Search

Orientadores: Rogério Gonçalves dos Santos, Mario Eduardo dos Santos Martins Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As legislações de emissões estão ficando mais rigorosas ano após ano, exigindo maiores esforços de desenvolvimento. Mais e mais testes de emissões necessitam ser rodados, até que o motor esteja suficientemente ajustado para o mercado. Por outro lado, construir protótipos é bastante caro. Uma forma de reduzir os custos e tempo de desenvolvimento é usar simulações numéricas. Entretanto, a fim de predizer emissões corretamente, métodos mais complexos e computacionalmente caros são normalmente necessários, como dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tridimensional (3D) acoplada com cálculos de cinética química. Tais simulações podem levar bastante tempo, mesmo para um único caso, fazendo-as valer a pena apenas para desenvolvimento conceitual. Este trabalho tem como objetivo avaliar um modelo zero-dimensional (0D) de cilindro acoplado com cinética química e sua capacidade de predizer emissões de NO e CO no escapamento, fruto da combustão com E10 (uma mistura de 10% de etanol com 90% de gasolina, em volume). Resultados de bancada de um motor Otto 3 cilindros, com 1,2 litros de volume deslocado, injeção direta e sobrealimentado rodando com E10 foram utilizados como referência na avaliação da precisão e adequação do modelo para este combustível. Dez diferentes conjuntos de coeficientes de reação para o Modelo Estendido de Zeldovich foram testados, e dois para o modelo de CO de uma única reação. Resultados de simulação de NO apresentaram desvios de até 50% quando comparados com medições. CO apresentou erros de até 372%, e o uso de cinética química gerou desvios maiores do que cálculos de equilíbrio químico simples. A simulação não foi capaz de reproduzir a tendência experimental de emissões para os pontos de operação testados. Aparentemente, isto pode ser uma consequência de desvios na predição de vazão de ar, apesar destes desvios estarem dentro da precisão esperada de modelos de motor 1D/0D Abstract: Engine emissions standards are getting more stringent year after year, requiring greater development efforts. More and more emissions tests have to be ran, until the engine is sufficiently tuned for the market. On the other hand, building prototypes is very expensive. One way of reducing development costs and time is to use numerical simulations. However, in order to predict emissions well, more complex and computationally expensive methods are usually necessary, like three-dimensional (3D) Computer Fluid Dynamics coupled with chemical kinetics calculations. Such simulations can take very long, even for one single case, making them only worth it for conceptual development. This work aims at evaluating a zero-dimensional (0D) cylinder model coupled with chemical kinetics and their suitability in predicting NO and CO exhaust emissions from combustion of E10 (a mixture of 10% ethanol with 90% gasoline, in a volume basis). Test bench results from a 3 cylinder, 1.2 liter turbocharged Direct Injection Spark Ignition engine, running on E10, were used as reference for evaluating model accuracy and suitability for this fuel. Ten different sets of rate coefficients for the Extended Zeldovich Model were tested, and two for the CO single reaction model. NO simulation results presented up to 50% deviation when compared to measurements. CO presented errors up to 372%, and the use of chemical kinetics produced higher deviations than simple equilibrium calculations. The simulation wasn’t able to reproduce the experimental emission’s trend for the tested operating points. Apparently, this was due to deviations in air flow predictions, although these deviations were within the expected accuracy of 1D/0D engine models Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2013/50238-3

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

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A motivação em se estudar os fenômenos que acontecem em cada subsistema de um motor de combustão interna ciclo Otto reside na possibilidade de se prever e otimizar seu funcionamento, em especial com os diferentes combustíveis de nova geração que estão sendo inseridos no mercado. O processo de atomização que ocorre nos bicos injetores de combustível, dispositivos integrantes do sistema de injeção eletrônica do motor, apresenta forte relação com a posterior reação de combustão e, por conseguinte, com a eficiência térmica do motor. No presente trabalho, experimentos foram conduzidos para investigar o efeito da temperatura do líquido em parâmetros de atomização de um atomizador do tipo mecânico-centrífugo utilizado em bicos injetores de combustível automotivos. O aparato experimental consistiu de uma bancada de injeção de combustível conectada a um sistema de controle de calor, este com objetivo de variar a temperatura do combustível. Os parâmetros de atomização foram avaliados por meio da técnica de Shadowgraphy, a fim de se medir diâmetro de gotas, distribuição de partículas e campo de velocidades. Gasolina e etanol em diferentes temperaturas foram usados para fornecer variação nas propriedades do líquido, ambos com a mesma pressão de injeção. Os resultados de tamanho de gota foram dados, principalmente, em termos de Sauter Mean Diameter (SMD) e outros diâmetros representativos que se mostraram pertinentes. Todas as medições foram realizadas em duas diferentes distâncias axiais do orifício de descarga. Para as duas distâncias escolhidas, 25 mm e 100 mm, o SMD e a velocidade se mostraram insensíveis à faixa de temperatura testada, devido à baixa variação das propriedades dos combustíveis. Por outro lado, a distribuição das partículas permitiu visualizar o efeito da temperatura nos diâmetros das gotas, mostrando que o aumento da temperatura proporciona diminuição no tamanho das gotas, e o comparativo entre os parâmetros nas duas distâncias axiais permitiu visualizar o efeito da primeira e segunda atomização sobre o spray Abstract: The motivation in studying the phenomena that happen in each internal combustion engine subsystem lies in the possibility to predict and optimize its operation. The atomization process that occurs in fuel injectors, devices that belong to engine injection system, has a strong relation with the subsequent combustion reaction and thus with the engine thermal efficiency. Experiments were performed to investigate the liquid temperature effect on atomization parameters in an internal combustion engine pressure-swirl atomizer. The experimental apparatus consisted of a flow control rig connected with a heat control system. The flow rig, which is an injection system, was built specifically for that purpose and the heat system goal was to vary the liquid temperature. The atomization parameters were evaluated by means of Shadowgraphy technique in order to measure drop mean diameter, particle size distribution and drop velocity field. Gasoline and ethanol in different temperatures were used to provide variation in liquid properties and the same injection pressure was used for both fuels. The results for drop sizing were expressed in terms of Sauter Mean Diameter (SMD) and the velocity field as well as the particle size distribution measurements were taken in two different axial distances from the nozzle exit. At both distances, 25 mm and 100 mm, SMD and velocity seemed to be insensitive to the range of temperature used because it provided low variation in fuel properties. On the other hand, particle size distribution allowed the visualization of temperature effect on drop diameters, showing that increasing temperatures decrease droplet sizes, and the comparison between two axial distances allowed seeing the effects of first and second atomization on the spray Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Separação é um fenômeno físico característico de escoamentos viscosos internos ou externos, onde a presença de um gradiente adverso de pressão, muitas vezes devido a variações bruscas na geometria, resulta no desprendimento da camada limite do fluido. No caso do escoamento degrau uma ou mais zonas de recirculação são formadas como consequência. Já no escoamento externo ao redor de um obstáculo retangular, a separação localizada nos vértices da geometria, pode resultar na formação das esteiras de Von Karman em determinada faixa de Reynolds. Este trabalho tem como um dos objetivos estudar os resultados provenientes da inserção de um obstáculo retangular como redirecionador de fluxo em um escoamento sobre degrau. Alterações nas zonas de recirculação podem influenciar