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Orientador: Luiz Fernando Milanez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho é estudado o fenômeno de convecção natural em uma cavidade retangular aquecida pela base e simetricamente resfriada pelos lados. O problema é resolvido numericamente através da formulação de função corrente-vorticidade, sendo adotada a discretização devida à Allen...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Natural convection is studied in a rectangular cavity heated from below and cooled symmetrically from the sides. The problem is solved nummerically using a stream function-vorticity formulation. The convective terms of the equations are treated by means of the Allen discretization scheme...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A transferência de calor conjugada por convecção forçada-condução de dois aquecedores protuberantes montados na parede inferior (substrato) de um duto retangular foi investigada através de medidas experimentais em laboratório. Potência elétrica era dissipada em resistências embutidas nos aquecedores feitos de alumínio, que eram resfriados em regime permanente por um escoamento forçado de ar no duto. Cada aquecedor transferia calor por convecção diretamente das suas superfícies em contato com o escoamento e por condução para a placa do substrato através da interface comum. Esta condução de calor espalhava na placa do substrato e era transferida por convecção da placa para o escoamento de ar no duto. O resfriamento conjugado dos aquecedores na placa de substrato foi descrito por uma matriz de coeficientes conjugados obtidos por meio de testes experimentais realizados com um aquecedor ativo por vez, em uma faixa do número de Reynolds do escoamento entre 1600 e 6400. Foram utilizadas duas montagens experimentais praticamente idênticas, uma com a placa do substrato de acrílico e a outra, de alumínio. O número de Nusselt adiabático, que é um descritor invariante do processo convectivo de troca de calor, também foi avaliado nos testes com o substrato de acrílico. Os coeficientes conjugados obtidos nestes testes foram então utilizados para prever as temperaturas dos aquecedores em testes adicionais com os dois simultaneamente ativos, sob condições variadas de escoamento e aquecimento. A concordância dessas temperaturas indicou que esses coeficientes são descritores invariantes do resfriamento conjugado dos aquecedores discretos no duto. Simulações numéricas do escoamento e da transferência de calor no duto considerado foram efetuadas com o pacote computacional PHOENICS em um domínio tridimensional semelhante ao duto experimental. Os resultados numéricos obtidos foram comparados com as medidas experimentais Abstract: Conjugate heat transfer by forced convection-conduction of two protruding heaters mounted on the lower wall (substrate) of a rectangular duct was investigated through experiments in laboratory. Electric power dissipation in the Aluminum heaters¿ embedded resistances was transferred under steady state conditions to forced airflow in the duct. Heat losses from each heater included direct convection from its surfaces in contact with the airflow and conduction to the substrate plate through their common interface. This heat conduction was spread in the substrate plate and eventually transferred by convection from the plate to the airflow in the duct. The heaters¿ conjugate cooling was described by a conjugate matrix with coefficients obtained from experimental tests with a single active heater at a time, in the range of the airflow Reynolds number from 1,600 to 6,400. Two almost identical assemblies were used, one with a Plexiglas plate and the other with Aluminum. The adiabatic Nusselt number, an invariant descriptor of the convective heat transfer, was also evaluated in the tests with the Plexiglas plate. The conjugate coefficients were used to predict the heaters¿ temperatures from additional tests with both active heaters, for arbitrary airflow rates and heaters¿ power dissipation. An agreement of these temperatures indicated that the conjugate coefficients are invariant descriptors of their conjugate cooling. Numerical CFD simulations were performed using the PHOENICS software in a three dimensional domain similar to the experimental assembly. The numerical results were compared to those of the experiments Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto C. Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Um estudo numérico e experimental da convecção mista numa cavidade anular aberta foi efetuado em regime laminar permanente. A cavidade era constituída por dois cilindros verticais concêntricos, com um espaço anular entre eles. Um escoamento de ar era forçado radialmente para o interior da cavidade junto à sua base, defletido para cima pela parede cilíndrica interna e saía axialmente pela sua seção anular superior. A parede cilíndrica interna era aquecida isotermicamente e a parede cilíndrica externa e a base da cavidade eram isoladas termicamente. Foram ensaiadas experimentalmente três alturas da entrada de ar e dois diâmetros da superficie cilíndrica externa da cavidade, numa faixa de valores dos números de Reynoldse de Rayleigh. Uma simulação numérica das medidas experimentais foi efetuada, a partir da solução das equações de conservação. A concordância dos resultados numéricos de um número de Nusselt definido para a cavidade com os valores experimentais foram melhores para o menor diâmetro da superficie cilindrica externa Abstract: A numerical and experimental study of the mixed convection in an open annular enclosure was performed under steady state conditions and laminar regime. The enclosure was made from two concentric cylinders, with an anular space for an airflow. The airflow was forced radially into the base of the enclosure, was detlected upward by the inner cylinder and exited the enclosure through the upper anular section. The inner cylindrical wall was isothermal and both the outer cylindrical wall and the base of the enclosure were thermally insulated. The experimental tests comprised three distinct heights for the inflow of air and two diameters of the outer cylindrical wall of the enclosure, for a range of the Reynolds and the Rayleigh numbers. A numerical simulation of the experimental tests was performed, from the solution of the conservation equations. The simulated values of a Nusselt number defined for the enclosure were in better agreement with the experimental values for the smaller diameter of the outer cylindrical surface Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Eugenio Spano Rosa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho é realizado uma simulação numérica do escoamento com superficie livre completamente desenvolvido em um canal helicoidal de seção retangular, em regime laminar e turbulento. As equações de conservação foram escritas para um sistema de coordenadas ortogonais locais. O sistema de equações foi discretizado e resolvido pelo método de volumes fmitos com o esquema ln'brido de interpolação, implementados no PHOENICS-CFD. A interface livre é calculada utilizando o algoritmo HOL (Height-Of-Liquid). As simulações numéricas foram realizadas para fluidos com viscosidade de 1 a 100cP e Reynolds de 352 a 45500. A turbulência é modelada com o modelo de duas equações 1(-E para baixo números de Reynolds com uma correção devido ao efeito da curvatura. As simulações mostram que o método utilizado, quando comparado com dados experimentais, calcula satisfatoriamente a localização da interface. Apresenta-se os campos da velocidade média, do escoamento secundário, da energia cinética turbulenta e da dissipação e produção da energia cinética turbulenta. A partir dos resultados numéricos calcula-se o fator de atrito local e médio Abstract: A numerical simulation of the fully developed flow in an open helical channel with rectangular cross section is accomplished, for the laminar and turbulent regime. The conservation equations are written in a local orthogonal coordinate system. The conservation equations are solved by the finite volume method with the hybrid scheme of interpolation, implemented in PHOENICS-CFD. The ftee surface is calculated using the HOL algorithm (Height-Of-Liquid). The numerical simulations were accomplished for fluids with viscosity varying ftom 1 to 100cP and Reynolds ftom 352 to 45500. The turbulence is modeled by two equations k-E model for low Reynolds numbers with a correction due to the effect of the curvature. The numerical results for the tree surface position agrees within :t4 mm against the experimental data. The averaged axial velocity and the secondary flow fields are presented, as well as the turbulent kinetic energyand the dissipation of the turbulent kinetic energy. Finally the local and the averaged ftiction factors are presented. Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcelo Moreira Ganzarolli Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho estuda-se a influência de uma parede formando um canal vertical quando é posicionada frontalmente a uma cavidade aberta. São consideradas duas condições de contorno para a parede posicionada em frente à cavidade: parede isotérmica à temperatura ambiente e parede adiabática. As paredes horizontais da cavidade aberta são adiabáticas e a parede vertical é mantida aquecida. A razão de aspecto da cavidade aberta, B = L/H, assume os valores 0,5, 1,0, 3,0 e 6,0, onde L é a largura e H a altura da cavidade. A faixa do número de Rayleigh estudada é de 103 a 107 e o número de Prandtl foi fixado como 1,0. É feita