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Two-phase flows in oil reservoirs can be modeled by a coupled system of elliptic and hyperbolic partial differential equations. The transport velocity of the multiphase fluid system is related to the pressure through Darcy’s law and it is coupled to a conservation law for the saturation variable of one of the phases. A time step of the classical IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) method consists of first solving the elliptic problem for pressure and Darcy velocity, and then updating the saturation with an explicit numerical scheme for conservation laws. This method is very computationally costly, since the time-consuming elliptic solver must be invoked at time intervals defined by the stability limit of the hyperbolic solver. A popular variant is not to update the velocity at all hyperbolic time steps, but to skip a fixed number C of them, with C determined by the user. In this work we propose a more accurate and systematic procedure for time stepping in IMPES codes. The velocity is updated at all transport time steps, though the elliptic solver is only invoked every C steps. In the time steps at which the elliptic problem is not solved, the velocity is extrapolated from previously computed values with polynomials of high degree. Further, we introduce an error estimator that allows for the number C to be adaptively determined without user intervention. The algorithm was tested in several relevant benchmark problems. This allowed for the optimization of its parameters and comparisons with previous variants. The results show that the proposed algorithm is very stable, reliable and time-cost effective. It is also easily implemented in pre-existent IMPES codes.

Orientador: Fabiano Fruett Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Neste trabalho, projetamos, fabricamos e caracterizamos um sistema de detecção de fluidos que pode ser vestível. Os eletrodos deste sistema são baseados na tecnologia, madura, de sensores de toque capacitivos. Os eletrodos são fabricados com material flexível de baixo custo. A construção dos eletrodos foi realizada com fitas de cobre adesivas, permitindo assim que sejam montadas em dispositivos vestíveis. O circuito de condicionamento de sinais é baseado em um microcontrolador de 8 bits, EFM8SB1 da Silicon Labs©. Este microcontrolador possui um periférico de leitura capacitiva embarcado. Neste trabalho, desenvolvemos um firmware para o microcontrolador e um software, em Python, para realizar o pós-processamento e a interface homem máquina através de um computador de placa única. Os resultados experimentais mostraram que foi possível detectar a presença de fluidos, principalmente água, em quantidade de mililitros. O sistema possui uma interface que possibilita a medida, em tempo real e simultaneamente até 6 eletrodos sensores, permitindo ser expandido. Além disso, os resultados são armazenados em um arquivo texto que permite a geração de relatórios. Com este sistema de detecção foi possível analisar a dinâmica de espalhamento do fluído sobre superfícies, criando assim uma ferramenta valiosa para o estudo da mecânica da difusão de fluidos sobre diferentes superfícies Abstract: In this work, it was designed, fabricated, and characterized a wearable fluid detection system. The electrodes in this system were based on the mature capacitive touch sensor technology. The electrodes were made of low-cost flexible materials. Their construction was carried out with adhesive copper tapes, thus allowing them to be mounted on wearable devices. The signal conditioning circuit was based on the Silicon Labs© EFM8SB1 8-bit microcontroller. This microcontroller has an embedded capacitive readout peripheral. In this work, we developed a firmware for the microcontroller and a software, in Python, to perform the post-processing and the human-machine interface through a single-board computer. The experimental results showed that it was possible to detect the presence of fluids, mainly water, in milliliters. The system has an interface allowing real-time measurements, of up to 6 sensor electrodes at the same time, allowing it to be expanded. Furthermore, the results are stored in a text file allowing generation of reports. With this detection system it was possible to analyze the dynamics of fluid scattering over surfaces, thus creating a valuable tool for the mechanics of fluid diffusion over different surfaces studies Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestre em Engenharia Elétrica CAPES 88887.470249/2019-00

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022. A solução das equações de conservação da quantidade de movimento juntamente com a equação de conservação de massa para escoamentos incompressíveis desempenha um papel importante na Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Numerosos estudos têm mostrado diferentes formas de lidar com o acoplamento pressão-velocidade inerente a este conjunto de equações usando métodos segregados de solução e variáveis co-localizadas. Está bem documentado que o checkerboard problem surge quando o arranjo de variáveis co-localizado é usado, uma vez que as velocidades nodais não estão localizadas onde são necessárias para o balanço de conservação de massa. Assim, vários esquemas de estabilização são relatados na literatura com o objetivo de prevenir os campos de pressão oscilatórios. Não está claro, no entanto, se esses esquemas de estabilização são realmente necessários, ao contrário de uma simples média para a velocidade nodal (CDS), se o sistema for resolvido simultaneamente. As representações discretas das equações de conservação foram obtidas através do método tradicional de Volumes Finitos (FVM) e do método de Volumes Finitos Baseado em Elementos (EbFVM), que permitiu a utilização de malhas não-estruturadas. É também relatado na literatura a ajuda que a introdução da pressão na equação de conservação de massa exerce, evitando uma diagonal com zeros no sistema de equação linear, sobre a solução do sistema linear. Este estudo trata da análise do uso de médias ponderadas das velocidades nodais ou de um esquema de estabilização para o cálculo das velocidades advectantes (fluxo de massa) em conjunto com a solução simultânea. Para a análise, como protótipo de um esquema de estabilização, é utilizado o Physical Influence Scheme (PIS). O problema da cavidade quadrada com tampa móvel bidimensional, com malhas estruturadas e não-estruturadas um benchmark amplamente conhecido, foi usado. Os resultados mostram uma boa concordância dos campos de velocidade utilizando média das velocidades nodais (CDS) para o cálculo da velocidade advectiva. Os resultados também foram comparados com o arranjo desencontrado, pois é o melhor esquema de estabilização possível, por eliminar as espúrias oscilações de pressões. Abstract: The solution of the momentum equations coupled with the continuity equation in conjunction with incompressible fluid fow plays an important role in the Computational Fluid Dynamics (CFD). Several studies have shown different approaches to deal with the pressure-velocity coupling inherent to these set of equations while using segregated methods of solution and collocated variables. It is well documented that the pressure checkerboard problem arises when the collocated variable arrangement is used, since the nodal velocities are not located where they are need for the mass conservation balance. Thus, several stabilization schemes are reported in the literature with the purpose of preventing the oscillatory pressure fields. It is not clear, however, if these stabilization schemes are really needed, opposed to a simple nodal averaging velocity (CDS), if the system is solved simultaneously. The discrete representations of the equations of conservation were obtained through the traditional Finite Volume Method (FVM) and the Element-based Finite Volume method (EbFVM), which allowed the use of unstructured meshes. It is fully reported in the literature the need of introducing the pressure in the mass conservation equation to avoid a zero diagonal in the linear system of equation. This study deals with the analysis of using weighted average of nodal velocities or a stabilization scheme for calculating the advecting velocity (mass flow) in conjunction with simultaneous solution. For the analysis, as prototype of a stabilization scheme, the Physical Influence Scheme (PIS) is used. The two-dimensional lid-driven cavity flow problem, a widely known benchmark, was used. The results shows a good agreement of the velocity fields using average nodal velocities (CDS) for the calculation of the advecting velocities. The results were also compared with the staggered grid arrangement, known for eliminating the spurious pressure oscillations.

Orientador : Carlos Alberto Gasparetto Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: Neste trabalho foi abordado o escoamento laminar com transferência de calor em regime permanente, no interior de tubos cilíndricos, para fluidos não-newtonianos do tipo pseudoplástico e dilatante. Os fluidos utilizados foram soluções poliméricas de amido de milho modificado, K-carragena e goma xantana, cujas características reológicas foram determinadas em reômetro de cilindros concêntricos. O comportamento desses fluidos é descrito pelo modelo de Ostwald-de Waele e é do tipo: t = K ? n sendo que o parâmetro material K, índice de consistência, apresentou uma dependência da temperatura conforme a equação: K = K' exp [b(T-T')] Os casos tratados abrangem uma faixa 0,0262=Gz*= 0,324 e foram resolvidos pelo método das diferenças finitas e experimentalmente. O problema de transferência de calor tem como condição inicial o escoamento plenamente desenvolvido com temperatura uniforme. As condições de contorno adotadas foram: temperatura da parede constante e fluxo de calor no centro do tubo igual a zero. Foram desprezadas a dissipação viscosa e a condução de calor na direção axial. Os resultados da modelagem para a hidrodinâmica e coeficientes de transferência de calor em escoamentos não-isoviscosos podem ser aplicados de forma prática e rápida para os casos de transferência de calor de interesse prático Abstract: This work deals with steady state laminar flow with heat which transfer through cylindrical ducts of non-Newtonian fluids are of pseudoplastic and dilatant type. The fluids employed were polimeric solutions of modified corn starch, K-carragena and Xantana gum. Their rheological cylinders characteristics were determined in a concentric rheometer. The behaviour of the fluids is described by the Ostwald-de-Waele model and is of the type: t = ? n where the material parameter K, index of consistency, presented a temperature dependence according to K = K' exp [b(T-T')] The cases under study are in the range of 0,0262=Gz*= 0,324 and were solved both by finite difference method and experimentally. The heat transfer problem considers the initial condition of fully developed flow, with uniform temperature. The boundary conditions are: constant temperature at the tube wall and zero thermal flux at the center of the tube. Viscous dissipation and axial heat conduction were not considered. The modelling for the hydrodynamics and heat transfer coefficients in non-isoviscous flow can fast and easily be applied to practical situations of heat transfer Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: José Gilberto Dalfré Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: A presença de ar aprisionado no interior da tubulação de água pode levar a operação irregular ou, até mesmo, danos aos sistemas de abastecimento de água e seus componentes. A presença de ar aprisionado pode ocorrer durante o funcionamento regular, ou quando os sistemas de bombeamento estão em operação. A formação de bolsões de ar pode produzir o fenômeno do golpe de aríete, instabilidade e perda de pressão nas redes de abastecimento de água. A fim de evitar a sua formação, todo o ar preso deve ser removido, seja através de remoção mecânica por válvulas de ar ou remoção hidráulica (deslocamento do ar com o escoamento). No Brasil, as indústrias de válvulas de ar, muitas vezes, não possuem caracterização adequada destas válvulas, ou seja, as características das válvulas (geométrica, mecânica, hidráulica e dinâmica) devem ser determinadas. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma bancada de testes para ensaios de válvulas ventosas e testar estas válvulas em ensaios dinâmicos, caracterizando-as. A bancada experimental mostrou-se eficiente para os ensaios de válvulas ventosas. Os resultados dos ensaios dinâmicos das válvulas podem contribuir para que um sistema hidráulico passe a operar de uma maneira segura, diminuindo os riscos associados aos eventuais fenômenos transitórios, além de servir como referência para futuros projetos de sistemas de abastecimento. Foi confirmado que, além das curvas características em condição estática, as curvas características em condição dinâmica também devem ser analisadas, pois apresentam características de funcionamento distinto Abstract: The presence of trapped air inside the water pipelines can lead to irregular operation or even damage the water supply systems and their components. The presence of trapped air can occur during regular operation, or while pumping systems are in operation. The formation of air pockets can produce the phenomenon of water hammer, instability and loss of pressure in water supply systems. In order to prevent its formation, all the trapped air must be removed, either by mechanical removal through air valves or hydraulic removal (by displacement of the air flow). In Brazil, industries of air valves, many times, do not possess proper characterizations of the air valves. To achieve this, all the characteristics of the valve (geometric, mechanic, hydraulic and dynamic) should be determined. This study developed a test bench for testing the air valves, characterizing them. The bench was efficient for testing and the results of the dynamic tests can contribute to operate a hydraulic system in a safe manner, reducing the risks associated with possible transient phenomena, besides serving as a reference for future projects of water supply systems. It was confirmed that, in addition to the characteristic curves in static condition, the characteristic curves in dynamic condition must also be considered, since they show different operating characteristics Mestrado Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais Mestre em Engenharia Civil

Orientador: Leonardo Goldstein Jr Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho consistiu no desenvolvimento de um reator de leito fluidizado circulante, para operar nas codições de fluidização rápida, visando sua utilização em processo de combustão de carvão mineral com remoção do 802' pela adição de calcário. o desenvolvimento desse estudo foi realizado em três etapas. A primeira se constituiu no levantamento e análise dos processos de desulfurização dos gases de combustão e dos parâmetros de projeto do equipamento. A segunda,foi o projeto, construção e montagem do sistema experimental. A terceira foi a partida e a pré-operação da unidade, com a realização de um programa de testes a frio e a quente para o conhecimento da operacionalidade e da flexibilidade do sistema projetado. o dispositivo experimental é constituidode três partes principais: o combustor propriamente dito, com 4,0 m de altura e 0,1m de diâmetro interno; a seção de retorno de sólidos e a seção de resfriamento dos gases de combustão. O sistema é composto ainda por dois alimentadores pneumáticos de sólidos, um sistema de preaquecimento elétrico do ar de fluidização, um queimador de G.L.P. e um filtro manga com limpeza por jato pulsante. Foram realizados 42 testes experimentais com particulas sólidas de areia, com 0,2mm de diâmetro, dos quais 19 foram desenvolvidos com ar primário e 23 com a injeção de ar secundário. Foram variados durante a operação o inventário de sólidos, de 3,0 a 11,0kg, e velocidade do ar de fluidização, de 3,0 a 18,0m/s, em temperaturas até 750°C Abstract: The present work is centered on the development of a circulating fluidized bed reactor to be operated in conditions of quick fluidization, aiming its utilization in mineral coal combustion process with remotion of 5°2 by adding limestone. The developing of this study was carried out in three stages. The first part consisted of raising and analysis of the sulfurization of combustion gases process and the parameters of the design of the equipment. The second included designing, building and assembling of the experimental system. The third was the start and preoperation of the unit, along with a'program of tests, cold and hot, in order to determine the conditions of operation and flexibility of the designed system. The experimental device is consisted of there main parts: the combustion itself,with dimensionsof 4.0m. in height and 0,1m. of internal diameter; a solid return section and the section of cooling of combustion gases. The system still has two solid pneumatic feeders, an eletrical pre-heating system for the fluidization air a G.L.P. burner and a sleeve filter with pulsing set cleaning. A total of 42 experimental tests were carried out with solid particles of sand, 0,2mm. in diameter, of which 19 were developed with primary air and 23 with the injection of secondary air. A variation of solids mass was made, from 3.0 to 11.0 kg and the air velocity, from 3.0 to 18.0 m/s and with temperature up to 750°C Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Fernando de Almeida França Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Foi desenvolvido projeto experimental com objetivo de estudar a fluidodinâmica do fluxo vertical bifásico em padrão pistonado, utilizando a técnica da sonda de fios paralelos. Parâmetros importantes para a caracterização do fluxo, como a frequência, velocidade e comprimento de golfadas de líquido, a espessura de filme descendente e a fração de vazio na golfada de líquido foram obtidos para uma extensiva série de testes experimentais utilizando sistemas ar-água e ar-líquidos viscosificados. Os dados obtidos são objeto de análise, bem como são avaliados, a título de comparação, os modelos de Fernandes, Sylvester e Orell-Rembrand. O caráter estocástico do escoamento em padrão pistonado é discutido, sendo apresentados e discutidos histogramas de distribuição das variáveis hidrodinâmicas para alguns testes experimentais. Os resultados obtidos permitem apresentar inúmeras conclusões sobre a viabilidade da utilização da técnica da sonda de fios paralelos em escoamentos pistonados, sobre as limitações e melhorias necessárias aos modelos existentes e sobre as implicações do caráter estocástico do fluxo pistonado na caracterização deste padrão de escoamento Abstract: An experimental loop was designed and built to study the fluid dynamics of vertical upward two-phase slug flow, using two-wire parallel conductance probes. Some important parameters such as frequency, velocity and length of Taylor bubbles and liquid slugs were obtained for an extensive grid of experimental tests, using air-water and air-viscous liquid systems. The obtained data, as well as the models of Fernandes, Sylvester and Orell-Rembrand are analysed. The stochastic characteristic of slug flows is discussed, presenting histograms of some specific experimental tests. The results of this work allowed the drawing of some conclusions on the use of two-wire conductance probes in slug flows, their limitations, the need for improvements in the existing models and on the influence of the stochastic nature of slug flow on the characterisation of this flow pattern Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Jose Roberto Nunhez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Agitação e mistura são o coração da indústria química, e provavelmente os equipamentos para esses fins são os mais antigos que se possa imaginar quando se fala em processamento de matérias primas visando-se a obtenção de produtos. Devido à sua grande importância para a indústria, os processos vem se desenvolvendo ao longo do tempo e, nas últimas décadas, técnicas computacionais tem sido utilizadas para o projeto e otimização desses equipamentos. Em especial destaca-se a fluido-dinâmica computacional - CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabalho tem como objetivo a aplicação de técnicas de CFD para o estudo de sistemas com agitadores tipo âncora, utilizados em geral para fluidos altamente viscosos e, portanto com alto consumo de energia. O estudo por sua vez, através do entendimento dos fluxos no interior do tanque, tem como objetivo propor soluções e modificações a fim de melhorar a mistura e minimizar o gasto de energia no processo. O pacote computacional CFX 4.4. foi empregado como ferramenta de CFD para a realização dos estudos contidos neste trabalho, tendo sido obtidos resultados esclarecedores dos fenômenos envolvidos e coerentes com os dados experimentais disponíveis em literatura. Conclui-se que as ferramentas utilizadas são apropriadas para o estudo de tanques agitados e que possibilitam tanto o projeto como também a otimização de sistemas existentes, com economia de tempo e dinheiro. Quando comparada à técnicas experimentais, a técnica provou fornecer resultados precisos e confiáveis. A sugestão para estudos futuros é o cálculo simultâneo de reações químicas, para o entendimento de reatores químicos, especialmente em reações onde a viscosidade varia com o tempo Abstract: Stirred vessels and mixing systems are the core of the chemical industries, and probably they are the oldest equipment in chemical processing for desired products. Due its great importance to the industry, these processes have been developed through the time, and in the last decades, computational techniques have been used in the project and optimization of these equipments. Particularly the Computational Fluid Dynamics - CFD. The objective of this work is to apply CFD techniques in the study of systems agitated by anchor impellers, generally used for higWy viscous fluids and therefore with high power consumption. The study has the objective to propose changes in the system so mixing can be optimized and the power consumption minimized, through the understanding of the flow pattems inside the tank. The computational package CFX 4.4. has been used as a CFD tool to generate the numerical results, which are useful to clarify the phenomena and are coherent with experimental data available in the literature. The study showed that the tools that have been used are appropriated to the study of stirred vessels and are able to design new systems and optimize actual systems, leading to money and time saving. .When compared to experimental techniques, the tools used showed that it is able to provide precise and reliable results. The suggestion for future studies is the simultaneous calculus of chemical reactions, which can lead to a better understanding of chemical reactors, especially those in which viscosity varies along time Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A presente pesquisa apresenta a modelagem matemática e a simulação de uma operação de fluidização rápida em um longo duto cilíndrico vertical, operação importante em vários processos industriais, sendo que sua principal aplicação está vinculada ao craqueamento catalítico do petróleo para a conversão em gasolina. Tem como objetivos a obtenção de uma compreensão contínua e o conhecimento do desenvolvimento do escoamento gás-sólido, bem como a soma de experiências às pesquisas em escala industrial motivados pela possível predição do desempenho deste tipo de escoamento. O modelo tridimensional, turbulento e bifásico usado para a predição do escoamento gás-sólido, consiste num conjunto de equações de conservação da massa e momento para cada uma das fases, formuladas seguindo a aproximação Euleriana-Euleriana. As variáveis fluidodinâmicas foram estimadas pela solução do modelo, com o emprego de correlações empíricas da literatura e disponibilizadas pelo código computacional de CFD, para garantir o fechamento do modelo e sua solução numérica. Desde de que a predição da dinâmica do escoamento complexo, em dutos com alto fluxo ascendente de sólidos não é possível por meio somente de equações fundamentais, a maioria dos modelos requerem entradas empíricas, as quais somente são adquiridas com a experimentação. Estes dados foram obtidos dos estudos de PÄRSSINEN e ZHU (2001). A geometria e a malha numérica estrutural do duto vertical foram geradas pelo software (CAD) ICEM, subdividido em DDN (geometria) e Hexa (malha). A adaptação do modelo matemático para a geração do modelo numérico foi alcançada com o uso do simulador comercial CFX 5.7. Os resultados obtidos foram avaliados com respeito à teoria apresentada ao longo da dissertação, sendo finalmente feita uma comparação entre as predições numéricas com o modelo e dados experimentais da literatura Abstract: The present research presents the mathematical modeling and the simulation of an operation of fast fluidization in a long vertical cylindrical duct line, which is an important operation in many industrial processes, where its main application is tied with the catalytic cracking of oil for gasoline synthesis. It has as objective the attainment of a continuous understanding and knowledge of the development of the gas-solid flow, as well as adding of experiences to research of industrial scale equipments motivated by the possibility of prediction of the performance of this type of flow. The three-dimensional, turbulent and two-phase model used for the prediction of the gas-solid flow, consists of a set of conservation equations of mass and momentum for each phase, which was formulated following the Eulerian-Eulerian approach. The fluid dynamics variables was estimated by the solution of the model with the use of correlations found in the literature and available in the computational CFD code, in order to guarantee the closure of the model and its numerical solution. Since the prediction of the dynamics of the complex flow in ducts with high ascending solid flow is not possible by solely using the basic equations, the majority of the models require the setting empirical, parameters which are acquired only with experimentation. These data were obtained from the studies of PÄRSSINEN and ZHU (2001). The geometry and the structural numerical mesh of the vertical duct was generated by the software (CAD) ICEM, subdivided in DDN (geometry) and Hexa (meshing). The adaptation of the mathematical model for the numerical model generation was reached with the use of the commercial simulator CFX 5.7. The results were evaluated with respect to the theory presented along this dissertation, where comparisons between the numerical predictions with the model and experimental data from the literature were performed. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Leonardo Goldstein Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo do presente trabalho é o estudo do efeito da distribuição granulometrica das particulas solidas na fluidodinamica e transferencia de calor gás-solido no transporte pneumatico vertical ascendente ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The objective of this work was to study the effect of the particle size distribution on the fluid dynamic and fluid-to-particle heat transfer in ascendent vertical pneumatic transport...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Cesar Costapinto Santana Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho apresenta um estudo experimental do escoamento de soluções poliméricas, com comportamento reológico não-newtoniano, em meios porosos não consolidados, constituídos de esferas de vidro com diferentes diâmetros médios. Foram obtidas correlações entre a queda de pressão e a vazão dos fluidos, na forma de grupos adimensionais colhidos da literatura: fator de atrito e número de Reynolds, modificados de forma a incluir as características geométricas da matriz porosa, assim como os parâmetros de ajuste a três modelos reológicos distintos: - de Ostwald-de Waele, - de Ellis, - de Herschel-Bulkley. A maior parte dos dados observados restringe-se à região onde a relação entre a queda de pressão e a vazão é linear, sendo obtida uma extensão para a faixa de não linearidade para os fluidos descritos pelo modelo de Herschel-Bulkley e que apresentam, portanto, tensão de escoamento. Além disso, faz uma especulação inicial a respeito dos efeitos elásticos nesse tipo de escoamento, utilizando primeiramente uma correção empírica, proposta para os fluídos descritos pelo modelo de Ellis, e posteriormente uma expressão analítica desenvolvida por Wissler (1971), onde está inserido um fator de forma. A aplicação dessa última expressão aos diversos meios estudados possibilitou a verificação qualitativa da dependência entre o fator de forma e o diâmetro das partículas que constituem o meio Abstract: This work contains an experimental investigation about the non-Newtonian flow of polymeric solutions, through several unconsolidated porous media, packed with small glass spheres. Data of pressure drop and rate of flow were correlated in terms of a bed friction factor and modified Reynolds numbers, that take account of the parameters of three distinct reologic models: - Ostwald-de Waele, - Ellis, - Herschel-bulkley. The most part of the data were in the range where a linear relationship between pressure drop and rate of flow is obtained but an extension to the transition region could be reached for the Herschel-Bulkley model, in fluids that present yield stress. An empirical speculation about elastic effects was undertaken using an empiric correlation, proposed to Ellis fluids, and also an analitycal expression developed by Wisssler (1971), where a geometric fator is included. The application of the last expression to each studied medium allowed to define a qualitative relationship between the geometric factor, and the mean particle diameter Mestrado Mestre em Engenharia Química

Orientador: Sandra Lucia da Cruz Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Estudos de reatores bioquímicos do tipo airlift são recentes e pouco encontrado na literatura. O presente trabalho estuda as características hidrodinâmicas destes reatores, operando com líquidos característicos de sistemas fermentativos em função das condições de escoamento e geometria do equipamento. A circulação de líquidos altamente viscosos realizada em reatores airlift foram investigadas para diferentes condições de fluxo de gás, altura de líquido, viscosidade de líquido e diâmetros do distribuidor de gás e do duto de transporte. Medidas de fração de gás retido e observações dos regimes de fluxo bifásico foram realizados. Tais observações forneceram subsídios para a obtenção da correlação empírica que descreve a circulação de líquido no reator, em função das variáveis experimentais. O sistema gás líquido foi ar-água e ar-soluções aquosas de poli acril amida (0,13% e 0,3% em peso). Os dutos de transporte utilizados eram de acrílico com diâmetros de 27 e 53 mm e 2 metros de altura. Os injetores de gás utilizados foram de 2,5, 5 e 10mm de diâmetro. Os resultados obtidos mostram que o regime de escoamento predominante na maioria dos experimentos é o pistonado. A fração de gás retido depende do tempo de aeração. A circulação de líquido e a retenção de gás são fortemente influenciados pela vazão de gás. A fração de gás retido aumenta e a circulação de líquido decresce com o aumento da viscosidade de líquido Abstract: Not informed. Mestrado Sistema de Processos Químicos e Informatica Mestre em Engenharia Química

Orientador: Jose Roberto Nunhez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os tanques de mistura são muito utilizados nas indústrias químicas para processar produtos de alto valor agregado. No entanto, apesar da sua grande importância nas indústrias químicas, poucas informações estão disponíveis sobre como o desempenho desses equipamentos é influenciado pela configuração mecânica do agitador, pelo tipo de superfície de troca térmica e pelo modo de operação. Um entendimento mais profundo destes fenômenos pode proporcionar meios de se otimizar projetos de reatores que sejam condizentes com uma melhor circulação interna do fluido e uma troca de calor mais eficiente. Este estudo tem o objetivo de estudar o arranjo geométrico de um tanque de mistura com um agitador tipo turbina Rushton e com serpentinas helicoidais para resfriamento conforme o trabalho sugerido por Oldshue e Gretton (1954), visto que até hoje este arranjo é utilizado por muitas indústrias nos projetos desses tanques. Trabalhos anteriores criticaram esta geometria porque este arranjo apresenta serpentinas posicionadas na altura da descarga do fluxo proveniente do agitador. Com as simulações realizadas neste estudo constatou-se que o arranjo do tanque com serpentinas pode sofrer modificações quanto à forma do tanque e ao arranjo do feixe de serpentinas, possibilitando a proposição de geometrias que proporcionam melhor mistura e controle de temperatura. Este trabalho utiliza o pacote computacional CFX-F3D para a realização das simulações. O modelo é bidimensional e o tanque opera em regime laminar. O pacote utiliza o método dos volumes finitos com variáveis colocalizadas e sistema de coordenadas "body-fitted" para resolver as equações do modelo. A comparação dos resultados obtidos, através de várias simulações de arranjos de serpentinas, permitiu a obtenção de um arranjo otimizado de serpentinas que apresenta um controle de temperatura mais eficiente e um melhor coeficiente de transferência de calor com minirnização dos gastos de energia Abstract: Stirred tank reactors are extensively used in chemical industries to process low volume products of high value. Despite its importance, little is known about the performance of such systems. The mechanical configuration of the internals, in particular the impeller and the heat transfer surfaces, as well as mode of operation, have a deep effect in the flow. A deeper knowledge of the behaviour of such systems may provide ways to improve the mechanical designoThe aim of this study is to analyse the experimentalgeometry of a stirred tank reactor with a Rushton turbine impeller and helical coils according to the work of Oldshue and Gretton (1954), since this kind of configuration is still employed in reactor design in our days. Previous work criticised the experimental apparattus because it employs coils at the same height of the impeller blades. The simulated results showed that it is possible to modify vessel shape and coil helix which lead to designs consistent with better mixing and heat transfer. This work uses the CFX 4.1 fluid dynamics package for the calculations. The model calculates the three velocities in a two dimensional mesh for laminar flow. The software uses fínite volumes with colocalized variables and body fitted coordinates. Simulation results with varying vessel shapes and coil positions led to the determination of optimized designs with more efficient temperature control and better heat transfer coefficient, which allows reduced energy operating costs Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Mestrado

Orientadores: Milton Mori, Henry França Meier Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O modelo gás-sólido tridimensional empregado neste trabalho pressupõe o comportamento invíscido da fase sólida, que consiste na ausência de tensões laminares ou turbulentas na fase sólida, que são comumente utilizadas como hipótese simplificadora na solução de problemas de escoamento gás-sólido diluído. Pretende-se aplicar e corroborar o modelo invíscido, transiente e tridimensional, para o transporte vertical e horizontal de partículas, mediante comparação dos experimentos numéricos com dados experimentais obtidos em experimento fisico com a técnica de PDA ("Phase Doppler Anemometer"), apresentado, em detalhes, na literatura. Para a resolução das equações diferenciais parciais do modelo foi empregado o código comercial de CFD, o CFX 4.4 da AEA Technology, que baseia-se no método numérico dos volumes finitos para a discretização numérica. Acoplamento pressão-velocidade do tipo SIMPLEC, modelo de turbulência k-E padrão para a fase gás e esquemas de diferenciação de várias ordens, foram utilizados como estratégias para garantir solução numérica estável e convergente. A comparação com dados da literatura, apresenta uma boa concordância, assegurando futuras aplicações do modelo para casos industriais. Um estudo de caso da indústria de cimento, especificamente o escoamento de ar terciário a partir do forno para o calcinador, foi analisado com o objetivo de se determinar o efeito de uma curva auto-limpante, na seção de transporte horizontal, sobre a distribuição de partículas na seção transversal do duto para, com isso, minimizar a deposição nas paredes inferiores do duto, conforme observado na prática. Animações da formação do campo de fração volumétrica de sólidos mostram que a curva auto-limpante promove uma redistribuição da fase sólida ao longo da seção transversal, podendo, por conseqüência, ser utilizada como medida para prolongar a vida útil do duto de ar terciário Abstract: The three-dimensional (3-D) gas-solid model employed in this work presumes the inviscid behavior of the solid phase, commonly used as simplifier hypothesis in the problem solutions of the dilute gas-solid flow. It is intended in this work to apply and corroborate the 3-D, transient, inviscid model, for the horizontal and vertical partic1e conveying, by comparing the numerical results with experimental data, obtained with PDA ("Phase Doppler Anemometer") technique presented in the literature. For the solutions of the parcial diferencial equation models was employed the commercial code CFD, the CFX 4.4 developed by ABA Technology, based on the numerical method of finite volumes for the numerical discretization. The pressure-velocity coupling by SIMPLEC algorithm, k-g turbulence default model and several order diferencial scheme, were used as strategies to guarantee convergency and stability of the numerical solution. The results reason compare with literature data, show a good agreement, making sure future model applications for industrial cases. A study in the cement industry, specifically the tertiary air flowing from the kiln to the ca1ciner, was made with the objective of determining the effect of a self cleaning elbow in the horizontal transport section, over the partic1e distribution in the duct transversal section, as so, minimizing particles rope formation in the bottom of the duct, as observed in practice. Animations of the solid volume fraction field formation show that the self-c1eaning elbow promotes a solid phase redistribution in the transversal section, being, as consequence, be used as measure to prolong the useful life of the tertiary duct Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Cesar Costapinto Santana Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: No presente trabalho foram realizados estudos experimentais sobre o fenômeno do deslocamento imiscível de um fluido newtoniano por soluções poliméricas, com comportamento reológico não-newtoniano. Os testes de bancada foram desenvolvidos utilizando-se amostras de rochas petrolíferas de reservatórios nacionais, saturadas com óleo mineral, promovendo-se o deslocamento com soluções poliméricas de Poliacrilamida Parcialmente Hidrolisada e Polissacarídeo Goma Xantana. Os resultado de tais deslocamentos foram comparados com o deslocamento imiscível de um fluido newtoniano por outro fluido newtoniano, sendo aqui utilizada soluções de cloreto de potássio. Foram obtidas correlações que possibilitam o cálculo da permeabilidade efetiva à solução polimérica através das propriedade do meio poroso, dos parâmetros do modelo reológico que define o comportamento do fluido e dos dados obtidos no deslocamento. A partir destas correlações foi desenvolvido um programa, baseado no Método de Welge, que possibilita o cálculo das curvas de permeabilidades relativas obtidas do deslocamento imiscível de um fluido newtoniano por um fluido não-newtoniano. Este programa permite o cálculo para fluidos deslocantes que seguem os modelos reológicos: Newtoniano, Ostwald ¿ de Waele, Bingham e Herschel ¿ Bulkley Abstract: The present work is related with experimental studies concerning to the phenomena of imiscible displacement of a Newtonian fluid in a porous media using polymeric solutions with non-Newtonian behavior as the injection fluid. Bench tests involving samples of brazilian reservoir rocks (Rio Bonito field) saturated with mineral oil were carried out, aiming the oil displacement through the utilization of partially hydrolyzed polyacrylamide solutions and polysaccharide (Xantan Gum) solutions. Results of the displacement caused by the non-Newtonian solutins were compared to those experiments done with Newtonian fluids (potassium chloride solutions). The experimental results enable the calculation of the effective permeability for the polymeric solution through established correlations associated to the porous media properties and to the rheological associated to the porous media properties and to the rheological behavior parameters of the solutions. The Welge method was applied to develop a computer program using the correlations developed in this work to predict the relative permeability curves from the displacement experiments. This program is general enough to include Newtonian, Ostwald-de-Waele, Bingham and Herschel-Bulkley rheological models for the injection fluid Mestrado Desenvolvimento de Processos em Sistemas Particulados Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Antonio Claudio de F. Correa, Maria Cristina Cunha Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Esta dissertação estuda a aplicação da injeção alternada de água e gás (WAG), unidimensional, usando teoria dos canais de fluxo. Considera o fluido incompressível, com razão de mobilidade unitária. efeitos capilares e gravitacionais desprezíveis, reservatório homogêneo e isotrópico, fluxo isotérmico, presença de duas fases, a saber, óleo e água, e três componentes: óleo. água e gás. A teoria dos canais de fluxo considera os seguintes esquemas de injeção: linha esconsa. five-spot. linha direta e seven-spot. e também considera que não haverá fluxo entre os canais. No WAG. utiliza-se a teoria do fluxo fracionário e aplica-se o método das características. que introduz ondas de choque e de rarefação. A composição dessas ondas é dita compatível se satisfizer a condição de entrapia. A solução percorre um determinado caminho no sentido da esquerda para a direita, limitado por condições iniciais e de contorno. A injeção de gás ocorre a uma pressão alta para garantir o deslocamento miscível. Considera-se, primeiro, a injeção de um banco de água, e, posteriormente, a injeção de gás. Conclui-se que injeção de gás a alta pressão recupera todo o óleo residual e a saturação de água remanescente no reservatório é maior que a saturação de água inicial Abstract: This dissertation presents a study of the unidimensional application of water and gas alternate injection (WAG) using the stream line theory. It is considered incompressible fluid, unit mobility ratio. negligible capillary and gravitational effects. homogeneous and isotrapic reservoir. isothermal flow, two phases. oil and water. and three components, oil, water and gas. In the stream line theory, the following injection schemes are considered: staggered line five-spot, direct line e seven-spot. It is also considered that there is no flow among the streams. In the WAG calculations it is used the fractional flow theory and the method of' characteristics, which consists of shock waves and rarefactions. The composition of these waves is said compatible ir it satisfies the entropy condition. The solution goes thraugh a certain path fram the left to the right side constrained by the initial and boundary conditions. The gas injection is at a high pressure to ensure miscible displacement. It is considered first injection of a water bank and then. injection or a gas bank. We concluded that the gas injection at a high pressure recoveries alI residual oil and the wàter saturation remains is greater than initial saturation Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Fernando de Almeida França Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: o objetivo deste trabalho é estudar a geometria de interface e a perda de carga em escoamentos horizontais estratificados e anulares. Escoamentos ondulados com e sem presença de dispersão e deposição de gotas líquidas foram analisados. O fenômeno foi experimentado em laboratório, utilizando-se ar e água como fluidos de trabalho. Os efeitos do processo de dispersão e deposição de gotas é levado em consideração na formulação do problema. São propostas correlações para perímetro molhado e para comprimento da interface, bem como para a tensão de cisalhamento na interface e tensão de cisalhamento na fase líquida junto à parede da tubulação. É sugerido um procedimento de cálculos para a previsão simultânea de gradiente de pressão e fração de vazio. Os resultados calculados são comparados com dados experimentais próprios e outros da literatura Abstract: This work was developed with the purpose of studying the interfacial geometry and pressure drop in stratitied and annular horizontal flows. Droplet and non-droplet wavy flows were investigated. Experimental data were obtained in laboratory by using air and water as working fluids. Droplet process effects were considered in the modeling of the problem. Correlations predicting the wet wall fraction and the interfacial length, as well interfacial and liquid shear stresses, were proposed. A procedure to simultaneously predict the pressure drop and the void fraction was sugested. Numerical results were compared with the present experimental measurements and literature data Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientadores : Marcelo Martins dos Santos, Petronio Pulino Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica Resumo: Neste trabalho, estudamos a convergência do Método dos Volumes Finitos aplicado a Leis de Conservação Escalares Multidimensional, seguindo os trabalhos de Cockburn et aI. [7] e Benharbit et. aI [3]. Tratamos aqui, o Problema de Valor Inicial e de Fronteira (PVIF). O Método dos Volumes Finitos é aplicado a diversos problemas, principalmente em dinâmica de fluidos, desde os anos 50, mas somente nos últimos 15 anos que foi melhorado. A grande vantagem deste método é que ele trata bem geometrias complexas e choques, comuns em Leis de Conservação. A convergência segue da unicidade da Solução em Medida (MV-Solution) para uma Lei de Conservação, Szepessy [59]. Compacidade Compensada, Soluções em Medida e Medidas de Young para Leis de Conservação apareceram primeiramente nos trabalhos de Murat [46]-[47], Tartar [62]-[63] e Diperna [15]-[17], para Problemas de Valor Inicial e para Sistemas de Leis de Conservação 2 x 2; e, depois disso, para um PVIF por Szepessy [59]. Seguindo estes artigos, Cockburn et aI. and Benharbit et. aI obtiveram, independentemente, a convergência forte para do esquema para a única solução entrópica descontínua no sentido de Bardos [2] Abstract: In this report, we study the convergence of the Finite Volume Method applied to multidimensional Scalar Conservation Laws, follows from Cockburn et. aI [7] and Benharbit et. al [3]. It is treated the Initial and Boundary Value Problem (IBVP). Finite Volume Method is applied to several problems, mainly in fluid dynamical, since 50's years, but only in the last 15 years that has been improved. The great advantage this method is that is applied for complexes geometries and for shocks, commons in Conservation Laws. The convergence follows from Szepessy's [59] uniqueness result in the class of the entropy measure-valued solution. Compensated Compactness, MV-Solution and Measure Young for Conservation Laws has been appeared from Murat [46]-[47], Tartar [62]-[63] and Diperna's works [15]-[17], for Initial Value Problem (IVP) and 2 x 2 Hyperbolic Systems of Conservation Laws; and, thereafter, for (BIVP) by Szepessy [59]. In follows these articles, Cockburn et al. and Benharbit et. al obtain, independently, the strong convergence of the scheme to the unique entropy discontinuous solution in the sense the Bardos [2] Mestrado Mestre em Matemática

Orientador: Gilmar Mompean Munhoz da Cruz Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Desenvolvimento de um código de cálculo, em FORTRAN 77, para solução das equações de Navier-Stokes, considerando-se fluidos newtonianos e escoamento em regime turbulento. O método dos volumes finitos foi utilizado para a discretização espacial. Os termos convectivos foram discretizados utilizando-se dois esquemas: UPWIND e QUlCK. Para a discretização temporal foi utilizado o método semi-implícito SOLA e o modelo de turbulência empregado foi o modelo a duas equações k-8. Este código foi desenvolvido para a solução de problemas bidimensionais em coordenadas cartesianas e cilíndricas. O código de cálculo foi validado utilizando-se quatro configurações clássicas: -escoamento laminar entre placas planas paralelas; -escoamento laminar em uma cavidade quadrada; -escoamento laminar no interior de dutos de secção circular e -escoamento turbulento no interior de dutos de secção circular Abstract: A computer code was developed in this thesis, in FORTRAN 77, for the solution of the Navier-Stokes equations, considering newtonian fluids and turbulent flow. The finite volumes method was used for the spatial discretization. The convective terms were discretized using two alternative schemes: UPWIND and QUICK. For the temporal discretization the semi-implicit SOLA method was used. The two equations, k - Emethod, modelled the turbulence terms. This code was developed for the solution of bidimensional problems in cartesian and cylindrical coordinates. The algorithm was validated using four classical configurations: . Laminar flow between parallel plates; . Laminar flow in a square cavity; . Laminar flow in ducts of circular section and . Turbulent flow in ducts of circular section Mestrado Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Antonio Claudio de França Correa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Foi desenvolvida neste trabalho um procedimento para o monitoramento das concentrações efluentes de traçadores radioativos em poços produtores, considerando testes de injeção do tipo poço a poço e deslocamento tipo pistão de fluidos nos reservatórios. O modelamento do transporte de tais substâncias em meios porosos considera a superposição dos efeitos de convecção e de dispersão hidrodinâmica. Com relação ao mecanismo de transporte, foi empregada a Equação do Traçador desenvolvida por Abbaszadeh-Dehghani & Brigham, 1982. Os parâmetros convectivos e dispersivos do transporte utilizados nessa equação foram obtidos a partir da aplicação do Método da Integral de Contorno (BIM) aos sistemas estudados. Apesar de se ter considerado apenas padrões de injeção uniformes, o emprego do BIM possibilita a análise de geometrias mais genéricas, desde que mantidas as demais hipóteses consideradas no presente trabalho. As curvas de concentração, para os diferentes casos analisados e referentes à razão de mobilidade unitária, foram validadas com base no trabalho de Abbaszadeh-Dehghani & Brigham, 1982, o qual considera soluções analíticas para a derivação dos parâmetros convectivos e dispersivos do transporte. Os casos de razões de mobilidade (M) diferentes de 1 foram discutidos através da consideração de uma região global composta por duas regiões com mobilidades distintas. Por fIm, vale ressaltar que o modelo desenvolvido ainda possibilita a consideração dos efeitos de adsorção e de decaimento radioativo por meio de sua posterior superposição aos resultados previamente obtidos Abstract: This work describes a method for estimating the effluent concentrations of radioactive tracers in production wells, considering well to well injection tests and piston-like displacements of fluids in the reservoir. The model for tracer transportation takes into account effects of convection and hydrodynamic dispersion. With respect to the model for tracer transportation, it was employed the Tracer Equation developed by Abbaszadeh-Dehghani& Brigham, 1982. The required convection and dispersion transport parameters were obtained by the use of the Boundary Integral Equation (BIM), with application to both direct and altemate line-drive pattems. Although only uniform injection patterns have been studied, the employment of the BIM can be extended to other geometries, keeping the same assumptions made in this work. For the cases analysed, considering unit mobility ratio, the concentration curves obtained were validated against the work of Abbaszadeh-Dehghani & Brigham, 1982, which considered analytical solutions for obtaining the convection and dispersion transport terms. The cases of non-unity mobility ratio were discussed through the assumption of a global domain composed of two zones with different mobilities. Finally, the model also makes possible the inclusion of both adsorption and radioactive decay phenomena by superposing such effects on the the results previously obtained. Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Sandra Cristina dos Santos Rocha Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho tem como principal objetivo a determinação de um método de identificação de regimes de contato gás-sólido em leito de jorro cone-cilíndrico, a partir da queda de pressão no leito. Foram analisados os leitos fixo, de jorro e "slugging". Os dados de queda de pressão no leito foram adquiridos em tempo real pelo software "labtech". A taxa de amostragem utilizada foi de 128 Hz em um intervalo de 12 segundos, após a instalação do regime fluidodinâmico desejado no leito. Com os gráficos das flutuações da queda de pressão verificou-se a possibilidade de identificação do regime fluidodinâmico do leito por meio de uma análise comparativa entre os gráficos das flutuações da queda de pressão versus tempo, obtidos para diferentes regimes. A análise individual das medidas de queda de pressão em tempo real não caracteriza o regime de forma objetiva. A diferença entre os gráficos resume-se basicamente no espaçamento entre as oscilações e observou-se uma tendência de diminuição no número de períodos de oscilações para os gráficos de leitos em "slugging" em relação ao jorro estável, e também do jorro estável em relação ao leito fixo. Com os dados de queda de pressão versus tempo, utilizou-se a transformada de Fourier (FFT) como ferramenta para transformá-los em espectros de potência. Foi possível, então, a identificação dos regimes de leito de jorro, "slugging" e alguns "casos atípicos" observados experimentalmente, a partir da análise dos espectros. Nos espectros observou-se picos dominantes em determinada faixa de freqüência dependendo do regime instalado ... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The main aim of this work is determining an identifieation method for gas-solid regimes in eone-eylindrieal spouted bed based on frequeney analysis of pressure drop fluetuations. The analysis in this work involved: paeked bed, steady spouting and slugging bed. The aquisition of pressure drop fluetuations in real time took plaee onee a speeifie regime was installed and data eolleted by Labteeh software. The sampling rate was 128 points per seeond and the time of sampling was maintained at 12 seconds. It was verified, by graphies of pressure drop versus time, the possibility of identifieation of the fluidynamie regimes ftom a eomparative analysis of the graphie obtained for different regimes. The differenees among graphies is on the amplitude of fluetuation and also on the period of oseillation for eaeh of the regimes studied, fixed, stable spouting and slugging. The FFT was used as tool to transform the pressure drop data in speetrum (ftequeney-amplitude). The graphies on the ftequeney domain, on the other hand, permitted a more objeetive reeognition of regimes due to the patterns obtained for eaeh regime. This behavior was found to be the same for every speetra representing a steady spout and slugging, and the maximum peak was always in the range offrequeney of 4.5 to 6.9Hz and 1.125 to 2.5Hz, respeetively. This is a well defined peak of maximum amplitude ... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Engenharia de Processos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Osvaldir Pereira Taranto Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise consistente sobre a fluidodinâmica dos leitos de jorro bidimensionais, apontando os mecanismos que governam o jorro propriamente dito. A influência das principais variáveis independentes sobre a queda de pressão máxima e vazão de jorro mínimo foi quantificada através de um planejamento experimental envolvendo três leitos geometricamente similares, com colunas medindo 0,15, 0,30 e 0,8m de largura. Os dados experimentais obtidos permitiram que a geometria bidimensional fosse avaliada quanto à sua capacidade de ampliação de escala, através da análise de similaridade fluidodinâmica. A metodologia utilizada, baseada no planejamento experimental e análise de superfície de resposta, otimizou o processo, indicando máximos e mínimos de queda de pressão máxima e vazão de jorro mínimo pela variação dos parâmetros independentes do jorro. Tais parâmetros de escala independentes foram adimensionalizados, testados e validados pela análise de similaridade, com a proposta de equações capazes de predizer os valores das propriedades dependentes a serem seguidas no protótipo de um leito real. O estrangulamento do jorro foi o principal mecanismo de instabilidade no processo de obtenção da altura máxima de jorro estável dos leitos. E através dos dados obtidos das curvas características dos leito jorro foi possível estabelecer correlações para predizer os valores de queda de pressão máxima, vazão do jorro mínimo e altura máxima de jorro estável, em função dos parâmetros adimensionais, válidas para toda a faixa de tamanho dos leitos de jorro bidimensionais utilizados neste trabalho Abstract: The objective of this work is to present a consistent analysis on the fluidodynamics of two-dimensional spouted beds, indicating the mechanisms that govern the spouting. The influence of the main independent variables on the maximum pressure drop and minimum spouting velocity was quantified through an experimental design involving three similar geometrically beds, with columns of 0.15, 0.30 a 0.80 m in width. The experimental data obtained allowed to evaluate the bidimensional geometry with relation to its capacity of scale-up, through the analysis of fluidodynamic similarity. The methodology used, based on the experimental design and analysis of response surface, optimized the process, indicating maximum and minimum values of maximum pressure drop and minimum spouting velocity for the variation of the independent parameters of spouting. Such independent nondimensional scale parameters were tested and validated by the similarity analysis, with the proposal of equations capable to predict the values of the dependent properties to be followed in the prototype of a real bed. The choking of spout was the main instability mechanism in the process of obtaining the maximum spoutable bed height of the beds. And through the acquired data of the characteristics curves of the spouted beds it was possible to establish correlations to predict the values of maximum pressure drop and minimum spouting velocity and maximum spoutable bed heitht, in function of the dimensionless parameters, valid for the wide range of size of the two-dimensional spouted beds used in this work Mestrado Engenharia de Processos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Sandra Cristina dos Santos Rocha Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: No presente trabalho foi realiz'ado o estudo da fluidodinâmica de um leito de jorro bi-dimensionalaplicado ao recobrimento de comprimidos. Inicialmente fez-se o projeto e a montagem experimental. O leito foi montadoem acrílico( plexiglass) e com possibilidade de variação do ângulo da base inclinada. A seguir tratou-se da fluidodinâmica sem o recobrimento de partículas, estudando a queda de pressão máxima no leito, a vazão de jorro mínimo e altura máxima de jorro estável. As partículas utilizadas foram placebos no formato de comprimidos reais. Foram utlizadas duas formas diferentes de comprimidos com diâmetros 0,649 e 0,747 cm. e esfericidades 0,8567 e 0,77. A seguir passou-se a estudar os parâmetros da dinâmica com recobrimento. Para tanto desenvolveu-se uma solução de recobrimento adequada e verificou-se a influência de sua atomização na queda de pressão no leito. Foram feitas observações preliminares sobre a qualidade do recobrimento e a eficiência do processo. O próximo passo foi a verificação de correlações presentes na literatura para leitos de jorro convencionais, adaptadas pela definição do diâmetro equivalente ao leito bi-dimensional, para a previsão da queda de pressão máxima e vazão de jorro mínimo. Finalmente foi efetuado um ajuste dos dados experimentais para a obtenção de correlações próprias para os parâmetros citados acima Abstract: The present hydrodynamics of a of particles. At first the design and the experimental set-up was handled. The bed was built in plexiglass with the possibility of the angle of the slanted base. Later the hydrodynamics the coating of particles was treated, studying the maximum pressure drop, the minimum spouting velocity and the maximum spoutable height. The used particles were placebos in the shape of real tablets. Two different shapes of tablets were used with diameters equal to .0.649 and 0.747 and spherecity equal to 0.8567 and 0.77. As for the hydrodynamics with coating of tablets, a suitable coating solution was developed and the influence of its spraying on the bedpressure drop was of special attention. Some preliminary observations were made concerning the quality of coating and the process efficiency. The next step was the verification of literature correlations for conventional spouted beds, adapted to the two-dimensional configuration by the definition of equivalent diameter for predicting the maximum pressure drop and minimum spouting velocity. Finally an experimental data fit was achieved and proper correlations were obtained for the parameters mentioned above Mestrado Desenvolvimento de Processos em Sistemas Particulados Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Silvia Azucena Nebra, Maria Aparecida Silva Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Doutorado

Orientador: Milton Mori Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Apresenta-se neste trabalho uma modelagem matemática fenomenológica baseada nos princípios de conservação da massa e da quantidade de movimento sob a ótica das médias volumétricas, e generalizada para representar o escoamento multifásico vorticial em ciclones. Discute-se as hipóteses simplificadoras necessárias para o tratamento de correlações entre propriedades flutuantes resultantes da decomposição de Reynolds, aplicada como premissa estatística para o tratamento da turbulência. O modelo geral é particularizado a partir de hipóteses adicionais, dando origem a três modelos distintos. O primeiro, dedicado à simulação do escoamento de ar isento de particulados -Modelo Euleriano Monofásico Bidimensional (EMB)-, considera que a fase sólida não exerce influência sobre a fase gasosa, e é adequado para analisar fenômenos como alta preservação de vorticidade, reversão do escoamento, zonas de recirculação, anisotropia dos tensores de Reynods e efeitos do sistema coletor de sólidos sobre o campo de escoamento do gás. O segundo, considera que as partículas podem ser caracterizadas como esféricas e com um diâmetro constante, e que o aglomerado de partículas comporta-se como um fluido invíscido sob um referencial Euleriano -Modelo Euleriano- Euleriano Bifásico Bidimensional (EEBB)-, e permite a atribuição de efeitos;da fase sólida sobre a gasosa, como a atenuação do escoamento vorticial e a conseqüente redução da queda de pressão. Isto possibilita a avaliação da queda de pressão em ciclones. E; finalmente, a terceira versão acopla o modelo EEBB com um modelo Lagrangeano -Modelo Euleriano- Euleriano-Lagrangeano Bidimensional (EELB)-, e possibilita a predição da. trajetória das partículas dependendo do seu diâmetro e de sua posição inicial na entrada do ciclone, a partir de um campo de escoamento do gás obtido sob a influência da fase particulada. Com o conhecimento das trajetórias para cada diâmetro de partícula tem-se o ferramental necessário à predição da curva de eficiência de coleta e da eficiência global do ciclone. Foi desenvolvido um programa computacional baseado na aplicação do método dos volumes finitos com acoplamento pressão-velocidade do tipo SIMPLE e malha numérica desencontrada, para a solução segregada das equações provenientes do três modelos. O programa foi inicialmente submetido a uma bateria de testes visando a obtenção de experiência numérica e para evitar a introdução de erros de programação. A partir daí, escolheu-se um conjunto de experimentos numéricos como tentativa para validar os modelos e analisar os principais fenômenos associados ao escoamento vorticial em ciclones. Os principais resultados mostram que a metodologia empregada, baseada nas técnicas da fluidodinâmica computacional, mostra-se apta aos estudos de melhoria de performance de ciclones, quantificada, principalmente, por reduzida queda de pressão e alta eficiência de coleta Abstract: This work presents a mathematical modeling based on the principIes of mass and momentum conservation with the volumetric average point of view, and generalized to represent the multiphase flow in cyclones. It also discusses the hypotheses necessary for flutuating properties treatment, due to Reynolds decomposition applied as statistical treatment of the turbulence. The general model is particularized from additional hypotheses resulting in three different models. The first, dedicated to the gas flow in cyclones - Two-Dimensional Eulerian Model for Gas (EMB)-,the solid phase has not influence on the gas phase, and it is adapted to dealing phenomena such as high vorticity preservation, reversion of the flow, circulation zones, anisotropic behavior of the Reynolds stress and effects of dust collection system on the gas flow. The second, assumes spherical particles with an average diameter, and the agglomerate of particles behaves such as an inviscicid fluid in the Eulerian reference - Two-Dimensional and Two-phase Model for Gas-Solid Flow (EEBB) -, the model permits the attribution of solid phase effects on the gas phase, as the attenuation of the vortex flow, and the pressure drop reduction. With this model it is possible to predict the pressure drop in cyclones. And, finally, the third version couples the model EEBB with a Lagrangian model- Eulerian-Eulerian-Lagrangean Two-Dimensional Model (EELB) -, and it permits the prediction of the particle trajectories as a function of its diameter, and initial position in the entrance of the cyclone, from a field of the gas flow obtained with the EEBB model. With the knowledge of the trajectories for each particle diameter it is possible to predict the collection efficiency curve, and the global efficiency in cyclones. A computational code was developed based on the application of the finite volume method with pressure-velocity coupling like SIMPLE method and staggered grids, with a numerical procedure for the segregated solution of the algebraic equations of the three models. The program was initially submitted to a battery of tests to obtain numeric experience, and to avoid the introduction of programming mistakes. Starting from there, it was chosen the numeric experiments as attempt to validate the models and to analyze the main phenomena in the multiphase flow in cyclones. The main results show that the methodology proposed based in the computational fluid dynamics techniques, is a good tool for studies of improvement of cyclones performance, quantified mainly by reduced pressure drop and high collection efficiency Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador : Marko Antonio Rojas Medar Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica Resumo: As equações de Boussinesq modelam a transferência de calor num fluido viscoso e incompressível. Este trabalho tem como objetivo apontar alguns resultados teóricos sobre existência, unicidade e comportamento assintótico das soluções das equações de Boussi nesq onde as funções envolvidas estão definidas em um domínio do espaço R3. Em muitas situações, as condições de contorno não são suficientemente regulares para usar a teoria existente na literatura. Nós damos uma maneira possível de abordar esta problemática para o modelo de Boussinesq Estacionário. Provamos um teorema de existência e unicidade onde as funções temperatura e velocidade estão definidas sobre um domínio limitado. Em seguida, nós obtemos alguns resultados de regularidade e comportamento assintótico das soluções do problema de Cauchy para o modelo de Boussinesq clássico. Nós impomos condições sobre a pressão hidrodinâmica para garantirmos maior regularidade das soluções fracas do sistema. Ainda para o problema de Cauchy, obtemos alguns resultados sobre a conduta da solução forte. Para isso, usamos como ferramenta uma sequência de problemas de Cauchy para o sistema de Boussinesq linearizado. Encerramos os resultados, estudando a existência de soluções fracas de um sistema de inequações variacionais, associadas ao sistema de Boussinesq generalizado, definidas sobre um cone convexo, para isto, introduzimos um sistema auxiliar de Galerkin penalizado onde as funções envolvidas estão definidas sobre um domínio limitado em alguma direção Soluções com a propriedade de reprodução no tempo são obtidas utilizando argumentos de ponto fixo Abstract: The Boussinesq equations describe the motion of an incompressible viscous fluid subject to convective heat transfer. ln this work our main goal is to study some theoretical results related with existence, uniquess and decay rate for the solutions of the three-dimensional Boussinesq equations. In many situations the boundary conditions are not enough regular to use the usual theory described in the literature. Here, we present a new approach to address this problem for the case stationary Problem. We show the existence and uniqueness in bounded domain. We prove some results of regularity and decay estimates for the solutions of the Cauchy problem for Boussinesq equations. We show that weak solutions of the Boussinesq equations are smooth if the pressure is controlled. We consider the Cauchy problem of the linearized Boussinesq equations and we show some results about decay rates of strong solutions for Boussinesq equations. Finally, we study the existence of weak solutions and reproductive weak solutions for variational inequalities associated with the generalized Boussinesq models Doutorado Doutor em Matemática Aplicada

Orientador: José Ricardo Figueiredo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho, um novo procedimento de solução para as equações de escoamento discretizadas pelo esquema FLUX-SPLlNE é proposto seguindo a ótica do algoritmo SIMPLER. Demonstra-se através de problemas teste, que tal procedimento produz resultados mais acurados que os fornecidos pelo procedimento original idealizado pelo autor do esquema FLUX-SPLlNE. Tais modificações são usadas então para a simulação de escoamentos em cavidades abertas acionados por convecção natural, onde se faz a comparação dos resultados aos da literatura que usa o tradicional esquema POWER-LAW Abstract: In this work, a new solution procedure to fluid flow discretized equations by FLUX-SPLlNE scheme is proposed following the point of view of the SIMPLER algorithm. By using test problems it is shown that this procedure yields results wich are superior to those obtained using the original solution proceduFeidealized by the author of the FLUX-SPLlNE scheme. Such modifications are used to simulate fluid flow in open cavities driven by natural convection. The numerical results are compared with reference solutions available in the literature that use the traditional POWER-LAW scheme Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Luis Felipe Feres Pereira, Milton da Costa Lopes Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica Resumo: Nesta tese estudamos escoamentos miscíveis incompressíveis em meios porosos rígidos e heterogêneos. Na primeira parte desta tese consideramos as simulações numéricas deste tipo de escoamento e novos métodos numéricos são propostos, implementados e comparados com outros procedimentos numéricos já conhecidos. Na segunda parte deste trabalho estudamos a dinâmica que governa o processo de mistura macroscópica (a macrodis-persão) na escala de campo. Novos resultados foram obtidos para problemas lineares e não lineares. Os principais resultados da primeira parte deste trabalho são: - Formulação de novos métodos do tipo Euleriano-Lagrangiano para a discretização temporal de equações do tipo transporte-difusão (equações associadas à concentração de um dos fluidos). Introduzimos o Método Modificado das Características com Ajuste de Massa no Passo de Transporte (MMOCAA) para escoamentos miscíveis. Este método permite uma conservação global de massa ao final de um estágio de transporte seguido por um passo de difusão. Este procedimento computacional é tão competitivo quanto o Método Modificado das Características (MMOC), que não conserva a massa dos fluidos como uma identidade. Em seguida introduzimos o Método Euleriano-Lagrangiano com Conservação Local de Massa {LCELM). Este método possui um estágio de transporte localmente conservativo, baseado na construção numérica de tubos no espaço tempo onde se dá o transporte dos fluidos. - Formulação de novas técnicas de decomposição de domínios para equações elípticas de segunda ordem. Elementos finitos mistos e híbridos são usados para a discretização espacial destas equações. Os novos procedimentos de decomposição são propostos para tratar dos problemas de álgebra linear inerentes a cada passo de tempo de simulações numéricas. Estes procedimentos são naturalmente paralelizáveis. Introduzimos o Método dos Gradientes Conjugados com Pré Condicionamento, combinado com condições de interface (entre os subdomínios) do tipo Robin (GCP-Robin). Este método usa a técnica de superposição entre os subdomínios e é empregado no cálculo do campo de velocidades que aparece nas equações que governam o escoamento. Verificamos a eficiência do esquema GCP-Robin comparando as simulações numéricas deste método com as do GCP usual. Para resolvermos o estágio difusivo da equação da concentração nós introduzimos um outro método numérico. Este método, de implementação simples, não apresenta superposição entre os subdomínios e é baseado em iterações por faces dos elementos. Um novo simulador computacional, que faz uso dos novos métodos numéricos descritos acima, foi desenvolvido e utilizado na investigação do escoamento miscível em problemas na escala de campo. Este é o objeto da segunda parte deste trabalho. Os resultados abaixo foram estabelecidos por meio de uma metodologia que combina simulações numéricas com alta resolução e uma abordagem estocástica para a modelagem das propriedades geológicas dos meios porosos: - Mostramos que a presença da dispersão hidrodinâmica no problema do traçador passivo não altera as leis de escala que governam o comportamento assintótico (no tempo) do crescimento da região de mistura. - Mostramos que, dependendo da importância relativa entre as heterogeneidades geológicas e a não linearidade presente nas equações que modelam o escoamento, diferentes regimes de mistura podem ocorrer. Para formações rochosas muito heterogéneas determinamos que o escoamento miscível não linear apresenta as mesmas leis de escala, para o crescimento da região de mistura, que as leis já conhecidas para o problema linear. A importância destes resultados no contexto do problema de tranferência de escalas para fluxos em meios porosos é discutida. Abstract: In this thesis we study incompressible miscible displacement in rigid, heterogeneous porous media. In the first part of this thesis we consider numerical simulations of this type of displacement and new numerical methods are proposed, implemented and compared with known numerical procedures. In the second part of this work we study the dynamics of the growth of the size of the region where fluids mix macroscopically (the macrodispersion) in large scale (field) problems. New results have been obtained for both linear and nonlinear problems. The most important results of the first part of this thesis are: - Formulation of new Eulerian-Lagrangian methods for the time discretization of transport-diffusion equations (related to the concentration of one fluid in the mixture). We introduce the Modified Method of Characteristics with Adjusted Advection (MMOCAA) specifically designed for miscible displacement problems, allowing for a globally mass conserving procedure which inherits the computational competitiveness of the standard Modified Method of Characteristics (MMOC). The MMOC does not conserve the mass of fluids as an identity. Next, we introduce the Locally Conservative Eulerian-Lagrangian Method (LCELM). This method has a locally conservative transport step which is based in the numerical construction of space-time tubes for the transport of fluids. - Formulation of new domain decomposition techniques for elliptic equations of second order. Hibridized mixed finite elements are used for the spatial discretization of these equations. The new techniques are proposed to handle in a naturally parallelizable fashion the linear algebraic problems arising at each time step of a simulation. The Robin-PCG domain decomposition method (Robin interface condition combined with the pre-conditioned Conjugated Gradient method) with overlap amon subdomains is proposed for the velocity field computation. The effectiveness of the Robin-PCG scheme is illustrated by numerical comparisons with the standard PCG method. A non-overlapping, edge-based procedure of simple implementation is introduced for the numerical solution of the diffusion step of the concentration equation. A new simulator, which uses the new numerical methods described above, was developed and used in the investigation of field scale flow and transport problems. This is the object of the second part of this thesis. The following results have been established by a methodology which combines high resolution numerical simulations and a stochastic approach for the purpose of modeling the geological properties of porous media: - We show that the hydrodynamic dispersion tensor in the passive tracer flow problem does not change the scaling laws governing the asymptotic behavior (in time) of the growth of the mixing region. - We show that, depending on the relative importance between the geological heterogeneities and the nonlinearity which is present in the flow governing equations, distinct mixing regimes may occur. For heterogeneous formations with large heterogeneity strengths we determine that the nonlinear miscible displacement has the same scaling laws for the mixing region growth as the known scaling behavior for linear problems. The importance of these results for the scale-up problem of porous media flow are discussed. Doutorado Doutor em Matemática Aplicada

Orientadores: Sandra Cristina dos S. Rocha, G. S. Vijaya Raghavan Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho apresenta-se em duas partes que tratam do estudo da dinâmica e do recobrimento de partículas em leito de jorro bidimensional. A parte experimental desse trabalho foi realizada no laboratório de secagem (Drying Lab) da Faculty of Agricultural and Biosystems Engineering da McGill University, Montreal Canadá. A primeira parte do trabalho se ateve ao estudo dos regimes de operação em leitos de jorro. Nessa etapa foi desenvolvido um método de identificação e monitoramento de processos em leitos de jorro, a partir de somente uma das variáveis de estado, no caso a queda de pressão devida ao leito de partículas. As flutuações da queda de pressão do leito foram medidas a uma taxa de 100 medições por segundo, e a partir desses dados, uma rotina de transformada de Fourier produziu espectros que permitem a identificação e monitoramento de possíveis regimes em leitos dejorro: jorro estável, leito fixo e regime de slugging. Os experimentos foram realizados com milho e soja em dois tamanhos de leitos de jorro bidimensionais. A segunda etapa foi centrada sobre o recobrimento de partículas em leito de jorro bidimensional. Esse estudo cobriu as duas áreas de maior interesse no que se refere ao processo de recobrimento de partículas: a área farmacêutíca, com o recobrimento de comprimidos e a área agrícola, com o recobrimento de sementes. A pesquisa envolveu o estudo da transferência de calor gás-partículas, para o processo de recobrimento, e o estudo da cinética de crescimento de partículas e eficiência do processo em leitos de jorro bidimensionais, utilizando-se placas internas (draft plates). Placebo e soja foram utilizados como partículas nos experimentos realizados em dois leitos de 50 e 90 cm de largura, respectivamente. A partir dos dados experimentais obtidos, foram ajustadas correlações para a estimativa dos valores dos coeficientes de transferência de calor, para as regiões de jorro e anular, separadamente, e também para a eficiência do processo Abstract: This work is presented in two parts that focus on the study of the dynamics of coating of particles in two-dimensional spouted bed. The experimental part was carried out at the Faculty of Agricultural and Biosystems Engineering of McGill University, Montreal, Canada. The first part of the work attained to the study of operation regimes in spouted beds. It was developed a method for identification and monitoring for process in spouted beds, utilizing only one of the state variables, the bed pressure drop. The experiments were carried out with two diferent-size two-dimensional spouted beds and with com and soybeans as particles. The fluctuations of pressure drop were measured and treated with a Fast Fourier Transform (FFT) routine that produced power spectra that allow the identification and monitoring of possible regimes in spouted beds: packed beds, steady spout and slugging beds. The second part was focused on the coating of particles in two-dimensional spouted beds. The experiments utilized also two different sizes of spouted beds and placebos and soybeans as particles, covering the two most important areas of research, concerning coating of particles, the pharmaceutical and agricultural. The work included the study of gas-particle heat transfer, the kinetics of particle growing and efficiency of the coating process for two-dimensional spouted beds, utilizing draft plates. The experimental data were fit to produce correlations to estimate the heat transfer coeficient, for both regions of the spouted bed, separately, and also for the process efficiency Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Jose Ricardo Figueiredo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O esquema de discretização UNIFAES, é aqui avaliado e comparado com alguns dos mais tradicionais e utilizados esquemas de discretização para o método dos volumes finitos da atualidade. Diversos casos testes lineares do problema de transporte convectivo-difusivo em meio fluido e das equações de Navier-Stokes foram utilizados para comparação. Os esquemas utilizados para comparação foram o Central, Exponencial, LOADS e QUICK em duas versões diferentes de formulação. Os casos testes realizados para avaliação do comportamento numérico realizados em coordenadas generalizadas com malhas regulares e irregulares foram: Transporte convectivo-difusivo em, a) escoamento paralelo b) escoamento rotacional de fluido como sólido, c) escoamento em canto, d) escoamento em canto com perfil de entrada parabólico, escoamento em cavidade fechada inclinada e escoamento em canal divergente gradual. Os resultados obtidos nos testes demonstraram que o esquema UNIFAES, apresentou comportamento bastante promissor comparado aos comportamentos dos demais esquemas. Na grande maioria dos testes os resultados obtidos pelo esquema UNIFAES foram os melhores em questão de acuidade, estando próximo aos obtidos pelo esquema QUICK, que foi o segundo esquema que melhores resultados apresentou Abstract: The UNIFAES discretization scheme is evaluate and compare with some classical and most used schemes for finite volume method in present time. A lot of linear convection-diffusion problems in fluid flow and the solution of Navier-Stokes equations were used for comparison. The compared used schemes were Central, Exponential, LOADS, and QUICK with two different formulations. The chosen test cases for comparisons, using regular and irregular grid arrangements in generalized coordinates formulations were: a) Convective-diffusive transport in parallel fluid flow, in rotational fluid flow, in fluid flow near a wall, in fluid flow near a wall with parabolic inlet profile of the transported property , b) Inclined side walls lid driven cavity, and c) Gradually expanding channel. The obtained results shown that UNIFAES scheme has a very promise behavior compared to the other schemes. In most studied cases, UNIFAES scheme demonstrated better accurate results, elose to QUICK, the second better one Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Reginaldo Guirardello Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Nesta tese é modelado matematicamente e simulado numericamente, por meio do cálculo variacional, a fluidodinâmica do escoamento das fases dentro de um reator químico operando no modo coluna de lama. Diferentemente dos métodos matemáticos que envolvem as equações diferenciais, o método variacional utiliza uma equação integral que deve ser estacionária em relação a todas as suas variáveis, o que permite aplicar algum método de otimização. Um rigoroso modelo para o reator é estudado e os resultados obtidos da simulação são comparados com dados disponíveis na literatura. Os resultados são satisfatórios e possibilita a extensão do método a outros processos da engenharia química. O reator apresenta um leito fluidizado trifásico com agitação dada pelo fluxo do gás. Não existe agitação mecânica. Considera-se ou não a presença de reações químicas. O fluxo do fluido é modelado por meio das equações unidimensionais da continuidade e do momento médio no tempo. Assume-se uma aproximação Euleriana em coordenadas cilíndricas. Na prática este tipo de modelo é satisfatório. Devido a sua forma matemática, faz-se necessário apresentar o modelo do reator na forma de uma equação integral. O presente método está fundamentado em princípios fisicos, permitindo modelar os processos com geometria e condições de contorno complexas, pois permite o ajuste das variáveis junto à simulação. O modelo integral está baseado no critério de mínima energia. O modelo integral é numericamente idêntico ao diferencial. Apesar da extensa manipulação algébrica envolvida, os resultados justificam a sua aplicação. O método, ao ser estendido para 'outros processos químicos, deve ser devidamente aplicado, uma vez que não existe uma regra geral aplicável a todos os casos Abstract: In this work it is applied the variational method for modeling and simulating the hydrodynamic flux of a slurry bubble column reactor. Instead of applying mathematical methods to solve a differential equation, this method employs a stationary integral equation, so it leads to the possibility of applying optimization methods. A rigorous model for the reactor is studied. Simulated data are compared with data available in literature. The results are satisfactory and the method can be explored in similar processes. The reactor shows a three-phase fluidized bed agitated by gas fluxo There is not mechanical agitation. Chemical reactions may be inc1uded. Pluid-dynamic is modeled by one-dimensional averaged-time continuity and momentum equations. It assumes an Eulerian approach in cylindrical coordinate. The practical results of this model were satisfactory. Due to the mathematical form, it is necessary a integral equation for the model. The numerical method is based in physical principles. It allows to mode! processes with complex geometry and boundary conditions. In turn it allows to describe the variables during the simulation. The integral model is analogous to the minimum energy criterion. Differential and integral models results are numerically identical. In spite of extensive algebraic manipulation necessary in the integral method, the results obtained for the method justify its application. The method can be extended for others processes in chemical engineering. It must be correctly applied for each case, since one general rule for application does not exist Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Marcelo Moreira Ganzarolli Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Escoamentos com giro são de ocorrência comum tanto na natureza quanto nos equipamentos de engenharia e são usualmente utilizados em motores de turbinas a gás, fornos, queimadores e ciclones. Ciclones se utilizam do escoamento com giro para, por exemplo, separar partículas sólidas de uma corrente de ar. Um processo de separação de óleo e água pode ser acelerado com a utilização de um ciclone. Separadores de óleo-água, gás-óleo e gás-óleo-água são necessários em processos industriais e são de fundamental importância na produção de petróleo, principalmente em campos marítimos. Um simples dispositivo de segregação de fase que tira vantagem da geometria do tubo na qual pode ser instalado diretamente é o hidrociclone axial. Uma condição de operação crítica pode ser imaginada quando o dispositivo recebe uma fase dispersa em uma fase contínua. O presente trabalho tem como objetivo melhor compreender o comportamento dos campos de escoamento e de pressão de um escoamento monofásico com giro em diferentes vazões de operação, compreendendo números de Reynolds entre 500 e 63000. Testes experimentais foram realizados utilizando um tubo de acrílico de 5cm de diâmetro e 3m de comprimento usando solução de água-glicerina, de viscosidade de 54mPa.s e densidade 1210kg/m3, e água na qual o giro foi criado por um gerador de giro de guias fixas. Um estudo numérico foi realizado para explorar parâmetros que caracterizam o escoamento com giro. Os resultados numéricos da queda de pressão foram comparados com os valores obtidos experimentalmente onde foi encontrada boa concordância entre os resultados, validando o modelo computacional. Observou-se que o fator de atrito para o escoamento com giro é de 450% a 1000% maior quando comparado ao escoamento sem giro. As componentes de velocidade tangencial e axial, o gradiente de pressão axial e o decaimento do número de giro também foram obtidos numericamente. Os resultados indicam que escoamento se comporta como um corpo rígido no centro do tubo e que a componente tangencial da velocidade perde intensidade à medida que a distância axial, a partir da entrada, aumenta. Os resultados mostraram ainda a ocorrência de um gradiente de pressão axial adverso no centro do tubo, surgindo uma região de fluxo reverso. Visualização do escoamento também foi realizada adicionando ar e partículas sólidas à montante do dispositivo gerador de giro. A aplicação do escoamento com giro na indústria do petróleo também é discutida Abstract: Swirling flows are common occurrence in Nature and engineering equipment. They are frequently used in gas turbines, kilns, burners and cyclones. For instance, cyclonic devices take advantage of swirling flow for separating solid particles from a gaseous stream. Oil-water separation can be improved by using a cyclone. Oil-water, gas-oil and gas-oil-water separators are a fundamental requirement in many industrial process such as the offshore petroleum production. A simple phase-segregation device based on the generation of swirling flow which can be directly installed in a pipeline is the axial hydrocyclone. A critical operating condition can be imagined when this device receives a finely dispersed phase into a continuous phase. The present work is aimed at better understanding the flow and pressure fields of single-phase swirling flows at several different flow rates, encompassing Reynolds number based on the average axial velocity between 500 and 63,000. Single-phase flow experiments were performed in a 5cm i.d. 3m long acrylic pipe using a glycerin-water solution of 54mPa.s viscosity and 1210kg/m3 density, and water, in which the swirling flow was imposed by a vane-type swirl generator device with conic trailing edge. A numerical study of those flows was performed to explore the flow parameters that characterize the swirling flow. In order to validate the numerical model, the predict pressure drop results are compared to the experimental values and good agreement was found. It was observed that the friction factor in swirling flows increases by 450- 1000% in comparison with purely axial flow. The tangential and axial velocity components, the axial pressure gradient and the swirl intensity decay were analyzed numerically. Results indicated that the velocity field behaves as a forced vortex in the central region of the pipe and the tangential components decreases as the axial distance form inlet increases, an adverse pressure gradient region tends occur in the central region causing flow reversal. Visualization of swirling flow was achieved by adding air and solid particles upstream the swirl generator. Applications of swirling flow in petroleum production are discussed Doutorado Explotação Doutor em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Jose Ricardo Figueiredo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho apresenta uma comparação das precisões das soluções numéricas entre as malhas fundamentais (deslocada tipo MAC, semi-deslocada, co-localizada nos vértices e co-localizada nos centros) para equações de Navier-Stokes em escoamentos incompressíveis com variáveis primitivas em regime permanente. Emprega-se os esquemas central, exponencial e UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponential-type Scheme) para discretização dos termos advectivos e difusivos das equações de Navier-Stokes. As equações de quantidade de movimento são integradas explicitamente após a solução de uma equação de Poisson para o campo de pressão. Foram resolvidos os problemas bidimensionais da cavidade com a velocidade da tampa uniforme, da cavidade hidrodinâmica quadrada na forma regularizada sem descontinuidade na velocidade da tampa e do degrau. É empregada a metodologia da extrapolação de Richardson para estimar a solução correta nos casos que não possuem solução de referência precisa; para baixos números de Reynolds, os resultados extrapolados no caso do problema da cavidade com velocidade da tampa uniforme coincidem satisfatoriamente com os valores de referência encontrados na literatura. Para o problema da cavidade com a velocidade da tampa uniforme, a malha deslocada (MAC) e a malha co-localizada nos centros apresentam os melhores resultados, seguidas da malha co-localizada nos vértices e por ultimo a malha semi-deslocada, cuja acuidade é afetada pelas descontinuidades nos cantos. De fato, para o problema da cavidade hidrodinâmica quadrada na forma regularizada a malha semi-deslocada apresenta freqüentemente os melhores resultados; em seguida a malha deslocada (MAC) e a malha co-localizada nos centros apresentam resultados comparáveis, e a malha co-localizada nos vértices mostra os piores resultados. Para o degrau foi empregada apenas a malha semi-deslocada. Em geral, o esquema UNIFAES provou-se estável mesmo para os valores mais altos do número de Reynolds e mais acurado que os esquemas central e exponencial. Abstract: This work presents a comparison of the accuracy of the numerical solutions of the fundamental meshes (MAC staggered mesh, semi-staggered mesh, vertex-centered mesh, cell-centered mesh) for the incompressible Navier-Stokes equations in primitive variables. It employs the central differencing, the exponential scheme and UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponentialtype Scheme) for discretization of the advective and diffusive terms of Navier-Stokes equations. The momentum equations are explicitly integrated after the solution of a Poisson pressure equation. The 2D uniform velocity driven lid cavity, the 2D lid-driven cavity in the regularized form without corner discontinuities, and the backward facing step test problems are employed. Richardson extrapolation is employed to estimate the correct solution in cases which have no precise reference solution, for low Reynolds numbers, the extrapolated results of the uniform lid velocity cavity problem coincide well with the reference values found in literature. For the 2D uniform lid velocity driven cavity test problem, the MAC staggered and the cell-centered collocated meshes show the best results, followed by the vertex-centered mesh and at last the semi-staggered mesh, whose accuracy is affected by the corner discontinuities. Indeed, for the 2D lid-driven cavity in the regularized form test problem, the semi-staggered mesh often presents the best results, and then the MAC staggered mesh and the cell-centered collocated mesh presents comparable results, and the vertex-centered mesh shows the worst results. For the step test problem only the semi-staggered mesh was employed. In general, the UNIFAES proved to be stable even at higher values of Reynolds number; and more accurate than the central differencing and then exponential. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Milton Mori, Henry França Meier Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho se propôs a estudar o escoamento do gás em ciclones em duas frentes: por intermédio do mapeamento do campo de velocidades em um ciclone instalado em uma planta semi-piloto de uma unidade da PETROBRAS-SIX e por meio do desenvolvimento de um modelo tluidodinâmico computacional (CFD) tridimensional, amparado pelos resultados experimentais obtidos nesse trabalho e de resultados disponíveis na literatura. Os ciclones têm sido empregados na indústria de processos como separadores de partículas desde o início do século passado, sendo que inúmeros trabalhos de investigação científica visando a obtenção de técnicas que predissessem a queda de pressão e a curva de eficiência de separação são encontrados na literatura. Contudo, somente modernas técnicas, como as da fluido dinâmica computacional (CFD), têm se mostrado capazes de predizer a contento os complexos fenômenos que ocorrem no interior ciclônico. Desta forma, utilizou-se o código de CFD comercial CFX - versões 4.3 e 4.4, da ABA Technology, o qual utiliza o método dos volumes finitos com variáveis co-localizadas resolvendo o sistema em coordenadas generalizadas para a obtenção das soluções das equações de transporte. As malhas numéricas foram construídas por intermédio da técnica dos multi-blocos, utilizando o pré processador "BUILD" presente no código. Os principais resultados mostraram que a metodologia empregada se mostrou adequada e apta a reproduzir o comportamento tluidodinâmico do escoamento do gás (monofásico) e do gás com a presença de particulados (bifásico, em uma abordagem Euleriana-Euleriana), em ciclones tanto em escala de laboratório quanto em escala industrial Abstract: The aim of this work was to analyze the gas flow in cyclones experimentally and numerically. The experimental study was conducted in an acrylic cyclone settled in a pilot unity belonging to SIX/PETROBRAS in São Mateus do Sul, PR. Numerical solutions were obtained by the development of a 3-D computational fluid dynamics (CFD) model, sustained by the experimental resuIts obtained in this work and results from the literature. Cyclones have been used as solid particle separators in large-scale chemical processes since the beginning of the past century. Several studies of scientific investigation in order to obtain prediction techniques of pressure drop and collection efficiency are found in the literature. However, the design of new cyclones and the analysis of the actual equipment can be best achieved using computational fluid dynamics (CFD) techniques in order to obtain higher collection efficiency and a lower pressure drop. The 3-D simulations of the turbulent gas flow in the cyclone was carried out using the computational fluid-dynamics code CFX, versions 4.3 and 4.4, by AEA Technology. The numerical solutions were obtained with a finite-volume method and body fitted grid generation, using the pre-processor BUILD to generate the grids with multi-block techniques. The methodology showed great capability to represent the swirling flow in small cyclones as in industrial cyclones Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Helena Judith Nussenzveig Lopes, Milton da Costa Lopes Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Resumo: Neste trabalho estudamos o conceito de solução fraca de equações que modelam fluidos ideais incompressíveis. Mais precisamente, estudamos exemplos que evidenciam deficiências na definição de solução fraca das equações de Euler. Um exemplo é o fluxo de Shnirelman, que é uma solução fraca das equações de Euler, no toro bidimensional, com suporte compacto no tempo. Isso implica que as soluções fracas das equações de Euler não são únicas. Nesse trabalho construímos uma aproximação numérica do fluxo de Shnirelman, com o objetivo de obter uma visualização da estrutura do fluxo. Em um trabalho conjunto com Shnirelman, modificamos a construção original a fim de obter um fluxo com uma estrutura física mais interessante e através da qual a visualização da cascata inversa de energia se torna mais clara. Recentemente, De Lellis e Székelyhidi também construíram soluções fracas das equações de Euler, no espaço todo, com suporte compacto no tempo e espaço. A técnica utilizada por eles é inovadora e se mostrou eficiente na construção de contra-exemplos variados. Utilizamos a técnica desenvolvida por De Lellis e Székelyhidi para construir soluções fracas das equações de Euler 2D com traçador passivo que tenham suporte compacto no tempo e espaço. Por fim, em nosso trabalho também estudamos as equações de Euler com simetria helicoidal, tendo demonstrado existência global, no tempo, de soluções fracas, na ausência de rodopio helicoidal, desde que a vorticidade inicial esteja em Lp, com p > 4=3, e seja de suporte compacto no plano, periódico na direção axial. Este resultado representa uma melhoria em relação ao estado da arte, devido a Ettinger e Titi, que é a boa-colocação no caso de domínio limitado e com vorticidade inicial limitada Abstract: In this work we study the concept of weak solution of the incompressible ideal flow equations. More precisely, we study examples that highlight the shortcomings of the definition of weak solution for the Euler equations. An example is Shnirelman's flow, which is a weak solution of the Euler equations, on the bidimensional torus, compactly supported in time. This implies that weak solutions of the Euler equations are not unique. In this work we construct a numerical approximation of Shnirelman's flow, in order to visualize the structure of the flow. In joint work with Shnirelman, we modified the original construction in order to obtain a flow with more interesting physical structure whereby the visualization of the inverse energy cascade is clearer. Recently, De Lellis and Székelyhidi also constructed weak solutions of the Euler equations, in the whole space, with compact support in time and space. The technique used by them is innovative and has proved to be very effective in the construction of several counter-examples. We used the technique developed by De Lellis and Székelyhidi in order to construct weak solutions of the 2D Euler equations, coupled with a passive tracer, which are compactly supported in time and space. Finally, in our work we also studied the Euler equations with helical symmetry; we proved global existence, in time, of weak solutions, in the absence of helical swirl, provided that the initial vorticity lies in Lp, with p > 4=3, and has compact support in the plane, periodic in the axial direction. This result represents an improvement with respect to the state of art, due to Ettinger and Titi, who established the well-posedness, for bounded helical domains, assuming that the initial vorticity is bounded Doutorado Matemática Doutor em Matemática

Orientador: Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os leitos fluidizados são amplamente utilizados em muitas operações nas indústrias químicas, agrícolas, bioquímicas, de geração de energia e em especial petroquímicas. Com o aumento na disponibilidade de computadores, a aplicação de modelos matemáticos para predizer o comportamento de um leito fluidizado segue a mesma tendência, e vários modelos têm sido propostos. Neste trabalho foi abordada a modelagem matemática de simulação de um leito fluidizado. O modelo empregado é baseado na descrição euleriana (contínuo) de ambas as fases, e consiste num conjunto de equações de conservação de massa e momento para cada uma destas. Neste modelo estão contempladas a turbulência (modelo k-epsilon) e mistura multifásica. Para descrever o comportamento das muitas partículas em um contínuo foi utilizada a teoria cinética do escoamento granular, que vem se tornando uma aproximação típica para executar simulações eulerianas. A teoria cinética do escoamento granular é baseada na teoria cinética dos gases. Na teoria cinética do escoamento granular, as interações na fase particulada são levadas em conta, pela contribuição das colisões entre as partículas. Nesta teoria, as colisões são o principal mecanismo de transporte nas propriedades da fase particulada. A geometria e a malha numérica foram geradas utilizando o software ANSYS ICEM CFD. O conjunto de equações diferenciais parciais foi discretizado e resolvido utilizando o software ANSYS CFX 10. A KTGF foi implementada em subrotinas Fortran externas ao código comercial. Os resultados obtidos com as simulações foram por fim validados com os dados experimentais encontrados em SAMUELSBERG e HJERTAGER (1996) Abstract: Fluidized beds are widely used in many operations in chemical, metallurgical, energy generation and specially in petrochemical industries. With the increase in the availability of computers, the application of mathematical models to predict the behavior of a fluidized bed follows the same trend, and several models have been proposed. In this work, it has been studied mathematical modelling for the fluidized bed simulation. The model utilized is based in the Eulerian (continuum) description for both phases, and is composed of a set of mass conservation and momentum equations, for each phase. In this model are contemplated turbulence (k-epsilon model) and multifasic mixture. To describe the behavior of the several particles in a continuum, it has been used the kinetic theory of granular flow, that is becoming a typical approach to perform eulerian simulations. The kinetic theory of granular flow is based in the kinetic theory of gases. In the kinetic theory of granular flow, the interactions in the particulate phase are taking in account, by the contribution of the colisions between the particles. In this theory, collisions are the main mecanism of transport in the properties of the particulate phase. The geometry and numerical mesh were generated usins ANSYS ICEM CFD software. The set of partial differential equations was discretized and solved using ANSYS CFX 10 software. The KTGF was implemented by Fortran subroutines apart from the commercial code. The results achieved with simulations were validated with experimental data found in SAMUELSBERG and HJERTAGER (1996) Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rosângela Barros Zanoni Lopes Moreno Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A perfuração de poços de petróleo pode danificar fortemente a formação, incluindo a região de interesse: o reservatório. Perfurar sem que se danifique o reservatório caracteriza-se como um grande desafio, e por isso, tem sido estimulado o desenvolvimento de tecnologias de fluidos e otimização de processos de perfuração, incluindo, por exemplo, o projeto de fluidos com vistas à minimização de dano. Tem sido relatado que, um planejamento detalhado desde o projeto do fluido pode ajudar a minimizar o dano de formação e contribuir para uma melhor restauração da produtividade do poço. Este trabalho é focado na análise do dano de formação causado pela invasão de fluidos de perfuração de base água em reservatórios de petróleo areníticos. Os fluidos foram preparados com os seguintes componentes: sal, polímero e argila. O sal utilizado foi o iodeto de sódio (NaI) na concentração de 150000 ppm; o polímero foi, ora a poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PHPA), ora a Goma Xantana (GX), e a argila utilizada foi a bentonita. Para simular o reservatório foram utilizadas amostras pequenas de arenito Botucatu de alta permeabilidade. As amostras, inicialmente 100% saturadas com óleo mineral (~ 24 cp @23º C), foram submetidas a um processo de invasão, simulando-se uma perfuração sobrebalanceada, e a um fluxo reverso de óleo, simulando-se o início de produção de petróleo, aplicando-se para ambos um diferencial de pressão manométrica de 20 psi (~ 138 kPa). A concentração de polímero foi de 3,5 lb/bbl (10 g/l ou 10000 ppm) quando preparados com PHPA, e de 3,0 lb/bbl (8,6 g/l ou 8600 ppm) quando preparados com GX. A concentração de bentonita variou de 2,5%, 2,0%, 1,5% e 0,0% em massa para ambos os polímeros, resultando em um total de oito fluidos preparados. Foram avaliadas a redução da permeabilidade e da razão de produtividade das amostras durante a invasão dos fluidos, bem como o retorno destas quando aplicado um fluxo reverso de óleo. Os resultados obtidos mostraram que os fluidos que continham argila resultaram em uma menor invasão ou perda de fluido para a formação do que os fluidos que continham somente polímero. Além disso, a concentração de argila influenciou nos resultados obtidos de redução de permeabilidade e do retorno da razão de produtividade. Quanto maior a concentração de argila, menor a invasão de filtrado, porém, o retorno da razão de produtividade também foi menor, evidenciando o potencial de dano da mesma. Os fluidos preparados com PHPA, quando injetados, resultaram em uma maior invasão de filtrado do que os fluidos preparados com GX, porém o retorno da razão de produtividade também foi maior, mostrando que estes fluidos, apesar de invadirem mais, danificaram menos as amostras. Os fluidos preparados com GX tamponaram as gargantas de poro mais rapidamente, e em alguns casos, por completo. O fato de tamponar ou não os poros das amostras teve influência no retorno da razão de produtividade, sendo observado maior retorno nas amostras não tamponadas em relação àquelas tamponadas por completo. Os resultados apresentados aqui podem contribuir para a tecnologia de fluidos de perfuração e avaliação do projeto do fluido, com vistas à minimização de dano à formação e manutenção da produtividade do reservatório o mais próximo da original Abstract: Oil well drilling can strongly damage the formation, including the interest region: the reservoir. Drilling without damaging the reservoir is characterized as a hard challenge, and therefore, the development of technologies and optimization process has been stimulated, including, for example, the fluid design in order to minimize damage. It has been reported that a detailed fluid management plan addressing fluid design can help to minimize formation damage and contribute to a better well productivity restoration. This work is focused on formation damage analysis caused by water-based drilling fluids invasion in sandstone oil reservoirs. Fluids were prepared including the following components: salt, polymer and clay. It was used a 150,000 ppm concentration of sodium iodide (NaI) as salt, either a partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) or a xanthan gum (XG) as polymer, and bentonite as clay. To simulate the reservoir, small samples of high permeability Botucatu sandstone were used. The samples, 100% initially saturated with mineral oil (~ 24 cp @ 23 ° C), were submitted to an invasion process, simulating an overbalanced drilling, and to an oil reverse flow, simulating the oil production beginning, applying to both a 20 psi (~ 138 kPa) gauge pressure difference. The polymer concentration was 3.5 lb/bbl (10 g/l or 10,000 ppm) when prepared with HPAM, and 3.0 lb/bbl (8.6 g/l or 8,600 ppm) when prepared with XG. The bentonite concentration ranged from 2.5%, 2.0%, 1.5% and 0.0% weight for both polymers, resulting in eight tested fluids. During fluids invasion, the permeability impairment and productivity ratio of the samples were evaluated, as well as their return when applied to an oil reverse flow. Obtained results pointed that fluids containing clay resulted in a lower fluid loss to the formation than fluids containing only polymer. Moreover, clay concentration influenced on permeability impairment and on obtained results for the productivity ratio return. The higher is clay concentration, the less is fluid invasion, however, productivity ratio return was also lower, highlighting the clay damage potential. HPAM fluids, when injected, resulted in a higher fluid invasion than XG fluids, but productivity ratio return was also higher, pointing that HPAM fluids, even though had invaded more, the damage was lower. XG fluids blocked pore throats faster and, in some cases, completely. The blocking effect on samples pores influenced on productivity ratio return, i. e., higher return was obtained for samples that weren't blocked. Results presented here may contribute to drilling fluids technology, fluid design evaluation and formation damage minimization aiming to keep the reservoir productivity closer to the original Mestrado Reservatórios e Gestão Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As normas regulamentadoras que restringem as emissões provenientes dos veículos automotores tem se tornado cada vez mais rigorosas, especialmente para os veículos movidos a motores diesel. Para atender estas normas, os fabricantes automotivos têm desenvolvido diversas tecnologias para reduzir e controlar a emissão de poluentes resultantes do processo de combustão nos motores. Entre estas tecnologias está o sistema de recirculação de gases de escapamento, usualmente conhecido na indústria como sistema EGR. Este sistema é extremamente funcional, entretanto o sucesso de sua operação é bastante sensível às condições de contorno que cercam seu funcionamento. Uma destas condições de contorno é a homogeneidade da mistura de ar e gás EGR que chega aos cilindros. Quanto mais homogênea for esta mistura, mais eficiente será o funcionamento do sistema EGR e menor será o nível de emissão de poluentes gerados pelo motor. Neste trabalho objetivou-se avaliar numericamente dois tipos de dispositivos que são responsáveis pela execução deste processo de mistura, o misturador do tipo pré-câmara e o misturador do tipo anel. Foram utilizadas as técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para a realização destas analises. O pacote computacional de CFD adotado foi o FLUENT® 6.3.26, um código que se baseia no método dos volumes finitos para solução das equações de transporte da mecânica dos fluidos. As condições de contorno foram definidas com base no ciclo de testes ao qual o motor é submetido para avaliação pelas entidades regulamentadoras. Como foi adotado o regime permanente para a realização das análises, apresentam-se resultados qualitativos do processo de mistura e do escoamento da mistura ar EGR (no fenômeno real as condições de contorno variam em função da operação do motor - regime transiente). Na análise dos resultados é possível observar de forma clara e objetiva a eficiência de cada dispositivo e qual deles se apresentou como a melhor solução Abstract: The standards which define the limits of the pollutant emissions produced by the automotive vehicles have become increasingly restricted, specialty for diesel engines. To meet these standards, the automotive companies have developed several technologies to reduce and control the pollutant emissions resulting from the combustion process in the engines. Among these technologies we can find the exhaust gas recirculation system, which is usually known in the industry as EGR system. This system is very functional; however the success of its operation is quite sensitive to the boundary conditions which surround its operating. One of these boundary conditions is the homogeneity of the air and EGR gas mixture which is provided to the engine cylinders. The more homogeneous were this mixture, more efficient will be the EGR system operation and lower will be the pollutant emissions generated by the engine. In this investigation aimed to evaluate numerically two types of devices which are responsible for the mixture process, the prechamber mixer and the ring mixer. It was used the Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques to develop the analyses. The computational code used is the FLUENT® 6.3.26, which is a code based on the finite volume method to solve the transport equations of the fluid mechanics. The boundary conditions of the problems were defined with basis on the test cycles which the engine is submitted to be evaluated by the regulatory agencies. As it was adopted the permanent regime to make the system numerical analyses, it's presented qualitative results of the flow and the mixture process of the air and EGR gas (in the real phenomena the boundary conditions vary according to the engine operation - transient regime). On the result analysis it's easy to check the efficiency of each mixer and see which one has presented as the best solution for the problem Mestrado Motores Mestre em Engenharia Automobilística

