Thesis (M.S.)--California Polytechnic State University, 2010. / Title from PDF title page; viewed on May 20, 2010. Major professor: David Marshall, Ph.D. "Presented to the faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo." "In partial fulfillment of the requirements for the degree [of] Master of Science in Aerospace Engineering." "April 2010." Includes bibliographical references (p. 80-82).

O σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι διττός και, εμπεριέχει δραστηριότητα τόσο στο κομμάτι της εφαρμοσμένης όσο και της βασικής έρευνας. Πιο συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την εφαρμογή σύγχρονων υπολογιστικών μεθόδων (Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων, Μέθοδος Πεπερασμένων Όγκων) στη μελέτη της ροής του αίματος, καθώς και την ανάπτυξη σύγχρονων υπολογιστικών μεθοδολογιών που δε στηρίζονται στη χρήση πλέγματος. Ταυτόχρονα μελετάται η αποτελεσματική εφαρμογή των μεθόδων της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής στην ιατρική πρακτική (Simulation Treatment Planning), για την αποτελεσματική πρόληψη, διάγνωση και θεραπευτική αντιμετώπιση των νόσων του καρδιακού και περιφερικού αγγειακού συστήματος. Η διαδικασία υλοποίησης των προσομοιώσεων έχουν σκοπό την υποβοήθηση του θεράποντα ιατρού στη λήψη ιατρικής απόφασης σχετικά με τη θεραπευτική αγωγή. Παράλληλα, στο κομμάτι της βασικής έρευνας αναπτύσσονται σύγχρονες υπολογιστικές μέθοδοι οι οποίες πρόκειται να καλύψουν τις αδυναμίες που παρουσιάζουν οι διαδεδομένες υπολογιστικές μέθοδοι. Η υλοποίησή τους βρίσκει ανταπόκριση και πεδίο εφαρμογής σε διάφορους τομείς της Επιστήμης και της Μηχανικής. Έτσι, θα παρουσιαστούν αποτελέσματα μόνο στο τομέα της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής. Τα κριτήρια αυτά θα στηριχθούν σε ποσοτικές συνδυαστικές αναλύσεις, οι οποίες ενσωματώνουν το state-of-the-art της μορφολογικής απεικόνισης των αγγείων στο state-of-the-art των μεθοδολογιών της υπολογιστικής ρευστομηχανικής, οι οποίες είναι άμεσα σχετιζόμενες με την εκτίμηση των αιμοδυναμικών παραγόντων και τάσεων που εφαρμόζονται σε πάσχουσες περιοχές του αγγειακού συστήματος, όπως στενώσεις, θρόμβοι και ανευρύσματα. / The aim of present doctoral thesis is double fold and, includes research activity both in the fields of applied and basic research. More precisely, it includes the application of modern numerical methods (Finite Element Method, Finite Volume Method) for the study of blood flow, as well as the development of modern numerical methodologies, which do not rely on the use of a computational mesh, that is the so-called meshless or Meshfree methods. Furthermore, the effective application of sophisticated numerical methods in the medical practice (Simulation Treatment Planning) has been studied, since there is a great necessity for effective prevention, diagnosis and therapeutic confrontation of illnesses the cardiac and vascular system. The simulation conducted they aim to assist the doctor in the decision-making. At the same time, regarding of area of the basic research, sophisticated numerical methods were developed and applied to various applications of science and engineering. More precisely, results will be presented for Computational Fluid Dynamics problems.

Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την σχεδίασή του στο AUTOCAD. Εκτός από αυτό όμως, κρίθηκε σκόπιμο να προχωρήσουμε ένα ακόμη βήμα, με τη δόμηση του πλέγματος του πεδίου ροής του διαχωριστή. Ο λόγος είναι καθαρά τεχνικός και έγκειται στην παραπλήσια μορφή των εξής δύο εργασιών: της σχεδίασης στο AUTOCAD και της σχεδίασης της γεωμετρίας στο GAMBIT. Το πλέγμα ακολούθησε αμέσως μετά, για να μην επανερχόμαστε στη χρήση του GAMBIT στο επόμενο κεφάλαιο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστική Ρευστομηχανική. Ουσιαστικά ολοκληρώνεται η φάση της μοντελοποίησης, με την επεξεργασία του πλέγματος στο FLUENT σε επίπεδο post processing αλλά και με το «στήσιμο» της προσομοίωσης. Τέλος, με το «στήσιμο» του μοντέλου, είμαστε σε θέση να διεξάγουμε την προμοίωση και να συλλέξουμε αποτελέσματα στη συνέχεια. Στην ανάλυση που γίνεται, ακολουθείται η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, υλοποίηση προσομοίωσης ροής και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ότι η απόδοση αυξάνει με την ταχύτητα εισόδου του μίγματος κάτι που είναι επιστημονικά σωστό – αποδεκτό. Επιτεύχθηκε σύγκλιση της λύσης και παρήχθησαν εικόνες της ροής μέσα στο διαχωριστή που μας δίνουν μια ποιοτική αποτίμηση του πεδίου ροής. Επειδή τα εξαγόμενα της εργασίας εδώ είναι κυρίως εικόνες από το FLUENT που περιγράφουν τη ροή, αυτές παρατίθενται στο παράρτημα 2 για να διευκολυνθεί η ροή της διατριβής. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Στην ανάλυση αυτή, ακολουθείται και πάλι η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, διεξαγωγή πειράματος και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ανεξαρτήτων παραμέτρων συνδυασμένες σαν κλάσμα όγκου αέρα, στην απόδοση του διαχωριστή. Η συσκευή παρουσίασε καλή απόδοση σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας κάτι που υποδεικνύει ότι υπάρχει δυναμική για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. Σε αυτό το κεφάλαιο, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης, η οποία δεν προϋπήρχε, αλλά σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το μηδέν για την παρούσα εργασία. Σχέδια από τη φάση της σχεδίασης της εγκατάστασης στο AUTOCAD αλλά και λεπτομέρειές της, παρουσιάζονται αναλυτικά στο παράρτημα 3 μαζί με χαρακτηριστικές εικόνες από τη λειτουργία της. Το πρώτο εξαγόμενο από το πείραμα, είναι η ανάλυση της απόδοσης της συσκευής όπως παρουσιάστηκε στο 7ο κεφάλαιο. Το δεύτερο εξαγόμενο, -εξίσου σημαντικό- είναι η πιστοποίηση της μοντελοποίησης που έγινε στο 6ο κεφάλαιο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στο 8ο κεφάλαιο. Το εξαγόμενο εδώ, είναι η τυποποίηση των ρυθμίσεων της υπολογιστικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε στον επόμενο κύκλο (loop) πιστοποίησης του προϊόντος να έχουμε περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο. Η ακρίβεια της πρόβλεψης με το υπολογιστικό πρόγραμμα, προέκυψε από την καλή αντιστοιχία που επιτεύχθηκε μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με το βέλτιστο μοντέλο, με τα πειραματικά αποτελέσματα τόσο σε σχέση με την παροχή αέρα στην έξοδο, όσο και με την απόδοση διαχωρισμού της συσκευής. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο κατατίθεται σύντομα –και με την εμπειρία που αποκτήθηκε- μία σειρά από δυνατότητες βελτίωσης του διαχωριστή. Είμαστε στο σημείο που αφήνουμε την ακαδημαϊκή ανάλυση του πεδίου ροής που ολοκληρώθηκε με επιτυχία και επικεντρωνόμαστε στην πιο πρακτική πτυχή, της βελτίωσης της απόδοσης της συσκευής. / The growth experienced in recent decades in the extraction of hydrocarbons, led to the adoption of increasingly modern technical products towards the phase separation near the source. The centrifugal separator is the most successful and widespread application. In this range of products, belongs the novel centrifugal separator presented in the present study. The analysis tries to balance between a "strictly scientific" analysis of the turbulent two-phase flow field in the separator and a more "practical" analysis of the performance of this device. The first is necessary because of the originality that has the particular scientific field and the lack of previous studies covering the issue; while the latter is essential because of the "practicality" we expect the final result to have. The problem that the present work is trying to solve, and the literature review that determines the direction to be followed by the research team, are presented in the 1st chapter. To tackle this problem, we follow a standard procedure of an industrial product development in four stages. In the first stage, the concept of function and