a análise da influência da razão de aspecto da cavidade e das condições de contorno da parede frontal sobre o valor do número de Nusselt médio, bem como o padrão de escoamento atingido em regime permanente. Para a solução numérica do problema, é empregado o método dos Volumes Finitos para a discretização espacial e o método SOLA para a discretização temporal. O esquema Power-Law é usado na aproximação dos termos convectivos e difusivos. Verifica-se que existem duas regiões distintas no domínio Ra x b/H, onde b/H é a distância adimensional entre as paredes do canal vertical: o escoamento no canal e o escoamento na cavidade. Quando o escoamento no canal está presente, o efeito da condição de contorno da parede frontal sobre o valor do número de Nusselt médio é pequeno. Para o caso do escoamento restrito à cavidade, a condição de contorno da parede frontal passa a ser importante. O aumento da razão de aspecto B para um mesmo número de Rayleigh, sendo Rayleigh < 104, faz com que a convecção se torne cada vez menos importante, assim como a aproximação da parede junto à entrada da cavidade. O método de análise de escala, quando possível, é utilizado na tentativa de melhor explicar os resultados Abstract: In this work the problem of natural convection in a rectangular open cavity with and without the presence of a shrouding wall has been analysed. One vertical wall is heated and the horizontal walls are adiabatic. The other vertical wall is open to the ambient or a fluid reservoir. That is the opening. A shrouding wall is placed in front of this open wall forming a vertical open channel. Two different boundary conditions are analysed for the shrouding wall: isothermal or adiabatic. The aspect ratio effect B = L/H of the open cavity has been defined such as 0.5, 1.0, 3.0 e 6.0, where L is the width and H is the cavity height. The Rayleigh number ranged from 103 to 107 and the Prandtl number was mantained at 1.0. The influence of the aspect ratio of the cavity and the boundary conditions of the shrouding wall on the Nusselt number is analysed, and the flow pattern under steady state conditions is determined. The numerical solution of the Navier-Stokes equations have been obtained using the Finite Volume Method for the spatial discretization, and the SOLA method for the time discretization. The Power-Law scheme was used to obtain the convective and diffusive terms of the Navier-Stokes and Energy equations. There are two distincts regions in the Ra x b/H domain, where b/H is the dimensionless distance between the vertical walls of the channel: the channel flow and the cavity flow. When the flow is present in the channel, the effect of the boundary condition on the shrouding wall on the average Nusselt number is small. For the flow restricted into the cavity, the boundary condition on the shrouding wall becomes important. When the aspect ratio B increases and the Rayleigh number is little than 104, the convection becomes less important. The same occurs when the shrouding wall is too close from the opening. The scale analysis method is used to clarify the results when possible Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador : Jose Ricardo Figueiredo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um algoritmo para a solução das equações de NavierStokes bidimensionais em variáveis primitivas, empregando o método de resolução semi-implícito descrito por HIRT et al.(1975). Foi utilizada malha deslocada (tipo MAC) regular, em coordenadas cartesianas. As equações de Navier-Stokes foram escritas nas formas divergente econvectiva, cujos desempenhos foram comparados no problema da cavidade quadrada com parede superior em movimento, para números de Reynolds entre 100 e 3200. Para a forma divergente foi utilizado o método dos volumes finitos e quatro esquemas de discretÍzação: central, linear a montante, QUICK, e exponencial. Para a forma convectiva foi utilizado o método das diferenças finitas e o esquema central. Os resultados foram comparados com os de GmA et alo (1982), indicando a superioridade do esquema central divergente sobre o convectivo, bem como a superioridade dos esquemas QUICK e central sobre os esquemas exponencial e linear a montante. Foi estudado o problema da região de entrada em canais planos, com contração abrupta, considerando dois casos: a região de entrada de um canal plano a partir de um reservatório de grandes dimensões, que pode ser considerado um caso de contração plana com razão de contração infinita e o caso de razão de contração finita 2: 1. Para o caso da razão de contração finita, resultados obtidos para números de Reynolds entre 10 e 426, foram comparados com os dados experimentais de DURST et aI. (1985). Os resultados obtidos mostraram que entre os quatro esquemas de discretização utilizados os que se mostraram mais confiáveis e acurados para este problema foram os esquemas QUICK e exponencial. Encontramos diferenças significativas entre os dados experimentais e os dados obtidos pelo algoritmo em tomo do plano de contração, que foram atribuídos aos erros experimentais que apontaram diferenças de até 10% nos fluxos de massa. Para o caso da razão de contração infinita foi utilizada a solução do escoamento de Jeffery-Hame1, como condição de contorno não trivial para a região de entrada. Resultados obtidos para números de Reynolds 100, 200 e 400, mostraram-se qualitativamente compatíveis com a descrição de PANTON (1984) Abstract: An algorithm for the two-dimensional solution of the Navier-Stokes equations was developed in primitive variables employing the partially implicit method described by HIRT et al (1975). A regular staggered MAC mesh was used in cartesians coordinates. The Navier-Stokes equations were written in both divergent and convective forms, whose performance were compared in the problem of the moving slid square cavity for Reynolds numbers between 100 and 3200. The finite volume method was adopted for the divergent form using four discretization schemes: central differencing, upwind, QUICK and exponential. The finite difference method was adopted for the convective form using the central differencing. The results were compared with those due to GHIA et al (1982), indicating the superior performance of the divergent form central differencing over its convective counterpart, as well as the superior performance of the QUICK and the central differencing over the exponential and the upwind schemes. The problem of the entrance region in plane channels with abrupt contraction was studied considering two cases: the entrance region of the channel after a huge reservoir, which can be considered as a plane contraction of infinite ratio, and the case of a contraction with the finite ratio 2:1. For the case of contraction with results obtained with Reynolds number between 10 and 426 were compared with the experimental data due to DURST et al (1985). The results obtained indicated that the schemes QU1CK and exponential the most accurate and reliable for this problem. Significant differences with the experimental data were obtained around the plane of contraction, which were attributed to the experimental errors which have shown differences up to 10% in the mass flow rates. For the contraction with infinite ratio the Jeffery-Hamel solution was imposed as non-trivial boundary condition in the entrance. Results obtained for Reynolds numbers 100, 200 and 400 were qualitatively compatible with the description of PANTON (1984) Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A transferência de calor conjugada por convecção forçada e condução de três aquecedores 2D montados rentes ou protuberantes na placa inferior (substrato) de um canal de placas paralelas foi investigada numericamente em regime permanente. Uma taxa uniforme de geração de calor foi assumida em cada aquecedor e seu resfriamento ocorreu por meio de um escoamento forçado de ar com propriedades constantes em regime laminar. Na entrada do canal, os perfis de velocidade e de temperatura do escoamento eram uniformes. Este problema está relacionado ao resfriamento de componentes eletrônicos montados numa placa de circuito impresso. Para um substrato adiabático, o resfriamento dos aquecedores ocorre apenas por convecção forçada. Para um substrato condutivo, dois mecanismos para a transferência de calor dos aquecedores para o escoamento fluido foram considerados. Um, por convecção forçada, diretamente das superfícies dos aquecedores em contato com o escoamento e outro, por condução através das interfaces substrato-aquecedor. As equações de conservação foram resolvidas dentro de um domínio único, que englobou as regiões sólidas e de fluido, através de um procedimento acoplado. Nesta Tese foi proposto um descritor invariante do processo conjugado de transferência de calor por convecção forçada e condução, por meio de coeficientes de influência conjugados g+, agrupados numa matriz quadrada G+. Com este descritor, a temperatura de cada aquecedor foi determinada a partir de taxas arbitrárias de geração de calor nos aquecedores. Os resultados foram obtidos para números de Reynolds na faixa de 600 a 1900, correspondendo a velocidades médias de entrada do ar no canal na faixa de 0,5 m/s a 1,5 m/s. Os efeitos da razão entre a condutividade térmica do substrato e a do ar foram estudados na faixa de 0 (substrato adiabático) a 80, uma faixa típica de materiais de circuito impresso. A altura dos aquecedores variou entre 0 (aquecedores rentes) e 35% em relação à altura do canal, sendo que em todos os casos o aquecedor possuía uma condutividade térmica 500 vezes maior do que a do ar. Abstract: The conjugate heat transfer by forced convection and conduction from three 2D heaters either flush mounted or protruding from the lower plate (substrate) of a parallel plates channel was investigated numerically under steady state conditions. A uniform heat generation rate was assumed in each heater and the cooling was performed by means of a forced air flow with constant properties in the laminar regime. At the channel entrance the flow velocity and temperature profiles were assumed uniform. This problem is related to the cooling of electronic components mounted on a circuit board. For an adiabatic substrate, the heaters are cooled only by forced convection. For a conductive substrate, two mechanisms were considered for the heat transfer from the heaters to the fluid flow. One, by forced convection, directly from the heaters surfaces in contact with the flow, and the other, by conduction through the heaters-substrate interfaces. The conservation equations were solved through a coupled procedure within a single calculation domain comprising the solid and fluid regions. In this Thesis an invariant descriptor of the conjugate forced convection and conduction heat transfer was proposed by means of conjugate influence coefficients g+ which were grouped in a square matrix G+. With this descriptor, the temperature of each heater was obtained from an arbitrary distribution of the heat generation rate in the heaters. The results were obtained for Reynolds numbers Re in the range from 600 to 1900, corresponding to average air velocities in the channel entrance from 0.5 m/s to 1.5 m/s. The ratio of the substrate plate thermal conductivity relative to that of the air was considered in the range from 0 (adiabatic substrate) to 80, typical of printed circuit boards. The heaters' height in the channel ranged from 0 (flush mounted) to 35 % of the channel height, while their thermal conductivity was always assumed equal to 500 that of the air. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Uma análise foi desenvolvida para avaliar o desempenho de trocadores de calor compactos de correntes cruzadas de placas aletadas com canais de seção transversal arbitrária. Os coeficientes convectivo e de atrito foram obtidos através de simulação numérica, tanto no regime de escoamento laminar quanto no turbulento, utilizando o pacote computacional PHOENICS. Estes resultados foram então usados junto com o método da efetividade para avaliar as características térmicas e de escoamento do trocador de calor. As simulações foram efetuadas inicialmente para o escoamento e a transferência de calor entre duas placas placa paralelas isotérmicas e bastante próximas, porque os resultados podiam ser comparados com aqueles disponíveis na literatura. Resultados numéricos adicionais foram obtidos, em seguida, para seis dutos de paredes isotérmicas com seções transversais distintas. Um deles era um duto retangular, e os outros cinco eram passagens típicas de placas aletadas utilizadas em trocadores de calor compactos. O fluido de trabalho era o ar e as simulações foram tridimensionais devido à presença das paredes das aletas. Perfis uniformes de velocidade e de temperatura sempre foram utilizados na entrada dos dutos, de forma que os resultados refletem os efeitos combinados de entrada hidrodinâmica e térmica. Os resultados para o duto retangular e o método da efetividade foram utilizados para prever o desempenho térmico de um trocador de calor de correntes cruzadas composto por um empilhamento de dutos retangulares idênticos. O desempenho deste trocador de calor foi avaliado também por uma simulação direta do escoamento cruzado e da transferência de calor através da parede de separação de dois dutos retangulares adjacentes do empilhamento. Os resultados obtidos foram bastante semelhantes, fornecendo confiança para a análise anterior. As simulações efetuadas para os cinco dutos típicos de placas aletadas de dimensões pequenas apresentaram resultados similares aos valores experimentais obtidos da literatura. Eles foram utilizados para avaliar o desempenho de trocadores de calor compactos de correntes cruzadas compostos por empilhamentos destas placas aletadas. Vários parâmetros como o volume total, o peso, a potência de bombeamento, a efetividade, a taxa de geração adimensional de entropia, e a eficiência exergética também foram avaliados para comparar os trocadores compactos de calor considerados Abstract: An analysis was developed to evaluate the performance of cross flow compact heat exchangers with plate-fin passages of arbitrary cross section. The convective and the friction coefficients were obtained by numerical simulation, either in the laminar or the turbulent flow regimes, using the software PHOENICS. These results were then employed together with the effectiveness method to evaluate the heat exchanger thermal and flow characteristics. The simulations were performed initially for the flow and heat transfer between two closely spaced parallel isothermal plates, because the results could be compared with those available in the literature. Additional numerical results were obtained, next, for six isothermal wall ducts with distinct cross sections. One was a rectangular duct, and the other five were typical plate-fin passages employed in compact heat exchangers. The working fluid was air and the simulations were three dimensional due to the fins walls. Uniform velocity and temperature profiles were always assumed at the duct inlet, so that the results reflected the combined effects of hydrodynamic and thermal entrance. The results for the rectangular duct and the effectiveness method were employed to predict the thermal performance of a cross flow heat exchanger made from a stack of identical rectangular ducts. The performance of this heat exchanger was also evaluated by a direct simulation of the cross flow and the heat transfer through the separating wall of two adjacent rectangular ducts of the stack. The results compared favorably, lending confidence to the previous analysis. The simulations performed for the five typical plate-fin passages of small cross section presented results similar to the experimental values obtained from the literature. They were used to evaluate the performance of cross flow compact heat exchangers composed of stacks of these plate-fins. Several parameters like total volume, weight, pumping power, effectiveness, rate of dimensionless entropy generation, and exergetic efficiency were also evaluated to compare the distinct compact heat exchangers Doutorado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

CAPES A bomba centrífuga submersa (BCS) é utilizada na indústria do petróleo como uma técnica de elevação artificial. Entretanto, o bombeamento de petróleo está associado a escoamentos de óleo de diferentes viscosidades. Esta condição leva a degradação do desempenho em relação à operação com água, na qual a bomba é originalmente projetada. Neste cenário no presente trabalho é desenvolvido um estudo numérico do escoamento em três estágios de duas BCSs semi-axiais. As equações transientes da conservação da massa e do balanço da quantidade de movimento, que modelam o escoamento nas BCSs, são resolvidas numericamente utilizando o programa computacional comercial Ansys-CFX. A turbulência do escoamento foi modelada utilizando o modelo SST. Os resultados numéricos obtidos foram comparados contra dados experimentais e de catálogo mostrando uma boa concordância, para uma grande faixa de viscosidades e rotações. Grupos adimensionais (n, n, n e Re) foram usados para avaliar a degradação do desempenho das BCSs. Além disso, os fenômenos envolvidos no escoamento no interior do rotor das bombas centrífugas foram analisados através dos campos de velocidade obtidos numericamente. A partir dos resultados numéricos foi verificado que a degradação do desempenho é diretamente relacionada com o número de Reynolds de rotação, Re. Também, observou-se que a degradação do desempenho ocorre para uma rotação específica normalizada constante n, no qual bombas de diferentes geometrias apresentaram degradação do desempenho similar. Além disso, dados experimentais e os resultados numéricos obtidos foram consistentes quando comparados com a relação entre os fatores de correção para a vazão e altura de elevação propostas por Stepanoff (1967). Uma definição de número de Reynolds modificado foi proposta e relaciona o fator de correção para altura de elevação com a viscosidade. Além disso, uma correlação entre o fator de correção para altura de elevação e o número de Reynolds modificado foi proposta, apresentando boa concordância. A partir das correlações obtidas, foi proposto um método para prever o desempenho de bombas centrífugas operando com fluidos de alta viscosidade, sendo comparado com outras metodologias encontradas na literatura. Certamente, as informações extraídas são relevantes para o entendimento do escoamento de fluidos de alta viscosidade em bombas, especialmente em BCSs semi-axiais de múltiplos estágios. Electrical Submersible Pump (ESP) is used as an artificial lift technique. However, pumping viscous oil is generally associated with low Reynolds number flows. This condition leads to a performance degradation respect to the performance expected from the regular operation with water that most of the centrifugal pumps are originally designed for. These issues are considered in this investigation through a numerical study of the flow in two different multistage, semi-axial type ESPs. This investigation is carried out numerically using a Computational Fluid Dynamics (CFD) package, where the transient RANS equations are solved numerically. The turbulence is modeled using the SST model. Head curves for several operating conditions are compared with manufacturer’s curves and experimental data for a three-stage ESP, showing good agreement for a wide range of fluid viscosities and rotational speeds. Dimensionless numbers (n, n, n e Re) are used to investigate performance degradation of the ESPs. In addition, flow phenomena through the impellers of the ESPs are investigated using flow field from numerical results. Results show that performance degradation is directly related to rotational Reynolds number, Re. In addition, it was verified that performance degradation occurs for constant normalized specific speedn, which shows that performance degradation occurs similarly for different centrifugal pumps. Moreover, experimental data and numerical results agreed with a correlation from literature between head and flow correction factors proposed by Stepanoff (1967). A definition of modified Reynolds number was proposed and relates the head correction factor to viscosity. A correlation between head correction factor and the modified Reynolds number was proposed, which agreed well with numerical and experimental data. Then, a method to predict performance degradation based on the previous correlations was proposed. This method was compared with others from literature. In general, results and conclusions from this work can also be useful to bring more information about the flow of highly viscous fluids in pumps, especially in semi-axial, multistage ESPs.

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Os dissipadores térmicos de placas paralelas com entrada de topo e saída lateral constituem uma alternativa para intensificar a remoção da potência elétrica dissipada em microprocessadores. Neste trabalho, três dissipadores térmicos de placas paralelas foram construídos e testados com escoamento variável de ar sob condições de entrada de topo e saída lateral. Os resultados experimentais foram comparados com correlações da literatura e com resultados de simulações numéricas tridimensionais. Após a validação com os resultados experimentais, o modelo numérico foi utilizado num procedimento para obter o número de aletas do dissipador para a máxima troca térmica convectiva. Dois casos foram considerados, um deles baseado numa velocidade média do ar constante na entrada do dissipador, e o outro, numa relação linear da curva de operação de um ventilador Abstract: The parallel plates heat sinks with top inlet and side exit constitute an enhanced heat transfer alternative for the local removal of electric power dissipation in microprocessors. In the present work, three parallel plates heat sinks were built and tested with variable airflow under the conditions of top inlet and side exit. The experimental results were compared with correlations from the literature and with results from three-dimensional numerical simulations. After the validation with the experimental results, the numeric model was used in an optimization procedure to obtain the heat sink number of fins for the maximum convective heat transfer. Two cases were considered, one based on a constant average inlet air velocity, and the other, on an assumed linear fan curve Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Um modelo compacto foi utilizado para prever a perda de carga e a resistência térmica convectiva de dissipadores de calor com aletas retas. Eles foram montados num duto retangular nas configurações sem folga, com folga lateral, de topo ou folga combinada. As predições do modelo compacto foram comparadas com medidas experimentais. Foi efetuada uma montagem experimental onde foram ensaiados três dissipadores com escoamento forçado de ar. A seção do duto retangular foi ajustada de forma a permitir as regiões de folga. Nas configurações com folga, parte do escoamento de ar escoa através dos canais formados pelas aletas e o restante sofre desvios para as regiões de folga. Em cada um desses ramos paralelos do escoamento, a perda de carga é a mesma e pode ser determinada através do método compacto utilizado. Este método foi baseado em correlações apropriadas para diversos mecanismos de perda de carga e gera um sistema de equações algébricas não lineares. Este sistema foi resolvido através de um método iterativo de solução, baseado no algoritmo SIMPLE. Os resultados obtidos com o modelo compacto foram comparados com os testes experimentais efetuados neste trabalho e com dados a literatura. Conhecendo o escoamento através dos canais aletados do dissipador, o modelo utilizado pode calcular a sua resistência convectiva com correlações de transferência de calor. Esse valor foi comparado com medidas experimentais efetuadas num dissipador de alumínio. Nestes testes, um aquecedor elétrico foi colado na face inferior da base do dissipador. O aquecedor era menor que a base e por isso a sua resistência térmica até a face convectiva era composta por uma parcela condutiva e outra de espalhamento. Com base em trabalhos da literatura, valores estimados desta resistência foram calculados e comparados com as medidas experimentais Abstract: A compact model to predict the pressure drop and convective thermal resistance of finned heat sinks was used. Configurations without bypass area, with lateral bypass and combined bypass were considered. Comparisons between solutions obtained from compact model with those from experimental procedures, using three heat sinks under forced airflow, were performed. The duct transversal area was set in a way to observe the bypass regions. In configurations with bypass part of the air flows between the fins and the remaining air flow goes through the bypass regions. The pressure drop, which is constant in this case, can be determined via the compact model, based on correlations represented by a non-linear algebraic equations system solved by using SIMPLE algorithm. Experimental results presented in this work were compared with both compact model and the literature. Knowing the airflow through the finned of the heat sink, the presented model can calculate its convective resistance using correlations of heat transference. This value was compared with effected experimental measures in an aluminum heat sink. In those tests, an electric heater was glue in the inferior face of the base of the heat sink. The heater was shorter than the base, therefore its thermal resistance in the convective face was composed by two parcels, one due to conduction and the other related to spreading. Values of this thermal resistance based on literature, were calculated and compared with experimental data Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Eugenio Spano Rosa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A literatura especializada em escoamentos é rica em trabalhos experimentais e numéricos sobre escoamentos forçados em dutos curvos e helicoidais. No entanto não foi encontrado pelo autor dados experimentais ou numéricos sobre escoamentos em canais helicoidais com superficie livre. O presente trabalho realizou uma série de 18 testes experimentais, utilizando dois canais diferentes e quatro fluidos de trabalho, mediu a posição da interface e a vazão em cada escoamento e estimou a velocidade média e o fator de atrito correspondente. Variando a curvatura e a torção do canal, a densidade, viscosidade e vazão dos fluidos de trabalho obteve uma variação do número de Reynolds, Re, de 45 100000 caracterizando escoamentos tanto larninares quanto turbulentos. Baseados nos resultados experimentais propôs uma correlação para a razão entre o fator de atrito calculado e o fator de atrito para tubo reto, felf" baseado no número de Dean, De. A técnica de medição mostrou-se adequada para o escoamentos em canais helicoidais principalmente com altos valores de Reynolds. A forma da interface mostrou-se muito mais inclinada nos escoamentos turbulentos do que nos escoamentos laminares. A correlação para o fator de atrito mostrou boa concordância com os dados experimentais. Para todos os casos a correlação apontou fclf;; > 1, que está de acordo com o efeito provocado pela curvatura do canal Abstract: The specialized literature in fluid flow has many numeric and experimental works on forced fluid flow in curved and helical ducts. The author has not found any experimental or numerical data in helical channels fluid flow with free surface. The present work accomplished a 18 experimental tests, using two different helical channels and four different fluids, it measured the interface position at each test and estimated the average of velocity and the friction factor at each test. Varying the curvature and the torsion channel, density, viscosity and flow rate of the fluids it was obtained a Reynolds number ranging ITom 45 to 100000 characterizing 9 laminar flow tests and 9 turbulent flow tests. Using the experimental results it was proposed a correlation for ratio between the calculated friction factor and the friction factor for straight tube, fc/fs, based on the Dean number, De. The measurement technique has shown to be adequate for the fluid flow in helical channels mainly to the flows with high Reynolds number. The obtained interface shape was very more inclined in turbulent flows than in laminar flow. The friction factor correlation is in good agreement with experimental results. For all the cases a fc/fs> 1 appeared, that is in agreement with the effect provoked by the channel curvature Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica