Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T03:33:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_HericksonFariade_M.pdf: 3805937 bytes, checksum: 448bbae52b9a5cf3e1dc4574be708118 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: As normas regulamentadoras que restringem as emissões provenientes dos veículos automotores tem se tornado cada vez mais rigorosas, especialmente para os veículos movidos a motores diesel. Para atender estas normas, os fabricantes automotivos têm desenvolvido diversas tecnologias para reduzir e controlar a emissão de poluentes resultantes do processo de combustão nos motores. Entre estas tecnologias está o sistema de recirculação de gases de escapamento, usualmente conhecido na indústria como sistema EGR. Este sistema é extremamente funcional, entretanto o sucesso de sua operação é bastante sensível às condições de contorno que cercam seu funcionamento. Uma destas condições de contorno é a homogeneidade da mistura de ar e gás EGR que chega aos cilindros. Quanto mais homogênea for esta mistura, mais eficiente será o funcionamento do sistema EGR e menor será o nível de emissão de poluentes gerados pelo motor. Neste trabalho objetivou-se avaliar numericamente dois tipos de dispositivos que são responsáveis pela execução deste processo de mistura, o misturador do tipo pré-câmara e o misturador do tipo anel. Foram utilizadas as técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para a realização destas analises. O pacote computacional de CFD adotado foi o FLUENT® 6.3.26, um código que se baseia no método dos volumes finitos para solução das equações de transporte da mecânica dos fluidos. As condições de contorno foram definidas com base no ciclo de testes ao qual o motor é submetido para avaliação pelas entidades regulamentadoras. Como foi adotado o regime permanente para a realização das análises, apresentam-se resultados qualitativos do processo de mistura e do escoamento da mistura ar EGR (no fenômeno real as condições de contorno variam em função da operação do motor - regime transiente). Na análise dos resultados é possível observar de forma clara e objetiva a eficiência de cada dispositivo e qual deles se apresentou como a melhor solução / Abstract: The standards which define the limits of the pollutant emissions produced by the automotive vehicles have become increasingly restricted, specialty for diesel engines. To meet these standards, the automotive companies have developed several technologies to reduce and control the pollutant emissions resulting from the combustion process in the engines. Among these technologies we can find the exhaust gas recirculation system, which is usually known in the industry as EGR system. This system is very functional; however the success of its operation is quite sensitive to the boundary conditions which surround its operating. One of these boundary conditions is the homogeneity of the air and EGR gas mixture which is provided to the engine cylinders. The more homogeneous were this mixture, more efficient will be the EGR system operation and lower will be the pollutant emissions generated by the engine. In this investigation aimed to evaluate numerically two types of devices which are responsible for the mixture process, the prechamber mixer and the ring mixer. It was used the Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques to develop the analyses. The computational code used is the FLUENT® 6.3.26, which is a code based on the finite volume method to solve the transport equations of the fluid mechanics. The boundary conditions of the problems were defined with basis on the test cycles which the engine is submitted to be evaluated by the regulatory agencies. As it was adopted the permanent regime to make the system numerical analyses, it's presented qualitative results of the flow and the mixture process of the air and EGR gas (in the real phenomena the boundary conditions vary according to the engine operation - transient regime). On the result analysis it's easy to check the efficiency of each mixer and see which one has presented as the best solution for the problem / Mestrado / Motores / Mestre em Engenharia Automobilistica

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira d'Avila / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T21:18:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarcelaKotsukada_D.pdf: 43160482 bytes, checksum: b46a2b0225fdad527404b8c745e2f23b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os principais problemas da simulação da fluidodinâmica em sistemas gás-líquido por CFD são as simplificações do comportamento dinâmico das bolhas. Na maioria dos processos industriais com escoamento gás-líquido em colunas de bolhas, as bolhas estão em velocidades altas e a coluna opera em regime heterogêneo. Existe ainda a influência da geometria do sistema e das propriedades físicas dos fluídos envolvidos no processo. Para que a técnica CFD seja aplicada adequadamente, visando aplicações industriais, é necessário considerar os fenômenos de quebra e coalescência. No entanto, existe uma carência de dados experimentais em tal regime de operação para testar a aplicabilidade dos modelos matemáticos empregados nas simulações. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental de duas colunas de bolhas operando em regime heterogêneo. No primeiro caso, foram realizadas análises quanto a influência de diferentes modelos de arraste, além do emprego das forças interfaciais de sustentação e de dispersão turbulenta. Diferentes modelos de turbulência foram também verificados, tomando a fração volumétrica de gás em diferentes posições axiais e velocidade do gás provenientes da literatura. No segundo caso, realizou-se medidas por meio da técnica PIV de velocidades axiais médias da fase líquida e suas flutuações. Análises de intensidade turbulenta, tensores de Reynolds e energia sindética turbulenta foram realizadas, a fim de obter informações acerca da turbulência em três diferentes velocidades superficiais de gás. Para as análises numéricas foi aplicado um modelo matemático tridimensional, turbulento e transiente para a representação do escoamento nas duas colunas utilizadas. Este