the theory on which it is based are discussed. In the second stage, an initial investigation of the separator running a CFD simulation is performed. In the third step, an experimental - parametric analysis of the separator’s performance is being held. Finally, the fourth step is a confirmation - verification of CFD simulation. The 2nd chapter, is a theoretical analysis on the development of the governing equations of fluid flow. The equations of motion are developed and the transformation after the turbulence development is explained. At this point it is understood that it is not possible to solve them by analytical methods but with numerical. This is the beginning of the entry of numerical methods in fluid mechanics. The 3rd chapter, outlines the theoretical background upon which the analysis of two-phase flows and of turbulent flows is based. The theoretical analysis is completed in the 4th chapter by deepening in the numerical solution of equations of the second chapter. We begin with a brief presentation of the methods developed in recent decades, focusing on the method used in this work. Several simulation models focusing on the two-phase flow are presented here. Because this topic includes extensive mathematics, several sections were carried in Annex 1 to allow for consistency to the body of work, and maintain a balance between theoretical analysis and practice - research approach mentioned earlier. The presentation of pure research project starts in the 5th chapter, following the logical and chronological sequence that was analyzed before, with four stages in the “product development”. In this chapter, we discussed the concept of function and the theory on which it is based, and presented drawings of the design procedure in AUTOCAD. Apart from this however, it was decided to go a step further by building the grid of the flow field inside separator geometry. The reason is purely technical and is the similarity of the following two tasks: the design in AUTOCAD and geometry and mesh generation in GAMBIT. So the grid was generated in order not to revert to the use of GAMBIT in the next chapter. In the 6th chapter, we investigate the operation of the separator, by conducting an initial CFD simulation. An investigation of air-water separation process has been conducted using Υπολογιστική και Πειραματική Ανάλυση Διφασικής Ροής Αέρα – Νερού σε Φυγοκεντρικούς Διαχωριστές xi numerical simulation. Separator performance has been analyzed in terms of separation efficiency and pressure drop along the water flow path. The results of the analysis show that the performance increases with the inflow speed of the mixture which is scientifically correct - acceptable. Having achieved a converged solution and having produced images of the flow inside the separator we give a qualitative assessment of the flow field. Because the extracted work here is mostly pictures of the FLUENT describing the flow, these are listed in Annex 2 to facilitate the flow of the thesis. In the 7th chapter, the experimental - parametric analysis of the separator’s performance is conducted. New experimental data are reported, on the onsets of gas (air) and liquid (water) entrainment, mass flow rate and separation performance for the two-phase flow through the novel compact phase separator under various conditions. These data series cover the ranges of hmmhmwater/4/1303≤≤− and %90%4≤≤airvf. Influences of the independent parameters airm−0 and waterm−0 combined as air volume fraction vfair on the performance n, were considered. In this chapter, special emphasis is placed on describing the experimental setup, which did not exist, but was designed and built from scratch for this work. Designs from the design stage of the installation in AUTOCAD and its details are presented in detail in Annex 3 along with typical images of the operation. The first outcome of the experiment is the analysis of device’s performance as presented in chapter 7. The second outcome, -equally important- is the certification of modeling technique applied in chapter 6. This process takes place in the 8th chapter. The outcome, is to standardize the configuration of the computational process in such a way, that in the next development loop of the product, we have more and more reliable results than in the first stage. Finally, in chapter 9 (deposited soon after the experience gained), a series of possible improvements in the separator are presented. We leave it to the point that the academic analysis of the flow field was completed successfully and focus on more the practical aspect of improving the device’s performance.

