[pt] Neste trabalho é estudado o escoamento permanente laminar de um fluido newtoniano, incompreensível e de propriedades físicas constantes, ao longo de condutos porosos, com sucção ou injeção variável através das paredes. Tanto o problema hidrodinamico quanto o térmico são analisados. Duas geometrias são adotadas para o conduto: a de tubo cilíndrico circular reto, de extremidades abertas e de um canal formado por placas planas paralelas e infinitas. Em ambas as geometrias são admitidas duas condições de contorno para o problema térmico: I – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do conduto e II – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do duto. Para todos entes casos, é determinada a influencia do fluxo de massa transversal sobre ambos os coeficientes de transferência: o de quantidade de movimento e o de calor. Estes problemas vêm despertando interesse crescente em diversos pesquisadores, por suas numerosas aplicações na engenharia e na medicina. As múltiplas utilizações dos termodutos, ou a preocupação de obter informações mais pormenorizadas sobre a circulação de fluidos nos organismos dos seres vivos são exemplos destas aplicações. A maioria dos trabalhos existentes sobre o problema acima descrito emprega a hipótese de velocidade de sucção constante ao longo do conduto. Devido à pequena quantidade de dados experimentais para comparação com os resultados teóricos, a consistência da hipótese mencionada pode ser questionada. Uma investigação sobre a viabilidade da consideração de sucção constante é, por isto, desenvolvida no presente trabalho. A Lei de Darcy é utilizada na obtenção da distribuição das velocidades de sucção ou injeção e os resultados hidronamicos e térmicos são comparados com os da literatura pertinente. O método utilizado na integração das equações diferenciais parciais é o desenvolvimento da velocidade axial e da temperatura adimensionais em séries de potencias. Este método não restringe a aplicabilidade dos resultados a consideração de perfis similares de velocidade ou a regiões afastadas da entrada do conduto permeável. Entretanto, em ambas as geometrias estudadas, os perfis de velocidade e de temperatura são supostos serem plenamente para taxas moderadas de sucção ou injeção e para fluidos com números de Prandtl de ordem de grandeza da unidade, mas pode ser estendido, com algum esforço suplementar, para casos ainda mais gerais. / [en] The steady, laminar flow of newtonian, incompressible, consant property fluid along porous-walled conduits is analysed for contions of variable suction or blowing through the duct walls. Both hydrodynamic and thermal problems are solved. Two geometries are assumed for the conduit: an open-ended straight circular cylindrical tube, and a flat duct formed by infinite parallel plates. Two kinds of thermal boundary conditions are adopted for both geometries: I – constant wall temperature and II – uniform conducton heat flow exchanged between the fluid and the internal sufarce. In all cases, it is determined the influence of the transversal mass flow over the momentum abda heat transfer coefficients. Several investigators have dedicated and increasing interest to these problems, due to their applications in engineering and medicine. Heat pipe multiple utilizations, as well as the search of obtainning more detailed information about fluid circulation in aniaml and plant organs, such as lung and arteries, are examples of such applications. The majority of published works about these problem makes use of a constant suction velocity as a hypotesis of work. Owing to a small amount of experimental data for comparison with theoretical results, may be questioned if it is an acceptable hypotesis. An investigation over the validity of uniform whitdrawal or injection is developed in the present work. The law of darcy for flow in porous media is introduced to give the wall velocity distribution and the results can be confronted with those for uniform suction or injection. The method used to solve the system of partial differential equations is based on power series expansion for the velocity and temperature. This technique does not impose a restriction on the applicability of the results in the sense of using similar velocity profiles or regions far from the entrance of the permeable pipe or channel. In both geometries studied, the velocity and temperature profiles are supposed as being fully devoloped at the duct entrance. The method is adequated only for moderate rates of suction or blowing, and for fluids with prandtl numbers of order of one, but can be extended, with some supplementary effort, to more general situations.

[pt] Esta tese propõe avaliar a presença do herbicida paraquat no escoamento superficial, ocorrido na microbacia do Córrego Pito Aceso, localizada em Bom Jardim-RJ, utilizando inicialmente uma etapa de modelagem e, posteriormente, uma etapa de simulação com SIG (Sistema de Informação Geográfica). A etapa da modelagem foi desenvolvida especificamente para cinco parcelas padrão Wischmeier, considerando suas respectivas culturas, manejo, tipo de solo e os seguintes parâmetros de influência no escoamento: interceptação do pesticida pela cultura, sorção do pesticida no solo. O fator de declividade da bacia hidrográfica foi considerado apenas para a etapa de simulação com SIG. Os resultados foram representados através de índices e concentrações de paraquat presente no escoamento e, posteriormente validados, através de dados reais medidos na área de estudo, e analisados pela EMBRAPA SOLOS. Uma vez validados, os resultados das parcelas foram georeferenciados em mapas poligonais e matriciais, através do software Arcgis 9.2, dando início, assim, a etapa de simulação dos resultados para toda a bacia hidrográfica. Pretende-se, ao final, avaliar o grau de influencia de alguns parâmetros considerados, tais como: interceptação do paraquat pela cultura e declividade da bacia hidrográfica. Os resultados das concentrações do paraquat (presente no escoamento) poderão em trabalhos futuros, serem comparados com os padrões mínimos aceitáveis para segurança ambiental, objetivando estabelecer limites de uso do paraquat em bacias hidrografias similares. Espera-se também, o desenvolvimento e aplicação da mesma modelagem utilizada nessa tese, para outros tipos de pesticidas aplicados e em diferentes bacias hidrográficas. / [en] This study proposes to evaluate the presence of the herbicide paraquat in runoff water in a catchment in the municipality of Bom Jardim – RJ, using two steps: modelling and simulation with GIS (Geographical Information System). The step of modelling was developed specifically for five standarded Wischmeier scenarios, considering the respective crops, management, soil type and the following parameters: culture interception and soil of the sorption. The slope was considered only for the simulation steps of the GIS. The results were represented as rates paraquat concentrations in runoff and afterwards validated with real data measured in the study area and analysed by EMBRAPA SOLOS. After validation, the scenario results was georeferenced as raster images using the Arcgis Software 9.2, beginning the result simulation step for the watershed. The aim is also to evaluate the influence of some parameters: paraquat interception by the crop and slop of the catchmente. The results of paraquat concentrations in the runoff can, in the future , be compared with accepted standards for environmental safety, defining thereshobes limits of paraquat use in similar watersheds. We also expect the development and application of the same modeling approach used in this study for other types of pesticides and in different watersheds.

[pt] Oleos pesados são significativamente importantes no cenário brasileiro e internacional, sendo sua principal característica a alta viscosidade e consequente dificuldade de transporte. Além disso, durante o escoamento destes óleos ocorre a deposição de parafina nas paredes dos oleodutos, particularmente a baixas temperaturas. Esse tipo de petróleo possui características reológicas viscoplásticas, e sob certas condições ainda não muito bem conhecidas, apresentam o fenômeno do deslizamento aparente ao escoar internamente, tendo o potencial de reduzir substancialmente a perda de carga em um escoamento. Neste trabalho foi investigado experimentalmente o deslizamento aparente que ocorre em escoamentos de materiais viscoplásticos bem como foi determinada a tensão cisalhante necessária para descolar uma quantidade de parafina depositada sobre diferentes revestimentos. Devido a uma evidência experimental de que o grau de deslizamento depende de duas propriedades físicas da superfície interna do duto, foram determinadas também a rugosidade e a molhabilidade destas. Foi construída uma planta experimental na qual era possível variar as placas (diferentes revestimentos e rugosidades) que formavam as paredes do canal pelo qual o fluido era forçado a escoar, de forma a se obter a