aplicações industriais que envolvam mecanismos de transferência de massa ou calor. Considerando como exemplo trocadores de calor, o obstáculo poderia ter função semelhante a uma aleta. Também são consideradas possíveis alterações na esteira do obstáculo, como a frequência de formação dos vórtices, a qual pode ser interessante em um estudo de vibrações. Como outro objetivo do trabalho, foi desenvolvido um código de CFD (Computational Fluid Dynamics) bidimensional em volumes finitos, de característica transiente, laminar e incom- pressível. Onde os casos de simulação envolvendo as geometrias do degrau e do obstáculo foram conduzidos para uma faixa de Reynolds entre 100 e 600. Este código tem como característica prin- cipal a utilização do método UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponential-type Scheme) na discretização dos termos de convectivo e difusivo das equações de Navier-Stokes. Duas configurações numéricas foram utilizadas nas simulações. A primeira (NUM1) apre- sentando malha semi-deslocada, discretização espacial e temporal pelos métodos UNIFAES e eu- ler explícito, com obtenção de uma equação de poisson para a pressão. A segunda (NUM2) uti- lizando malha deslocada (staggered), discretização espacial e temporal pelos métodos upwind e euler implícito, com utilização do algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations). Em ambos os casos um solver iterativo SOR (Successive Over-Relaxation) resolve iterativamente o sistema algébrico de equações quando necessário. Primeiramente é validado o caso do escoamento sobre degrau para a faixa de Reynolds definida, obtendo resultados sobre a quantidade e comprimentos das bolhas de recirculação. A configuração NUM1 foi definida como padrão para os próximos casos após a comparação dos resultados das configurações com a literatura. Em seguida, resultados relacionados a presença e frequência da formação de vórtices são obtidos na simulação do escoamento ao redor do obstáculo confinado em canal. Por fim, são simulados casos de escoamento degrau com a presença do ob- stáculo de seção retangular em dois posicionamentos diferentes. Como conclusão é notado que a presença do obstáculo controla o comprimento e quantidade de zonas de recirculação no escoamento degrau. Sendo os efeitos maiores quanto maior o número de Reynolds e a proximidade entre obstáculo e degrau. É também observado que existe influência da presença do degrau no valor do Reynolds crítico de formação da esteira de Von Karman do obstáculo de seção retangular Abstract: Flow separation is a physical phenomenon characteristic of internal and external viscous flows, in which the presence of a negative pressure gradient, commonly originated from abrupt changes in geometry, can generate boundary layer detachment. As a result, one or more recircu- lation zones can be formed in a backward-step flow. Regarding the flow around an obstacle with a rectangular cross-section, the separation taking place at the geometry vertex can originate a von Karman vortex street. One of this work goals is to study the results related to the presence of a rectangular cross- sectional obstacle, acting as a flow redirector in a backward-step flow. Changes in the recirculation zones behavior can impact industrial applications that relies on heat and mass transfer mechanisms. Taking a heat exchanger as example, the obstacle could behave similarly to a fin. Moreover, changes in the obstacle wake behavior like vortex frequency can be interesting for vibration studies. Another goal of this work, was the development of a 2D, finite volume, transient, laminar and incompressible Fortran CFD (Computational Fluid Dynamics) code. In which, simulation cases involving a backward-step and a rectangular obstacle where conduced in a 100 to 600 Reynolds number range. This computational code has as main characteristic the use of the UNIFAES (Unified Finite Approaches Exponential-type Scheme) discretization method for the Navier-Stokes equations convective and diffusive flux terms. The numerical simulations adopted two different settings. The first one (NUM1) presents a semi-staggered grid, the UNIFAES and explicit Euler as spatial and temporal discretization schemes, solving a pressure Poisson equation. The second one (NUM2) consists of a staggered grid, the upwind and implicit Euler schemes for the spatial and temporal discretization, using the SIMPLE algorithm (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) for pressure coupling. In both cases, the SOR (Successive Over-Relaxation) method is used as the algebraic equation system iterative solver. Initially, the backward-step flow is validated for the defined Reynolds number range, obtain- ing results about length and number of recirculation bubbles. For the next simulations, the (NUM1) was chosen as main setting, after comparing the results from both numerical settings with the val- ues found in the literature. Additionally, results regarding the vortex street presence and frequency were obtained for the simulation around a confined rectangular cross-sectional obstacle. Finally, simulations cases for the backward-step flow with the presence, in two different positions, of an obstacle with rectangular cross-section were conduced. As conclusion, it is observed that the obstacle presence can control the length and number of the backward-step flow recirculation zones. The effects are enhanced by the Reynolds number value and the distance between step and obstacle. Moreover, the step has influence in the obstacle von Karman street critical Reynolds number value Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rogerio Gonçalves dos Santos, Arthur Vieira da Silva Oliveira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A inserção expressiva de biocombustíveis na matriz energética, a redução da emissão de gases poluentes e o consumo energético eficiente constituem alvos estratégicos de pesquisa mundialmente averiguados. Exemplos constantes são vistos em estudos de evaporação de gotículas e combustão, fundamentais para buscar compreender e aumentar a eficiência de motores a combustão interna. Um exemplo mais recente se encontra no aquecimento de combustíveis para melhorar a atomização dos mesmos em sistemas de injeção. Tendo em vista o fato da demanda pela aplicação ser recente, há ainda pouco estudo a respeito da transferência de calor em combustíveis como gasolina, diesel e querosene. Nessa perspectiva, este projeto teve por objetivo a modelagem da ebulição nucleada em misturas complexas de multicomponentes através da proposição de misturas mais simples chamadas suplentes. Definidas mediante a discretização de funções de distribuição de probabilidade dos componentes da gasolina, tais suplentes foram utilizados para calcular o coeficiente de transferência de calor por meio de correlações de ebulição. O efeito do número de componentes considerados na modelagem do combustível foi avaliado em termos de acurácia e tempo de cálculo. Partiu-se, inicialmente, da elaboração de suplentes baseados em uma função de distribuição encontrada na literatura e compostos apenas por n-alcanos. Posteriormente, os efeitos da consideração de outras classes de hidrocarbonetos na modelagem e da utilização de uma função de distribuição de probabilidade proposta originalmente neste projeto foram avaliados. As estimativas foram comparadas a dados experimentais obtidos em trabalhos anteriores. A aplicação da função de distribuição log-normal dupla, proposta neste trabalho, acarretou uma melhora expressiva em termos de precisão ao modelo, de modo que um desvio global absoluto de 2,7% foi atingido a 102 kPa com o melhor método proposto para a modelagem da gasolina Abstract: The expressive insertion of biofuels into the energy matrix, the reduction in the emission of polluting gases and the efficient energy consumption constitute strategic research targets worldwide. Constant examples are found in studies of droplet evaporation and combustion, which are fundamental to understand and increase the efficiency of internal combustion engines. A latter example is to heat fuels in order to improve their atomization in injection systems, and therefore there are still few studies on heat transfer in fuels such as gasoline, diesel and kerosene. Regarding this matter, this project aimed to model nucleate boiling in complex multicomponent mixtures through the proposition of simpler mixtures called surrogates. Such surrogates were defined by discretizing a probability distribution function of gasoline composition and used to calculate the heat transfer coefficient with boiling correlations. The effect of the number of components considered on fuel modeling was evaluated in terms of accuracy and calculation time. Initially, the elaboration of the surrogates was based on a distribution function found in the literature and they are composed only by n-alkanes. Subsequently, the effects of considering other hydrocarbon classes on the model and of applying a probability distribution function originally proposed in this project were evaluated. The results were compared to experimental data obtained in previous works. The application of the dual log-normal distribution function to the model resulted in a significant improvement in accuracy, so that an overall absolute deviation of 2.7% was achieved at 102 kPa with the best proposed gasoline modeling method Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Entender o processo de propagação da chama e suas principais características é muito importante no estudo e desenvolvimento de combustíveis para melhorar a eficiência energética e reduzir a geração de poluentes. A simulação numérica de chama livre pré-misturada pode ser usada para calcular os perfis de temperatura e os produtos de combustão. Outro parâmetro importante estimado pela simulação numérica é a velocidade de chama laminar. Mecanismos de cinética química podem ser usados para determinar a interação entre moléculas neste tipo de simulação. Mecanismos de cinética química são utilizados em simulações computacionais do processo de combustão para desenvolver novos combustíveis e melhorar a eficiência de motores e queimadores. A fim de descrever os processos químicos que ocorrem durante a simulação, avanços no desenvolvimento de novos mecanismos acabam gerando mecanismos com precisão muito alta, mas com um custo computacional elevado. O processo de redução da cinética química visa diminuir os custos computacionais das simulações sem ter um grande impacto na precisão das simulações. O uso de n-butanol e etanol como biocombustível vem sendo intensamente estudado nas últimas décadas. Melhorias na produção de n-butanol por meio de processos de fermentação e suas características de queima aumentam o interesse em seu uso como agente de mistura para gasolina e diesel. O etanol é utilizado comercialmente, como agente de mistura à gasolina ou isolado em motores flex, e futuramente o n-butanol poderá ser utilizado também tanto em misturas com o etanol/gasolina como isoladamente, devido às suas propriedades de combustão. Este trabalho apresenta uma revisão do comportamento de uma chama laminar pré-misturada de Etanol a diferentes temperaturas, de 300 K e 600 K e a diferentes pressões, 1 atm e 2 atm, seu perfil de temperatura e analise do perfil de produção do CO e de CO\textsubscript{2}. Foi realizada uma revisão dos diferentes métodos usados para reduzir os mecanismos de cinética química e a proposta de uma nova estratégia para redução de mecanismos de cinética química. Foi realizado também uma modelagem cinética de misturas de n-butanol/etanol analisando as velocidades de chamas laminares por meio de uma biblioteca python chamada Cantera. Onze mecanismos químicos disponíveis são testados para uma ampla gama de condições de operação (pressão, temperatura e razão de equivalência) para os combustíveis etanol e n-butanol e as misturas entre si. Uma análise de sensibilidade abrangente da velocidade de chama laminar desses combustíveis com relação às constantes de taxa de reação foi realizada usando os mecanismos, a fim de avaliar as diferenças nos resultados e identificar vias de reação importantes para essas misturas de combustíveis Abstract: Understanding the flame propagation process and its main characteristics is very important in the study and development of fuels to improve energy efficiency and reduce the generation of pollutants. Pre-mixed free flame numerical simulation can be used to calculate temperature profiles and combustion products. Another important parameter estimated by numerical simulation is the laminar flame speed. Chemical kinetic mechanisms can be used to determine the interaction between molecules in this type of simulation. Chemical kinetic mechanisms are used in computational simulations of the combustion process to develop new fuels and improve the efficiency of engines and burners. In order to describe the chemical processes that occur during simulation, advances in the development of new mechanisms end up generating mechanisms with very high precision, but with a high computational cost. The chemical kinetics reduction process aims to reduce the computational costs of simulations without having a major impact on the precision of the simulations. The use of n-butanol and ethanol as biofuels has been intensively studied in recent decades. Improvements in the production of n-butanol through fermentation processes and its burning characteristics increase interest in its use as a blending agent for gasoline and diesel. Ethanol is used commercially, as a blending agent with gasoline or isolated in flex engines, and in the future n-butanol may also be used both in mixtures with ethanol/gasoline and alone, due to its combustion properties. This work presents a review of the behavior of a pre-mixed Ethanol laminar flame at different temperatures, 300 K and 600 K, and at different pressures, 1 atm and 2 atm, its temperature profile and analysis of the CO and CO\textsubscript{2} production profile. A review of the different methods used to reduce chemical kinetic mechanisms and the proposal of a new strategy for reducing chemical kinetic mechanisms was carried out. A kinetic modeling of n-butanol/ethanol mixtures was also performed, analyzing the laminar flame speeds through a python library called Cantera. Eleven available chemical mechanisms are tested for a wide range of operating conditions (pressure, temperature and equivalence ratio) for ethanol and n-butanol fuels and their mixtures. A comprehensive sensitivity analysis of the laminar flame speed of these fuels against the reaction rate constants was performed using the mechanisms in order to assess differences in results and identify important reaction pathways for these fuel mixtures Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A ebulição é um dos mecanismos mais eficientes e com maiores taxas de transferência de calor. O estudo deste fenômeno é geralmente baseado em experimentos de grande complexidade, o que dificulta a identificação de parâmetros relevantes para aplicações práticas, como as temperaturas de Nukiyama e Leidenfrost. O objetivo desta pesquisa foi obter as temperaturas de Nukiyama e Leidenfrost a partir da evaporação de gotículas de diferentes fluidos em uma superfície aquecida e avaliar a influência do material da superfície e do número de Weber nestes pontos críticos. Os fluidos testados foram: água destilada, etanol, iso-octano, n-heptano e misturas de 11.1\% etanol - 88.9\% n-heptano, 65\% etanol - 35\% n-heptano e 90\% etanol - 10\% n-heptano, 10\% etanol - 90\% gasolina, 20\% etanol - 80\% gasolina, 35\% etanol - 65\% gasolina, 50\% etanol - 50\% gasolina, 65\% etanol - 35\% gasolina, 80\% etanol - 20\% gasolina, 90\% etanol - 10\% gasolina, respectivamente. Os resultados para componentes únicos foram comparados com valores encontrados através de correlações e dados experimentais de outros autores onde alguns resultados concordaram com dados da literatura e outros não. A temperatura de Leidenfrost para gasolina e algumas misturas gasolina - etanol não foi encontrada. Outros parâmetros foram avaliados como a influência da força da resistência do ar na gota e a radiação emitida pela superfície de aquecimento na temperatura da agulha Abstract: Boiling is one of the most efficient mechanisms with the highest heat transfer rates. The study of this phenomenon is usually based on experiments of great complexity, which makes it difficult to identify parameters relevant to practical applications, such as Nukiyama and Leidenfrost temperatures. The objective of this research was to obtain the Nukiyama and Leidenfrost temperature from the Droplet evaporation of different fluids on a heated surface and to evaluate the influence of surface material and Weber number on these critical points. The fluids tested were: distilled water, ethanol, iso-octane, n-heptane and mixtures of 11.1\% ethanol 88.9\% n-heptane, 65\% ethanol 35\% n-heptane and 90\% ethanol 10\% ethanol, 10\% ethanol - 90\% gasoline, 20\% ethanol - 80\% gasoline, 35\% ethanol - 65\% gasoline, 50\% ethanol - 50\% gasoline, 65\% ethanol - 35\% gasoline, 80\% ethanol - 20\% gasoline, 90\% ethanol - 10\% gasoline, respectively. The results