modelo trata ambas as fases, gás e líquido, a partir de uma abordagem Euleriana. Diferentes distribuições de tamanhos de bolhas foram empregados por meio do balanço populacional considerando os fenômenos de quebra e coalescência. Perfis radiais de fração volumétrica e velocidade de gás, além de perfis de velocidade média de líquido foram confrontados com dados experimentais publicados e medidos respectivamente. O modelo matemático previu um escoamento semelhante aos que foram encontrados nas colunas propostas / Abstract: The main problems encountered in the simulation of gas-liquid systems with the use of CFD are related to the simplifications of the bubble dynamic behavior. In most industrial procedures with gas-liquid flown in bubble columns, bubbles are at high speed and the column operates in the heterogeneous regime. There still is the influence of the system's geometry and fluids physical properties involved in the process. For correctly applying the CFD technique, aiming industrial applications, it is necessary to consider the breakup and coalescence phenomena. Nevertheless, there is a lack of experimental data available in this operational regimen to test the feasible application of the mathematical models used in simulations. In this work it is presented a numeric and experimental study of two bubble columns operating in the heterogeneous regime. In the first case, analyses of different drag models, besides the employ of the interfacial forces of lift and turbulent dispersion were performed. Different turbulence models were also verified, taking the gas holdup in different axial positions and gas velocity from literature. In the second case, measurements of mean axial liquid velocities and their fluctuations were performed with the PIV technique. Turbulence intensity, Reynolds stress tensors and turbulent kinetics energy analyses were performed in order to obtain information about the turbulence for three different gas superficial velocities. For the numerical analyses a tridimensional, turbulent and transient mathematical model to represent the flow in the two columns was applied. This model treats both phases, gas and liquid, with an Eulerian approach. Different bubbles size distributions were used by population balance considering the breakup and coalescence phenomena. Gas holdup, gas velocity and mean axial liquid velocity radial profiles were confronted to the published and acquired experimental data respectively. The mathematical model predicted a developed flow similar to those found in the proposed columns / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Andre Luiz Jardini Munhoz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T19:20:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bineli_AulusRobertoRomao_M.pdf: 24103427 bytes, checksum: e0dc4ef614d43eab9b12a55f01124378 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Em tratamentos térmicos de têmpera há uma grande dificuldade em entender os diferentes perfis de resfriamento que ocorrem na superfície e no interior dos materiais, e que definem o controle da estrutura formada e das propriedades finais desejadas. A formação de diferentes tipos de estruturas no mesmo material pode ocorrer devido ao resfriamento não uniforme provocado pelas condições fluidodinâmicas do tanque e do fluido refrigerante, os quais determinam as taxas de resfriamento e o valor do coeficiente de transferência de calor. Além disso, há muito pouco na literatura sobre os critérios para a construção de tanques de têmpera. Portanto este trabalho investiga por meio da Fluidodinâmica Computacional (CFD), utilizando o software ANSYS CFX® 11, duas configurações de um sistema de agitação submerso em tanque de têmpera e o impacto das condições fluidodinâmicas e das propriedades físicas do fluido sobre a uniformidade do resfriamento e no coeficiente de transferência de calor na interface do bloco de aço. Como conseqüência as simulações permitem a verificação de alternativas de como o processo pode ser melhorado a partir deste tipo de análise. O processo físico estudado consiste no resfriamento de um bloco de aço nas dimensões 2,3m x 1,2m x 0,86m imerso em tanque com água de dimensões 8,7m x 2,8m x 4,0 m com um sistema de agitação de jato submerso distribuídos em vários bicos reguladores de saída de água. Foram realizadas duas simulações, a primeira envolvendo o sistema de agitação localizado sob o bloco. Na segunda, entretanto, foi acrescentado um sistema de agitação localizada nas laterais do material na tentativa de homogeneizar o fluxo do fluido entorno do bloco, consequentemente sobre a uniformidade do resfriamento. Os resultados deste trabalho indicam que o sistema foi suscetível a variação das propriedades físicas do fluido e do fluxo sobre o material o que levou a grandes variações na curva de resfriamento para o primeiro caso. Contudo, a implementação do sistema lateral de agitação promoveu uma melhora significativa na uniformidade da têmpera, além disso, o modelo foi capaz de predizer as curvas de resfriamento, os coeficientes de transferência de calor na interface do material, e os fluxos do fluido no tanque. A análise discutida fornece informações de como o software pode melhorar o controle do processo de resfriamento por estudos sobre a uniformidade da têmpera, o que pode auxiliar os engenheiros na concepção e desenvolvimento de novos projetos de tanque levando-se em consideração a forma e o tipo do sistema de agitação, bem como a geometria do tanque e do material, e o fluido utilizado no processo. Esta abordagem pode produzir melhorias significativas na qualidade do material enquanto simultaneamente prevê condições para redução de distorções do material durante o tratamento térmico. / Abstract: In the quenching heat treatment is a great difficulty to understand the different cooling profiles occurring at the surface and subsurface of the material, that define the structure formed and the final properties desired. The formation of different types of structures in the material can occurs due to uneven cooling caused by fluid dynamic conditions of the tank, which determine the cooling rates and the heat transfer coefficient. Moreover, there is very little