curva vazão x pressão para cada tipo de revestimento. Estes escoamentos foram simulados numericamente supondo ausência de deslizamento. A comparação entre as curvas experimentais e teóricas fornecem uma quantificação do deslizamento ocorrido nos experimentos. Utilizamos um fluido à base de água e um fluido à base de óleo. Foi observado que o deslizamento aparente, existente em escoamentos de materiais viscoplásticos, se manifesta na faixa de baixas tensões adimensionais e que os revestimentos possuem duas funções principais, a da redução da rugosidade e a do aumento da molhabilidade, ambas com o efeito de aumentar o nível de deslizamento e, consequentemente, reduzir a perda de carga, diminuindo os custos operacionais. / [en] Heavy oils are significantly important in the Brazilian and international scenario and its particularity is the high viscosity and consequent difficulty of transport. Also, during the flow of these oils occurs the deposition of paraffin on the pipelines walls especially at low temperatures. This type of oil has viscoplastic rheological characteristics, and under certain conditions not yet well understood, exhibits the phenomenon of apparent wall slip during internal flow, with the potential to substantially reduce the head-loss in a flow system. This study investigated experimentally the wall slip that occurs in the flow of viscoplastic liquids. Moreover, it was also determinated, the wall shear stresses necessary to unstick an amount of paraffin deposited on different coatings. Due to an experimental evidence, the amount of wall slip seems to depend on two physical properties of the internal surface of the pipeline, therefore it was determined also the roughness and wettability of these. A test section was designed and built. Plates with different coatings and roughness constitute the parallel channel which the fluid was forced through in order to obtain the curves of dimensionless average velocity versus dimensionless wall shear stress. These flows were also numerically solved referring to the case of no wall slip. Comparisons between the experimental and numerical results could quantify the amount of wall slip that occurs in the experiments. We used an aqueous solution and oil dispersion. It was observed that the wall slip, that occurs during the flow of viscoplastic materials, manifests itself in the range of low dimensionless wall shear stress and that the coatings have two main functions, reduction of the roughness and increase of the wettability, both with the effect of increasing the amount of wall slip and thus reduce the head-loss, diminishing operational costs.

[pt] Coeficientes de perda de carga foram determinados experimentalmente no escoamento transversal a feixes de uma, duas e três fileiras de tubos de secção circular ou elíptica, com aletas contínuas, e correlacionados em função do Número de Reynolds característico do canal formado entre as aletas, na faixa de fluxo laminar, e isotérmico. A técnica utilizada consistiu no levantamento do campo de pressão do escoamento no canal para diversos valores de vazão. Os resultados são confiáveis, e apresentam um grau de incerteza satisfatório, compatível com a finalidade de aplicação a que esta pesquisa se propõe. A geometria estudada é utilizada em permutadores de calor compactos, principalmente em sistemas de condicionamento de ar. Uma das aplicações deste trabalho é o cálculo da potencia de bombeamento necessária para manter o escoamento através do feixe de tubos aletados de um permutador compacto. / [en] Head loss coefficients were determined by an experimental procedure, in the flow normal to banks with one, two and three rows of tubes of circular or elliptical cross-section, with continuous fins. The coefficients were correlated as function of the Reynolds Number of the channel space between the fins, for the laminar and isothermical flow. The pressure field was measured in the flow direction and in the vicinity of the tubes at several flow rates. The results are reliable, and show a satisfactory degree of uncertainty. The geometry studied here is used in compact heat exchangers, mainly in air conditioning systems. The data gathered in this work may be useful in the evaluation of the pumping power necessary to maintain the flow trhough the bundle of finned tubes of a compact heat exchanger.

