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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.

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