[pt] Este trabalho pretende demonstrar a possibilidade de usar pinos ativos em máquinas rotativas de forma a reduzir as amplitudes de órbitas em situações críticas através de uma investigação analítica com validação experimental. Os pinos funcionam como medida de segurança quando o rotor se torna instável ou começa a oscilar por qualquer razão. Para este propósito, foi realizado um estudo completo da influência da presença dos pinos dentro do mancal de retenção. Quatro pinos foram posicionados em duas bancadas de testes já existentes no laboratório. A atuação deles provém de motores de passo, que os inserem até um determinado comprimento na parte interna do mancal, isto é, a folga radial entre o rotor e a parede do mancal. Primeiramente, uma análise matemática dos fenômenos envolvidos foi desenvolvida, fornecendo as equações necessárias para as simulações numéricas do sistema. Em seguida, foram realizados testes experimentais nas bancadas e informações relevantes foram adquiridas e comparadas com os resultados das simulações. Eles demonstraram estar consistentes, o que ajudou a validar o conceito de inserção de pinos ativos no mancal de segurança, de modo a evitar possíveis condições perigosas, como atrito, roçamento total e efeitos abrasivos. / [en] This work intends to show the possibility of using active pins in rotating machines to reduce amplitudes of orbits at critical situations through an analytical investigation with experimental validations. The pins shall operate as a safety measure when the rotor becomes unstable or starts to oscillate by any reason. To this purpose a thorough study is made of the influence of the presence of pins inside the retainer bearing. Four pins were installed within two existing test rigs in the laboratory. Their actuation comes from step motors, which insert them until a certain length in the inner side of the retainer bearing, or the gap between the rotor and the bearing wall. First, a mathematical approach of the involved phenomena is developed, providing the equations to perform numerical simulations of the system. Then, experiments where performed in the test rigs and relevant data were collected and compared to the simulation results. They showed positive accordance, which helped to validate the concept of properly inserting active pins inside the retainer bearings to avoid possible hazardous conditions, such as, friction, full annular rubbing, and abrasive effects.

Made available in DSpace on 2016-12-06T17:07:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Henrique Cabral Faraco.pdf: 765581 bytes, checksum: 9b961071009b4841c6b0d6e5fee8d7fe (MD5) Previous issue date: 2011-02-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / To date, sports scientists have still sought for noninvasive methods to determine the intensities corresponding to physiological transition threshold. The critical velocity (CV) model has been extensively studied in many exercises modes, however to determine CV is necessary to perform several predicting trials. To overcome this difficulty, it has been proposed a single test for determining the Critical Power (CP) which has shown to be reliable, correlate and similar to CP determined in cycle ergometer, remaining the need to seek similar evidences during running testing. The main objective of this study was to verify the validity of a single all-out 3 minutes running test (T3) for VC determination (V3min). Eight volunteers were submitted in different days to an incremental treadmill running test to determine VO2máx, the intensity corresponding to VO2máx (iVO2máx) and intensity corresponding to the first and second ventilatory threshold (VT1 and VT2, respectively), three T3 (familiarization, test and retest) to determine V3min, distance traveled (D3min) and peak speed (PV3min) measured by manual timing and VGPS, DGPS and PVGPS measured by a GPS device. Three maximal performances (in random order) on the distances of 800m, 1600m and 2400m were utilized to determine VC through distance/time model. The V3min was significantly higher (6.7%), but highly correlated (r = 0.88) with VC. ANOVA repeated measures showed high intraclasse correlation coefficient (ICC: 0.96; 0.87 and 0.96 to D3min, PV3min and V3min, respectively) and low typical errors of estimate indicating that the T3 presents a good reproducibility and the familiarization test might be discarded. The GPS device seems to be accurate and reliable for measuring speeds in the end of testing, however no confidence date seem to be measure for PV3min and DGPS. We conclude that the T3 showed to be highly reliable and correlate to VC, which can be used to estimate aerobic capacity. However, we suggest caution to use the T3 test for VC determination. / Diante da necessidade de se buscar métodos não invasivos para determinação de limiares de transição fisiológicas o modelo convencional de determinação da velocidade crítica (VC) surge, trazendo consigo uma quantidade elevada de testes que preferencialmente deveriam ser realizados em dias diferentes. O modelo de teste único proposto para determinação da Potência Crítica (PC) parece resolver