[pt] Coeficientes de queda de pressão e transferência de calor foram determinados experimentalmente para escoamento turbulento em dutos circulares e semi-circulares lisos e pinados. Pinos de seção transversal circular foram colocados na superfície interna dos dutos. As experiências foram realizadas utilizado-se vários tipos de trocadores de calor, eram ar e água. Para se atingir condições totalmente desenvolvidas, os trocadores de calor possuíam um cumprimento de entrada de 25 diâmetros . Os coeficientes médios de troca de calor foram determinados através da medida dos coeficientes globais de troca de calor dos trocadores de calor. Números de Nusselt e coeficientes de atrito são apresentados como funções do número de Reynolds do escoamento. A finalidade de tal comparação foi estudar a influência dos pinos de seção circular na queda de pressão e taxa de transferência de calor . Números de Nusselt e coeficientes de atrito são apresentados como funções do número de Reynolds do escoamento. Os resultados para dutos lisos e pinados foram comparados. A finalidade de tal comparação foi estudar a influência dos pinos da seção circular na queda de pressão e taxa de transferência de calor. O desempenho térmico global de superfícies pinadas depende principalmente do número de Nusselt e da eficiência da região. Assim, resultados para a eficiência do pino foram também apresentados. / [en] Pressure drop and heat transfer coeficients have been experimentally determined for turbulent flow in smoth and pin finned circular and semi-circular ducts. Spines of circular cross section were attached to the internal surface of the ducts. The experiments were perfomermed by utilizing several types of heat exchanges. The flowing fluids, in the heat exchangers, were air and water. In order to attain fully developed conditions, the heat exchangers had a starting longth of 25 diameters. The average heat tranfer coefficients were determined by measuring the overall heat tranfer coefficients of the heat exchangers. Nusselt numbers and friction factors are presented as fuctions of the flow Reynolds number . The purpose of such comporison was to study the influence of the spines of circular cross section on the pressure drop and heat transfer rate. The overall thermal performance of pin finned surfaces depends mainly on the Nusselt number ando n the region efficiency. Then, results for the pin fin efficienty were also presented.

[pt] Neste trabalho desenvolveu-se um programa numérico geral capaz de resolver as equações de transporte tridimensionais parabólicas típicas da modelagem de problemas da mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa. Utilizou-se o método de diferença finitas com formulação em volumes de controle (volumes finitos) e o esquema de discretização power law. O método de discretização utilizado na direção principal do escoamento (direção parabólica) é totalmente implícito. O sistema de equações obtido é resolvido por métodos iterativos que simultaneamente incorporam a não-lineariade do problema. O aclopamento velocidade-pressão recebe tratamento especial para o plano transversal ao escoamento e para a direção parabólica. O algoritmo SIMPLEC (semi-implicit method for pressure-linked equations consistent) foi utilizado para resolver o aclopamento pressão-velocidade foi proposto no presente trabalho um método análogo ao SIMPLEC. O programa permite resolver escoamentos em coordenadas cartesianas (dutos retos com seção retangular) e coordenadas cilíndricas (dutos retos de seção circular assim como dutos curvos de seção retangular). Problemas teste tridimensionais parabólicos foram resolvidos e comparados com dados disponíveis na literatura, validando o programa e comprovando a generalidade do mesmo. / [en] In the present work, a general purpose computer program hás been developed to solve the three-dimensional transport phenomena equations governing problems of fluid flow, heat and mass transfer. The finite volume method has been used with the power-law discretization scheme. A totally implicit discretization method was used in the main flow direction (parabolic direction). The resulting system of algebraic equations is solved by iterative methods which take into account the non-linearity of the situation. The pressure – velocity coupling has received special treatment for the cross-section plane and for the parabolic direction. The SIMPLEC algorithm (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Consistent) was used to resolve the pressure-velocity coupling in cross-section plane. In the present work, and approach similar to SIMPLEC was used to resolve the pressure-velocity coupling in the parabolic direction. The program allows one to obtain the flow field using cartesian cordinates (straight ducts with rectangular corss-section) and cylindrical coordinates (straigth ducts with circular cross-section) and cylindrical coordinates (straight ducts with circular cross-section as well as curved ducts with rectangular cross-section) Three-dimensional parabolic test problems were solved and the results were compared with available data from the literature, validating the program and ensuring the generality of it.