for single-components were compared with values found through correlations and experimental data of other authors where some results agreed with data from the literature and others did not. The Leidenfrost temperature for gasoline and some gasoline - ethanol blends was not found. Other parameters were evaluated as the influence of air resistance force on the droplet and the radiation emitted by the heating surface at the needle temperature Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientadores: Sávio Souza Venâncio Vianna, Rogério Gonçalves dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: A solução numérica de problemas de escoamento contento elevados gradientes de pressão, ondas de choque e descontinuidade transientes exige métodos de alta resolução e pouco dissipativo. Nesses casos, estratégias dependente de parâmetros, tais como viscosidade artificial ou limitadores de fluxos, não são as melhores opções. Dentre os esquemas de alta resolução, destaca-se o esquema da família WENO (do inglês, Weighted Essencially Non-Oscillatory), sendo no mínimo de terceira ordem, essencialmente não oscilatório e dotado de um indicador de suavidade calculado a partir das características do escoamento. O esquema WENO de diferenças finitas, utilizado nesta tese, baseia-se na reconstrução por sub-estêncil, a partir de uma malha estruturada e uniforme. Neste trabalho, modificou-se o esquema WENO-Z+ e propôs-se um novo esquema WENO baseado no número de Mach, chamado de WENO-SV. A modificação seguiu a proposição geral do trabalho realizado por Acker et al. (2016), segundo a qual as contribuições para os sub-estênceis onde a solução é menos suave é mais relevante. O esquema WENO-SV foi validado com experimentos numéricos benchmark e aplicado em casos de escoamento em bocais. Além disso, foram propostos modelos físicos acoplados com o esquema WENO-SV para estudo de explosões físicas em ambientes abertos e tubulações. O esquema WENO-SV aumentou, efetivamente, o peso dos sub-estênceis menos suaves gerando melhores resultados do que aqueles apresentados pelo esquema WENO-Z+ para problemas benchmark unidimensionais. Em problemas bidimensionais, o esquema WENO-SV gerou resultados menos dissipativos, entretanto, menos simétricos. Os resultados em casos de escoamentos em bocais mostraram-se satisfatórios. O esquema WENO-SV mostrou-se mais robusto que o método tradicional MacCormack e ainda foi possível verificar uma redução significativa do tempo computacional para a simulação de escoamento em bocais ao modificar o método de integração. E, finalmente, os detalhes da onda de choque nas explosões físicas calculadas pelo modelo proposto mostraram-se de acordo com os dados experimentais e analíticos disponíveis Abstract: Numerical solution of flow problems with high pressure gradient, shock waves and transient discontinuity require high resolution and less dissipative methods for faithful representation. For such cases, numerical schemes coupled with artificial viscosity or flow limiters are not the best options. Among the high resolution schemes, WENO family scheme (Weighted Essentially Non-Oscillatory) stands out. The WENO finite difference scheme used in the present research is based on polynomial reconstruction from a uniform and structured mesh. In this work, WENO-Z+ scheme was modified and a new WENO scheme based on the Mach number, named WENO-SV, was proposed. The modification followed a general proposal by Acker et al. (2016) that to increase the weight of the less smooth sub-stencil led to a better WENO scheme resolution. The WENO-SV scheme has been validated with benchmark problems and applied in nozzle flow cases. In addition, physical models coupled with WENO-SV scheme for physical explosion study in open environments and pipelines were proposed. The WENO-SV scheme effectively increased the weight of less smooth sub-stencils more than those presented by the WENO-Z+ scheme for one-dimensional benchmark problems. In two-dimensional problems, the WENO-SV scheme yields less dissipative but less symmetrical results. The results in cases of nozzle flow are Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química CAPES 33003017034P8

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

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesse trabalho, uma definição e revisão sobre contaminação na superfície de veículos é apresentada, mostrando sua importância na segurança, visibilidade e satisfação visual do motorista. Esse estudo é focado em contaminação no vidro traseiro de veículos automotivos. Resultados de simulação numérica de um veículo real utilizando a técnica de Lattice-Boltzmann são validadas através de resultados experimentais obtidos em túnel de vento com veículo em escala real. O programa comercial PowerFLOW da empresa Daussault Systems é utilizado nas simulações numéricas e correlação com o teste físico. A simulação consiste em uma análise transiente, multifásica, tridimensional na qual se obtém resultados aerodinâmicos e de acúmulo de contaminantes na superfície do veículo. Alguns parâmetros geométricos tais como presença de spoiler no teto e variação do ângulo de inclinação do vidro traseiro foram estudados na simulação numérica. Alguns parâmetros não geométricos também foram investigados nesse estudo, tais como a taxa de vazão de contaminantes, velocidade do veículo e resolução da malha no modelo computacional. Os resultados do teste de túnel de vento e da simulação numérica foram bastante próximos e coerentes, permitindo validar a mesma. Isto evidencia que simulações numéricas podem ser utilizadas para tomadas de decisão, como por exemplo, na remoção do limpador do vidro traseiro. Uma nova metodologia foi utilizada para comparar os resultados de contaminação do vidro traseiro, que pode ser estendida para outras áreas no veículo. Tal metodologia consiste no índice de contaminação no qual o número de partículas é medido em uma determinada área para se efetuar uma comparação quantitativa dos resultados Abstract: A review and definition of contamination on vehicle surface is presented herein, showing its importance on safety, vision and visual satisfaction of the driver. This study is focused on automobile vehicle back glass contamination. Numerical simulation results of a real vehicle using Lattice-Boltzmann are validated in a full-scale wind tunnel experimental test. The commercial software PowerFLOW by Daussault System is used to perform the numerical simulations and correlation with physical tests. The simulation consists in a transient, multiphase and tridimensional analysis, where aerodynamics and contamination build-up are measured on the vehicle surface. Some geometric parameters such as the presence of roof spoiler and back light angle inclination were studied using the numerical simulation. Some non- geometric parameters were also investigated in this study, such as contaminants flow rate, vehicle speed and mesh resolution in the computational model. The wind tunnel test results and the numerical simulation results were very similar and comparable, allowing the software validation. That highlights that numerical simulations can be used to take decisions, for instance, the rear wiper removal. A new technology was used to compare the back glass contamination results, which can be extended to other areas on the vehicle. Such methodology consists in the contamination index, where the number of particles are counted on a determined area to compare the results qualitatively Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: No presente trabalho buscou-se simular e otimizar a geometria de canais para que o escoamento em regime laminar de fluído incompressível através deste tivesse a menor perda de carga quando comparado a um canal não otimizado. Foram otimizadas três geometrias diferentes, com diferentes números de Reynolds, o degrau, o cotovelo e o cano duplo. Para simulação do escoamento foi utilizado um código CFD em linguagem Fortran que resolve as equações de Navier-Stokes em duas dimensões para fluidos newtonianos incompressíveis. O código utilizado trabalha com volumes finitos, o método UNIFAES e o acoplamento pressão-velocidade através da equação de Poisson. Ele está paralelizado através do uso de openmp. A otimização acontece através de uma técnica conhecida como otimização topológica, onde as características geométricas do canal são alteradas pela mudança na disposição do material que compõe o mesmo. No presente trabalho a otimização buscou eliminar as zonas de recirculação e estagnação do escoamento, assim reduzindo a perda de carga causada por estas. Diferentes