[pt] Uma câmera de alta velocidade foi utilizada para visualizar o processo de quebra de gota em um misturador rotor - estator e através de um orifício em um duto em condições de escoamento turbulento. Dois casos especiais foram considerados: quebra de emulsões diluídas e quebra de gotículas de óleo individuais. Dois óleos minerais de viscosidade moderada foram dispersos em duas fases continuas diferentes, água da torneira e uma fase contínua formada por uma mistura de água do mar padrão e o surfactante aniônico STEOL CS-330 (Stepan Company). No caso de quebra no misturador rotor - estator, dois mecanismos foram identificados. Uma fragmentação inicial é causada pela combinação do vórtice (gerado pelo movimento circular do rotor) e a região de jato emergente dos furos do estator. O segundo mecanismo é uma quebra mecânica causada pelas altas taxas de cisalhamento que as gotas sofrem na abertura entre o rotor e o estator. No caso de quebra através do orifício, foi mostrado que a ruptura das gotículas ocorre somente a jusante da restrição, após percorrida certa distancia a partir da borda do orifício. Nesse comprimento de quebra, o gradiente radial de velocidade axial no escoamento é suficientemente grande para superar as tensões resistivas (exercidas pelas gotículas) e produzir a ruptura da gota. Esses resultados estão em concordância com as observações previas feitas por Galinat et al. (2005) para o caso de quebra de gota através de uma placa de orificio. No entanto, a partir das observações feitas neste trabalho, foi possível concluir que o comprimento do orifício não influencia os mecanismos de quebra. Também, a visualização permitiu analisar a influencia relativa da tensão interfacial e da viscosidade da fase dispersa para os dois casos considerados. Dados experimentais do tamanho de gota máximo estável foram obtidos para o caso de quebra de gota de emulsões de óleo em água diluídas nos dois casos estudados. A análise dos dados revelou que os tamanhos de gota máximos estáveis encontravam-se dentro da sub-faixa inercial, caracterizada exclusivamente pela taxa de dissipação de energia por unidade de massa, Épsilon. Um modelo mecanístico linear para a sub-faixa inercial, baseado na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov, foi desenvolvido para ajudar na interpretação dos dados e suprir uma base para correlação. O modelo foi ajustado aos dados experimentais utilizando uma ferramenta de otimização não linear baseada no código GRG2 (Generalized Reduced Gradient), e sua precisão calculada a partir da raiz quadrada media das diferenças entre os dados experimentais e os previstos. Boas previsões foram obtidas para o rompimento no misturador, no entanto, este não foi o caso da quebra através do orifício. A baixa precisão relativa do modelo utilizado para correlacionar a quebra através do orifício reside na falta de consideração da escala de tempo requerida para a ruptura. Além disso, uma regressão linear baseada em um modelo Power Law mostrou que os efeitos interfaciais dominam o processo de quebra de gota na restrição. / [en] A high-speed camera has been used to visualize the drop breakup process at turbulent conditions in a rotor - stator mixer and through an orifice in a pipe. Two special cases were considered: the breakup of diluted emulsions and the breakup of single oil droplets. Two mineral oils of moderate viscosity were dispersed in two different continuous phases, tap water and a continuous phase formed by a mixture of substitute ocean water and the anionic surfactant STEOL CS-330 (Stepan Company). For the case of breakup in the rotor - stator mixer, two mechanisms were identified. An initial fragmentation is caused by the combination of the vortex (generated by the circular motion of the rotor) and the jet zone emerging from the stator holes. The second mechanism is a mechanical breakup caused by the high shear stresses that droplets suffer in the rotor - stator gap. In the case of breakup through an orifice in a pipe, it was shown that breakage only occurs downstream of the restriction and takes place at a certain distance from the edge of the orifice. At this breakup length, the radial velocity gradient in the flow is large enough to overcome the resistance stresses (exerted by the droplet) and produce the rupture of the droplet. These results were in agreement with previous observations made Galinat et al. (2005) for the case of drop breakup through an orifice plate. However, from the observations made in this work, it was possible to conclude that the orifice length does not influence the breakup mechanisms. In addition, visualization has allowed to analyze the relative influence of interfacial tension and dispersed phase viscosity for both cases. Experimental values for the maximum stable drop diameter were obtained for the breakup of diluted oil-in-water emulsions in both studied cases. Analysis of the data revealed that maximum stable drop sizes were in the inertial sub range, characterized exclusively by the energy dissipation rate per unit mass, Epsilon. A linear mechanistic model for the inertial sub-range, based in Kolmogorov s theory of isotropic turbulence, was developed to aid in data interpretation and to provide a basis for correlation. The model was adjusted to experimental data using a nonlinear optimization tool based in the generalized reduced gradient code (GRG2), and its precision was calculated from the root mean squared difference between experimental and predicted data. Good predictions were obtained for the breakup in the mixer; however, this was not the case for the breakup through the orifice. The relative low precision of the model used to correlate the breakup through the restriction lied in the lack of consideration of the time scale required for the breakup. In addition, a linear curve fitting based in a power law model, showed that interfacial effects drive the breakup process in the restriction.

Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 00621.pdf: 16649575 bytes, checksum: 34a61ca5ff67945244a79765b98ddb45 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IEA/T / University of London

Este trabalho apresenta um estudo experimental do efeito da razão de bloqueio em um canal aerodinâmico no Número de Strouhal e o fenômeno da biestabilidade. É estudado o escoamento turbulento sobre um cilindro e também sobre dois cilindros dispostos lado a lado, onde fez-se uso de cilindros de vários diâmetros a fim de variar a razão de bloqueio no canal. Dois tipos de espaçamento entre os tubos são estudados. A técnica experimental consiste na medição de flutuações de velocidades em um canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente. Os dados obtidos da medição no canal aerodinâmico são tratados com o uso de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. Para um cilindro, os resultados confirmam o aumento do número de Strouhal com o aumento da razão de bloqueio, na faixa do número de Reynolds utilizada. Razões de bloqueio mais baixas podem acarretar diminuição do número de Strouhal, também em função do número de Reynolds. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade no escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, assim como a influência da razão de bloqueio sobre o fenômeno, sendo mais predominante em um dos espaçamentos estudados. Para razões de bloqueio altas, o fenômeno da biestabilidade pode não ocorrer ou pouco ocorre. Para razões de bloqueio mais baixas podemos ter também a não ocorrência do fenômeno em função das dimensões dos tubos serem mais reduzidas, fazendo com que a captação do fenômeno também seja reduzida. / This paper presents an experimental study of the effect of blockage ratio in a aerodynamic channel on Strouhal number and the bistability phenomenon. It studied the turbulent flow around a single cylinder and also on two cylinders arranged side-by-side, where use has been made of cylinders of various diameters to vary the blockage ratio of the channel. Two types of pitch to diameter ratio are studied. The experimental technique consists of measuring velocity fluctuations in aerodynamic channel using the technique of hot-wire anemometry. The data obtained from measuring the aerodynamic channel are treated with the use of statistical tools, spectral and wavelet analysis. For a single cylinder, the results confirm the increase of the Strouhal number with increasing blockage ratio in the range of Reynolds number used. Lower blockage ratio can cause a decrease of the Strouhal number, also a function of Reynolds number. The results confirm the existence of the bistability phenomenon in the flow on two cylinders arranged side-by-side, as well as the influence of blockage ratio on the phenomenon, being more predominant in one of the row spacings. For higher blockage ratios, the bistability phenomenon may not occur or occurs shortly. For lower blockage ratio, due to the smaller dimensions of the tubes the phenomenon may not occur on the capture of the phenomenon is also reduced with the present experimental technique.

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T18:45:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Brol_KeilaBelquiz_M.pdf: 7087689 bytes, checksum: b81e96d33b1146da143fae0859da2363 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O desenvolvimento de modelos matemáticos que visam simular as características operacionais das máquinas rotativas é importante para representar uma variedade de fenômenos expressivos que se manifestam durante a operação, para tanto é necessário a modelagem dos componentes que caracterizam o comportamento dinâmico do sistema. Este trabalho tem por objetivo determinar os parâmetros físicos que integram os selos de fluxo de folga fixa e angular ao modelo global de sistemas rotativos. As rigidezes e os amortecimentos são obtidos através da solução de equações governantes para líquidos escoando em selos anulares pelo método clássico das perturbações de ordem máxima um e a solução da ordem zero permite demonstrar a variação da pressão e velocidade para as equações de ordem zero. Os resultados obtidos foram validados com os valores apresentados pela literatura. O resultado deste trabalho poderá ser aplicado na modelagem global de uma máquina rotativa, de modo a tornar a análise mais completa do conjunto girante / Abstract: The development of mathematical models designed to simulate operational characteristics is important to represent a wide variety of expressive phenomena that manifest during the operation, and therefore it is necessary the components modeling that characterize the system dynamic behavior. This study aims to determine the physical parameters that influence the flow seals to fixed angles and variables in the global rotating systems model. The stiffness and damping are obtained by solving the governing equations for fluid flowing in the annular seals using the classic perturbation method of maximal order one. The zero-order solution allows to demonstrate the pressure and speed variation to zero order. The results were validated with the similar tests reported in the literature. This work results are eligible to be applied to model a global rotating machine in order to make a more complete rotor analysis / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 00621.pdf: 16649575 bytes, checksum: 34a61ca5ff67945244a79765b98ddb45 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IEA/T / University of London

Orientadores: Milton Mori, Waldir Pedro Martignoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T22:56:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_DanieldeBrito_M.pdf: 5535932 bytes, checksum: 88e566e01cde62262c8caf66d26410e5 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Ciclones são equipamentos amplamente utilizados em indústrias como separadores gássólido. Apesar deste equipamento possuir princípios de funcionamento simples, estudos já demonstraram que o escoamento vorticial confinado inerente aos separadores ciclônicos é, na realidade, muito complexo. O recente avanço em métodos numéricos e poder computacional tornou possível o uso de ferramentas avançadas como a fluidodinâmica computacional (CFD), técnica que propõe a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através de métodos numéricos. Sua aplicação a ciclones não deixou sombra de dúvida da complexidade da fluidodinâmica envolvida, mas mesmo com dificuldades abriu caminho para muitos avanços na área. O presente estudo busca somar à vasta literatura ao discutir a variação de alguns parâmetros específicos para a simulação de ciclones. O primeiro parâmetro foi a condição de contorno de saída de sólidos. Foram estudadas algumas configurações que incluem a saída direta, com dip, leg com caixa coletora e parede. Estas variações provaram ser de enorme influência em toda a fluidodinâmica do sistema. Em seguida é feito um estudo da influência do modelo de turbulência nos campos de escoamento. São aplicados os modelos k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) e Large Eddy Simulation (LES). Os dois primeiros se mostraram inadequados, o SSG-RSM mostrou-se adequado e o LES promissor, porém limitado pela malha esparsa utilizada. Por fim, variou-se a abordagem de modelagem da fase sólida, primeiramente utilizando um modelo Euleriano-Euleriano (E-E) que levava em consideração apenas um diâmetro para a fase sólida e depois um modelo E-E3, com três fases sólidas de diâmetros diferentes sendo simuladas simultaneamente. Através destes modelos foram obtidas curvas de eficiência de coleta fracional e global. Ambos os modelos representaram bem os dados experimentais, mas o E-E3 mostrou superioridade, principalmente no que diz respeito ao tempo total de processamento e escalabilidade da simulação. As geometrias e malhas numéricas foram construídas no pacote ICEM CFD, e os casos resolvidos utilizando o software comercial ANSYS CFX, rodando em paralelo em um cluster de alta performance. Dados experimentais da literatura foram utilizados para validação. / Abstract: Cyclones are widely used in industries as gas-solid separators. Although this equipment features simple operational principles, studies have shown that the confined vorticial flow found in cyclonic separators is, in fact, very complex. Recent advances in numerical methods and computational power have made possible the use of advanced tools such as computational fluid dynamics (CFD), a technique that proposes the solution of the equations of conservation of mass, momentum and energy through numerical methods. Applied to cyclones, CFD has left no doubt on the complexity of the fluid dynamics involved, but much progress has been done in this area. The present study seeks to add to this vast literature with the discussion of the variation of a few specific parameters to cyclone simulation. The first chosen parameter was the boundary condition for the outlet of solids. A few configurations were studied, including a direct outlet, dipleg, dust hopper and wall. These variations proved to be of enormous influence to the fluid dynamics of the system. As a second study, four turbulence models were compared: k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The first two proved to be inadequate, SSG-RSM performed the best and LES showed promise, but it suffered the limitations of a coarse mesh. The last studied parameter was the modeling approach to the solids phase, first by utilizing an Eulerian-Eulerian (E-E) model that considered a single diameter for the solid phase and second an E-E3 model, with three solid phases of different diameters being simulated simultaneously. Through these methods the fractional and overall collection efficiency curves were obtained. Both approaches reproduced the experimental data well, but E-E3 was more accurate, also presenting a reduced overall computational time and better scalability. The geometries and numerical meshes were built using the code ICEM CFD, and the cases solved using commercial software ANSYS CFX, running in parallel mode in a high performance computing cluster. Experimental data available in the literature was used as validation. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Questões de aeração forçada ou natural estão intimamente ligadas à capacidade de autodepuração dos corpos hídricos, ou seja, oxidar substâncias agressivas para resultar em baixo teor de toxicidade. Uma das etapas do processamento de efluentes consiste na dissolução de oxigênio em água e, para realizar essa dissolução, utilizam-se aeradores que são unidades (tanques) onde o ar é borbulhado no meio líquido, o qual se desloca em um regime contínuo de escoamento. Esta pesquisa refere-se à obtenção experimental de valores de viscosidade turbulenta para inserção em modelagem fenomenológica da transferência de oxigênio das bolhas de ar para o meio líquido. Tais modelos, se bem realísticos, podem contribuir aos estudos de gestão de recursos hídricos ou em operações nos tratamentos de efluentes líquidos. O método experimental empregado foi a velocimetria por imagem de partículas, no qual foi possível obter velocidades instantâneas do fluido (água). Estas consideram o movimento turbulento, que é o principal responsável pelo transporte de oxigênio da superfície para o seio do corpo hídrico, sendo que essa superfície pode ser livre para o ambiente, ou a superfície de uma bolha. Praticamente, o método consiste em correlacionar posições de partículas traçadoras em suspensão no fluido, as quais são assumidas ter a mesma velocidade do fluido. As posições consecutivas para fornecer a trajetória e a velocidade foram obtidas por imagens capturadas em uma freqüência definida através de uma câmera digital, onde a luz do laser contrastou as partículas em uma área desejada com uma precisão elevada. Então, nessa área (um plano), foi possível correlacionar um perfil de velocidades. Assim, os valores de viscosidade turbulenta foram obtidos para serem usados em modelagem da transferência de oxigênio, os quais poderão contribuir nos estudos de aeração em corpos hídricos. / Problems involving natural or forced aeration are intimately bind to the reaeration of water bodies. Pollutants are oxidized to yield low toxicity conditions. One of the steps of wastewater treatment consists in dissolving oxygen in water. To perform this, aeration tanks are used where bubbling air crosses the continuous liquid flow. This research focuses on the experimental determination of turbulent viscosity values to be used in modeling of oxygen transfer from air bubbles to the bulk liquid. Such models, if realistic enough, may contribute to water resources management studies or in wastewater treatment operations. Particle image velocimetry method was used, by means of which it became possible to obtain instantaneous velocities of the fluid (water). These velocities embody the turbulent flow, which is the main responsible for oxygen transport from the surface to the bulk liquid. This surface may be either facing the atmosphere or the interior of a bubble. In practice, the method consists in correlating tracking particles suspended in the liquid, which are supposed to have the same velocity of the fluid. The successive positions that give path and speed were obtained by images took in predefined intervals by a digital camera. The laser light illuminated the particles in a predefined area with high precision, making possible to determine velocity profiles. Turbulent viscosity values were so determined and may be used in the modeling of oxygen transfer, which may contribute to water body aeration studies.

O presente trabalho versa sobre a modelagem de uma chama turbulenta difusiva usando a técnica de simulação de grandes estruturas turbulentas (LES), juntamente com o modelo termo-químico de folha de chama (flame sheet model) e o conceito de fração de mistura como escalar conservativo. Este trabalho também é pioneiro de utilização de LES com reação química no Brasil, podendo colaborar para o desenvolvimento desta técnica na área de combustão. O trabalho consiste na construção e validação das rotinas computacionais de um código CFD, baseado em LES e com flexibilidade para uma futura utilização de cinética química detalhada de combustão (EDC/ISAT), para casos complexos onde modelos mais simples, como a fração de mistura, são falhos. O programa será validado em uma chama de difusão turbulenta não-confinada de metano (CH4), para a qual existem dados experimentais na literatura [61,62] e utilizados pela comunidade acadêmica em excelência (Stanford, TU-Darmstadt, Imperial College, Cornell University etc). As características da implementação numérica do código permitirão sua expansão futura para outras aplicações em: queima de combustíveis líquidos, combustão em câmaras fechadas e fornalhas com a inclusão de modelo de radiação. / The present work is about modeling a diffusive turbulent flame using the Large-Eddy Simulation approach (LES) and the Flame Sheet model as the chemical model with the mixture fraction concept as the conservative scalar. This work is pioneer in the sense of using LES and reactive flow in Brazil, making possible the development for LES techniques in the combustion area. The work is intended to construct and validate a CFD code based on LES and with future flexibility for a more detailed combustion chemical model (EDC/ISAT) for complex flows, where simple models are failed, like the mixture fraction. The program will be validated for a turbulent diffusion methane (CH4) flame not confined, which there are some experimental data on the specialized literature [61,62], and commonly used by the academic community (Stanford, TU-Darmstadt, Imperial College, Cornell University etc). The features of the numerical code implementation will make possible future expansion of its use in other applications: liquid fuel burning, combustion chambers and ovens with the radiation model inclusion.

Em mecânica dos fluidos, especificamente em processos turbulentos, o problema de fechamento representa um dos maiores desafios para qualquer pessoa interessada nesta área. Durante décadas, cientistas vêm usando abordagens estatísticas com o objetivo de \"fechar\" o problema ou, pelo menos, diminuir as dificuldades inerentes. Assim, o presente trabalho apresenta uma criteriosa análise com base em ferramentas estatísticas em que ondas quadradas aleatórias, aliadas a um número fixo de parâmetros, foram utilizadas para criar equações paramétricas para representar um fluxo turbulento unidimensional com uma abordagem a priori, diferenciando de outras abordagens aplicadas amplamente na área, que utilizam uma abordagem a posteriori. Em seguida, simulações foram realizadas, a fim de avaliar o comportamento do modelo. Nas simulações pôde-se reproduzir o comportamento observado na literatura e estipular a abrangência do método. Além disso, uma importante discussão acerca das condições de contorno foi desenvolvida. / In fluid mechanics, specifically in turbulent processes, the closure problem represents one of the biggest challenges for anyone interested in this area. For decades, scientists have been using statistical approaches aiming to close the problem or, at least, decrease the inherent difficulties. So, the present project presents a judicious analyze based on statistical tools in which random square waves, allied with a fixed numbers of parameters, were used to create parametric equations to represent a turbulent flow with an a priori approach, differentiating from other approaches broadly applied in the area, which use an a posteriori approach. Then simulations were done, in order to evaluate the behavior of the model. In the simulations, the behavior of some data from the literature could be followed and the scope of the method was stipulated. Besides this, an important discussion about boundary conditions was developed.