esse problema, restando a necessidade de se buscar indícios semelhantes em testes de corrida. Assim, o principal objetivo do estudo é verificar se um teste único de corrida em máxima velocidade durante 3 minutos (T3) é válido para determinação da VC de indivíduos fisicamente ativos. Oito indivíduos ativos foram submetidos, em dias diferentes, a um teste incremental em esteira rolante para determinação do consumo máximo de oxigênio (VO2máx), da intensidade do VO2máx (iVO2máx) e da intensidade do primeiro e do segundo limiar ventilatório (VT1 e VT2, respectivamente), três T3 (familiarização, teste e reteste) em pista de 200m para determinação da V3min, da distância percorrida (D3min) e de pico de velocidade (PV3min) (cronometragem manual) e VGPS, DGPS e PVGPS (monitoramento via GPS); e por último três testes máximos de campo em distâncias fixadas em 800m, 1600m e 2400m (em ordem aleatória) para determinação da VC através do modelo trabalho/tempo. A V3min foi identificada 6,7% acima, mas significativamente correlacionada com a VC (r = 0,88). O resultado de ANOVA de medidas repetidas bem como altos coeficiente de correlação intraclasse (ICC: 0,96; 0,87 e 0,96 para D3min, PV3min e V3min, respectivamente), e baixos erros típico de medida indicam que o T3 tem boa reprodutibilidade e indica a possibilidade de descarte da familiarização para o T3. O dispositivo de GPS parece ser confiável para medida da velocidade nos instantes finais do teste, deixando dúvidas quanto a sua confiabilidade em medir o PVGPS e a DGPS. Podemos concluir, portanto, que o T3 é um teste reprodutivo e bem relacionado à VC, podendo ser usado como índice de capacidade aeróbia. No entanto, sugerimos cautela na utilização do teste como meio de determinar a VC.

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-17T17:27:31Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-17T17:27:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Os elementos de combustível de um reator nuclear de pesquisa tipo MTR (\"Material Testing Reactor\") são, em sua grande maioria, formados por placas de combustível revestidas com alumínio contendo no cerne silicileto de urânio (U3Si2) disperso em matriz de alumínio. Essas placas possuem espessura da ordem de milímetros e comprimentos muito maiores em relação à sua espessura. Elas são dispostas paralelamente no conjunto que forma o elemento combustível, de maneira a formar canais entre elas com poucos milímetros de espessura, por onde escoa o fluido de refrigeração (água leve ou água pesada). Essa configuração, associada à necessidade de um escoamento com altas vazões para garantir o resfriamento das placas em operação, pode gerar problemas de falhas mecânicas das placas de combustível devido às vibrações induzidas pelo escoamento nos canais e, consequentemente, acidentes de proporções graves no caso de velocidade crítica que possa gerar o colapso das placas. Embora não haja ruptura das placas de combustível durante o colapso, as deflexões permanentes excessivas das placas podem causar bloqueio do canal de escoamento no núcleo do reator e levar ao superaquecimento nas placas. Para este trabalho, foram desenvolvidas uma bancada experimental com capacidade para altas vazões volumétricas (Q=100 m3/h) e uma seção de testes que simula um elemento combustível do tipo placa com três canais de resfriamento. A seção de testes foi construída com placas de alumínio e acrílico e foi instrumentada com sensores de deformação, sensores de pressão, um acelerômetro e um tubo de pitot. As dimensões da seção de testes foram baseadas nas dimensões do Elemento Combustível do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), cujo projeto está sendo coordenado pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Os experimentos realizados alcançaram o objetivo de chegar à condição de velocidade crítica de Miller com o colapso das placas. A velocidade crítica foi atingida com 14,5 m/s levando a consequente deformação plástica das placas que formam o canal do escoamento. O canal central na entrada da seção de testes apresentou uma abertura de 3 mm em seu centro, causando um grande bloqueio do escoamento nos canais laterais. Este comportamento foi v constatado visualmente durante a desmontagem da seção de testes, ilustrado e discutido na análise de resultados apresentado neste trabalho. O bloqueio dos canais também foi observado por meio de gráficos de queda de pressão e por gráficos das deformações da entrada, centro e saída das placas contra a velocidade média da seção de testes. Observou-se uma queda da resistência hidráulica da seção de testes devido ao aumento da seção transversal de escoamento no canal central e um aumento exponencial das deformações quando da ocorrência da velocidade crítica. Comparativamente, o valor experimental obtido para velocidade crítica na seção de testes foi da ordem de 85% do valor obtido por cálculo com a expressão teórica de Miller. Os experimentos realizados permitiram um melhor entendimento da interação fluido estrutura em elementos de combustível tipo placa como: valores de frequências de vibrações naturais, instabilidade fluido elástica e desenvolvimento de técnicas para a detecção de valores de velocidade crítica. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / CNPq:481193/2012-0