literature concerning the criteria for the construction of quenching tanks. Therefore in this work was analyzed by means of Computational Fluid Dynamics (CFD), two configurations of submerged agitation system and the impact of fluid dynamic conditions and the physical properties of the fluid on the cooling uniformity and the heat transfer coefficient at the interface of the steel block. The simulations performed allow the verification of alternatives of how the process can be improved from this type of analysis. The physical process studied consist in the cooling of a steel block with dimensions 2.3m x 1.2m x 0.86m immersed in water tank with dimensions 8.7m x 2.8m x 4.0m with submerged agitation system. There were two simulations, the first involving the agitation system located under the block. In the second, however, was added agitation system located next the sides of the material in an attempt to homogenize the fluid flow around the block, consequently on the uniformity of cooling. The results indicate that the system was susceptible to variations in the fluid properties and fluid flow on the material which led to large variations in the cooling curve for the first case. The implementation of the sideway agitation system led to a significant improvement in uniformity of quenching, in addition, the model was able to predict the cooling curves, the heat transfer coefficient at the interface of the material, and fluid flow in the tank. The analysis provides information about how software can improve the control of the cooling process by studies of quench uniformity, which can help engineers in the design and development of new tank taking into account the type of agitation system, tank geometry and material, and the fluid used in the process. This approach can produce significant improvements in the quality of the material while simultaneously provide conditions to reduce distortions in the material during heat treating. / Mestrado / Mestre em Engenharia Química

ABE, V.C. Determinação de parâmetros de operação de sistema de distribuição de ar frio pelo piso em ambientes de escritórios. 2007. 132 p. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Atualmente, um dos principais requisitos para que um ambiente de escritório atenda plenamente às necessidades de uso e ocupação é a flexibilidade, mas com conforto. O sistema de distribuição de ar frio pelo piso (Underfloor Air Distribution System - UFAD) está sendo utilizado nos edifícios de escritórios para garantir a flexibilização integrada do sistema com o mobiliário. Trata-se de um sistema que fornece ar frio proveniente de um plenum, através de difusores localizados nos painéis do piso elevado. Os difusores de ar podem ser ajustados, ou reposicionados pelos próprios usuários dos ambientes, possibilitando o controle das condições térmicas no entorno próximo, de acordo com suas preferências individuais. Embora o sistema de distribuição de ar pelo piso apresente diversas vantagens com relação ao sistema de distribuição de ar convencional, ainda há falta de informações objetivas e diretrizes de projeto padronizadas, havendo a necessidade de realização de mais pesquisas na área. A introdução da Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) apresentou uma alternativa para as pesquisas experimentais relacionadas ao estudo do escoamento do ar. Assim, para o desenvolvimento do presente estudo foram utilizados recursos de dinâmica dos fluidos computacional, com o uso do código FLUENT. O objetivo do presente trabalho é apresentar uma estratégia para a determinação dos parâmetros de operação de sistemas de distribuição de ar pelo piso aplicados a ambientes de escritórios. A estratégia baseiase no estabelecimento de inter-relações entre os principais parâmetros que definem o escoamento do ar em ambientes com o sistema de distribuição de ar pelo piso: a vazão de ar insuflado, a temperatura do ar insuflado e a diferença de pressão entre o plenum pressurizado e o interior do ambiente. O emprego da estratégia possibilita que o projetista identifique as diversas combinações entre os parâmetros de operação que resultem numa mesma condição desejada, permitindo assim a escolha da opção mais satisfatória. / ABE, V.C. Determination of operation parameters of rooms with underfloor air distribution system. 2007. 132 p. Dissertation (Master Course) - Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. Nowadays, one of the main requirements of an office room to fully attend the use and occupation needs is the flexibility, but with comfort. The underfloor air distribution system is being used in the office buildings to guarantee the integrated flexibility of the system with the furniture layout. The system supplies cooled air to the room from a pressurized plenum, passing through air diffusers located in the raised floor panels. The air diffusers can be adjusted or relocated by the room users themselves, making possible the control of the thermal conditions in their surroundings, according to their individual preferences. Though the underfloor air distribution system presents a lot of advantages with regard to conventional overhead distribution systems, there is still a lack of objective information and standardized guidelines, and the necessity of accomplishment of more researches about the subject. The introduction of Computational Fluid Dynamics presented an alternative for the experimental tests related to the study of airflow in rooms. Thus, for the development of the present study a CFD tool was used, the code FLUENT. The purpose of the present work is to develop a strategy for the determination of the operation parameters of an underfloor air distribution system applied to office rooms. The strategy is based on the establishment of interrelations between the main parameters that define the airflow in rooms with the underfloor air distribution system: the input volume flux, the input air temperature and the pressure difference between underfloor plenum and the room. The use of this strategy enables the designer to identify several combinations of the operation parameters that result in one desired condition, allowing the choice of the most satisfactory option.

