de bolhas foram empregados por meio do balanço populacional considerando os fenômenos de quebra e coalescência. Perfis radiais de fração volumétrica e velocidade de gás, além de perfis de velocidade média de líquido foram confrontados com dados experimentais publicados e medidos respectivamente. O modelo matemático previu um escoamento semelhante aos que foram encontrados nas colunas propostas Abstract: The main problems encountered in the simulation of gas-liquid systems with the use of CFD are related to the simplifications of the bubble dynamic behavior. In most industrial procedures with gas-liquid flown in bubble columns, bubbles are at high speed and the column operates in the heterogeneous regime. There still is the influence of the system's geometry and fluids physical properties involved in the process. For correctly applying the CFD technique, aiming industrial applications, it is necessary to consider the breakup and coalescence phenomena. Nevertheless, there is a lack of experimental data available in this operational regimen to test the feasible application of the mathematical models used in simulations. In this work it is presented a numeric and experimental study of two bubble columns operating in the heterogeneous regime. In the first case, analyses of different drag models, besides the employ of the interfacial forces of lift and turbulent dispersion were performed. Different turbulence models were also verified, taking the gas holdup in different axial positions and gas velocity from literature. In the second case, measurements of mean axial liquid velocities and their fluctuations were performed with the PIV technique. Turbulence intensity, Reynolds stress tensors and turbulent kinetics energy analyses were performed in order to obtain information about the turbulence for three different gas superficial velocities. For the numerical analyses a tridimensional, turbulent and transient mathematical model to represent the flow in the two columns was applied. This model treats both phases, gas and liquid, with an Eulerian approach. Different bubbles size distributions were used by population balance considering the breakup and coalescence phenomena. Gas holdup, gas velocity and mean axial liquid velocity radial profiles were confronted to the published and acquired experimental data respectively. The mathematical model predicted a developed flow similar to those found in the proposed columns Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Submitted by Katia Abreu (katia.abreu@unioeste.br) on 2021-09-20T12:20:38Z No. of bitstreams: 2 Rafael_Graeff_2021.pdf: 4740538 bytes, checksum: 7760f3f11fef0643eb4d318602768773 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2021-09-20T12:20:38Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Rafael_Graeff_2021.pdf: 4740538 bytes, checksum: 7760f3f11fef0643eb4d318602768773 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2021-05-14 Fundação Parque Tecnológico de Itaipu Power transformers are the equipment with the highest added value for the transmission and distribution of electricity. The capacity of the transformer is related to its thermal performance, so that the operating temperature of the windings becomes important parameters to determine the nominal conditions of the equipment and its load limit. The life span of a transformer is directly connected to its thermal profile and its internal insulation, a fact that makes them important parameters for carrying out transformer projects. With the temperature rise, there are variations in the dielectric properties of the materials used in the construction of the equipment and these variations reflect in the electrical support of the transformer and generate areas with greater susceptibility to suffer partial discharges inside the equipment. Thus, this work aims to evaluate the insulation system of a Itaipu power transformer using the losses in full load in the windings as a heat source. The chosen approach is the realization of three-dimensional geometric modeling and numerical simulation by Computational Dynamic Fluid (CDF) and the Finite Element Method (FEM), to consider the internal physical conditions of the transformer. With the results of the simulations, the values of the oil flow velocities, the temperature profiles in the active part and the electric field distributions inside the equipment are obtained. With the knowlegde of these quantities, the impacts generated in the substitution of mineral oil for vegetable oil as the main source of cooling and insulation in the design of this equipment were evaluated and although globally the vegetable oil presents benefits in reducing temperature and the electric field, it was found that is inefficient in reducing the point of higher temperature in this model of power transformer. Transformadores de potência são os equipamentos de maior valor agregado para transmissão e distribuição de energia elétrica. A capacidade do transformador está relacionada ao seu desempenho térmico, de modo que a temperatura de operação dos enrolamentos se tornam parâmetros importantes para determinar as condições para os valores nominais do equipamento e seu limite de carga. A vida útil de um transformador está diretamente conectada ao seu perfil térmico e a sua isolação interna, fato que os tornam parâmetros importantes para realização de projetos de transformadores. Com a elevação da temperatura ocorrem variações das propriedades dielétricas dos materiais utilizados na construção do sistema de isolação do equipamento e essas variações refletem na suportabilidade elétrica do transformador e geram áreas com maior susceptibilidade a sofrerem descargas parciais no interior do equipamento. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar o sistema de isolação de um transformador de potência de Itaipu utilizando como fonte de calor as perdas em carga plena nos enrolamentos. A abordagem escolhida é a realização da modelagem geométrica tridimensional e simulação numérica por Fluido Dinâmica Computacional (CFD) e o Método dos Elementos Finitos (MEF), para considerar as condições físicas internas do transformador. Com os resultados das simulações, obtêm-se os valores das velocidades de escoamento do óleo, os perfis de temperatura na parte ativa e as distribuições de campo elétrico no interior do equipamento. Com o conhecimento destas grandezas foram avaliados os impactos gerados na substituição do óleo mineral por óleo vegetal como principal fonte de resfriamento e isolação no projeto deste equipamento, e ainda que globalmente o óleo vegetal apresente benefícios na redução de temperatura e de campo elétrico observou-se que o mesmo se mostrou ineficiente na redução do ponto de maior temperatura neste modelo de transformador de potência.