[pt] Um estudo experimental é realizado para investigar o fenômeno de fratura num fluido não Newtoniano viscoplástico através de expansão abrupta com simetria axial. Uma visualização foi, então, efetuada usando uma técnica simples, com adição de pequenas partículas esféricas ao fluido de teste. Neste trabalho três soluções de Carbopol 676, que representou o fluido viscoplástico, foram preparadas e submetidas ao escoamento laminar e lento, com número de Reynolds no tubo a jusante abaixo de 0,1. Três razões de aspecto, a saber, de 2,0 6,0 e 12,5, foram estudadas nesta estreita faixa de regime laminar. Perdas de carga na expansão foram determinadas a partir de medidas experimentais de pressões diferenciais num determinado trecho (antes e após a expansão) para três vazões volumétricas diferentes. Um modelo de um fluido Newtoniano Generalizado foi emprego para descrever o comportamento mecânico do material, com a função da viscosidade de Herschel-Bulkley, que envolve três parâmetros reológicos: tensão limite de escoamento (T0), índice de consistência (K) e índice de comportamento (n). / [en] An experimental study is accomplished to investigate the fracture phenomenon in a non Newtonian viscoplastic material trhougth and abrupt expansion with axial symmetry. A visualization was then performed using a simple technique, with addition of small spherical particles to the test fluid. Aqueous solutions of carbopol 676 at three different concentrations were prepared and submited to creeping flow, with Reynolds number at the larger tube below than 0,1. Three expansion ratios, namely, 2,0 6,0 and 12,5, were studied in this narrow range of laminar flow. Pressure losses ar the expansion plane were determined from experimental measurement of everall pressure differentials along the tubing, for three different flow rates. The generalized Newtonian fluid model was used to describe the mechanical behavior of the material, with the viscosity of the Herschel-Bulkley type, which involves three rheological parameters the yield stress (T0), consistency index (K) and the behaviour index (n).

[pt] O presente trabalho analisa experimentalmente o escoamento estratificado gás-líquido (ar-água) em um duto de seção retangular. Obteve-se uma correlação empírica para a tensão de cisalhamento na interface. Verifica-se que tal tensão, além de ser função dos números de Reynolds de ambos os escoamentos, depende também de características inerentes à fase líquida. Um perfil teórico de velocidade do gás foi comparado com os dados experimentais obtidos por anemometria para a região logarítmica. Foi realizada uma análise de incertezas, que mostrou uma elevada confiabilidade nos resultados obtidos. / [en] Experiments were carried out to analyse a gás-liquid (air-water) stratified flow through a retangular duct. An empirical correlation was ontained for the shear stress at the interface. Such shear stress, that depends on the Reynolds numbers of both flows, is also a function of liquid specific parameters. A theoretical gas velocity profile was compared with experimental data using a hot-wire anemometry with good results in the logaritimic region. The uncertainly abalysis shows that this correlation presents a very low degree of uncertainly.

[pt] Este trabalho tem por objetivo simular numericamente o escoamento externo de uma corrente laminar incompressível, em regime permanente, para baixos números de Reynolds, em torno de um corpo sólido de forma cilíndrica. A solução do problema em estudo, é obtida resolvendo-se as equações de conservação de massa e quantidade de movimento bi-dimensionais. O método numérico selecionado para resolver as equações de conservação é uma combinação do método lagrangeano das características, com o método de volumes finitos. Adota-se um sistema de coordenadas curvilíneas que se adapta ao corpo, definido a partir da solução do escoamento potencial em torno do cilindro. Uma vez completado o procedimento numérico, o campo de velocidades, a distribuição de pressões e a tensão cizalhante em torno do cilindro, são analisados. A determinação do coeficiente de arraste proveniente da pressão dinâmica e da tensão viscosa contra a superfície sólida do cilindro também é realizada. Os resultados locais e médios são comparados com resultados experimentais e numéricos disponíveis, apresentando boa concordância. / [en] This work intends to simulate numerically the external flow of incompressible laminar stream at steady state for low Reynolds numbers around a cilindrical body. The solution of the present problem is obtained by means of the resolution of the equations of conservation of mass and momentum. The present numerical method to solve the equations of conservation is a combination of the lagrangian method of the characteristics, and the method of finite volumes. A curvilinear system of coordinates is selected to adapt to the body geometry. The mesh is generated based on the potential flow solution around the cylinder. Once performed the numerical computation, the velocity profile, the pressure and shear stress distribuitions around the cylinder are analysed. The determination of the drag from the data on dynamic pressure and viscosity effects around the cylinder is also done. The local and average results are compared with the experimental and numerical results available, with a reasonable agreement.