Neste trabalho é proposta uma metodologia numérica como ferramenta para avaliação de ambientes térmicos com manequins. A simulação de CFD do ambiente térmico em simulador comercial é integrada à simulação do sistema térmico do corpo humano realizada em código acadêmico. As soluções dos fluxos de calor e temperaturas nas peles são retroalimentadas e a transferência de informações é realizada via arquivo. A geometria do ambiente térmico é simplificada para minimizar os efeitos de problemas com a malha computacional na simulação de CFD, permitindo uma melhor análise do método interativo proposto. O manequim é separado em 15 segmentos cilíndricos representando cabeça, pescoço, tronco, braços, antebraços, mãos, coxas, pernas e pés. Cada segmento é subdividido em quatro quadrantes, totalizando 60 zonas, para capturar assimetrias térmicas e aerodinâmicas. Foi conduzido estudo de validação geométrica de manequim virtual pela comparação de resultados dos coeficientes térmicos obtidos com CFD e resultados obtidos de ensaios experimentais da literatura. A qualidade da malha e o tratamento de parede são discutidos. Os resultados tornam evidente que uma geometria simplificada do manequim é suficiente para estudos e avaliações de ambiente térmico e de conforto térmico quando se utiliza técnicas numéricas de CFD. Os resultados a partir da integração dos simuladores mostram que o método numérico pode ser instável nos segmentos com baixo metabolismo e baixa vazão de sangue, como nos pés e mãos. Pretende-se introduzir na metodologia proposta algum mecanismo que identifique automaticamente este fenômeno, para evitar a divergência do método e tornar a ferramenta mais robusta. / In this work is proposed a new numerical methodology as a tool for thermal comfort evaluation. This method promotes the interaction of the thermal environment simulation and the thermal system of the human body simulation. The commercial CFD simulator FLUENT R and an academician code for human body simulation are used. The solutions are fed back and the transfer is made by file. The geometry of the room is simplified to minimize the effects of problems with the computational mesh in the CFD simulation, allowing a better analysis of the proposed interactive method. The dummy is separated into 15 cylindrical segments representing head, neck, trunk, arms, forearms, hands, thighs, legs and feet. Each segment is subdivided into four quadrants, totaling 60 zones, to capture asymmetries in the heat flux field and temperature field. Was conducted a geometric validation of virtual dummy by comparing results of heat transfer coefficients from literature and CFD simulation. The mesh quality and near wall treatment are discussed. The results show that a simplified geometry of the dummy is sufficient for thermal environment studies and evaluations in CFD simulations. The results from coupled simulations show that the numerical method can be unstable in the segments with low metabolism and low blood flow, as the feet and hands. So, its intended to introduce mechanisms in the methodology to automatically identify this phenomenon and to avoid the divergence of the method to make more robust this methodology.

No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo para o escoamento em reator de membrana do tipo contator ativo, através da abordagem de dinâmica dos fluidos computacional (CFD), utilizando o código comercial ANSYS FLUENT. O modelo incluiu todo o módulo de membrana constituído por uma membrana tubular e um casco metálico. A reação modelo estudada foi a hidrogenação parcial de 1,5-ciclooctadieno, realizada pelo bombeamento da mistura reacional, dissolvida em n-heptano, através da membrana, a partir das extremidades do tubo. Como catalisador, considerou-se a presença de nanopartículas de Pd impregnadas na membrana. O meio poroso foi aproximado por leito granular representado pela equação de Ergun, tendo como parâmetros a porosidade e o tamanho de grão da membrana de alfa-Al2O3 . O valor para o tamanho de grão foi adotado como equivalente ao diâmetro de partícula determinado com uso do código aberto de estereologia ImageJ, do instituto Nacional de Saúde dos Estados Unidos. O modelo de turbulência adotado foi o RNG k-epsilon. Um estudo de sensibilidade incluiu simulações comparando escoamento desprezando reações como escoamento reativo, variação da velocidade, alteração da saída do fluxo e ativação de modelo de turbulência no meio poroso. Foram realizadas simulações de defeitos estruturais na membrana, correspondendo a regiões de porosidade alterada, com e sem perda de sua uniformidade azimutal. Conclui-se que a presença de defeitos estruturais que afetem a uniformidade azimutal da membrana pode resultar em sensível alteração do escoamento em CMRs. / This study focused on the development of a model for the flow in a reactor membrane of the type active contactor, approached through computational fluid dynamics (CFD), using the commercial code ANSYS FLUENT. The model included the entire membrane module, consisted of a tubular membrane and a metal shell. The model reaction studied was the partial hydrogenation of 1,5-cyclooctadiene initiated by the pumping of the reaction mixture, dissolved in n-heptane, through the membrane, from the ends of the tube. As a catalyst, the study considered the presence of impregnated Pd nanoparticles in the membrane. The porous medium was approximated by a granular bed as represented by the Ergun equation, having as parameters the porosity and the grain size of the alfa-Al2O3 membrane. The value for the grain size was adopted as equivalent to particle diameter determined through the open source stereology software ImageJ, of the National Institute of Health USA. The turbulence model used was the RNG k-epsilon. A sensitivity study included simulations of flow neglecting and including reactions, speed variation, change the flow outlet and activation of turbulence model in the porous media. Simulations of structural defects in the membrane were performed, defining regions of porosity changes with and without loss of azimuthal uniformity. The conclusion was that the presence of structural defects that affect the azimuthal uniformity of the membrane can result in marked alteration of the flow regime in CMRs.

Este trabalho lida com o escoamento incompressível ao redor de pares de cilindros rígidos e imóveis, posicionados de forma alinhada em relação a uma corrente uniforme. São dois os objetivos desta pesquisa: o primeiro é estabelecer relações de causalidade entre características físicas do escoamento e as mudanças observadas nas forças e no campo fluido com as variações do número de Reynolds (Re) e do espaçamento entre os corpos; e o segundo consiste em compreender a influência mútua entre tridimensionalidades e interferência no escoamento. Utilizou-se o método de elementos espectrais para realizar simulações bi e tridimensionais do escoamento. Os espaçamentos entre centros (lcc) analisados vão de 1,5 a 8 diâmetros, e eles são comparados com o caso de um cilindro isolado. A faixa de Re vai de 160 a 320, compreendendo a transição na esteira. O foco foi dado nas instabilidades de pequena escala (modos A e B). Dados referentes ao número de Strouhal, coeficiente de arrasto médio, flutuação do coeficiente de sustentação e correlação axial são apresentados. Com auxílio de visualizações do escoamento, são propostos mecanismos que explicam o fenômeno de interferência, refletido no comportamento das curvas. Os resultados mostraram que simulações bidimensionais são insuficientes para se prever a combinação (Re, lcc) de inversão do arrasto. Verificou-se também que, quando o espaçamento é menor do que o crítico, o processo de transição na esteira se dá de forma diferente do observado para um cilindro isolado. / This work deals with the incompressible flow around pairs of rigid and immovable circular cylinders in tandem arrangements. There are two goals in this research: the first one is to find causality relationships between physical characteristics of the flow and the changes that are observed in the forces and in the flow field with the variation of the Reynolds number (Re) and the distance between the bodies; and the second one is to comprehend the mutual influence between three-dimensional structures and interference. The spectral element method was employed to carry out two- and three-dimensional simulations of the flow. The centre-to-centre distance (lcc) of the investigated configurations varies between 1.5 and 8 diameters, and they are compared to the isolated cylinder case. The Re range goes from 160 to 320, covering the transition in the wake. We focused in the small scale instabilities (modes A and B). Data of Strouhal number, mean drag coefficient, RMS of the lift coefficient and axial correlation are presented. With aid of flow visualizations, we propose mechanisms to explain the interference phenomenon, which is reflected in the behaviour of the graphics. The results show that two-dimensional simulations are not sufficient to predict the (Re, lcc) pair correspondent to the drag inversion point. We also verified that, in the cases where lcc is lower than the critical spacing, the transition in the wake happens in a way different from the one observed in the flow around a single cylinder.