geometrias foram simuladas a fim de encontrar geometrias otimizadas, e ao final do experimento os resultados de perda de carga foram analisados para checar sua concordância com resultados encontrados em literatura. Em alguns dos casos estudados a redução da perda de carga foi de mais de 90% Abstract: The present work aimed to simulate and optimize a channel¿s geometry so that the laminar and incompressible fluid flow presented less head loss when compared to the non-optimized geometries. Three geometries were optimized, with different Reynolds numbers, the backwards facing step, the pipe bend and the double pipe. To simulate the fluid flow, a Fortran CFD code was used to solve the Navier-Stokes equations in two dimensions for incompressible Newtonian fluids. The CFD code utilizes the finite volumes method, the UNIFAES technique, and the pressure-velocity coupling is done using the Poisson equation. This program is parallelized with openmp. The optimization technique used is known as topology optimization, which consists of changing the channel geometry by relocating the materials present in the domain. The analyzed channels were optimized by removing recirculation and stagnation zones and thus reducing head loss in the fluid flow. Different initial geometries were tested to achieve optimized geometries. Finally, the results for total head loss were analyzed and compared with results found in the literature. In some cases, the head loss values found were 90% smaller than the ones in the original geometries Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CNPQ 130640/2019-0

Orientadores: Sávio Souza Venâncio Vianna, Rogério Gonçalves dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um solver tridimensional de Navier- Stokes para análise de escoamentos turbulentos reativos em geometrias complexas. Os conceitos de Resistência Distribuída por Porosidade foram acoplados às técnicas de Flui- dodinâmica Computacional (CFD) e o algoritmo de distância de Gilbert-Johnson-Keerthi foi aplicado para descrever modelos geométricos como meios porosos. O solver foi desenvol- vido com base em um solver Euler compressível e bidimensional capaz e foi melhorado até se tornar um solver tridimensional capaz de resolver as equações de Navier-Stokes. A mo- delagem numérica foi conduzida dentro da abordagem tradicional de Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) e o modelo de fechamento de turbulência foi abordado através da formulação de Boussinesq. O solver desenvolvido foi customizado para uma classe especí- fica de escoamentos turbulentos reativos, modelando o processo de combustão como uma explosão de gás. A abordagem demonstrou que pode manipular geometrias complexas dentro de um tempo computacional viável. Resultados numéricos para simulação de esco- amento não-reativos e reativos apresentaram as principais características previstas para o escoamento de fluidos e foi observado uma boa concordância com dados experimentais disponíveis na literatura Abstract: This work proposes the development of a three-dimensional Navier-Stokes solver for anal- ysis of turbulent reacting flows in complex geometries. Concepts of Porosity Distributed Resistance were coupled with Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and the Gilbert-Johnson-Keerthi distance algorithm was applied in order to describe geometrical models as porous media. The solver was developed based on an initial two dimensional compressible Euler solver and have been improved until becomes a three-dimensional solver capable to compute the Navier-Stokes equations. The numerical modelling was conducted within the framework of traditional Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) approach and the turbulence closure model was addressed via Boussinesq formulation. The developed solver was customized to a specific class of turbulent reacting flow by modelling combustion process as gas explosion. The approach has demonstrated that it can handle complex geometries within feasible computational time. Numerical findings for simulation of non-reacting flows and reacting flows present the main features of the fluid flow and good agreement with experimental data was observed Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química CNPQ 140812/20148

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho visa apresentar um estudo de medições da velocidade de chama laminar para misturas: ar/etanol e ar/n-butanol, apresentado nas literaturas como um simulacro de biodiesel, para ar/n-decano, apresentado nas literaturas como simulacro de querosene, ou como o principal componente de simulacros de diesel, e para ar/n-butanol/etanol com diferentes concentrações de n-butanol (em volume). Para os combustíveis primários (combustíveis puros) etanol, n-butanol e n-decano: como primeira parte, foram comparados os dados medidos da velocidade em função da razão de equivalência com dados experimentais de literatura e dados obtidos por simulações numéricas (chama 1-D pré-misturada). As condições iniciais de teste e simulação foram de 100 kPa de pressão e 400 K de temperatura em função da razão de equivalência no intervalo 0,6 - 1,4 com passo de 0,1. Os dados medidos da velocidade de chama laminar se aproximaram com dados experimentais encontrados na literatura, além disso, os dados simulados também deram boa aproximação com os dados medidos. Como segunda parte, foram feitos ensaios com 100 kPa de pressão inicial e razão de equivalência fixa e igual a 1,0 em função da temperatura inicial no intervalo 300 - 400 K com passo de 25 K. Os dados medidos da velocidade de chama laminar aumentam com o aumento da temperatura da mistura inicial. Para o caso do combustível binário (mistura de dois conbustíveis puros) n-butanol/etanol, com as seguintes concentrações: o B20 (20 % de n-butanol e 80 % etanol), B40 (40 % de n-butanol e 60 % etanol), B60 (60 % de n-butanol e 40 % etanol) e B80 (80 % de n-butanol e 20 % etanol), as medições da velocidade foram feitos com temperatura e pressão inicial de 400 K e 100 kPa respectivamente, em função da razão de equivalência no intervalo 0,8 - 1,3 com passo de 0,1. Os dados medidos da velocidade de chama laminar em função da razão de equivalência diminuíram com o aumento da concentração do n-butanol, além disso, a mesma tendência ocorreu com os dados de simulação para as condições de teste Abstract: The present work aims to present a study of the laminar flame velocity measurements for blends: air/ethanol and air/n-butanol, presented in the literature as a simulacrum of biodiesel, for air/n-decane, presented in the literature as simulacrum of kerosene, or as the main component of diesel simulations, and for ar/n-butanol/ethanol with different concentrations of n-butanol (by volume). For the primary fuels (pure fuels) ethanol, n-butanol and n-decane: as a first part, the measured data of the velocity as a function of the equivalence ratio were compared with experimental literature data and data obtained by numerical simulations (1-D pre-mixed flame). The initial conditions of test and simulations were of 100 kPa of pressure and 400 K of temperature as a function of the equivalence ratio in the range 0.6 - 1.4 with step of 0.1. The measured data of laminar flame velocity approached with experimental data found in the literature; in addition, the simulated data also gave good approximation with the data measured. As a second part, tests with 100 kPa of initial pressure and a fixed equivalence ratio of 1.0 were performed as a function of the initial temperature in the 300 - 400 K range with a 25 K step. The measured data of laminar flame velocity increase with the temperature of the initial mixture increasing. For the case of the binary fuel (mixture of two pure fuels) n-butanol/ethanol, with the following concentrations: B20 (20 % n-butanol and 80 % ethanol), B40 (40 % n-butanol and 60 % ethanol), B60 (60 % n-butanol and 40 % ethanol) and B80 (80 % n-butanol and 20 % ethanol), the velocity measurements were made at the initial temperature and pressure of 400 K and 100 kPa respectively, as a function of the equivalence ratio in the range 0.8 - 1.3 with step of 0.1. The measured data of the laminar flame velocity as a function of the equivalence ratio decreased with increasing n-butanol concentration, in addition, the same trend occurred with the simulation data for the test conditions Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Atualmente, três importantes tendências no setor automotivo são redução de emissões de gases poluentes, uso de biocombustíveis e consumo energético eficiente. Isto motiva, por exemplo, o uso de