Submitted by Maria Antonia de Sousa (mariaantoniade.sousa@gmail.com) on 2017-12-01T15:36:51Z No. of bitstreams: 1 SHEILA MIRELLE SILVA MACIEL - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2013.pdf: 2172206 bytes, checksum: 77c3911216cdb2047645a9c342012b9c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-01T15:36:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SHEILA MIRELLE SILVA MACIEL - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2013.pdf: 2172206 bytes, checksum: 77c3911216cdb2047645a9c342012b9c (MD5) Previous issue date: 2013-08-30 / Os óleos, principalmente os originários do setor petrolífero, são produtos que entre o seu processamento e transporte possuem misturas de outros componentes em sua composição, tais como gás, areia e o mais comum, a água. Dessa forma, a indústria petrolífera vem empregando diferentes processos de separação, dentre os quais vem se destacando os processos que utilizam movimentos circulares ou turbilhonares, como por exemplo, o hidrociclone. Os hidrociclones são usados com frequência na separação de água/óleo pela indústria de petróleo, devido à elevada capacidade de processamento, baixo custo de manutenção, exigência de pouco espaço para instalação e pela diferença de densidade entre fases. A presente pesquisa tem o objetivo de avaliar a influência dos parâmetros operacionais sobre a eficiência de separação água/óleo realizada por um hidrociclone. O trabalho partiu do desenvolvimento de uma malha estruturada representativa do domínio de estudo, e usando o modelo de turbulência RNG κ-Emodificado foram efetuadas simulações usando o programa comercial Ansys CFX®. Com os resultados numéricos gerados, foi possível avaliar e analisar sob a ótica da fluidodinâmica computacional. Os resultados obtidos foram confrontados com os dados experimentais reportados na literatura e apresentaram uma boa concordância. Os resultados indicaram que a dinâmica de escoamento era afetada pela concentração de óleo na entrada do hidrociclone. / Oils, mainly originating from the oil sector, are products that, among its processing and transportation have mixtures of other components in the composition, such as gas, sand and the most common, water. Thus, the oil industry has employed different separation processes, among which has been highlighting the processes using circular motions or swirling, for example, the hydrocyclone. The hydrocyclones are often used in the separation of water / oil by the oil industry due to high processing power, low maintenance, requiring little installation space and the density difference between phases. This research has the objective of evaluate the influence of operating parameters on the separation efficiency water/oil performed by hydrocyclone. The work started developing a structured mesh representative of the study domain, and using the turbulence model RNG κ-E modified simulations were performed using the commercial software Ansys CFX®. With the numerical results generated, it was possible to evaluate and analyze from the perspective of computational fluid dynamics. Results obtained were compared with experimental data reported in the literature and presented a good agreement. The results indicated that the dynamic flow was affected by the concentration of oil in the inlet of the hydrocyclone.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-06-06T20:51:09Z No. of bitstreams: 1 Jobsan Sueny de Sousa Santos – TESE (PPGEP) 2015.pdf: 5161908 bytes, checksum: e975dfcb56689717b5c8ae2d7d2ddb31 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-06T20:51:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jobsan Sueny de Sousa Santos – TESE (PPGEP) 2015.pdf: 5161908 bytes, checksum: e975dfcb56689717b5c8ae2d7d2ddb31 (MD5) Previous issue date: 2015-07-31 / A contaminação do solo e das águas subterrâneas é uma preocupação crescente, visto as atividades que a desencadeiam estarem em processo de crescimento acelerado. Como exemplo, pode-se citar o vazamento em lagoas de estabilização. Tal vazamento pode se dar por rachaduras ou fissuras na base da lagoa, as quais podem estar localizadas ou distribuídas. Visando contribuir coma remediação dos locais atingidos pelos contaminantes e utilizando a fluidodinâmica computacional, neste trabalho realizou-se um estudo do transporte de tais contaminantes no solo que fica logo abaixo de uma lagoa de estabilização genérica. Para tal fim, utilizou-se a técnica dos volumes finitos e a modelagem do escoamento em meios porosos usando o pacote computacional ANSYS CFX® 12. Gerou-se uma malha estruturada bidimensional e realizaram-se as simulações considerando regime laminar, meio isotrópico, solo saturado, escoamento monofásico e isotérmico. Apesar da existência de trabalhos experimentais e/ou numéricos que apresentam o comportamento da pluma ou a variação da concentração do contaminante com o tempo, nenhum apresenta ao mesmo tempo as duas possibilidades de resultados e de forma rápida, já que as simulações duraram apenas uma hora, em média. Analisando-se os perfis de concentração dos poluentes considerados (cádmio e cobre) com a distância longitudinal e com a profundidade obteve-se uma boa concordância com o observado na literatura. O mesmo pode ser afirmado com relação ao histórico de concentração do cádmio e do cobre. Assim, além de visualizar o alcance da pluma devido à simulação, pôde-se determinar em quanto tempo ela ocorreria, de forma a fornecer um subsídio maior aos processos de remediação. / Contamination of soil and groundwater is a growing concern, as the activities that trigger are in process of accelerated growth. For example, can cite the leak stabilization ponds. Such leaks can occur for cracks or breaks in the pond base, which may be located or distributed. To contribute to remediation of sites affected by contaminants and using the computational fluid dynamics, this paper carried out a transport study of such contaminants in soil which is just below a general stabilization pond. To this end, we used the technique of finite volume and modeling of flow in porous media using the ANSYS CFX ® 12 computational package. Generated a twodimensional structured network and realized the simulations considering laminar flow, isotropic medium, saturated soil, single-phase flow and isothermal. Despite the existence of experimental and / or numerical studies show that the plume behavior or variation of the contaminant concentration with time, none has simultaneously both possibilities result and quickly, since the simulation lasted one hour on average. Analyzing the concentration profiles of the considered pollutants (cadmium and copper) with the longitudinal distance and the depth we obtained a good agreement with data from the literature. The same can be said regardinghistory of cadmium and copper. So in addition to viewing the scope of plume due to simulation, it was possible to determine how long it would take place in order to provide greater subsidy to remediation processes.

The purpose of this research is to propose a novel wind turbine for an omni-flow wind energy system and investigate its aerodynamic performance. The geometry of the novel wind turbine is based upon the impulse turbine technology which has been successful in wave energy. In this study, both numerical and experimental studies were conducted to evaluate the aerodynamic features of this wind turbine. The numerical method was validated by a comparison between numerical and experimental results over a range of tip speed ratios. Results obtained from experiments and simulations indicate that the proposed wind turbine can be employed. Additionally, on the basis of the analyses performed, this new wind turbine has the potential for having a good startup feature, which means that this wind turbine can be suitable for applications in an urban environment. As an important component, the stator of this wind turbine can increase the passing flow velocity by 20%. Meanwhile, the passing flow direction also can be optimised by the stator. Aerodynamics of the wind turbine was analysed under the non-uniform flow condition, because the flow is non-uniform inside the omni-flow wind energy system. It was found that the maximum power coefficient of such a turbine under the non-uniform flow condition is lower than that under the uniform flow condition. Due to the non-uniform flow, the blades experience different flow velocities, and as a consequence, undergo different aerodynamic loads during one operation cycle. Thus the generated torque and thrust on a blade are subjected to frequent and periodical changes. Influences of the geometrical parameters on the aerodynamic characteristics of this wind turbine were investigated. From the initial study, it was found that changes of hub-to-tip ratios, numbers of blades, aerofoils and numbers of guide vanes, can significantly affect the II power performance. Additionally, the wind turbine obtained high values of maximum torque coefficients with changing geometrical parameters.

abstract: Many methods of passive flow control rely on changes to surface morphology. Roughening surfaces to induce boundary layer transition to turbulence and in turn delay separation is a powerful approach to lowering drag on bluff bodies. While the influence in broad terms of how roughness and other means of passive flow control to delay separation on bluff bodies is known, basic mechanisms are not well understood. Of particular interest for the current work is understanding the role of surface dimpling on boundary layers. A computational approach is employed and the study has two main goals. The first is to understand and advance the numerical methodology utilized for the computations. The second is to shed some light on the details of how surface dimples distort boundary layers and cause transition to turbulence. Simulations are performed of the flow over a simplified configuration: the flow of a boundary layer over a dimpled flat plate. The flow is modeled using an immersed boundary as a representation of the dimpled surface along with direct numerical simulation of the Navier-Stokes equations. The dimple geometry used is fixed and is that of a spherical depression in the flat plate with a depth-to-diameter ratio of 0.1. The dimples are arranged in staggered rows separated by spacing of the center of the bottom of the dimples by one diameter in both the spanwise and streamwise dimensions. The simulations are conducted for both two and three staggered rows of dimples. Flow variables are normalized at the inlet by the dimple depth and the Reynolds number is specified as 4000 (based on freestream velocity and inlet boundary layer thickness). First and second order statistics show the turbulent boundary layers correlate well to channel flow and flow of a zero pressure gradient flat plate boundary layers in the viscous sublayer and the buffer layer, but deviates further away from the wall. The forcing of transition to turbulence by the dimples is unlike the transition caused by a naturally transitioning flow, a small perturbation such as trip tape in experimental flows, or noise in the inlet condition for computational flows. / Dissertation/Thesis / M.S. Mechanical Engineering 2011

abstract: The flow around a golf ball is studied using direct numerical simulation (DNS). An immersed boundary approach is adopted in which the incompressible Navier-Stokes equations are solved using a fractional step method on a structured, staggered grid in cylindrical coordinates. The boundary conditions on the surface are imposed using momentum forcing in the vicinity of the boundary. The flow solver is parallelized using a domain decomposition strategy and message passing interface (MPI), and exhibits linear scaling on as many as 500 processors. A laminar flow case is presented to verify the formal accuracy of the method. The immersed boundary approach is validated by comparison with computations of the flow over a smooth sphere. Simulations are performed at Reynolds numbers of 2.5 × 104 and 1.1 × 105 based on the diameter of the ball and the freestream speed and using grids comprised of more than 1.14 × 109 points. Flow visualizations reveal the location of separation, as well as the delay of complete detachment. Predictions of the aerodynamic forces at both Reynolds numbers are in reasonable agreement with measurements. Energy spectra of the velocity quantify the dominant frequencies of the flow near separation and in the wake. Time-averaged statistics reveal characteristic physical patterns in the flow as well as local trends within dimples. A mechanism of drag reduction due to the dimples is confirmed, and metrics for dimple optimization are proposed. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Mechanical Engineering 2011

In this study, Computational Fluid Dynamics Modeling (CFD) was applied to model a room-and-pillar mining working area to investigate the airflow patterns for dust control. Room-and-pillar mining is a conventional underground mining technique used for the extraction of coal by cutting excavations called "rooms" using a continuous mining machine and leaving the remaining coal as "pillars" for supporting the coal seam. The FLUENT software was used to analyze the airflow in the mine whose structure was designed and meshed in GAMBIT. The analysis was carried out in four different stages. First, airflow patterns were studied in the roadway without any equipment. Next, a line curtain, which extends along the height of the coal seam, was simulated in the roadway to direct the flow of air towards the active mining face. In the third stage, a continuous miner was inserted between the mining face and the end of the line curtain. Three and six meters deep box and slab cuts were simulated and the airflow patterns were investigated. In the final stage, a wet scrubber was simulated as an integral part of the continuous miner and the effect of the scrubber on the airflow in the box and slab cuts were studied. Dead zones (areas with limited airflow) and recirculation areas were observed using velocity distribution contours. A parametric study was conducted to evaluate the effects of distance of the curtain from the pillar rib (Dcr), scrubber pressure (Psc) and height of the coal seam (Ho). The data were plotted as functions of selected dimensionless variables. It was seen that wet scrubber increased the air in the LOXC (Last open cross cut) by 7.6% and was also proved that extension of line curtain along with the cut. The results of these studies are being used to develop guidelines for dust control in the face area.

For many years, terrorism has threatened life, property and business. Targets are largely in urban areas where there is a greater density of life and economic value. Governments, insurers and engineers have sought to mitigate these threats through understanding the effects of urban bombings, increasing the resilience of buildings and improving estimates of financial loss for insurance purposes. This has led to a desire for an improved approach to the prediction of blast propagation in urban cityscapes. Urban geometry has a significant impact on blast wave propagation. Presently, only computational fluid dynamics (CFD) methods adequately simulate these effects. However, for large-scale urban domains, these methods are both challenging to use and are computationally expensive. Adaptive mesh refinement (AMR) methods alleviate the problem, but are difficult to use for the non-expert and require significant tuning. We aim to make CFD urban blast simulation a primary choice for governments, insurers and engineers through improvements to AMR and by studying the performance of CFD in relation to other methods used by the industry. We present a new AMR flagging approach based on a second derivative error norm for compressive shocks (ENCS). This is compared with existing methods and is shown to lead to a reduction in overall refinement without affecting solution quality. Significant improvements to feature tracking over long distances are demonstrated, making the method easier to tune and less obtuse to non-experts. In the chapter that follows, we consider blast damage in urban areas. We begin with a validation and a numerical study, investigating the effects of simple street geometry on blast resultants. We then investigate the sensitivity of their distribution to the location of the charge. We find that moving the charge by a small distance can lead to a significant change in peak overpressures and creates a highly localised damage field due to interactions between the blast wave and the geometry. We then extend the investigation to the prediction of insured losses following a large-scale bombing in London. A CFD loss model is presented and compared with simpler approaches that do not account for urban geometry. We find that the simpler models lead to significant over-predictions of loss, equivalent to several hundred million pounds for the scenario considered. We use these findings to argue for increased uptake of CFD methods by the insurance industry. In the final chapter, we investigate the influence of urban geometry on the propagation of blast waves. An earlier study on the confinement effects of narrow streets is repeated at a converged resolution and we corroborate the findings. We repeat the study, this time introducing a variable porosity into the building facade. We observe that the effect of this porosity is as significant as the confinement effect, and we recommend to engineers that they consider porosity effects in certain cases. We conclude the study by investigating how alterations to building window layout can improve the protective effects of a facade. Maintaining the window surface area constant, we consider a range of layouts and observe how some result in significant reductions to blast strength inside the building.