Este trabalho visa o estudo de uma metodologia de simulação numérica aplicada ao processo de troca térmica do motor de um veículo de passeio. O processo de troca térmica é essencial para evitar o superaquecimento do motor, que provoca o rompimento do filme de óleo lubrificante dos pistões e, conseqüentemente, o seu travamento. Essa metodologia será útil nos estudos preliminares do sistema de arrefecimento de um veículo na fase inicial de projeto por meio de simulações virtuais, o que possibilitará a redução de protótipos, além de proporcionar um ganho em tempo de resposta. A metodologia utiliza um programa comercial de CFD para a simulação do processo de troca térmica no interior do compartimento do motor do veículo. As simulações foram realizadas com base nos testes físicos em túnel de vento que fazem parte do desenvolvimento e projeto de automóveis em condições de operação que representam situações críticas integrantes da vida operacional. Essas condições operacionais de teste, tais como a velocidade do veículo, as cargas térmicas, a potência dos ventiladores e outros parâmetros foram utilizadas como condições de contorno na validação do modelo do veículo. O processo de validação de modelos é composto por: validações de itens isolados do sistema de arrefecimento, avaliação do efeito da densidade de malha computacional de um modelo completo na vazão de ar nos trocadores de calor e simplificações no modelo para a redução do tempo de processamento. Neste trabalho três modelos distintos de veículos foram utilizados, sendo que dois deles para a validação na comparação com os resultados de túnel vento, enquanto o terceiro modelo foi utilizado para a validação da metodologia através de comparações com os dados obtidos nos testes em pista circular. Os resultados das simulações mostraram variações máximas de 5,5% na temperatura do líquido de arrefecimento na entrada do radiador em relação aos testes. A metodologia de simulação mostrou ser uma poderosa ferramenta de otimização durante a fase de desenvolvimento do projeto e complementando os testes físicos para o sistema de arrefecimento veicular. / The present work is applied to a development of a numerical simulation methodology for a passenger vehicle engine cooling process. The heat exchange process is essential to avoid the engine overheat which may result in the piston oil film separation and consequently its halt. This methodology will be useful for the preliminary studies of the cooling system at the initial phase through the virtual simulations which can reduce the number of prototypes and save proposals\' time response. The methodology uses commercial CFD software for airflow simulation and the thermal process at under hood. The simulations were based on the physical wind tunnel tests that are part of the automotive development, with operational conditions representing critical situations experienced by a vehicle in its operating life. The test conditions, such as vehicle speed, thermal loads, fan power and other parameters were used as the boundary conditions for the model validation. The validation process is based on the following phases: validation of the isolated cooling system components, the effect of mesh density at cooling airflow using a complete vehicle model and model simplification in order to improve the processing time. In this work development, three different models were used; two of them for validation with test tunnel data and the third, was used for methodology validation through the circular road test. The simulation results for tunnel and circular road showed 5.5% of differences for the radiator coolant inlet temperature when compared with physical tests. The methodology of the simulation is a powerful tool for optimization during the development phase and complementing the physical tests for the vehicle cooling systems.

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.

O objetivo deste trabalho é modelar a arquitetura de uma usina solar fotovoltaica arrefecida intitulada UFVa, utilizando um protótipo de verificação. A metodologia se baseia na medição, verificação e análise dos dados de temperatura e produção de energia elétrica dos strings de teste (arrefecido) e comparação (não arrefecido), estudo do comportamento da alimentação de água do sistema de arrefecimento e o impacto das condições climáticas na operação do protótipo de UFVa. Por meio das análises dos dados constatou-se que, para o período entre as 09h00min e as 17h30min, os módulos PV do string de teste sempre operam com temperaturas inferiores aos módulos PV do string de comparação. Durante o período de testes, no qual a temperatura dos módulos PV do string de comparação operou acima de 55,0°C, as temperaturas médias e máximas registradas nos módulos PV do string de teste foram inferiores a 37,0 °C, operando sempre abaixo da temperatura nominal de operação da célula (NOCT). A produção de energia elétrica no string de teste superou a do string de comparação em 3,0kWh/dia. Portanto, o sistema de arrefecimento reduz a temperatura de operação dos módulos PV, principalmente no período de máxima geração elétrica, que corresponde ao período das 11h00min às 15h00min, proporcionando ganhos médios de rendimento de 5,9% na produção de energia, 10,3% na potência e 5,4% no FC. / In this work we use a verification prototype to model the architecture of a solar photovoltaic power plant equipped with a cooling system. The power plant we model is called UFVa. The methodology is based on the measurement, verification, and data analysis of temperature, electricity generation, test strings (cooled) and comparison strings (not cooled), along with a study of the water feeding behavior of the cooling system, and the impact of climatic conditions in the UFVa prototype operation. By analyzing the data we observed that, for the period between 09:00am and 5:30pm, the PV modules of the test string operate at temperatures below those of the PV modules of the comparison string. During the tests, in which the temperature of the PV modules of the comparison string operated above 55.0°C, the average and the maximum temperatures recorded in the PV modules of the testing string lied below 37.0°C, operating below the NOCT. Regarding the generation of electricity, the test string generated 3.0 kWh/day more than the comparison string. Hence, the cooling system decreases the operating temperature of the PV modules, particularly during the maximum power generation period which is from 11am to 3pm. This leads to efficiency average gains of up to 5.9% in the generation of electricity, 10.3% in the power, and 5.3% in the PR and PF.

Versão final / Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Submitted by Aelson Maciera (aelsoncm@terra.com.br) on 2017-06-08T18:50:10Z No. of bitstreams: 1 DissGDAA.pdf: 2724824 bytes, checksum: 6fd66731c51c75a18c506fe7ab991ec4 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-13T19:33:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissGDAA.pdf: 2724824 bytes, checksum: 6fd66731c51c75a18c506fe7ab991ec4 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-13T19:33:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissGDAA.pdf: 2724824 bytes, checksum: 6fd66731c51c75a18c506fe7ab991ec4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T19:37:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissGDAA.pdf: 2724824 bytes, checksum: 6fd66731c51c75a18c506fe7ab991ec4 (MD5) Previous issue date: 2016-08-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The companies today are looking for ways to expand their competitive advantages, optimizing their production, and in this context, they found solutions in activities of production scheduling. The production scheduling of the type job-shop, results in one of the most complex problems of combination, the Job-shop Scheduling Problem (JSP), which deterministic resolution is not feasible in polynomial computational time. The Flexible Job-shop Scheduling Problem (FJSP) is a classic extension of the JSP and has been widely reported in the literature. Thus, optimization algorithms have been developed and evaluated in the last decades, in order to provide more efficient production planning, with emphasis to artificial intelligence algorithms of the swarm type, that the latest research presented favorable results. The FJSP allows an operation to be processed for any machine arising from a set of machines along different routes. This problem is commonly dismembered into two sub-problems, the assignment of machines for operations, which is called routing, and operation scheduling. In the FJSP context, this research presents the resolution of the FJSP multi-objective, using a hierarchical approach that divides the problem into two subproblems, being the Particle Swarm Optimization (PSO), responsible for resolving the routing sub-problem, and tasking three local search algorithms, Random Restart Hill Climbing (RRHC), Simulated Annealing (SA) and Tabu Search (TS), for the resolution of scheduling sub-problem. The implementation of the proposed algorithm has new strategies in the population initialization, displacement of particles, stochastic allocation of operations, and management of scenarios partially flexible. Experimental results using technical benchmarks problems are conducted, and proved the effectiveness of the hybridization, and the advantage of RRHC algorithm compared to others in the resolution of the scheduling subproblem. / As empresas atualmente buscam meios de ampliarem suas vantagens competitivas, otimizando sua produção, e neste contexto, encontraram soluções nas atividades de programação da produção. A programação da produção do tipo job-shop, resulta em um dos problemas mais complexos de combinação, o Job-shop Scheduling Problem (JSP), cuja resolução determinística é inviável em tempo computacional polinomial. O Flexible Job-shop Scheduling Problem (FJSP) é uma extensão do clássico JSP e tem sido amplamente relatado na literatura. Desta forma, algoritmos de otimização têm sido desenvolvidos e avaliados nas últimas décadas, com o intuito de fornecer planejamentos de produção mais eficientes, com destaque para os algoritmos de inteligência artificial do tipo enxame, que nas pesquisas mais recentes obtiveram resultados satisfatórios. O FJSP permite que uma operação seja processada por qualquer recurso produtivo advindo de um conjunto de recursos ao longo de diferentes roteiros. Este problema é comumente desmembrado em dois subproblemas, a atribuição de recursos para as operações, que é chamado de roteamento, e programação das operações. No contexto do FJSP, a proposta dessa pesquisa apresenta a resolução do FJSP em caráter multiobjetivo, utilizando a abordagem hierárquica, que divide o problema em dois subproblemas, sendo o Enxame de Partículas (PSO), responsável pela resolução do subproblema de roteamento e incumbindo três algoritmos de busca local, Reinício Aleatório de Subida de Colina (RRHC), Arrefecimento Simulado (SA) e Busca Tabu (TS), para a resolução do subproblema de programação. A implementação do algoritmo proposto, dispõe de novas estratégias na inicialização da população, deslocamento das partículas, alocação estocástica das operações e tratamento de cenários parcialmente flexíveis. Resultados experimentais obtidos em base de testes comumente usada, comprovam a eficácia da hibridização proposta, e a vantagem do algoritmo RRHC em relação aos outros na resolução do subproblema de programação.

Este trabalho visa o estudo de uma metodologia de simulação numérica aplicada ao processo de troca térmica do motor de um veículo de passeio. O processo de troca térmica é essencial para evitar o superaquecimento do motor, que provoca o rompimento do filme de óleo lubrificante dos pistões e, conseqüentemente, o seu travamento. Essa metodologia será útil nos estudos preliminares do sistema de arrefecimento de um veículo na fase inicial de projeto por meio de simulações virtuais, o que possibilitará a redução de protótipos, além de proporcionar um ganho em tempo de resposta. A metodologia utiliza um programa comercial de CFD para a simulação do processo de troca térmica no interior do compartimento do motor do veículo. As simulações foram realizadas com base nos testes físicos em túnel de vento que fazem parte do desenvolvimento e projeto de automóveis em condições de operação que representam situações críticas integrantes da vida operacional. Essas condições operacionais de teste, tais como a velocidade do veículo, as cargas térmicas, a potência dos ventiladores e outros parâmetros foram utilizadas como condições de contorno na validação do modelo do veículo. O processo de validação de modelos é composto por: validações de itens isolados do sistema de arrefecimento, avaliação do efeito da densidade de malha computacional de um modelo completo na vazão de ar nos trocadores de calor e simplificações no modelo para a redução do tempo de processamento. Neste trabalho três modelos distintos de veículos foram utilizados, sendo que dois deles para a validação na comparação com os resultados de túnel vento, enquanto o terceiro modelo foi utilizado para a validação da metodologia através de comparações com os dados obtidos nos testes em pista circular. Os resultados das simulações mostraram variações máximas de 5,5% na temperatura do líquido de arrefecimento na entrada do radiador em relação aos testes. A metodologia de simulação mostrou ser uma poderosa ferramenta de otimização durante a fase de desenvolvimento do projeto e complementando os testes físicos para o sistema de arrefecimento veicular. / The present work is applied to a development of a numerical simulation methodology for a passenger vehicle engine cooling process. The heat exchange process is essential to avoid the engine overheat which may result in the piston oil film separation and consequently its halt. This methodology will be useful for the preliminary studies of the cooling system at the initial phase through the virtual simulations which can reduce the number of prototypes and save proposals\' time response. The methodology uses commercial CFD software for airflow simulation and the thermal process at under hood. The simulations were based on the physical wind tunnel tests that are part of the automotive development, with operational conditions representing critical situations experienced by a vehicle in its operating life. The test conditions, such as vehicle speed, thermal loads, fan power and other parameters were used as the boundary conditions for the model validation. The validation process is based on the following phases: validation of the isolated cooling system components, the effect of mesh density at cooling airflow using a complete vehicle model and model simplification in order to improve the processing time. In this work development, three different models were used; two of them for validation with test tunnel data and the third, was used for methodology validation through the circular road test. The simulation results for tunnel and circular road showed 5.5% of differences for the radiator coolant inlet temperature when compared with physical tests. The methodology of the simulation is a powerful tool for optimization during the development phase and complementing the physical tests for the vehicle cooling systems.

O objetivo deste trabalho é modelar a arquitetura de uma usina solar fotovoltaica arrefecida intitulada UFVa, utilizando um protótipo de verificação. A metodologia se baseia na medição, verificação e análise dos dados de temperatura e produção de energia elétrica dos strings de teste (arrefecido) e comparação (não arrefecido), estudo do comportamento da alimentação de água do sistema de arrefecimento e o impacto das condições climáticas na operação do protótipo de UFVa. Por meio das análises dos dados constatou-se que, para o período entre as 09h00min e as 17h30min, os módulos PV do string de teste sempre operam com temperaturas inferiores aos módulos PV do string de comparação. Durante o período de testes, no qual a temperatura dos módulos PV do string de comparação operou acima de 55,0°C, as temperaturas médias e máximas registradas nos módulos PV do string de teste foram inferiores a 37,0 °C, operando sempre abaixo da temperatura nominal de operação da célula (NOCT). A produção de energia elétrica no string de teste superou a do string de comparação em 3,0kWh/dia. Portanto, o sistema de arrefecimento reduz a temperatura de operação dos módulos PV, principalmente no período de máxima geração elétrica, que corresponde ao período das 11h00min às 15h00min, proporcionando ganhos médios de rendimento de 5,9% na produção de energia, 10,3% na potência e 5,4% no FC. / In this work we use a verification prototype to model the architecture of a solar photovoltaic power plant equipped with a cooling system. The power plant we model is called UFVa. The methodology is based on the measurement, verification, and data analysis of temperature, electricity generation, test strings (cooled) and comparison strings (not cooled), along with a study of the water feeding behavior of the cooling system, and the impact of climatic conditions in the UFVa prototype operation. By analyzing the data we observed that, for the period between 09:00am and 5:30pm, the PV modules of the test string operate at temperatures below those of the PV modules of the comparison string. During the tests, in which the temperature of the PV modules of the comparison string operated above 55.0°C, the average and the maximum temperatures recorded in the PV modules of the testing string lied below 37.0°C, operating below the NOCT. Regarding the generation of electricity, the test string generated 3.0 kWh/day more than the comparison string. Hence, the cooling system decreases the operating temperature of the PV modules, particularly during the maximum power generation period which is from 11am to 3pm. This leads to efficiency average gains of up to 5.9% in the generation of electricity, 10.3% in the power, and 5.3% in the PR and PF.