Undesired air entrainment in bottom outlet conduits of dams may cause pressure transients, leading to conduit vibrations, blowback, discharge pulsation and even cavitation, and jeopardize the operational safety. Due to design limitations or construction costs, it is impossible to create an air free environment in a pressurized pipe. Therefore, it is essential to understand the air transport in enclosed pipes in order to provide guidance in bottom outlet design and operation. The commonly used criterion of the air-pocket movement in pipe flow is the water flow velocity for starting moving an air pocket, the so-called critical velocity. In this thesis, the classical Volume of Fluid (VOF) model combined with the k-ε turbulence model is adopted for the computation of the critical velocity of a 150-mm pipe. The computed critical velocities are compared with the experimental results. The governing parameters investigated in this study include pipe slope and diameter, wall shear stress and air-pocket volume. Meanwhile, the carrying capacity (air-pocket velocity/ flow velocity) at all pipe slopes are analyzed. The simulation results of air pockets with different volumes in the bottom outlet conduit of Letten Dam in Sweden are presented in this study. Moreover, experimental study was conducted to measure the critical velocity for a 240-mm Plexiglas pipe. The results are in agreement with the experiments performed by HR Wallingford (HRW) in 2003 in terms of the effects of pipe slope and air-pocket volume; however, the critical Froude pipe number is slightly smaller in this study. In rough pipes, a larger critical velocity is required compared with that in the smooth pipe. The removal mechanism in the rough pipe involves the successive loss of air caused by turbulence. This explains that the air-pocket size, with the dimensionless air-pocket volume n < 0.015, has little impact on the critical velocity for the rough pipe. In addition, roughness has little impact on the air-pocket velocity when it moves upstream in the downward inclined pipe. The trapped air bubbles most likely remain permanently in the rough pipe. / QC 20120110

Les atomes froids sont des outils uniques pour sonder la physique de la matière quantique. Hautement contrôlables, les gaz de Bose et de Fermi ultrafroids sont des systèmes idéaux pour la simulation quantique et pour explorer des manifestations spectaculaires des effets quantiques, comme la superfluidité. Avec des gaz froids de 6Li et de 7Li, nous avons produit le premier mélange de superfluides bosonique-fermionique, et étudié ses propriétés en initiant un contre-flot entre les nuages de Bose et de Fermi (mode dipolaire). La vitesse critique de superfluidité a été mesurée dans le crossover BEC-BCS et elle est trouvée proche de la vitesse du son dans le gaz de Fermi. Nous comparons nos mesures avec des prédictions théoriques récentes. En élevant la température du mélange, nous avons aussi observé une synchronisation inattendue entre les mouvements des deux nuages, interprétée comme un effet Zénon induit par la dissipation. Finalement, ce mélange de bosons et de fermions offre la possibilité unique de créer un piège homogène pour le gaz de Fermi. En ajustant finement les interactions, nous proposons d’utiliser la répulsion entre les bosons et les fermions pour compenser la courbure du piège harmonique pour les fermions. Pour des fermions présentant une polarisation de spin, nous prédisons théoriquement l’existence d’un superfluide avec une structure en “coquille” et fournissons les premières indications expérimentales de l’observation de ce superfluide topologiquement original. / Ultracold atoms are unique tools to probe the physics of quantum matter. Indeed, the high degree of tunability of ultracold Bose and Fermi gases makes them ideal systems for quantum simulation and for exploring macroscopic manifestations of quantum effects, such as superfluidity. In this work, we have realized the first Bose-Fermi superfluid mixture, with ultracold gases of 6Li and 7Li. The properties of the mixture are investigated by initiating a Bose-Fermi counterflow through their dipole modes. The superfluid critical velocity is measured in the BEC-BCS crossover, and is found close to the sound velocity of the Fermi gas near unitarity. We compare our findings to recent theoretical predictions. Raising the temperature of the mixture, we observe an unexpected synchronization of the motion of the two clouds, interpreted with a Zeno-like model induced by dissipation. Finally, this Bose-Fermi mixture offers the unique possibility to create a homogeneoustrap for the Fermi gas. By a fine tuning of the interactions, we propose to use the Bose-Fermi repulsion to compensate the curvature of the harmonic trap for fermions. For a spin-polarized Fermi gas in such a trap, we theoretically predict the existence of a superfluid with a shell structure and we provide first experimental evidence for this topologically new superfluid.