Orientador: Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O objetivo deste trabalho foi o estudo comparativo de duas modelagens para representação de um escoamento gás-sólido. Na primeira modelagem avaliou-se uma correlação de arraste apresentada recentemente na literatura, baseada em simulações lattice Boltzmann, aplicada a escoamentos gás-sólido. Na segunda observou-se o efeito da variação do coeficiente de especularidade na condição de contorno na parede sobre os perfis de velocidade da fase particulada. Grande atenção tem sido dada a modelagem matemática de escoamentos multifásicos, em especial ao gás-sólido, uma vez que vários processos industriais utilizam-se desta operação. Porém o desenvolvimento de modelos analíticos que incluam todos os fenômenos de transferência de massa, energia e quantidade de movimento não encontra-se disponível, devido principalmente a grande complexidade dos fenômenos envolvidos. Neste aspecto a fluidodinâmica computacional (CFD) tem demonstrado ser uma boa alternativa para o estudo de sistemas complexos, sendo diversos estudos, não somente de engenharia, aplicando esta técnica, publicados todos os anos. Como forma de validar os resultados obtidos por este método numérico, escolheu-se um caso de estudo em escala de laboratório. Os softwares comerciais ANSYS CFX 10 e FLUENT 6.3 foram utilizados para a definição e resolução do problema, além do pós-processamento. Os resultados obtidos foram comparados com os dados numéricos de um trabalho de mestrado do PQGe, bem como com dados experimentais da literatura. Pode-se perceber que os resultados, para a primeira abordagem não apresentaram melhoras em relação a outras modelagens das forças entre e intra-partículas, além do maior tempo computacional requerido. A segunda abordagem demonstrou valores adequados para o coeficiente estudado Abstract: The aim of this work was a comparative study of two different modeling to represent a gas-solid flow. The first approach consists of a new drag correlation presented in the literature. This relation was obtained through lattice Boltzmann simulations of gas-solid flow, thus not depending on empirical data. The second looked for the effects of the variation of the specularity coefficient at the wall boundary condition. Multiphase flow modeling is gathering great attention, especially to gas-solid flows, due to its importance in industrial processes. However analytical models that take into account the mass, momentum and energy transfers are not available, mainly because of the complexities evolved in such systems. Therefore Computational Fluid Dynamics (CFD) has proved to be a viable alternative, having a large number of scientific works been published in recent years. In order to validate the results a comparison with other simulations using different modeling, done by another member of the PQGe laboratory, and with experimental data was carried out. The commercial softwares ANSYS CFX 10 and FLUENT 6.3 were used to define and numerically solve the problem, also to post process the results. For the first approach, the comparison showed that the studied drag correlation gave no improvement upon the other two models analyzed. Also a longer computational time was required, which can not be ignored as an important parameter in CFD simulations. As for the second approach, it was possible to obtain adequate values for the specularity coefficient Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi Coorientador: Prof. Dr. Guilherme Bertoldo Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 03/09/2021 Inclui referências Área de concentração: Fenômenos de Transporte e Mecânica dos Sólidos Resumo: Bocais convergente-divergente, também chamados bocais de Laval, são dispositivos utilizados em motores-foguete e motores a jato. A função de tais dispositivos é acelerar o escoamento de velocidades subsônicas para supersônicas. Em motores-foguete, o propelente é armazenado na câmara de combustão, e constitui de 80% a 90% da massa total do equipamento. Portanto, a tarefa de maximizar a eficiência ou o impulso específico de tal dispositivo é de grande importância. Uma das maneiras de fazê-lo é através da otimização da geometria de bocais do tipo convergente-divergente. A literatura apresenta inúmeros trabalhos na área de otimização da região divergente, porém são poucos os trabalhos que estudam o efeito da geometria da região convergente no desempenho de motores-foguete. Alguns trabalhos afirmam, ainda, que o impacto no desempenho é pequeno e que apenas um formato suave nessa região é suficiente. Trabalhos recentes mostram que essa região impacta significativamente os parâmetros de propulsão. Com base nisso, o presente trabalho propõe a maximização do empuxo através do Método de Otimização de Forma, empregando 1, 2, 4 e 8 variáveis na região do convergente de uma tubeira operando no vácuo. As variáveis constituem-se em ordenadas de pontos sobre o perfil a ser otimizado, interpolados por spline cúbica. As variáveis citadas são obtidas iterativamente pelo algoritmo de otimização denominado SLSQP (Sequential Least SQuare Programming). O escoamento foi modelado matematicamente pela equação de Euler com o código computacional Mach2D e resolvido numericamente pelo Método dos Volumes Finitos. Com o objetivo de aumentar a acurácia das soluções, a técnica de Multiextrapolação de Richardson (MER) foi utilizada no processo de otimização. Para todos os casos o perfil com 8 variáveis apresentou o maior valor para o empuxo. Resultados mostram que é possível aumentar o coeficiente de empuxo em 1,6% em relação à tubeira BMG45-15 da National Aerospace and Space Administration (NASA). Com relação às tubeiras Proto-33 e Proto-36 os aumentos no coeficiente de empuxo foram de 0,5 e 0,6% respectivamente. Após obter o perfil de convergente otimizado, o método de Rao foi empregado para obter a geometria otimizada do divergente. O aumento final no empuxo, considerando toda a tubeira otimizada, foi de 3% com relação à tubeira BMG45-15. Abstract: Convergent-divergent nozzles, also called Laval nozzles, are devices used in rocket engines and jet engines. The function of such devices is to accelerate the flow from subsonic to supersonic velocities in order to produce thrust. In rocket engines, the propellant is stored in the combustion chamber and constitutes 80% to 90% of the total mass of the equipment. Therefore, the task of maximizing the efficiency or specific impulse of such a device is of great importance. One of the ways to do this is by optimizing the geometry of convergent-divergent nozzles. The literature presents numerous works concerned with optimization of the divergent region, however, few works study the effect of the geometry of the convergent region on the performance of rocket engines. Many papers claim that only a smooth format in this region is sufficient, since the impact on performance is small. Recent work shows that this region significantly impacts propulsion parameters. Based on this, the present work proposes the maximization of thrust through the Shape Optimization Method, employing 1, 2, 4 and 8 variables in the convergent region of a nozzle operating in vacuum. The variables are ordinates of points on the profile to be optimized, interpolated by cubic spline. The variables are obtained iteratively by the optimization algorithm called SLSQP (Sequential Least SQuare Programming). The flow was mathematically modeled by the Euler equation with the Mach2D computational code and numerically solved by the Finite Volume Method. In order to increase the accuracy of the solutions, the Richardson Multiextrapolation (MER) technique was used in the optimization process. For all cases, the profile with 8 variables presented the highest value for thrust. Results show that it is possible to increase the thrust coefficient by 1.6% compared to the National Aerospace and Space Administration (NASA) BMG45-15 nozzle. Regarding the Proto-33 and Proto-36 nozzles, the increases in the thrust coefficient were 0,5 and 0,6% respectively. After obtaining the optimized convergent profile, Rao’s method was used to obtain the optimized geometry of the divergence. The final increase in thrust, considering the entire optimized nozzle, was 3% over the BMG45-15 nozzle.

Orientador: Professor José Junji Ota, DSc Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 02/06/2021 Inclui referências: p. 133-139 Resumo: Esta dissertação investigou, por meio da dinâmica dos fluidos computacional, o processo de aeração em escoamentos de altas velocidades, especificamente, o escoamento sobre a calha do vertedouro da Usina Hidrelétrica de Foz do Areia. As simulações numéricas foram realizadas no software OpenFOAM, utilizando os modelos de simulação RANS (em conjunto com o modelo de turbulência k ?? ! SST) e DES (em conjunto com o modelo Spalart-Allmaras DDES). Foram realizadas duas abordagens principais de simulações numéricas, uma considerando a escala de protótipo e outra a escala geométrica 1:30. Os resultados numéricos foram comparados com dados de protótipo disponíveis na literatura. Além da análise quantitativa dos resultados, também foi realizada uma análise qualitativa para avaliar se o comportamento geral do escoamento foi reproduzido adequadamente pelo modelo numérico. As modelagens com o modelo de simulação RANS não representaram adequadamente o processo de aeração. Obtevese uma diferença de até 85,1% referente as vazões de ar do modelo computacional e os resultados da obra. Já as modelagens com o modelo DES representaram mais adequadamente as caracterísitcas do escoamento sobre a calha do vertedouro, o que conduziu a resultados de vazões de ar no interior da torre de aeração maiores em relação as simulações RANS e, por consequência, indicou que o processo de aeração foi melhor representado. Nessas novas simulações, a diferença entre as vazões de ar foram de até 44,0%. De maneira geral, a utilização da modelagem numérica para este estudo pemitiu avaliar o escoamento sob a calha do vertedouro da UHE de Foz do Areia de uma forma que seria consideravelmente mais complexa de modo experimental. E, por mais que os resultados da entrada de vazão de ar das simulações em escala de protótipo não tenham alcançado os valores medidos em obra, o comportamento do escoamento foi representando adequadamente nas simulações DES. Abstract: This dissertation investigated, through computational fluid dynamics, the aeration process in high velocity flows, specifically, the flow over the spillway of the Foz do Areia Hydroelectric Plant. The numerical simulations were performed in the OpenFOAM software, using the simulation models RANS (with the turbulence model k ?? ! SST) and DES (with the Spalart-Allmaras DDES model). Two main approaches to numerical simulations were carried out, one considering the prototype scale and the other 1:30 geometric scale. The numerical results were compared with prototype data available in the literature. In addition to the quantitative analysis of the results, a qualitative analysis was also carried out to assess whether the general flow behavior was properly reproduced by the numerical model. The modeling with the RANS simulation model did not adequately represent the aeration process. A difference of up to 85.1% was obtained regarding the air flows of the computational model and the results of the prototype. Modeling with the DES model, on the other hand, more adequately represented the characteristics of the flow over the spillway chute, which led to higher airflow results inside the aeration tower compared to the RANS simulations and, consequently, indicated that the process of aeration was better represented. In these new simulations, the difference between the air flows was up to 44.0%. In general, the use of numerical modeling for this study allowed to evaluate the flow under the spillway of the Foz do Areia HPP in a way that would be considerably more complex in an experimental way. And, even though the results of the air flow input from the prototype scale simulations did not reach the values measured on site, the flow behavior was adequately represented in the DES simulations.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi Coorientador: Prof. Dr. Guilherme Bertoldo Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 13/05/2021 Inclui referências: p. 103-108 Área de concentração: Fenômenos de Transporte e Mecânica dos Sólidos Resumo: A redução do arrasto aerodinâmico é um tema de interesse para estudiosos e para a indústria de aeronaves e foguetes. Uma redução do arrasto resulta no aumento da autonomia do veículo ou de sua capacidade de carga. O objetivo deste trabalho é identificar narizes de foguete com coeficientes de arrasto mínimos, por meio de uma metodologia de otimização para a modificação da forma geométrica do corpo. Foram estudados narizes de foguete com razão de aspecto dois (razão entre o comprimento e o diâmetro do corpo) sujeitos a escoamento supersônico de ar com número de Mach igual a três. A metodologia usa os algoritmos de otimização Estratégia Evolutiva com Adaptação da Matriz de Covariância (CMA-ES) e Evolução Diferencial (DE) para guiar o processo. A escolha desses algoritmos específicos foi realizada após a avaliação do desempenho de diferentes algoritmos estocásticos e determinísticos da biblioteca Pagmo e do código DEPP no problema deste trabalho. O algoritmo de otimização sugere diversas geometrias e a simulação do escoamento de cada uma delas é realizada numericamente por meio do código SU2, resolvendo as equações governantes do escoamento com o Método dos Volumes Finitos. São utilizadas as equações de Euler para a modelagem matemática do escoamento. O perfil do nariz de foguete foi modelado como sendo bidimensional axissimétrico e em sua superfície estão presentes os pontos de otimização. Nesta dissertação foram utilizados um, dois, três, quatro e cinco pontos de otimização, os quais tiveram em um primeiro momento as suas coordenadas axiais e radiais otimizadas. Posteriormente, as coordenadas radiais desses pontos foram otimizadas em malhas mais finas. Os coeficientes de arrasto dos narizes de foguetes otimizados são apresentados com estimativas de incerteza/erro numérico dadas pelos estimadores GCI, Convergente e o estimador baseado na Multiextrapolação de Richardson. Coeficientes de arrasto de perfis da literatura também foram recalculados e apresentados com estimativas de erro. Em um dos estudos realizados, concluiu-se que o tamanho da população utilizado nas etapas da otimização tem pouca influência no resultado da otimização do problema em questão e que populações pequenas resultam em tempos menores de otimização. Analisando-se os resultados das otimizações, percebeu-se que o aumento no número de pontos de otimização resulta em narizes de foguete com contornos cada vez mais similares, produzindo ganhos cada vez menores no coeficiente de arrasto. Uma diferença relativa de 0,0179% foi obtida entre os coeficientes de arrasto das formas otimizadas com quatro e cinco pontos de otimização. O uso de malhas mais finas nas simulações também resulta em perfis otimizados similares. Os perfis otimizados possuem coeficientes de arrasto de até 21,7% menores que um perfil cônico com mesma razão de aspecto. Os perfis otimizados também foram comparados com outros perfis da literatura. O coeficiente de arrasto do perfil otimizado com cinco pontos de otimização não superou apenas um dos resultados utilizados para comparação, mas se encontra próximo a este com uma diferença relativa de 0,0491% e utilizando três variáveis de projeto a menos na otimização. Abstract: The reduction of aerodynamic drag is a topic of interest to scholars and the aircraft and rocket industry. A reduction in drag results in increased vehicle autonomy or its load capacity. The objective of this work is to identify rocket noses with minimum drag coefficients, through an optimization methodology for the modification of the body's shape. Rocket noses with aspect ratio two (ratio between length and body diameter) subjected to supersonic air flow with Mach number three were studied. The methodology uses the optimization algorithms Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES) and Differential Evolution (DE) to guide the process. The choice of these specific algorithms was made after evaluating the performance of different stochastic and deterministic algorithms of the Pagmo library and the DEPP code in the problem of this work. The optimization algorithm suggests numerous geometries and the flow simulation of each one is performed numerically using the SU2 code, solving the governing flow equations with the Finite Volume Method. Euler's equations are used for the mathematical modeling of the flow. The rocket nose profile was modeled as being two-dimensional axisymmetric and on its surface are present the optimization points. In this dissertation, one, two, three, four and five optimization points were used, which initially had their axial and radial coordinates optimized. Subsequently, the radial coordinates of these points were optimized in finer meshes. The drag coefficients of the optimized rocket noses are presented with estimates of numerical uncertainty/error given by the estimators GCI, Convergent and the estimator based on the Repeated Richardson Extrapolation. Drag coefficients of literature profiles were also recalculated and presented with error estimates. In one of the studies conducted, it was concluded that the size of the population used in the optimization steps has little influence on the result of the optimization of the problem in question and that small populations result in shorter optimization times. Analyzing the results of the optimizations, it was noticed that the increase in the number of optimization points results in rocket noses with increasingly similar contours, producing progressively smaller gains in the drag coefficient. A relative difference of 0.0179% was obtained between the drag coefficients of the shapes optimized with four and five optimization points. The use of finer meshes in the simulations also results in similar optimized profiles. The optimized profiles have drag coefficients up to 21.7% lower than a conical profile with the same aspect ratio. The optimized profiles were also compared with other profiles from the literature. The drag coefficient of the optimized profile with five optimization points has not surpassed only one of the results used for comparison, but it is close to this with a relative difference of 0.0491% and using three fewer design variables in the optimization.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2021. Resumo: Trocadores de calor a placas são dispositivos essenciais para o funcionamento de diversas indústrias. A troca de calor acontece frequentemente entre dois escoamentos de fluidos separados por paredes. É comum que, pelo menos um dos escoamentos, seja composto por mais de uma fase. Nesse contexto, ferramentas óticas como Particle Image Velocimetry (PIV) são recursos importantes para o estudo do comportamento do escoamento bifásico em trocadores de calor. Para possibilitar a aplicação de tais recursos de análise, é necessária a utilização de meios translúcidos de forma a visualizar o escoamento. Para esse fim, blocos de acrílico foram usinados de forma a replicar o volume interno de canais de trocadores de calor onde o escoamento principal ocorre na direção vertical. As seções de testes foram posicionadas em uma bancada de testes multifásica, onde imagens de escoamentos ar-água no interior das geometrias transparentes foram gravadas por uma câmera rápida. As seções de testes foram avaliadas tendo como referência padrões típicos de escoamento bifásico observados em tubos horizontais de seção circular. Seis configurações de escoamento bifásico foram avaliadas nas seções de testes verticais: três padrões típicos observados em dutos (estratificado, pistonado e borbulhado) em duas direções distintas (ascendente e descendente). As características dos padrões obtidos em tubos horizontais foram avaliadas a partir da técnica Electrical Capacitance Tomography (ECT). Imagens foram registradas para dois tipos de geometria de canal de trocadores: um canal típico de trocador casco e placas (Plate and Shell Heat Exchanger - PSHE) e um canal típico de trocador de placas gaxetadas (Plate Heat Exchanger - PHE). A partir das imagens das seis configurações de escoamentos bifásicos no canal do PSHE, foram identificados a ocorrência de oito padrões distintos (estratificado, bolsões de ar, borbulhado, zona de recirculação, segregado, pistonado, golfado e ponte líquido-anular com ar segregado) em três regiões do canal (bocal de entrada, bocal de saída e região central do canal). Em seguida, o campo de velocidades foi obtido por PIV para a fase inercial composta de bolhas. Além disso, fatores de atrito, e números de Reynolds e Nusselt foram estimados localmente para o padrão horizontal pistonado ascendente e descendente. É demonstrado que trocadores de calor com escoamentos bifásicos em ambos os ramais podem ter melhor desempenho térmico em configuração paralela ao invés da consagrada configuração contracorrente. Abstract: Heat exchangers are essential equipment for the operation of several industries. Heat transfer takes place between two flows often separated by walls. Commonly, one flow stream consists of two or more phases. In this context, optical tools as Particle Image Velocimetry (PIV) are important resources for studying two-phase flow behavior in heat exchangers. To enable this analysis, it is necessary to apply translucent materials as to allow fluid flow observation. With this aim, acrylic blocks have been machined as to obtain typical channel flow geometries as observed in Plate Heat Exchangers ? PHE and Plate and Shell Heat Exchangers ? PSHE. At these heat exchanger channels, main fluid flow direction is vertical. Two test sections (transparent PHE and PSHE channels) were positioned in a multiphase flow setup. Air-water flows were recorded by a Photron fast camera. Analysis occurred with typical two-phase flow patterns as observed in horizontal pipes with circular cross-section as reference. Six flow configurations were applied: three typical patterns as observed in pipes (stratified, slug and bubbly flows) in two flow directions (upward and downward). Horizontal pipe flow characteristics were obtained via Electrical Capacitance Tomography (ECT). Two-phase pipe flow results were compared to the ones observed within the PSHE channel. Six flow patterns were obtained in the PSHE channel (recirculation zone, stratified, bubbly, churn, annular, slug, wispy annular and annular-liquid bridge flow/air-alone flow patterns) in three different regions (inlet port, outlet port and channel center). The inertial phase (bubbles) velocity field was obtained by PIV. In addition, two-phase friction factors, and Reynolds and Nusselt numbers were locally estimated for upward and downward flow directions. When both streams in a PSHE or PHE consist of gas-liquid flows, thermal performance of parallel configuration can significantly overcome countercurrent arrangement.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi Coorientador: Prof. Dr. Guilherme Bertoldo Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 14/05/2021 Inclui referências: p. 105-109 Área de concentração: Fenômenos de Transporte e Mecânica dos Sólidos Resumo: A otimização da geometria da seção divergente de tubeiras de motores-foguete é investigada no presente trabalho. A necessidade de geometrias otimizadas para tubeiras de motores-foguete se justifica pela economia do consumo de combustível que pode ser alcançada com o design de melhores sistemas de propulsão, possibilitando a redução da massa de propelente no veículo, a qual representa aproximadamente 80% da massa dos veículos aeroespaciais. Neste trabalho, buscam-se geometrias do divergente que possibilitem a maximização do desempenho da tubeira, avaliado quantitativamente pelo coeficiente de empuxo gerado pela tubeira. Dois casos foram considerados: raio de saída fixo e raio de saída variável. A metodologia de otimização empregada utiliza o método de otimização de forma, o qual usa o algoritmo de otimização de Evolução Diferencial da biblioteca Pagmo, selecionado após a avaliação e comparação do desempenho de diferentes algoritmos de otimização estocásticos, avaliados no problema em questão. No processo de otimização, o otimizador sugere a coordenada radial de pontos distribuídos na parede da seção divergente da tubeira. Otimizações foram realizadas com um, dois, três e quatro pontos de otimização com o intuito de avaliar o efeito do número de pontos de otimização nas geometrias otimizadas. As coordenadas axiais desses pontos de otimização foram definidas em otimizações em malhas grossas considerando variáveis tanto as coordenadas axiais quanto as radiais. Também foi avaliado o efeito do refino da malha nas geometrias ótimas. O escoamento em cada geometria proposta durante as otimizações foi resolvido numericamente com o código SU2, sendo o escoamento modelado matematicamente pelo modelo invíscido, representado pelas equações de Euler, as quais foram resolvidas pelo Método dos Volumes Finitos. O problema foi abordado de maneira bidimensional axissimétrica. Os resultados indicam que o aumento no número de pontos de otimização não produz aumento significativo no coeficiente de empuxo, sendo que esse incremento é mais expressivo na variação de um para dois pontos de otimização. Quanto ao efeito do refino da malha nas geometrias ótimas, verificou-se que com o refino da malha as coordenadas radiais dos pontos de otimização apresentam menores diferenças e tendem a um valor fixo. A maior diferença relativa nas coordenadas radiais entre as duas malhas mais refinadas utilizadas foi de 0,66%. Aumento de desempenho no coeficiente de empuxo de até 1,37% em relação ao perfil base foi obtido nas geometrias otimizadas. Ainda, obtiveram-se geometrias de tubeiras com coeficientes de empuxo superior a uma tubeira com o perfil do divergente gerado pelo método de Rao, com diferenças relativas de até 0,188%. Os coeficientes de empuxo dos perfis otimizados e dos perfis utilizados para comparação foram apresentados com estimativas de incerteza/erro numérico calculadas com o estimador GCI, o estimador Convergente e o estimador baseado na Multiextrapolação de Richardson. Abstract: The optimization of the divergent section's geometry of rocket engines' nozzles is investigated in the present work. The need for optimized geometries for rocket engines' nozzles is justified by fuel consumption savings that can be achieved with the design of better propulsion systems, enabling the reduction of propellant mass in the vehicle, which represents approximately 80% of the mass of aerospace vehicles. In this work, it is sought geometries of the divergent that allow the maximization of the nozzle's performance, evaluated quantitatively by the thrust coefficient generated by the nozzle. Two cases were considered: fixed exit radius and variable exit radius. The optimization methodology employed uses the shape optimization method, which uses the Differential Evolution optimization algorithm of the Pagmo library, selected after the evaluation and comparison of the performance of different stochastic optimization algorithms, evaluated in the problem in question. In the optimization process, the optimizer suggests the radial coordinate of points distributed on the wall of the divergent section of the nozzle. Optimizations were performed with one, two, three and four optimization points in order to assess the effect of the number of optimization points on the optimized geometries. The axial coordinates of these optimization points were defined in optimizations in coarse meshes considering both the axial and radial coordinates as variables. The effect of mesh refinement on optimal geometries was also assessed. The flow in each geometry proposed during the optimizations was numerically solved with the SU2 code, and the flow was mathematically modeled by the inviscid model, represented by the Euler's equations, which were solved by the Finite Volume Method. The problem was approached in a two-dimensional axisymmetric way. The results indicate that the increase in the number of optimization points does not produce a significant increase in the thrust coefficient, and this increment is more expressive in the variation from one to two optimization points. Regarding the effect of the mesh refinement on the optimal geometries, it was found that with the mesh refinement, the radial coordinates of the optimization points show smaller differences and tend to a fixed value. The largest relative difference in radial coordinates between the two most refined meshes used was 0.66%. Performance increase on the thrust coefficient of up to 1.37% in relation to the base profile was obtained in the optimized geometries. Furthermore, it was obtained nozzle geometries with higher thrust coefficients than a nozzle with the divergent profile generated by Rao's method, with relative differences of up to 0.188%. The thrust coefficients of the optimized profiles and the ones used for comparison were presented with estimates of numerical uncertainty/error calculated with the GCI estimator, the Convergent estimator and the estimator based on the Repeated Richardson Extrapolation.

Orientador: Anne Caroline Bronzi Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Resumo: Nesta dissertação estamos interessados no estudo de noções fracas de solução para algumas equações diferenciais parciais que descrevem fenômenos da Dinâmica de Fluidos, especificamente as equações de Euler para fluidos incompressíveis ideais, e o sistema das equações da Magnetohidrodinâmica ideal, que governam o movimento de fluidos incompressíveis ideais carregados eletricamente, com condutividade perfeita. Os principais objetos estudados são o método de integração convexa utilizado para obter a não-unicidade de soluções fracas para ambas as EDPs, assim como a abordagem que permite tratar de medidas parametrisadas como soluções muito fracas para estes sistemas. Adaptando um conceito de solução a valor de medidas das equações de Euler para o sistema MHD ideal, pudemos obter um resultado de existência global para o caso completamente tridimensional, assim como um resultado de unicidade fraca-forte para soluções satisfazendo uma condição de simetria planar Abstract: In this thesis we are concerned with weaker notions of solutions to some partial differential equations which describe phenomena in the field of fluid dynamics, specifically the incompressible Euler equations for ideal fluids and the ideal Magneto-hydrodynamic system of equations governing the motion of ideal incompressible fluids that are electrically conductive. The main objects of study are the method of convex integration to obtain non-uniqueness of weak solutions to both PDE systems, as well as the framework for treating parametrised measures as very weak solutions to these equations. By adapting a concept of measure-valued solution from the Euler to the ideal MHD system, we are able to obtain a global existence result for the full $3D$ system, and a weak-strong uniqueness result for solutions satisfying a planar symmetry condition Mestrado Matemática Mestre em Matemática FAPESP 2019/05841-0 CNPQ 132316/2019-6

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A radiação desempenha um papel importante em uma ampla gama de aplicações de engenharia térmica inclusive em escoamentos turbulentos. A crescente necessidade de precisão e confiabilidade nas simulações numéricas para apoiar as etapas de design nesse contexto é a principal motivação da presente tese. De especial interesse neste trabalho são os escoamentos livres e o entendimento fundamental de como a radiação pode modificar a dinâmica e o transporte de calor, assim como as flutuações turbulentas destes podem alterar a transferência de calor por radiação nesse tipo de escoamentos. Com o fim de desenvolver e validar modelos para as interações radiaçãoturbulência, o objetivo da presente tese é fornecer dados de alta fidelidade de jatos turbulentos livres acoplados à radiação térmica. Assim, os jatos livres turbulentos são descritos por simulações numéricas diretas (DNS) acopladas a um método de Monte Carlo recíproco para resolver a equação de transferência radioativa. A dependência espectral das propriedades radioativas é modelada com o método Correlated-k. O estudo numérico é realizado com essas ferramentas numéricas para ser o mais representativo possível de um jato real em um meio participante. A simulação é otimizada em termos de tempo de processamento aproveitando um método de aceleração chamado Acustic Speed Reduction e injetando turbulência artificial para melhorar as fronteiras de entrada do escoamento. Duas simulações diretas de jatos aquecidos acoplados a radiação térmica são realizadas. Por um lado, um jato aquecido com radiação moderada é simulado. A análise de seus dados DNS acoplados de alta fidelidade permitiu derivar uma nova lei de escala para o decaimento do perfil de temperatura. Essa lei de escala compensa os efeitos na densidade devidos à radiação moderada. Além disso, permite distinguir se a radiação térmica modifica ou não a natureza dos mecanismos de transferência de calor na região desenvolvida do jato. Por outro lado, um jato livre fortemente aquecido é resolvido para quantificar os efeitos da radiação nos campos médios de temperatura e velocidade, bem como nos momentos de segunda ordem. Além dos dados do DNS acoplado, um solver RANS para escoamentos de densidade variável acoplado à radiação térmica foi implementado durante o curso desta tese. O objetivo é quantificar diretamente a precisão dos modelos turbulentos existentes e identificar os principais parâmetros para modelagem das interações no acoplamento Abstract: Radiation plays an important role in a broad range of thermal engineering applications comprising turbulent flows. The growing need for accurate and reliable numerical simulations to support the design stages of such applications is the main motivation of this thesis. Of special interest in this work are the free-shear flows and the fundamental understanding of how radiation can modify their fluid dynamics and heat transport as well as how their turbulence fluctuations can alter radiative transfer. The goal of this thesis is to provide high-fidelity data of turbulent free jets coupled with thermal radiation in order to develop and validate free-shear turbulent models accounting for coupling interactions. To this end, turbulent free jets are described by direct numerical simulations (DNS) coupled to a reciprocal Monte-Carlo method to solve the radiative transfer equation. The spectral dependency of the radiative properties is accounted for with an accurate Correlated-k method. The numerical study is carried out with state-of-the-art fidelity to be as representative as possible of an actual jet in a participating medium. The simulation is optimized in terms of processing time taking advantage of an acceleration method called Acoustic Speed Reduction and by injecting artificial turbulence to enhance inlet boundaries. Two direct simulations of heated jets coupled with thermal radiation are carried out. On the one hand, a heated jet with moderate radiation is simulated. The analysis of its high-fidelity coupled DNS data has allowed to derive a new scaling law for the decay of the temperature profile. This scaling accounts for the effects of modified density due to moderate radiation. Moreover, it allows for distinguishing whether thermal radiation modifies the nature of heat transfer mechanisms in the jet developed region or not. On the other hand, a strongly heated free jet is computed in order to quantify the effects of radiation on mean temperature and velocity fields as well as on second order moments. Besides the coupled DNS data, a RANS solver for variable-density flows coupled with thermal radiation has been implemented during the course of this thesis. The goal is to directly quantify the accuracy of the existing turbulent models, and to identify key parameters for further modeling of coupling interactions Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 3300-3/2017

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A Corpos cilíndricos submetidos a escoamentos externos podem vibrar em função de flutuações de forças induzidas por estruturas turbilhonares. Essas vibrações podem induzir, por meio de um processo nao linear, um aumento das forças de arrasto e transversais, levando assim a um aumento dos esforços sobre as estruturas. Alem disso, as vibracoes podem causar nucleacão e propagaçao de trincas na estrutura, conduzindo-a a falha em virtude da fadiga. Isso e especialmente importante quando esses cilindros sao tubos pelos quais petróleo ou gas natural são transportados e estao submetidos a ondas e correntes marótimas. O principal objetivo do presente trabalho e adquirir e ampliar a compreensao sobre a influencia da proximidade do solo no processo de interacao fluido-estrutura em tubos horizontais ancorados por dunas. Esse estudo foi feito atraves de solucão computacional das equacoes que modelam o fenômeno, em ambiente de processamento paralelo. Essas simulaçães foram feitas em uma tubulacão de comprimento L=42m e diametro 0=0,27m em um escoamento dinamicamente caracterizado por Re^ = 1, 73 x 105. Cinco diferentes distancias da tubulação ao solo (gap) foram testadas e analisadas. São elas: 0,1 0, 0,2 0, 0,3 0, 1 0 e 5 0. No presente trabalho a modelagem estrutural e a modelagem fluidodinamica são acopladas matematicamente e numericamente, o que permite a simulacao e a analise de escoamentos com os dois efeitos acoplados, utilizando-se uma ónica ferramenta computacional. A Metodologia da Fronteira Imersa, utilizada no presente trabalho, óe particularmente adequada para os problemas que envolvem interação fluido-estrutura, pois os domínios do fluido e da estrutura sao tratados de forma simultanea. As equacoes que modelam os escoamentos sao resolvidas em um domónio euleriano (fixo, cartesiano, por exemplo), enquanto a superfócie do corpo imerso e representada por um conjunto de pontos lagrangeanos. Atraves dessa metodologia, as forcas de interface fluido-sólido são avaliadas. Essas forcas sao utilizadas tanto na rotina do fluido para imposição da condição de contorno de não deslizamento na fronteira entre o fluido e a estrutura, quanto na rotina estrutural para o calculo dos deslocamentos e velocidades da estrutura. Foi utilizado um código computacional, Fluids3D, integralmente desenvolvido em casa, que permite a simulacão de escoamentos incompressíveis tridimensionais com modelagem para fechamento da modelagem da turbulencia em conjunto com modelagem de viga de Timoshenko. As simulacoes foram feitas em um cluster de alto desempenho que permitiu a utilizacao de 80 ou 160 processadores dependendo do caso. Mesmo contando com computadores robustos e computaçao paralela, cada simulacao teve duracao de 13 a 28 dias. O número de volumes computacionais utilizados para descrever o domínio do fluido variou de 5.040.000 a 8.064.000. Os resultados obtidos sao consistentes com o que se espera para esse tipo de problema. Cylindrical bodies subjected to external flow can vibrate due to fluctuations forces induced by eddy structures. These vibrations may induce, by means of a non-linear process, an increase in the drag and lift, thus leading to increased strain on the structures. In addition, the vibrations may cause nucleation and propagation of cracks in the structure leading to failure due to fatigue. This is especially important when these cylinders are tubes through which oil or natural gas are transported and are subject to waves and currents. The main aim of this work is to acquire and broaden the understanding of the influence of proximity to the ground in the fluid-structure interaction process in horizontal pipes anchored by dunes. This study was done by computational solution in parallel atmosphere of the equations that model the phenomenon. These simulations were performed on a pipe length L = 42m and a diameter of 0 = 0,27m in a flow dynamically characterized by Re^ = 1, 73 x 105. Five different distances between the soil and the pipe (gap) were tested, they are: 0,10, 0,20, 0,30, 1 0 e 5 0, where 0 is the structure diameter. In this study, the structural modeling and fluid dynamics modeling are coupled mathematically and numerically, which allows the simulation and analysis with both effects coupled, using a single software tool. The Immersed Boundary Method used in this study, is particularly suitable for problems involving fluid-structure interaction, because the fluid and structure domains are treated independently. The equations that model the flows are solved in an Eulerian field (fixed Cartesian, for example), while the surface of the immersed body is represented by a set of Lagrangian points. Using this methodology, the liquid-solid interface forces are evaluated. These forces are used either in the fluid routine for the imposition of non-slip boundary condition on the boundary between the fluid and the structure, as in the structural routine for calculating the displacements and velocities of the structure. A computer code that enables simulation of three-dimensional incompressible flows with a turbulence model together with Timoshenko beam model was used. The simulations were performed on a high-performance cluster that allowed the use of 80 or 160 processors depending on the case. Even with robust computers and parallel computing, each simulation lasted from 13 to 28 days. The number of computational volumes used to describe the fluid field varied from 5,040,000 to 8,064,000. The results are consistent with what is expected for this type of problem. Dissertação (Mestrado)