[pt] O presente trabalho, de natureza teórico-experimental, objetiva estudar a influencia de perturbações acústicas num escoamento turbulento e subsônico de ar, em desenvolvimento num duto de seção circular de 3000 mm de comprimento e 50,8 mm de diâmetro interno. Perturbações acústicas senoidais são introduzidas no escoamento nas frequências naturais de ressonâncias do duto (56 e 112 Hz), acoplado ao túnel de vento propulsor do escoamento. O trabalho experimental compreende medições dos campos de velocidade média, turbulência e pressão e de características da onda acústica utilizada como fonte de perturbação do escoamento. O campo de pressão induzido pelo escoamento não-perturbado foi medido por técnicas convencionais. Já na situação de escoamento perturbado acusticamente, uma análise da técnica de medição fez-se necessária devido às dificuldades intrínsecas à medição de pressão em escoamentos periódicos. Com base na resposta de diferentes sistemas de medição, desenvolveu-se uma modelagem via técnica de parâmetros concentrados, o que permitiu o estudo da resposta do transdutor de pressão sob o ponto de vista de sistemas não lineares. Para identificar os diversos fatores que distorcem o valor da pressão indicada pelos transdutores na situação de escoamento perturbado, uma intercomparação dos resultados obtidos via diferentes sistemas (micromanometro, sensor capacitivo de diafragma e microfone capacitivo) foi realizada, permitindo validar o modelo proposto. Conceitos de linhas de transmissão, fundamentados à luz da analogia elétrica, foram utilizados para explicar a origem dos erros sistemáticos, também reportados em outros trabalhos, e estabelecer uma base para modelagem via parâmetros distribuídos, permitindo estabelecer restrição para seleção do comprimento do tubo de conexão, que interliga o transdutor ao sistema de medição. Medições de velocidade média e de turbulência foram realizadas nos escoamentos perturbadas e não-perturbado pela técnica da anemometria de fio quente. Para algumas das situações investigadas, a excitação acústica induziu estímulos da ordem de 100 por cento nas flutuações de velocidade, decorrentes do acoplamento da turbulência e da onda perturbadora, relativamente ao escoamento não-perturbado, resultado que apresenta interesse em aplicações tecnológicas. Na busca dos efeitos introduzidos pela perturbação acústica no escoamento turbulento, foi estudada teórica e experimentalmente a mecânica da propagação da onda e os efeitos da dissipação viscosa na sua propagação. / [en] A theoretical and experimental study of acoustic pertubations interacting with a turbulent subsonic air flow inside a circular cross-section duct (length 3000 mm and diameter 50.8 mm) was performed. Sinusoidal acoustic perturbations are introduced in the flow at resonante frequencies of the pipe, namely 56 and 112 Hz. For the undisturbed flow, static pressure field was measured by means of standard techniques. Measurement of pressure field in the disturbed flow condition is a difficult task and requires more sophisticated methods. A concentrated parameter model based on system response was developed in order to study the response of a the pressure trasnducer under the non-linear point of view. As to estimate the influence of some parameters involved in the measurement, different types of transducers were used (micromanometer, capacitive sensor and a condenser michophone) to promote the intercomparison between available techniques and the esxperimental pressure a data obtained. The transmission line concepts, based upon the electrical analogy, were also used to explain the source of systematic errors present in the measuring technique. Technical recommendations, based on a distributed parameters modelling, are provided leading to restrictions of the length of the tube which connects the transducer to the wall pressure taps. Measurements of mean velocity and intensity of turbulence were made by means of a hot-wire anemometer. In some of the conditions investigated, in comparison with the undisturbed turbulent flow, acoustic perturbations indeced and increase of velocity fluctuations of the order of 100 per cent, due to the coupling of the turbulence and the excitation acoustic wave.