Railway tracks experience elevated rail deflections when the supporting soil is soft and/or the train speed is greater than approximately 50% of the wave propagation velocity in the track-soil system (i.e. the critical velocity). Such vibrations are undesirable, so soil replacement or soil improvement of the natural soil (or alternatively mini-piles or lime-cement treatment) is often used to increase track-ground stiffness prior to line construction. Although areas of existing soft subgrade might be easily identified on a potential new rail route, it is challenging to determine the type and depth of ground remediation required. Therefore, major cost savings can be made by optimising ground replacement/improvement strategies. This paper presents a numerical railway model, designed for the dynamic analysis of track-ground vibrations induced by high speed rail lines. The model simulates the ground using a thin-layer finite element formulation capable of calculating 3D stresses and strains within the soil during train vehicle passage. The railroad track is modelled using a multi-layered formulation which permits wave propagation in the longitudinal direction, and is coupled with the soil model in the frequency-wavenumber domain. The model is validated using a combination of experimental railway field data, published numerical data and a commercial finite element package. It is shown to predict track and ground behaviour accurately for a range of train speeds. The railway simulation model is computationally efficient and able to quickly assess dynamic, multi-layered soil response in the presence of ballast and slab track structures. Therefore it is well-suited to analysing the effect of different soil replacement strategies on dynamic track behaviour, which is particularly important when close to critical speed. To show this, three soil-embankment examples are used to compare the effect of different combinations of stiffness improvement (stiffness magnitude and remediation depths up to 5 m) on track behaviour. It is found that improvement strategies must be carefully chosen depending upon the track type and existing subgrade layering configuration. Under certain circumstances, soil improvement can have a negligible effect, or possibly even result in elevated track vibration, which may increase long-term settlement. However, large benefits are possible, and if detailed analysis is performed, it is possible to minimise soil improvement depth with respect to construction cost.

[pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações, são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho. Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos, constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de ganhos variável mostrou-se muito efetivo em suprimir o drapejamento do tabuleiro da ponte. Diferentes características geométricas e dinâmicas de outras pontes podem ser introduzidas nos programas MATLAB apresentados no Apêndice, para obtenção da velocidade crítica nos casos de tabuleiros isolados, tabuleiros com asas estacionárias e tabuleiros com asas giratórias ativamente controladas, para supressão do drapejamento do tabuleiro. / [en] Long span bridges, with main spans beyond 2.000 m become highly sensitive to wind action, particularly to flutter. An active aerodynamic control method of suppressing flutter of very long span bridges is studied in this thesis. Analytical design techniques for active control of the aeroelastic system consisting of the bridge deck and two control surfaces are presented. These techniques are based on a rational approximation of the unsteady aerodynamic loads in the entire Laplace domain, which yieds matrix equations of motion with constant coefficientes. The first part of this thesis is dedicated to the matrix formulation of the rational functions known as Minimum State and to applications to aerodynamic data obtained experimentally for various types of bridge profiles. The precision of the approximations iscalculated, and plots of the approximation functions compared to the available tabular data are drawn. Next, the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of a section of a bridge deck is presented. Given the dynamic data of a bridge structure (mass, rotational mass moment of inertia, natural frequencies, stiffness and damping ratios), and assuming that a geometric similitude exists between the profiles of the full-scale bridge deck and the sectional model from which the frequency dependent aerodynamic data was extracted, it is possible to calculate the critical velocity of that particular bridge. This part of the thesis shows that it is possible to build up a catalog of several profiles, characterized by frequency dependent aerodynamic data and the corresponding rational functions. The second part is dedicated to the formulation of the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of the entire system consisting of the bridge deck and control surfaces. The resulting equation includes new aerodynamic states which model the air flow influence on the moving deck. The equation of motion is a function of the mean velocity of the incoming wind. The dependence of the equation of motion on the wind velocity motivated the application of a constant and a variable-gain feedback concept to the problem of flutter suppressing, which are presented separatelly. The output variable-gain approach is formulated in terms of minimizing a performance index dimensionally proportional to the sum of the work done by the rotating control surfaces and the kinetic energy of the heaving velocity. A sistematic method to determine the matrix of variable control gains is shown in detail, as applied to the hypothethical case of Gibraltar bridge. Application of the variablegain feedback concept was found to be very effective in suppressing flutter of the bridge deck. Different geometric and dynamic characteristics can be introduced in the MATLAB programs included in this work, in order to obtain the critical velocities of a bridge deck alone, a bridge deck with stationary wings and a bridge with moving wings activelly controled.

La compréhension des effets des interactions dans un ensemble de particules quantiques représente un enjeu majeur de la physique moderne. Les atomes ultra-froids sont rapidement devenus un outil incomparable pour étudier ces systèmes quantiques fortement corrélés. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs travaux portant sur les propriétés d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi créé à l’aide de vapeurs ultra-froides de ⁷Li et de ⁶Li. Nous étudions tout d'abord les propriétés hydrodynamiques du mélange en créant un contre-courant entre les superfluides. L'écoulement est dissipatif uniquement au dessus d'une vitesse critique que nous mesurons dans le crossover BEC-BCS. Une simulation numérique d’un contre-courant de deux condensats permet de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents mis en jeu dans la dynamique. En particulier, l'étude numérique fournit des preuves supplémentaires que l'origine de la dissipation dans nos expériences est liée à l'émission d'excitation élémentaires dans chaque superfluide. Finalement, nous nous intéressons aux pertes inélastiques par recombinaison à trois corps qui peuvent limiter la stabilité de nos nuages. Ces pertes sont intimement liées aux corrélations à courte distance présentes dans le système et sont ainsi connectées aux propriétés universelles du gaz quantique. Cela se manifeste notamment par l’apparition de dépendances en densité ou en température inusuelles du taux de perte lorsque le système devient fortement corrélé. Nous démontrons cet effet dans deux exemples où les interactions sont résonantes, le cas du gaz de Bose unitaire et celui de notre mélange de superfluides Bose-Fermi. Plus généralement, nos travaux montrent que ces pertes inélastiques peuvent être utilisées pour sonder les corrélations quantiques dans un système en fortes interactions. / Understanding the effect of interactions in quantum many-body systems presents some of the most compelling challenges in modern physics. Ultracold atoms have emerged as a versatile platform to engineer and investigate these strongly correlated systems. In this thesis, we study the properties of a mixture of Bose and Fermi superfluids with tunable interactions produced using ultracold vapors of ⁷Li and ⁶Li. We first study the hydrodynamic properties of the mixture by creating a counterflow between the superfluids. The relative motion only exhibit dissipation above a critical velocity that we measure in the BEC-BCS crossover. A numerical simulation of counterflowing condensates allows for a better understanding of the underlying mechanisms at play in the dynamics. In particular, this numerical study provides additional evidence that the onset of friction in our experiment is due to the simultaneous generation of elementary excitations in both superfluids. Finally, we consider the inelastic losses that occur via three-body recombination in our cold gases. This few-body process is intimately related to short-distance correlations and is thereby connected to the universal properties of the many-body system. This manifests as the apparition of an unusual dependence on density or temperature in the loss rate when increasing the interactions. We demonstrate this effect in two examples where interactions are resonant: the case of a dilute unitary Bose gas and the one of impurities weakly coupled to a unitary Fermi gas. More generally, our work shows that inelastic losses can be used to probe quantum correlations in a many-body system.

The diploma thesis deals with analytical description of vehicle - track dynamic interface. There are described basic analytical models which are subsequently extended in order to get a more precise description of dynamic phenomena. The aim is to compile a model that faithfully describes the dynamic phenomena in the track. These new compiled models are qualitatively compared with data obtained by measuring in the track.