Orientadores: Rubens Maciel Filho, André Luiz Jardini Munhoz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T16:44:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bineli_AulusRobertoRomao_D.pdf: 8294042 bytes, checksum: a3a2a14af42175c483a90d29b0102664 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Atualmente, o conceito de sustentabilidade vem ganhando cada vez mais espaço e com ele os desafios de melhorar cada vez mais os processos industriais. Assim, tanto as engenharias quanto as ciências de base têm se dedicado à integração do conhecimento para projetar e implementar soluções inovadoras e ambientalmente equilibradas. Neste contexto, o uso dos microrreatores surge como uma opção atraente e com potencial para atender às diversas e crescentes exigências ambientais e econômicas. Portanto, o principal objetivo desta tese foi projetar fabricar e testar um microrreator catalítico para produção de hidrogênio a partir da reforma a vapor do etanol. Para o cumprimento deste objetivo, quatro etapas principais foram desenvolvidas. A primeira delas foi à realização de estudos fluidodinâmicos do microrreator para a escolha da geometria mais favorável à distribuição do fluxo entre os microcanais. Nesta etapa foi possível quantificar o fluxo do gás nos microcanais e escolher a geometria com o menor valor no desvio padrão relativo. Na segunda etapa, a tecnologia de manufatura aditiva de sinterização direta em metal a laser (DMLS) foi avaliada para a fabricação dos componentes do microrreator mostrando um grande potencial, principalmente por oferecer condições para produção de superfícies porosas. Apesar disso, as peças assim obtidas apresentaram distorções notáveis devido à alta energia do laser, sendo necessários mais estudos dos parâmetros de fabricação a fim de se obter peças com boa qualidade. Por essa razão e para garantir uma boa integração entre os componentes, a estrutura de compartimento do microrreator e as placas de microcanais foram obtidas por métodos convencionais de usinagem e corrosão química. Na terceira etapa, um método de otimização multicritério foi descrito para se investigar e sugerir uma faixa de parâmetros operacionais do microrreator como temperatura, fração de massa de etanol e fluxo volumétrico de alimentação. Nesta fase, entre os três modelos cinéticos selecionados, apenas um foi considerado o mais confiável para se estender o estudo de otimização e assim sugerir uma faixa de operação do microrreator. Na etapa final, testes experimentais da reação de reforma a vapor do etanol foram conduzidos sob duas diferentes composições de catalisadores, Ni/Al2O3 e Ni/CeO2, com o objetivo de se conhecer as principais reações. Os resultados mostraram que a desidratação e decomposição do etanol foram predominantes em ambos catalisadores, porém foi observada a supressão da desidratação em temperatura de 500 e 600ºC. Entre os catalisadores estudados o Ni/CeO2 foi o mais seletivo e promissor, pois foi capaz não somente de suprimir as reações indesejadas, como a formação de coque, mas por fornecer alta produtividade e rendimento comparado com o Ni/Al2O3. Além disso, ficou demonstrado que o projeto do microrreator proposto foi capaz de produzir hidrogênio com rendimentos significativos, próximo a 100% em altos tempos de residência, sendo, portanto, uma boa opção a ser considerada tanto para aplicações em pequena quanto em grande escala / Abstract: Currently, the concept of sustainability is gaining more prominence and with it the challenges to improve industrial processes. Thus, both engineering as the basic sciences has been devoted to integrate knowledge to design and implement innovative and environmentally balanced solutions. In this context, the use of microreactors emerges as an attractive option and with potential to meet various environmental and economic requirements. Therefore, the objective of this thesis was to design, fabricate and test a catalytic microreactor for hydrogen production from ethanol steam reforming. To achieve this objective, four main steps were developed. Firstly, studies of the fluid dynamic behavior of microreactor were conducted for choosing the most favorable geometry to flow distribution among microchannels. At this point it was possible to quantify the internal gas flow in the microchannels and to select the geometry with the lowest value in the relative standard deviation. In the second step, the additive manufacturing technology of Direct Metal Laser Sintering (DMLS) was evaluated to fabricate the microreactor components. This technology showed a great potential, especially to provide conditions to produce pieces with porous surfaces. Nevertheless, the pieces obtained by this process showed remarkable distortions due to the high laser energy, necessitating further study about fabrication parameters in order to improve the quality of the parts. For that reason and also to ensure good integration among the components, the housing structure and microchannel plates were obtained by conventional methods of milling cutter and wet chemical etching, respectively. In the third step, a multicriteria optimization method was described to investigate and suggest a range of operating parameters such as temperature, ethanol mass fraction and volumetric flow. Among the three kinetic models selected, only one was considered the most reliable to extend the study of optimization and thus to suggest a range of operation conditions of the microreactor. In the final step, experimental tests of ethanol steam reforming were conducted under two different compositions of catalysts, Ni/Al2O3 and Ni/CeO2, with the aim of knowing the main reactions. The results showed that the ethanol dehydration and decomposition were predominant in both catalysts, but the suppression of the dehydration in the temperatures of 500 to 600°C was observed. Also, among the catalysts studied, the Ni/CeO2 was the most promising not only because it was able to suppress the undesired reactions, but also to provide a high productivity and yield compared to the Ni/Al2O3. Furthermore, it was shown that the design of microreactor was able to produce hydrogen with significant yields, close to 100% at high residence times, and is therefore a good option to be considered in applications ranging from small to large scales / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Isaias Vizotto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-23T06:21:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CaycedoGarcia_MayaSian_M.pdf: 6369697 bytes, checksum: 0216dc84287a93e820b62482c1b9b7d1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Através do uso de modelos físicos reduzidos e de simulações computacionais, este trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento mecânico das estruturas em casca de formas livres de base hexagonal. Os modelos reduzidos são submetidos a ensaios no túnel de vento de camada limite atmosférica, e às correspondentes simulações computacionais, extraindo-se dados dos coeficientes de pressão interna e externa, considerando-se os regimes laminar e turbulento. A obtenção dos coeficientes de pressão permite avaliar o comportamento da estrutura dependendo do posicionamento da abertura dominante nos casos mais críticos de sucção e pressão. A análise dos coeficientes de pressão causados pela ação do vento em edificações é um aspecto fundamental no estudo das forças que atuam em estruturas. No caso particular das construções dos tipos de cascas finas, a análise dos coeficientes de pressão permite analisar e projetar estas estruturas corretamente aproveitando suas características geométricas. Os ensaios desta pesquisa foram realizados no túnel de vento LACAF da UNICAMP, utilizando-se os modelos reduzidos construídos com materiais compostos de fibra de vidro e resina, FERREIRA (2013), e produzidos a partir dos modelos computacionais desenvolvidos por VIZOTTO (1993). Durante os ensaios no túnel de vento, foram realizadas medições de pressão em vários pontos dos modelos, tanto na superfície externa como interna da estrutura submetida à ação do vento em regime laminar e turbulento, nas três situações criticas da abertura: estrutura fechada submetida à ação do vento a 0º e 90º; estrutura com uma abertura submetida à ação do vento a barlavento (0º) e sotavento (180º); e, com duas aberturas, submetida à ação do vento a barlavento (0º) e paralelo às aberturas (90º). Os resultados dos ensaios são apresentados em curvas isobáricas e analisados através do uso de gráficos comparativos para os casos dos regimes laminar e turbulento para cada caso ensaiado. Os modelos computacionais para realizar as simulações foram baseados nos resultados dos experimentos com modelos em túnel de vento, considerando as diversas combinações nos regimes laminar e turbulento, foram gerados através da ferramenta da fluidodinâmica computacional utilizando o modelo de turbulência "SST" no software Ansys (CFX) no laboratório de informática da FEC - UNICAM. Dos resultados obtidos experimentalmente dos coeficientes de pressão pode-se observar a máxima sucção na estrutura para o caso de uma abertura com o vento atingindo à estrutura na direção de barlavento no regime turbulento e a maior pressão é observada para o caso de duas aberturas com o vento atingido paralelo às aberturas. Dos dados obtidos numericamente em relação aos dados experimentais certificasse que existe uma grande semelhança, permitindo o uso da fluodinâmica computacional como ferramenta para a análise da ação do vento em estruturas tipo casca. Cabe notar que a indisponibilidade de dados para os coeficientes de pressão para carregamentos devidos ao vento nas estruturas com este tipo de geometria cria a necessidade de proporcionar e divulgar informações, metodologias e ferramentas, como a configuração dos modelos matemáticos, que permitam aos engenheiros obter as forças devidas ao vento utilizadas para a simulação de carregamentos em projetos reais / Abstract: Through the use of reduced physical models and computer simulations, the objective of this project is to assess the mechanical behavior of free form shell type structures with hexagonal base. The reduced models are subject to atmospheric boundary layer wind tunnel tests, while computer simulations are run in parallel, that provide internal and external pressure coefficient data applicable to the structures in question under the influence of both laminar and turbulent flow regimes. The obtained pressure coefficients allow the assessment of the behavior of the structure as a function of the position of the predominant opening in the most critical suction and pressure cases. The analysis of the pressure coefficients caused by wind loads in construction is a critical area of the structural force analysis in buildings and structures. In the particular case of thin walled shell type constructions, pressure coefficient analysis is the main driver for the correct design and planning of these structures, taking advantage of their geometrical features The tests were conducted in the wind tunnel at LACAF at the UNICAMP using scale models built out of fiberglass and resin, Ferreira (2013), and produced as result of the use of computer models developed by Vizotto (1993). The wind tunnel tests provided pressure measurements at various points of the structures subjected in the three following critical scenarios of predominant aperture: completely closed structure subjected to wind loads at 0 and 90 degrees, structure with one open subjected to wind loads at leeward (180°) and windward (0°) and structure with two opens subjected to wind loads at leeward (180°) and parallel to the apertures (90°). The test results are presented in isobaric graphs and are then analyzed in comparative graphics for each tested scenario. The computer models used to run the simulations are based on the empirical results obtained in wind tunnel tests using reduced size models, considering the various possible combinations, and were generated using the turbulence model "Shear Stress Transport Model" of the dynamic fluid analysis software tool Ansys (CFX) at the IT laboratory of the FEC - UNICAMP. The comparison of the numerical data with the experimental data certifies that there are a lot of similarities. Therefore, computer models can be used in order to project free form shell type structures and evaluate their behavior under wind loads. Finally, it is of significant relevance the fact that pressure coefficient data applicable to structures with this type of geometry subject to wind loads is not readily available. Therefore, it is necessary to provide and divulge information, methodologies and tools, such as the configuration of mathematical models, which will enable engineers to obtain more accurate data of wind-load forces used for the simulation of loads on free form shell type structures / Mestrado / Estruturas / Mestra em Engenharia Civil

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T13:17:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaJunior_JoaoLameuda_M.pdf: 5288658 bytes, checksum: 05a82477d396e479ec1f137cc2682920 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Esta pesquisa tem como objetivo avaliar as principais forças interfaciais que atuam no escoamento gás-líquido em uma coluna de bolhas retangular, de dimensões 150cm x 26;4cm x 3;1cm (altura (H) x largura (W) x profundidade (D)), com aeração centralizada, empregando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). O caso proposto é baseado em um estudo experimental de um sistema ar-água operando em regime homogêneo, com altura inicial de líquido (Hl) igual a 79;2cm, correspondente a razão de aspecto (Hl /W) de 3. Empregou-se para a fase dispersa, um diâmetro de bolhas de 4;95mm e uma velocidade superficial de 2;9cm/s. Para validação do modelo, comparações com dados experimentais obtidos da literatura foram realizados em seções transversais em quatro níveis axiais (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). Para o fechamento do modelo matemático foram analisados quatro modelos de turbulência na descrição da fase contínua (k-'épsilon', RNG k-'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), bem como diferentes correlações para a verificação da influência das forças interfaciais envolvidas neste tipo de escoamento (arraste, sustentação, dispersão turbulenta e massa virtual). As forças de sustentação e dispersão turbulenta em adição à de arraste mostraram influências significativas nos padrões fluidodinâmicos, enquanto que a força de massa virtual pôde ser negligenciada para o caso estudado. O modelo completo final testado, predisse satisfatoriamente o escoamento em regiões onde este se encontra plenamente desenvolvido, concordando com o padrão experimental / Abstract: This study aims to evaluate the main forces which act in gas-liquid flow in a rectangular bubble column of dimensions 150cm x 26;4cm x 3;1cm (height (H) x width (W) x depth (D)), with centralized aeration, using CFD technique. The proposed case is based in a experimental study of an air-water system operating in homogeneous bubbly flow, with initial liquid height (Hl) of 79;2cm, corresponding to aspect ratio (Hl /W) of 3. For dispersed phase it was employed a bubble diameter of 4;95mm and a superficial velocity of 2;9cm/s. To validate the model, comparisons with experimental data provided from literature were carried out in transversal sections at four axial levels (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). To closure the mathematical model, four distinct turbulence models were analyzed to describe the continuous phase (k--'épsilon', RNG k--'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), as well different correlations to verify the influence of the interfacial forces involved in this type of flow (drag, lift, turbulent dispersion and virtual mass). The consideration of lift and turbulent dispersion in addition to drag force showed meaningful influences in fluid dynamics pattern, while virtual mass force can be neglected. The final complete model tested predicted properly the flow in fully developed regions, according to the experimental pattern / Mestrado / Processos em Tecnologia Química / Mestre em Engenharia Química