Agência 1 A busca por geração sustentável de eletricidade cresce com o aumento da demanda concomitante à consciência da influência humana nas mudanças climáticas. Esse é um marco da transição energética, que objetiva redução dos impactos ambientais e do uso de combustíveis fósseis, mantendo a segurança energética. A eletricidade é uma forma de energia relativamente fácil de ser transportada e transformada, mas que ainda é de difícil acesso por parte da população. Nesse contexto, interessa o desenvolvimento de turbinas hidrocinéticas, que transformam a energia cinética de um escoamento fluvial ou oceânico em potência de eixo e acionam um gerador. Em contraste com turbinas hidráulicas convencionais, essas turbinas não exigem barragens, operam fluxo livre. No trabalho propõe-se, primeiramente, uma classificação em níveis de maturidade tecnológica com definições adaptadas a turbinas hidrocinéticas – esse tipo de classificação tem o objetivo de validação técnica pragmática e redução de custos em projetos de pesquisa de engenharia. A segunda proposta do trabalho é o estudo de caso, em que é feita a modelagem numérica de uma turbina hidrocinética, inicialmente projetada para aplicação fluvial unidirecional, operando em regime de marés com escoamento em dois sentidos intermitentes. Para as simulações foi utilizado o software comercial de fluidodinâmica computacional ANSYS CFX® na solução numérica de grandezas locais e globais para análise da influência do projeto da pá no rendimento da máquina. As turbinas hidrocinéticas podem ser aplicadas a pequenos sistemas para eletrificação de vilarejos, sendo o custo o principal limitante desses projetos; ou a grandes sistemas, geralmente compostos por parques com diversos rotores, cuja viabilidade depende fortemente do rendimento da turbina. Manter a matriz elétrica brasileira predominantemente renovável é um desafio de interesse estratégico para sua sustentabilidade e que gera oportunidades para o fomento do mercado de turbinas hidrocinéticas. Mundialmente essa ainda não é uma tecnologia consolidada, possibilitando o desenvolvimento tecnológico nacional de novos modelos de turbina. An increase in the demand for sustainable electricity generation can be seen as the knowledge about the human influence on global warming expands associated with an increase in the world electricity demand. This characterizes the energy transition, seeking to reduce both environmental impacts and fossil fuels use, while keeping the energy security. It is relatively easy to transport and transform the electrical form of energy, but there is still a lack of access to electricity in many regions around the world. In this context, the development of hydrokinetic turbines can be valuable. This type of turbine transforms the kinetic energy of a river or ocean water flow into shaft power, that starts a generator. In contrast to conventional hydraulic turbomachines, these turbines do not require dams, as they are free flow turbines. To define strategies for the study of hydrokinetic turbines, the steps for classification in Technology Readiness Levels are proposed. This management tool is often used with the aim of technical validation and cost reduction in engineering projects. One study case was also carried out. Numerical modeling was conducted to study a hydrokinetic turbine operating in tidal regime, with flow in two opposite orientations intermittently. The ANSYS CFX® software was used to numerically solve local and global quantities that were used to analyze the blade project influence on the machine efficiency with a computational fluid dynamics approach. Hydrokinetic turbines can be used in small systems for electrification of villages or in farms with many turbines to achieve a higher installed power. In the first example, costs are limiting in the projects, while for large systems the efficiency usually defines the viability. The challenges for sustainable electricity generation increase the opportunities for development of new hydrokinetic turbines market. That can be beneficial to Brazil, the country already has a large participation of renewable sources for electricity generation but has challenges to keep this attribute. Hydrokinetic turbines are not a completely consolidated technology, therefore there is an opportunity for the development of new turbine models.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A verticalização dos grandes centros urbanos é uma tendência arquitetônica e necessidade, visto a escassez de terrenos e o seu alto custo. Enquanto edifícios baixos e pesados não sofrem com os efeitos dinâmicos do vento, edifícios altos, leves e esbeltos enfrentam essa dificuldade. Desta forma, surge a necessidade de aplicação de métodos mais precisos na determinação do carregamento devido ao vento e também na análise dinâmica da estrutura. Neste trabalho analisa-se um edifício alto de seção H. Este tipo de geometria é utilizado por questões arquitetônicas para atender a critérios de ventilação, iluminação e, por vezes, para atender aos coeficientes de aproveitamento e taxa de ocupação. Os códigos normativos normalmente adotam geometrias regulares para a determinação da carga do vento, surgindo assim a necessidade de se buscar meios mais confiáveis, como o ensaio de modelo reduzido em túnel de vento. Neste trabalho, realiza-se o ensaio em modelo computacional por meio de Computational Fluid Dynamics (CFD), validando os resultados comparativamente com dados obtidos em túnel de vento. A carga dinâmica do vento é aplicada pelo método do vento sintético. Determinar a carga do vento é uma etapa do problema, visto que também é necessário a determinação da resposta da estrutura por meio de uma análise dinâmica e entender quais os efeitos que a simplificação da obtenção do carregamento gera no edifício. A análise da estrutura é realizada por meio de elementos finitos e do método Hilber-Hughes-Taylor (HHT) com duração de 30s. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento dinâmico do edifício com seção do tipo H pela ação do vento. Este trabalho apresenta importante contribuição no campo da análise dinâmica, destacando como ocorre as amplificações de deslocamentos e o comportamento da função resposta da estrutura. Para a análise estrutural com incidência de vento a 0º houve redução das respostas, destacando-se os deslocamentos frontais que reduziram 32%. Para 45º, os deslocamentos no topo tiveram uma redução na ordem de 25% na seção H. O caso crítico da análise foi para incidência a 90°, onde os deslocamentos frontais sofreram aumento de aproximadamente 15%, que pode levar a subdimensionamento e consequente a um possível colapso da estrutura. The verticalization of large urban centers is an architectural trend and a necessity, given the scarcity of land and its high cost. While low and heavy buildings do not suffer from the dynamic effects of the wind, tall, light and slender buildings face this difficulty. Thus, there is a need to apply more precise methods in determining the load due to the wind and also in the dynamic analysis of the structure. This work analyzes a tall building of H-shape. This type of geometry is used for architectural reasons to meet the criteria of ventilation, lighting and, sometimes, to meet the utilization coefficients and occupancy rate. Normative standards usually adopt regular geometries for determining the wind load, thus arises the need to seek more reliable means, such as the reduced model test in a wind tunnel. In this work, the computational model test was performed using Computational Fluid Dynamics (CFD), validating the results in comparison with data obtained in a wind tunnel. Dynamic wind load is applied by the Synthetic Wind Method. Determining the wind load is only one step in the problem, since it is also necessary to determine the structure’s response by means of a dynamic analysis and understand what effects the simplification of obtaining the load generates on the building. The structure analysis is performed using Finite Elements Method and the Hilber-Hughes-Taylor (HHT) Method lasting 30s. Thus, the objective of this paper is to evaluate the dynamic behavior of the building with type H-shape by the action of the wind. This work presents an important contribution in the field of dynamic analysis, highlighting how displacement amplifications occur and the behavior of the structure response function. For the structural analysis with incidence of wind at 0º there was a reduction in the responses, highlighting the frontal displacements that reduced 32%. At 45º, the displacements at the top had a reduction in the order of 25% in the H-shape. The critical case of the analysis was for incidence at 90°, where the frontal displacements suffered an increase of approximately 15%, which can lead to underdimensioning and consequent to a possible collapse of the structure.

Orientador: Luiz Otávio Saraiva Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal a implementação do motor de simulação de um framework de simulação com partículas, o motor de simulação utilizará o método DPD (Dissipative Particle Dynamics), baseando-se no paradigma de programação orientada a objeto (POO) e no uso de estruturas de dados otimizadas. O motor de simulação foi escrito em linguagem C++. A concepção do sistema foi realizada de forma a facilitar e promover a reutilização e manutenção do código. Buscou-se, também, a flexibilidade e generalização através do uso da linguagem Python na geração dos arquivos de entrada correspondentes a distribuição espacial das partículas, sendo utilizada a linguagem de marcação XML (eXtensible Markup Language) na estruturação dos arquivos resultantes da simulação. No final, o motor de simulação é avaliado aplicando o problema do fluxo de um fluído entre placas paralelas e o resultado comparado com os resultados obtidos no simulador Hoomd-Blue Abstract: This work aims the implementation of the simulation of a simulation framework with particle engine, the simulation engine will use DPD (Dissipative Particle Dynamics) method, based on the paradigm of object oriented programming (OOP) and use optimized data structures. The simulation engine is written in C language ++. The system design was performed in order to facilitate and promote the reuse and maintainability of the code. Also, we sought flexibility and generalization through the use of Python in the generation of the input files corresponding to the spatial distribution of particles, (eXtensible Markup Language) XML markup being used in structuring the files resulting from the simulation. At the end, the simulation engine is the problem of applying rated flow of a fluid between parallel plates and the result compared with the results obtained in the simulation Hoomd-Blue Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira D'Ávila Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Esta pesquisa tem por objetivo avaliar os resultados numéricos por Fluidodinâmica Computacional (CFD) e experimentais pela técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) e a técnica de Shadow Imaging em uma coluna de bolhas de 1m de altura, 14,5 cm de diâmetro com um distribuidor de gás de 5 furos de 1 mm de diâmetro cada. O sistema estudado foi o sistema bifásico água-ar. O estudo foi realizado no regime homogêneo de operação para as velocidades superficiais de gás de 0,3 cm/s, 0,5 cm/s e 0,7 cm/s. Os experimentos de PIV e shadow imaging foram realizados nas mesmas condições operacionais. Para uma boa representação do escoamento pela técnica de PIV foi necessário o tratamento de 2500 fotos para as velocidades mais baixas e 3500 fotos para a velocidade mais alta. Para a técnica de shadow imaging foi necessário o tratamento de 2000 fotos para a determinação do diâmetro médio das bolhas. Nos testes numéricos foram avaliados dois modelos de arraste, o de Ishii-Zuber (1979) e o de Zhang-Vanderheyden (2002), para a turbulência foi utilizado o modelo k-?, e o diâmetro de bolha utilizado foi o obtido experimentalmente pela técnica de shadow imaging. Perfis de velocidade média axial de líquido obtidos experimentalmente foram comparados com os dados numéricos. Análises dos tensores de Reynolds, energia cinética turbulenta e intensidade turbulenta também foram avaliados. Para a velocidade de 0,3 cm/s e 0,5 cm/s ambos os modelos de arraste representaram bem o escoamento. Para a velocidade de 0,7 cm/s o modelo de arraste de Zhang-Vanderheyden representou melhor o escoamento Abstract: This research aims to evaluate the numerical results from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and experimental results obtained using Particle Image Velocimetry (PIV) and Shadow Imaging in a bubble column of 1m height, diameter of 14,5cm with a gas distributor with 5 holes of 1 mm diameter each one. The system studied was water-air. The study was performed in homogeneous operation regime for the superficial gas velocity of 0.3 cm/s, 0.5 cm/s and 0.7 cm/s. The PIV and shadow imaging experiments were performed under the same operation conditions. For a good flow representation of PIV data it was necessary to treat 2500 photos to the low superficial gas velocities and 3500 photos to the highest superficial gas velocity. For the shadow imaging technique it was necessary to treat 2000 photos for determining the bubble diameters. In the numerical tests two drag models were evaluated: Ishii-Zuber (1979) and Zhang-Vanderheyden (2002); for turbulence the k-? model was used and the bubble diameter used in the simulations was obtained experimentally by the shadow imaging technique. Average axial velocity profiles of fluid obtained experimentally were compared with numerical results. Analysis of Reynolds tensor, turbulent kinetic energy and turbulent intensity were also evaluated. For superficial gas velocities of 0,3 cm/s and 0,5 cm/s both drag models show good agreement with experimental data. For superficial gas velocities of 0,7 cm/s Zhang-Vanderheyden drag model showed better agreement with experimental data Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestra em Engenharia Química