etanol combustível, assim como técnicas para melhoria de desempenho de motores, como o aquecimento de combustível para partida a frio e diminuição de emissões. Esta tecnologia, que se iniciou no mercado brasileiro, demanda bastante atenção e mão-de-obra qualificada, pois é um item que exige segurança absoluta e, geralmente, trabalha em regime de ebulição nucleada, processo dominado por poucos profissionais da indústria Automotiva. Ebulição é um dos principais ramos de pesquisa em transferência de calor devido à sua alta complexidade, diversidade de efeitos de parâmetros do problema e altos coeficientes de transferência de calor. A existência da tecnologia FlexFuel torna ainda mais complexo o problema por conta da mistura de combustíveis, principalmente se tratando de gasolina, que, por si só, já é uma mistura de centenas de hidrocarbonetos. Esta Tese de Doutorado analisa o fenômeno de ebulição nucleada em gasolina e em suas misturas com etanol a partir de novos dados experimentais e com o uso de correlações para cálculo de coeficiente de transferência de calor. Ensaios de ebulição nucleada (em bancada projetada e construída especialmente para este projeto) em um fio de platina foram realizados para gasolina, etanol, hidrocarbonetos e misturas de gasolina e etanol com diferentes níveis de pressão. O método de Monte Carlo foi empregado para encontrar suplentes que possam substituir a gasolina nos cálculos do coeficiente de transferência de calor e avaliou-se o comportamento destes suplentes ao mistura-los com etanol. De forma resumida, os coeficientes de transferência de calor obtidos com gasolina pura foram os menores encontrados. A adição de etanol à gasolina apresenta gradual aumento do coeficiente até atingir os valores do etanol (os mais elevados do presente estudo). Análise da degradação do coeficiente de transferência de calor e do fluxo crítico indicam comportamento de azeótropo quando a mistura gasolina-etanol contém 20% de fração molar de etanol. Além disto, a gasolina apresenta um comportamento incomum de histerese no processo de fluxo de calor crescente. Referindo-se à modelagem da gasolina, observou-se que não há correlação evidente de melhoria do cálculo do coeficiente de transferência de calor com a quantidade de hidrocarbonetos na sua composição. Quando analisando o modelo da gasolina misturado com etanol, mostrou-se que a modelagem se mantém precisa se o diagrama de fases da mistura modeloetanol se comporta como a mistura gasolina-etanol. Por fim, um diagrama de fases para a mistura gasolina-etanol é proposto usando inversão da correlação de Inoue et al.. Abstract: Nowadays, three important trends in automotive business are the reduction of pollutant emissions, use of biofuels and efficient energy consumption. It motivates, for instance, the use of ethanol fuel, as well as improvements in engine performance, like the use of heated fuel for cold start and reduction of pollutant emissions. This technology, which was born in Brazil, requires great attention and skilled labor, because this is an item that demands absolute safety and, in general, it works in the nucleate boiling regime, which is a process that is truly understood by few professionals in the Automotive industry. Boiling is one of the main research topics in heat transfer due to its high complexity, many parametric effects and high heat transfer coefficients. The existence of FlexFuel technology makes it even more complex because of the possibility of fuel blends, especially because of gasoline, which is already by itself a blend of hundreds of hydrocarbons. This Ph.D. Thesis analyzes the nucleate boiling heat transfer in gasoline and its mixtures with ethanol from novel experimental data and using correlations to calculate the heat transfer coefficient. Nucleate boiling tests (in a test rig specially designed and built for the present work) on a platinum wire were performed with gasoline, ethanol, hydrocarbons and gasoline-ethanol blends at different pressure levels. Monte Carlo method was used to find gasoline surrogates in calculations of heat transfer coefficients and, furthermore, the behavior of these surrogates was evaluated when mixed with ethanol. In summary, the heat transfer coefficients found with gasoline were the lowest among the tested fluids. The addition of ethanol to gasoline gradually increases the coefficient until ethanol results are achieved (which were the highest values observed in the present study). Analysis of the heat transfer coefficient degradation and critical heat flux indicates an azeotropic behavior when the gasoline-ethanol blend contains 20\% of ethanol in mole fraction. Moreover, gasoline presents an unusual hysteresis behavior during the increasing heat flux process. About gasoline modeling, no evident correlation was observed between the model predictive capacity and the number of hydrocarbons in its composition. When analyzing the mixture of gasoline surrogates with ethanol, it was noticed that the surrogate remains accurate if the surrogate-ethanol phase diagram behaves similarly to the gasoline-ethanol mixture. Finally, a gasoline-ethanol phase diagram is proposed using an inversion of Inoue et al. correlation Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rogério Gonçalves dos Santos, Dario Alviso Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Foram estudados três combustíveis: n-decano (apresentado na literatura como simulacro de querosene, ou como o principal componente de simulacros de diesel), etanol e metil decanoato (apresentado na literatura como um simulacro de biodiesel) e suas misturas (base mássica). Ensaios de solubilidade foram feitos para todas as misturas possíveis, passo 10%, com etanol anidro e etanol hidratado. ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Three fuels and their blends (weight basis) were studied: n-decane (presented in literature as a kerosene surrogate, or as the main component of diesel surrogates), ethanol and methyl decanoate (presented in literature as a biodiesel surrogate). Solubility tests were made for all possible blends, 10% step, using anhydrous ethanol and hydrated ethanol....Note: The complete abstract is available with the full electronic document Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CNPQ

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O álcool n-butanol é uma substância orgânica que tem sido proposta como combustível alternativo para motores à combustão interna. Melhorias em seu processo de produção como biocombustível, por meio de processos de fermentação ABE, a partir da biomassa, chamam a atenção para sua sustentabilidade econômica e ambiental; por outro lado, suas características físico-químicas e de queima, próximas à da gasolina e do diesel comerciais, sugerem seu uso combinado ou como substituto dos mesmos. Apesar disso, ainda se sabe pouco acerca das características de sua combustão, motivando a pesquisa na área. O etanol, por sua vez, é um biocombustível extensamente utilizado em motores de ciclo Otto, principalmente no Brasil e nos Estados Unidos, sendo produzido por processos eficientes de fermentação, inclusive como subproduto da produção de butanol no processo ABE; por suas características físico-químicas, de produção e queima, propõe-se que seja misturado ao n-butanol em aplicações comerciais. O presente estudo compara esquemas de cinética química da queima em ar de n-butanol e etanol, entre si e em relação a dados experimentais disponíveis na literatura, por meio da simulação de chama laminar unidimensional pré-misturada no pacote REGATH (EM2C/CNRS - França). Em seguida, um novo esquema combinado é desenvolvido, que apresenta boa concordância com resultados experimentais da literatura para ambos os combustíveis nessas condições. Por fim, são levantadas curvas características da chama de misturas entre os compostos em diversas proporções, que poderão ser comparadas com dados experimentais em futuros trabalhos Abstract: The alcohol n-butanol is an organic substance being proposed as an alternative fuel for internal combustion engines. Improvements in its production as a biofuel, through ABE fermentation processes, grow attention for its economic and environmental sustainability; on the other hand, its physicochemical and burning characteristics, close to those of commercial gasoline and diesel, suggest its usage as an additive or a substitute fuel. However, relatively few is known about its combustion characteristics, thus motivating research in that area. Ethanol, instead, is a biofuel widely used in Otto engines, especially in Brazil and the United States, being produced