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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Uma fonte interessante de antioxidantes naturais é o pinhão, semente da Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze, consumido com maior frequência na região Sul do Brasil. A água resultante do cozimento do pinhão, que normalmente é descartada, apresenta compostos com atividade antioxidante, tornando-se um resíduo interessante para aplicação em embalagens ativas. Assim, o objetivo principal do presente projeto é a produção, caracterização e aplicação de filmes ativos para alimentos, compostos de amido termoplástico (TPS), poli (butileno adipato-cotereftalato) (PBAT) contendo extrato de pinhão, por extrusão reativa (ácido cítrico como compatibilizante) seguida da extrusão por sopro. Para isso, o extrato da água de cozimento do pinhão foi obtido pelo cozimento do mesmo conforme realizado para o consumo, seguido da secagem por liofilização. O extrato teve seu perfil de compostos fenólicos determinado por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC-DAD-ESI/MSn)). No total 8 compostos foram identificados, sendo o principal deles a catequina. Foram produzidas três formulações de embalagem: com adição de 0,5% (P5), e de 0,75% de extrato (P75) com base na massa total de polímero, assim como uma formulação controle (sem adição de extrato, CF). Os filmes, foram analisados quanto à atividade antioxidante indicando a viabilidade de aplicação destes como embalagens ativas. Os mesmos também foram caracterizados quanto propriedades térmicas (TGA e DSC), microestrutura (MEV), propriedades mecânicas (texturômetro), solubilidade, umidade, permeação ao vapor d’água (gravimétrico) ângulo de contato com água (polar) e diiodometano (apolar), opacidade (Espectrofotometria UV-Vis) e cor (colorímetro). Os resultados demonstraram que a adição do extrato não influenciou significativamente nas propriedades mecânicas, exceto na amostra P75 que apresentou diferença significativa (p < 0,05) das demais amostras no resultado do parâmetro elongação na ruptura. Em relação a caracterização térmica, é importante notar que os resultados da TGA indicam que tanto os filmes quanto o extrato adicionado são termicamente estáveis até temperaturas em torno de 250ºC, indicando que os compostos fenólicos presentes no extrato não se degradaram durante o processo de extrusão. Ao analisar a hidrofilicidade dos filmes, foi observado que os filmes com extrato se mostraram menos solúveis em água do que o filme controle, possivelmente este efeito ocorreu devido a presença de compostos do extrato que não estão interagindo com a matriz polimérica e interagiram com a água. Por fim, os resultados indicaram que as embalagens ativas resultaram em menores valores de acidez em ácido oleico para o óleo extraído das castanhas (armazenadas a 30ºC), bem como para os valores de coeficientes de extinção K232, K270 e ΔK. Dessa forma, pode-se concluir que as embalagens contendo o extrato de pinhão agiram de forma a retardar a oxidação lipídica do óleo presente nas castanhas-do-Pará embaladas. “Pinhão”, the seeds of Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze, is an interesting source of natural antioxidants consumed more frequently in Brazil’s southern region. The water that results after pinhão seeds cooking, usually discharged, presents compounds with antioxidant activity, being an interesting residue that can be applied to active food packaging materials. Thus, the objective from this work was to produce active packaging formulations composed by thermoplastic starch (TPS) and poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) added with pinhão extract, by reactive extrusion (citric acid as compatibilizer) followed by blow-extrusion. For that, the extract from pinhão cooked water was obtained through same way as cooking it for consume, followed by freeze drying. The extract had its phenolic profile determined by High Performance Liquid Chromatography (HPLC-DAD-ESI/MSn). Eight compounds were identified, the main one being catechin. Three packaging formulations were produced with addition of 0.5% (P5), and of 0.75% of extract (P75) based on the total amount of polymer, as well as a control formulation (without extract addition, CF). The films were analyzed in relation to their antioxidant activity (DPPH) indicating feasibility of applying them as active packaging. Also, were characterized the thermal properties (DSC and TGA), microstructure (SEM), mechanical properties (Texturometer), solubility, moisture content and water vapor permeation (gravimetric), contact angle with water (polar solvent) and diiodomethane (non polar), opacity (UV-Vis Spectroscopy), and color (colorimeter). The results demonstrated that the addition of the extract did not influence significantly the mechanical properties, except by P75 sample which presented significant difference (p < 0.05) from the others in relation to elongation at break. Thermal characterization it is important to note that TGA results indicate that both the films and the added extract are thermally stable up to temperatures around 250 °C, indicating that the phenolic compounds present in the extract do not degrade during the extrusion process. These results indicate that phenolic compounds are interacting with the polymer matrix. Analyzing films hydrophilicity, it was observed that films with the extract addition were less soluble in water than control formulation, the contact angle with water increased. Finally, the results indicated that the oil extracted from the nuts packaged with the active packages had lower acidity values in oleic acid (stored at 30ºC), as well as the values os specific extinction coefficients results, K232, K270 and ΔK. Thus, it can be concluded that the packaging containing pinhão extract acted in order to retard lipid oxidation of the oil present in the packed Brazilian nuts.