Estágio realizado na DuritCast e orientado pelo Eng.º Luís Sierra / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Estágio realizado na SAPA II Perfis - e orientado pelo Eng. Horário Cardoso / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Programa computacional em Matlab-Simulink para simular o comportamento do sistema de arrefecimento de veículos comerciais (vans, ônibus e caminhões) equipados com motores diesel. O programa está embasado em uma modelagem matemática que visa caracterizar o funcionamento dos componentes principais do sistema: motor, radiador, termostato, by-pass e bomba d\'água. Tendo como entrada dados característicos do veículo em estudo, o programa computacional fornece a distribuição de temperatura ao longo do tempo para o líquido de arrefecimento - parâmetro preponderante em uma análise do sistema. Os resultados da simulação permitem aos projetistas prever a atuação do sistema de arrefecimento em diversas condições, o que possibilita a realização de um número menor de testes de pista. Os benefícios de um sistema de arrefecimento projetado adequadamente podem ser notados em relação à economia de combustível, ao aumento de desempenho e à redução do desgaste de determinadas peças do motor e da emissão de poluentes. / A software was developed having Matlab-Simulink as basis and it simulates the behavior of the cooling system in commercial vehicles (vans, bus and trucks) equipped with diesel engines. The program is based on mathematical models to describe the main components of the system: engine, radiator, thermostat, by-pass and water pump. Having as input data the features of the vehicle in studied, the software supplies the cooling fluid temperature distribution during certain time - preponderant parameter in the analysis of the system. The results of the simulation allow the designers to foresee the cooling system performance in several conditions, decreasing the number of track tests. The benefits of an adequate designed cooling system project can be noticed considering fuel economy, performance improvement and decrease of wearing of specific parts in the engine as well as pollutant emissions.

O objeto desta pesquisa é o desempenho térmico do sistema passivo parede Trombe para aquecimento e arrefecimento. O objetivo é avaliar o desempenho térmico dessa tecnologia específica, nesse caso, no clima da cidade de São Paulo. Os métodos utilizados foram a execução do projeto com diretrizes originadas da literatura científica, a construção de dois protótipos, o monitoramento térmico desses protótipos, o tratamento dos dados e a análise e interpretação destes. Os resultados mostram o desempenho encontrado para o clima da cidade de São Paulo e apontam para novas possibilidades de pesquisas. / The object of this research is the thermal performance of the Trombe wall passive system for heating and cooling. The objective is the evaluation of the environmental performance of this technology, in this case, in the climate of the city of São Paulo. The methods used were the execution of a project with guidelines originated from scientific literature, the construction of two prototypes and their thermal monitoring, data treatment and their analyses and interpretation. The results show the performance of the system for the climate of the city of São Paulo and point out to new research possibilities.

O objeto desta pesquisa é o desempenho térmico do sistema passivo parede Trombe para aquecimento e arrefecimento. O objetivo é avaliar o desempenho térmico dessa tecnologia específica, nesse caso, no clima da cidade de São Paulo. Os métodos utilizados foram a execução do projeto com diretrizes originadas da literatura científica, a construção de dois protótipos, o monitoramento térmico desses protótipos, o tratamento dos dados e a análise e interpretação destes. Os resultados mostram o desempenho encontrado para o clima da cidade de São Paulo e apontam para novas possibilidades de pesquisas. / The object of this research is the thermal performance of the Trombe wall passive system for heating and cooling. The objective is the evaluation of the environmental performance of this technology, in this case, in the climate of the city of São Paulo. The methods used were the execution of a project with guidelines originated from scientific literature, the construction of two prototypes and their thermal monitoring, data treatment and their analyses and interpretation. The results show the performance of the system for the climate of the city of São Paulo and point out to new research possibilities.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

[pt] Estudou-se a aplicação de nanofluidos no sistema de arrefecimento de motores a combustão interna. Nanofluidos são suspensões de partículas de diâmetro menor que 100 nm em fluidos convencionais de troca de calor, tais como água, óleo, etileno glicol, entre outros. Devido às suas características favoráveis de transferência de calor, em função da suspensão de partículas, metálicas ou não metálicas, com elevada condutividade térmica, nanofluidos têm sido considerados para atuar como fluidos térmicos em diferentes aplicações. Desenvolveram-se modelos matemáticos para operação em regime permanente, na avaliação do efeito das características térmicas e hidráulicas do escoamento do nanofluido nos componentes do sistema de arrefecimento; e em regime transiente, na avaliação do processo de aquecimento do motor. Fez-se uso do pacote EES para a simulação e consideraram-se os seguintes componentes do sistema de arrefecimento automotivo: radiador, camisas do bloco de cilindros, termostato e bomba do líquido de arrefecimento. Foram empregados o método dos parâmetros concentrados e o método (épsilon)-NTU para a modelagem global do sistema monofásico. Diferentes tipos de nanofluidos, com variações na concentração volumétrica de nanopartículas, foram considerados na avaliação desta alternativa em fluidos térmicos visando aplicações automotivas. / [en] The application of nanofluids in cooling systems of internal combustion engines was studied. Nanofluids consist of nanoparticles (with dimension below 100 (u)m) suspended in traditional heat transfer fluids, such as water or ethylene glycol. Given their favourable heat transfer characteristics, because of the suspension of high thermal conductivity particles, metallic or non-metallic, nanofluids have been considered as potential substitutes for conventional heat transfer fluids. Mathematical models were developed for steady-state operation, for the evaluation of thermal and hydraulic behavior of the cooling system, and for transient regime, for the assessment of the engine start-up process. The EES software was employed for the simulation. The following components of the cooling system were considered: radiator, engine cooling jackets, thermostat and coolant pump. Lumped parameter analysis and the effectiveness- NTU method were used for the single-phase system simulation. Different types of nanofluids, with variation on the volume fraction, were considered in this study.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Ramo de Informática Industrial), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do professor Doutor Eugénio da Costa Oliveira e co-orientação do Mestre Luís Paulo Reis

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.