by efficient fermentation processes, and is occasionally a by-product of the butanol formation (ABE process); due to its physicochemical, burning and production characteristics, the addition of this fuel to butanol in commercial applications is proposed. The present study compares chemical kinetic schemes for the burning on air of n-butanol and ethanol, between each other and against experimental data available in the literatures, through simulations in one-dimensional premixed flame configuration in the REGATH package (EM2C/CNRS - France). Further, a new combined scheme is developed, presenting good agreement with experimental results from the literature for both fuels in these conditions. In the end, theoretical data for the flame of mixtures between these substances is raised, in different blending proportions, which might be compared with results from experiments to be run in future projects Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho, foi feita uma revisão onde se apresentaram as características e propriedades do butanol sob o ponto de vista geral de um álcool produzido industrialmente e também do ponto de vista específico de um biocombustível. Uma visão geral sobre os meios de produção atuais desse álcool (via síntese química ou via fermentação) foram apresentadas bem como estudos atuais para melhorar o processo acetona-butanol-etanol (ABE), que é o mais difundido para a produção do biobutanol. Alguns tópicos de trabalhos de outros autores focados na cinética química de butanol foram brevemente introduzidos e, a partir destas análises, estudou-se o n-butanol dando ênfase na sua aplicação como biocombustível automotivo. Verificou-se que existe pouca informação sobre o desempenho de motores trabalhando com este álcool, dificultando a avaliação de suas vantagens em relação a outros combustíveis. Essa dificuldade foi contornada com o uso de simulação numérica, em especial modelos 1D, para representar todo o motor e visualizar o seu desempenho sob diferentes condições de operação e funcionando com diferentes combustíveis. Um motor, abastecido com mistura n-butanol-gasolina, foi modelado usando GT-Power, um código 1D para simulação de motores de combustão interna. Foram usadas medições feitas nesse motor para calibrar os resultados e ajustar a propriedades do combustível. Comparando o desempenho do motor abastecido com uma mistura BU40 (40% de butanol e 60% de gasolina), observou-se que ele apresenta níveis de potência e torque inferiores ao motor abastecido com etanol, porém similares ao motor abastecido com a mistura gasolina mais etanol e superiores ao motor abastecido com gasolina pura. O motor com BU40 também apresenta menores níveis de pressão de combustão, o que representa um menor carregamento mecânico nos componentes do motor. Em termos de eficiência, o motor com BU40 se apresenta no mesmo nível do motor rodando com mistura gasolina etanol e inferior ao motor com etanol Abstract: In this work, a review is done presenting the characteristics and properties of butanol from the general point of view of an industrially produced alcohol and also from the specific point of view of a biofuel. An overview about the current production process of this alcohol (via chemical synthesis or by fermentation) was presented, as well as some current studies aiming to improve the acetone-butanol-ethanol (ABE) process, which is the most widely used for the production of biobutanol. Some topics from articles of other authors focused on the chemical kinetics of butanol were briefly introduced and starting from these analyzes, n-butanol was studied with emphasis on its application as automotive biofuel. It was realized that there is little information about the performance of engines working with this alcohol, complicating the assessment of their advantages over other fuels. This difficulty was bypassed by the use of numerical simulation, in particular 1D models, to represent the entire engine and evaluate its performance under different operating conditions and working with different fuels. An engine fueled with mixture of n-butanol-gasoline was modeled using GT-Power, a 1D code for simulation of internal combustion engines. Measurements performed in this engine were used to calibrate the results and to adjust the fuel properties used. Comparing the performance of the engine fueled with BU40 blend (40% butanol and 60% gasoline), it was observed that it presents levels of power and torque lower than the same engine fueled with ethanol, but similar levels when the engine is fueled with the blend of gasoline plus ethanol and higher than the engine fueled with pure gasoline. The engine with BU40 also presents lower levels of combustion pressure, which represents lower mechanical load to the engine components. In terms of efficiency, the engine fueled with BU40 is at the same level of the engine running on gasoline-ethanol blend, but in a lower level in relation to the engine with ethanol only Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os fenômenos físicos que ocorrem nos sprays formados por injetores de combustível empregados em motores de combustão interna, têm sido amplamente estudados por pesquisadores do mundo inteiro. O interesse em estudar esses fenômenos advém da necessidade de reduzir a emissão de poluentes e o consumo de combustível, aumentar a eficiência de combustão do motor e analisar o comportamento dos diferentes combustíveis de nova geração que estão sendo inseridos no mercado. O processo de atomização que ocorre nos injetores de combustível apresenta forte relação com a posterior reação de combustão e, consequentemente, com a eficiência do motor, além de ter um papel fundamental na partida a frio dos motores. No presente trabalho, experimentos foram realizados com o objetivo de analisar a influência da temperatura e pressão de injeção e do tipo de fluido de teste nos parâmetros de atomização (características microscópicas) e nos ângulos do cone do spray (característica macroscópica) de injetores empregados em sistemas de injeção indireta. Etanol hidratado, gasolina comercial padrão tipo C e n-heptano foram usados como fluidos de testes. Três diferentes aparatos experimentais foram utilizados para a realização das medições, sendo que dois deles foram usados para a determinação das características microscópicas do spray. A técnica de diagnóstico óptico Analisador de Partículas por Efeito Doppler (PDPA) foi utilizada para medir a distribuição dos diâmetros e a componente axial da velocidade das gotas, enquanto que os ângulos do cone do spray foram determinados através de técnica fotográfica. As medições dos ângulos do cone do spray ocorreram a 100 mm do orifício de descarga do injetor com os fluidos de testes a temperatura ambiente e pressão de injeção constante. Os parâmetros de atomização foram determinados para três diferentes temperaturas dos fluidos de testes, duas pressões de injeção e em seis diferentes posições axiais do orifício de descarga. O resultado para os ângulos do cone do spray, mostraram que o etanol hidratado tem o ângulo de abertura entre dois jatos consecutivos ligeiramente maior comparado aos outros fluidos de testes. Para os parâmetros de atomização, os resultados indicaram que a distribuição das gotas tende a apresentar gotas com menores diâmetros e maiores velocidades ao se aumentar a temperatura dos fluidos de testes, assim como as pressões de injeção. Além disso, verificou-se que quanto mais distante do injetor, maior será o diâmetro das gotas e menor será a sua velocidade. O comparativo entre os fluidos de testes apresentou que o n-heptano tende a ter maiores velocidades de gotas, enquanto que a gasolina exibiu gotas com menores diâmetros para as condições de testes adotadas Abstract: The physical phenomena that occur in the spray formed by the fuel injectors used in internal combustion engines have been widely studied by researchers worldwide. The interest in studying these phenomena arises from the need to reduce pollutant emissions and fuel consumption, to increase the engine combustion efficiency and analyze the behavior of different new generation of fuel being placed on the market. The atomization process that occur in the fuel injector has a strong relationship with the subsequent combustion reaction and thus with the engine efficiency as well as having a key role in cold starting of the engine. In the present study, experiments were conducted in order to analyze the influence of temperature and injection pressure and the type of test fluid in the atomization parameters (microscopic characteristics) and the spray cone angle (macroscopic characteristic) of the injectors used in port fuel injection systems. Hydrous ethanol, Brazilian standard commercial gasoline type C and n-heptane were used as test fluids. Three different experimental apparatus were used for carrying out the measurements, two of which were used to determine the microscopic spray characteristics. The optical diagnostic technique known as Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) was used to measure the distribution of the diameters and the axial component of velocity of the droplets, while the spray cone angles were determined using photographic technique. Measurements of the spray cone angles occurred at 100 mm from the nozzle with the test fluid at room temperature and constant injection pressure. The atomization parameters were determined for three different temperatures of the test fluid, two injection pressures and six different axial distances of the nozzle. The result for the spray cone angles showed that hydrous ethanol has the angle between two consecutive jets slightly higher compared to the other test fluids. For the atomization parameters, results indicated that droplet distributions tend to droplets with smaller diameters and higher velocities to increase the temperature of the test fluid as well as injection pressures. Moreover, it was found that further the nozzle, the droplet diameter will be larger and its velocity will be lower. The comparison between the test fluids showed that n-heptane tends to have higher droplet velocities, while the gasoline droplets exhibited smaller diameters for the adopted test conditions Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Com o intuito de otimizar o Motor de Combustão Interna e encontrar aplicações que o utilizem de forma racional e eficiente, nessa dissertação estuda-se o comportamento dinâmico da pressão na cavidade dos Coletores de admissão, já que o escoamento através dele acontece de forma pulsada, devido ao movimento do pistão e modulado pelo abrir e fechar das válvulas de admissão e escapamento. Sendo o Coletor de Admissão parte desse circuito, ele consequentemente impõe uma impedância a esse escoamento intermitente, podendo ser mais ou menos acentuada, devido suas formas construtivas. Para essa avaliação busca-se um fator ou um coeficiente que quantifique como as ondas de pressão interagem com a cavidade do Coletor de Admissão, de forma metódica e confiável, para que os resultados possam ser usados como ferramenta prática de desenvolvimento desse componente. Podendo assim, os Coletores de Admissão serem ajustados adequadamente à aplicação e não apenas nos quesitos de regimes permanentes tradicionais como perda de carga e desbalanceamento no fornecimento de ar. Nessa dissertação é apresentado um aparato para medir experimentalmente a curva do Coeficiente de Transmissão de onda de pressão, seus detalhes construtivos, de configuração e operação para a obtenção de curvas de boa qualidade. É mostrado também um método para validação do aparato e por fim a comparação do Coeficiente de Transmissão com a curva de desempenho desses componentes quando instalados em um Motor de Combustão Interna. Comprovando dessa maneira, a relação entre as características dinâmicas da cavidade e sua influência no desempenho do Motor de Combustão Interna e mais, demonstrando que o método experimental de medir o Coeficiente de Transmissão é uma forma eficaz e coerente de se quantificar a influência desse componente no processo de admissão Abstract: In order to optimize the Internal Combustion Engine and find out applications that use it rationally and efficiently, in this dissertation it is studied the dynamic behavior of the intake manifolds cavity pressure, since the flow through it happens in a pulsed manner, due to the movement of the piston and modulated by opening and closing the intake and exhaust valves. Being the intake manifold part of this circuit, it imposes impedance to the flow that may be more or less pronounced, due to its constructive design. For this evaluation it is made an experimental determination of the Transmission Coefficient of pressure waves through the Intake Manifold, methodically and reliably, so the results can be used as a practical tool for developing these components. The Intake Manifold may thus be properly adjusted to the application needs and not just in the categories of traditional patterns like permanent loss and imbalance of air supply. This dissertation presents an experimental apparatus to measure the curve of the wave pressure Transmission Coefficient, its construction details, configuration and operation to get good quality curves. It is also shown a method to calibrate the apparatus and finally, the comparison of the Transmission Coefficient with the performance curve of measured Intake Manifolds when installed on an Internal Combustion Engine. Providing this way, the correlation between the dynamic characteristics of the cavity and its influence on the Internal Combustion Engine¿s performance and demonstrating that the experimental method to measure the Transmission Coefficient is an effective and consistent way to quantify the influence of the Intake Manifold in admission process Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Dentre os fenômenos físicos que ocorrem dentro dos coletores de admissão, as ondas de pressão mostram influenciar significativamente na dinâmica de enchimento dos cilindros dos motores a combustão interna aspirados. A origem destas ondas de pressão é a ressonância acústica que ocorre nos elementos que compõem o sistema de admissão como resposta ao fluxo não permanente causado pelo abrir e fechar das válvulas. Este trabalho tem por objetivo avaliar as características acústicas de geometrias de coletores de admissão através de análises modais e harmônicas executadas pelo do método numérico dos elementos finitos (FEM, finite element method). Com este método é possível discretizar geometrias complexas (como os coletores de admissão) e assim avaliar os efeitos tridimensionais nas características acústicas dos mesmos. Testes foram executados aplicando as metodologias em geometrias que possuem formulação analítica de forma a se validar o procedimento. Apresenta-se os seguintes resultados: análises modais acústicas de forma a se determinar as frequências naturais acústicas e os modos de algumas geometrias de coletores de admissão (com e sem câmaras ressonadoras); análises harmônicas de forma a replicar a medição experimental do coeficiente de transmissão acústica. Este coeficiente é uma métrica que informa o comportamento em frequência do componente acústico, podendo-se observar em que frequências há ganho de pressão acústica ou há supressão das mesmas. Conseguiu-se correlacionar os modos das cavidades com a medição do coeficiente de transmissão acústica. Foi possível também observar que as câmaras ressonadoras modificam significativamente a resposta acústica dos coletores de admissão Abstract: Among the physical phenomena that occur inside an intake manifold, the wave action shows have strong influence in the cylinder filling process in aspirated internal combustion engines. The origin of these pressure waves is the acoustic resonance that happens in the components of the intake system as response to the unsteady flow generated by the opening and closing of the valves. This work has the objective of evaluate the acoustic characteristics of intake manifold geometries by performing modal and harmonic analyses via FEM (Finite Element Method). Applying this method is possible to discretize complex geometries (like intake manifolds) and this way to evaluate the three-dimensional effects on the acoustic characteristics of the components. Tests were performed by applying the methodology on geometries that have known analytical solutions and therefore evaluate the approach. The following results are presented: modal analyses calculating the frequencies and shapes of the acoustic modes of some intake manifold geometries (with and without resonator chambers). Harmonic analyses of the same geometries, configured to replicate the experimental measurement of the acoustic transmission coefficient (at). This coefficient represents a metric of the frequency response of acoustic components, showing at which frequency there is acoustic pressure gain or suppression. It was possible to correlate the modes of the cavities with the calculated acoustic transmission. It was evident by the results that the presence of resonance chambers greatly affected the acoustic response of the intake manifolds studied Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica