Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces. / O atrito em mancais hidrodinâmicos é uma fonte importante de perdas em motores de combustão ([69]). As condições extremas de carga induzem contato entre as superfícies dos mancais. Em tais condições não somente a macro-geometria do mancal é relevante, mas também são as escalas menores da superfície as que determinam o desempenho do mancal. A possibilidade de fabricar superfícies com detalhes na escala do micrometro ([57]) deixou em aberto a questão de se o atrito pode ser reduzido por meio de micro-texturas, até agora com resultados mistos. Este trabalho centra-se no desenvolvimento de métodos numéricos eficientes para resolver problemas de lubrificação na escala da rugosidade das superfícies. Devido às altas velocidades e a forma convergente-divergente dos mancais hidrodinâmicos o fluido cavita. Para tratar o fenômeno de cavitação empregamos o modelo de Elrod-Adams, um modelo conservativo que tem demonstrado em cuidadosos testes numéricos ([12]) e experimentais ([119]) ser essencial para obter resultados físicos significativos. Outro aspecto revelante do modelado é que os efeitos inerciais do mancal são considerados, o que é necessário para simular corretamente texturas em movimento. Como aplicação, os efeitos de micro-texturizar a superfície móvel do mancal foram estudados. Valores realistas são assumidos nos parâmetros físicos que definem o problema. Foram realizados extensivos estudos no regime de lubrificação hidrodinâmica. Também foram executadas simulações convergidas em malha, levando em conta a topografia real de superfícies medidas, e as hipóteses de lubrificação para superfícies rugosas foram avaliadas.

Abiotic and biotic stresses affect tree growth and play a major role in determining the geographic distribution of species. The objective of this study is to elucidate the following questions: (1) are GABA aminoacid and stomatal control good indicators of tolerance to water stress in Eucalyptus clones? In addition, what are the anatomical differences between drought-tolerant and drought-sensitive clones of Eucalyptus? (2) Are there differences of xylem vulnerability to cavitation in Pinus flexilis families susceptible and resistant to white pine blister rust (WPBR) and with different origins (high and low altitudes)? Two studies were carried out to elucidate the issues above. On chapters 1, eight Eucalyptus clones from different geographical and climatological conditions, three drought-sensitive (CNB, FIB and JAR), three drought-tolerant (GG, SUZ and VM), and two plastics (VER and COP), were studied in normal water supply (control treatment) and in water stress conditions (stress treatment). The first chapter concluded that GABA is an aminoacid very sensitive to water stress, but there was no relation between GABA concentration and tolerance to water stress of the clones. In addition, all clones decreased stomatal conductance with increasing vapor pressure deficit, and plastics and drought-tolerant clones (except GG) presented lower stomatal sensitivity to vapor pressure deficit under stress conditions than drought-sensitive clones. Besides, all clones showed differences on the anatomical parameters between, and only COP (plastic) and SUZ (drought-tolerant) showed homogeneous mesophyll and amphi-hipostomatic leaves. All clones increased the number of stomata and reduced leaf thickness of the leaves formed after water stress period. On the chapter 2, we studied 12 families of Pinus flexilis originating from high and lower altitudes, in which six families previously shown to contain the dominant C4 allele (resistant to WPBR) and six families without C4 allele (susceptible to WPBR). This study showed that the mean cavitation pressure (MCP) of Pinus flexilis varying between 3.63 a -4.84 Mpa, although there was a significant difference in vulnerability to cavitation comparing all families, this variable was not related to WPBR and origin region. These studies highlight that the physiological responses of plants under water stress conditions are important tools that can be used to complement the strategies of genotype selection in forest breeding programs. / Estresses abióticos e bióticos podem afetar o crescimento das árvores e desempenham um papel importante na determinação da distribuição geográfica das espécies. O objetivo deste estudo, foi elucidar as seguintes questões: (1) o aminoácido GABA e o controle estomático são bons indicadores da tolerância ao estresse hídrico em clones de Eucalyptus? E quais são as diferenças anatômicas entre clones de Eucalyptus tolerantes e sensíveis ao estresse hídrico? (2) existem diferenças de vulnerabilidade a cavitação do xilema entre famílias de Pinus flexilis suscetíveis e resistentes à ferrugem do pinho branco (WPBR) e com diferentes procedências (elevada e baixa altitudes)? Dois estudos foram desenvolvidos para elucidar as questões acima descritas. No capítulo 1, oito clones de Eucalyptus de diferentes procedências e condições climáticas, sendo três clones sensíveis ao estresse hídrico (CNB, FIB e JAR), três clones tolerantes ao estresse hídrico (GG, SUZ e VM) e dois clones plásticos (VER e COP), foram estudados sob duas condições distintas: sob adequado suprimento de água (tratamento controle) e sob condições de estresse hídrico (tratamento estresse). Do primeiro capítulo concluiu-se que o GABA é um aminoácido que possui alta sensibilidade ao estresse hídrico, no entanto, não houve relação entre a concentração de GABA e os níveis de tolerância ao estresse hídrico dos clones. Além disso, todos os clones reduziram a condutância estomática em relação ao aumento do déficit de pressão de vapor (DPV), sendo que, sob condições de estresse hídrico, os clones plásticos e tolerantes à seca (exceto o clone GG) apresentaram menor sensibilidade estomática ao DPV do que os clones sensíveis ao estresse hídrico. Além disso, todos os clones apresentaram diferenças anatômicas, sendo que, diferentemente dos demais, os clones COP (plástico) e SUZ (tolerante) apresentaram mesofilo homogêneo e folhas anfi-hipoestomáticas. Todos os clones aumentaram a quantidade de estômatos e reduziram a espessura foliar das folhas formadas após períodos de estresse hídrico. No segundo capítulo foram avaliadas 12 famílias de Pinus flexilis procedentes de regiões de baixa e alta altitudes, sendo seis famílias contendo um alelo dominante C4 (resistente à WPBR) e seis famílias sem o alelo C4 (suscetíveis à WPBR). Este estudo apresentou uma variação da pressão média da cavitação (MCP) para Pinus flexilis de -3,63 a -4,84 Mpa, e embora tenha havido uma diferença significativa da susceptibilidade a cavitação entre todas as famílias estudadas, esta variável não relacionou-se com a susceptibilidade a doença WPBR e com a região de procedência das famílias. Estes estudos comprovam que a avaliação das respostas fisiológicas das plantas sob condições de estresse hídrico são importantes ferramentas que podem ser utilizadas para complementar as estratégias da seleção de genótipos em programas de melhoramento florestal.

Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas. / Turbomachines are operational machines that transfer mechanical energy between a rotor and a fluid. This type of machinery is employed in many industries. One of the main components of a turbomachine responsible for the energy transference, either receiving the rotation of the shaft and transforming it into fluid energy in the case of a pump or transferring energy from the fluid to the shaft in the case of a turbine, is the impeller or rotor. The cavitation phenomenon involves two-phase flow: the liquid to be pumped and the vapor bubbles which are formed during pumping. The formation process of these bubbles is complex, but occurs mainly due to the presence of regions of very low pressure. The collapse of the bubbles can often lead to a deterioration of the material, depending on the intensity or speed of bubbles collapse. The main objectives of this work was to study the hydrodynamic behavior of the flow in the impeller channels of a turbomachine (radial flow turbopump) using computational fluid dynamics (CFD resources). An Euler-Lagrange approach coupled with the Langevin equation model, was employed to estimate the bubbles tracking trajectory. Results of the simulations show the details of liquid-vapor bubble flow in a curved channel, providing insights that help us in the cavitation prevent of this machines.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-10-27Bitstream added on 2014-06-13T19:35:05Z : No. of bitstreams: 1 musardo_gb_me_ilha.pdf: 3996445 bytes, checksum: ce4f6124da4b6648c41885a10eb3e368 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / No Brasil, a maior parte da energia elétrica disponível é gerada por usinas hidrelétricas as quais contam com grande número de turbinas hidráulicas. Durante sua operação estas turbinas sofrem sérios danos provenientes tanto de natureza mecânica como também hidráulica. Fenômenos de perda de massa e também trincas e rachaduras são alguns dos principais problemas que ocorrem devido a um fenômeno chamado de erosão cavitacional, que comumente é recuperado por soldagem. Sendo assim, grandes níveis de resistência à cavitação vêm sendo obtidos com a deposição de aços inoxidáveis com a presença de cobalto pelo processo de soldagem a arco com proteção gasosa. Neste trabalho, seis amostras feitas de aço-carbono ASTM A36, as quais foram extraídas de retalhos de turbinas, foram usadas como metal de base para as amostras. Usando um processo a arco elétrico com proteção gasosa (GMAW) em posição plana, duas camadas de aço AWS E70-S6 (1,2 mm de diâmetro) foi depositada em todas as amostras, e, somente em três das amostras foram depositadas duas camadas de amanteigamento com o arame de aço inoxidável AWS E309-T1 (1,6 mm de diâmetro) usando o mesmo processo, onde foi utilizado como proteção gasosa uma mistura de 75% de dióxido de carbono e 25% de argônio. A energia de soldagem nominal nestes casos foi de 0,5 kJ/mm. Por final, mais duas camadas de aço inoxidável com cobalto, liga resistente à cavitação foram depositadas por arco pulsado, com energia de soldagem nominal de 0,5 a 0,8kJ/mm, com uma mistura de gases de 98% de argônio e 2% de oxigênio como proteção. Secções transversais das amostras foram preparadas, devidamente lixadas e depois polidas com alumina 1,0μm, seguido de ataque químico moderado com Villela para observação de microestruturas. Foi feito o estudo de microdureza Vickers com carga padrão de 0,4 N e espaçamento regular (0,4 mm)... / Nowadays most of the power supply used in Brazil is provided for a large number of hydraulic turbines. During its operation in hydroelectric power plants, these turbines usually have been damaged either mechanical or hydraulic reasons. So, catastrophic cracking and loss-of-mass due to cavitation erosion are main problems which are commonly repaired by welding. Higher levels of resistance to cavitation erosion have been attained with surface deposition of a cobalt-alloyed stainless steel coating by gas-protected arc welding techniques. In the present work six plates, which were machined from blades of hydraulic turbines made with ASTM A36 carbon steel grade, were used as base metal. Using manual gas-metal arc welding (GMAW) in flat weld position two layers of AWS E70-S6 carbon steel (1.2 mm diameter) were deposited on all samples. Only 3 samples two buttering layers were deposited with AWS E309-T1 flux-cored wire (1.6 mm diameter) using same processing, where were applied a 75% carbon dioxide - 25% argon mixture as protection gas. The nominal heat input used in all layers was approximately 0.5 kJ/mm. At the last welding deposition another two cobalt-alloyed, cavitation resistant, stainless steel cladding layers were deposited under pulsed arc with a nominal heat input of 0.5 to 0.8kJ/mm, being used for them a protective gas mixture of 98% argon - 2% oxygen. Transverse sections of weld deposit were prepared according standard grinding method (up to 1200-grit SiC paper) and final mechanical polishing using 1.0μm alumina, followed by moderate etching in Villela reagent for microstructural observation. Vickers microhardness measurements were carried out at standard load (0.4 N) and regular spacings (0,4mm) from surface to base metal. Light microscopy (LM) was used to determine average size of inclusions, which was measured from digitalized images using a freeware image analysis ...(Complete abstract, click electronic access below)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas. / Turbomachines are operational machines that transfer mechanical energy between a rotor and a fluid. This type of machinery is employed in many industries. One of the main components of a turbomachine responsible for the energy transference, either receiving the rotation of the shaft and transforming it into fluid energy in the case of a pump or transferring energy from the fluid to the shaft in the case of a turbine, is the impeller or rotor. The cavitation phenomenon involves two-phase flow: the liquid to be pumped and the vapor bubbles which are formed during pumping. The formation process of these bubbles is complex, but occurs mainly due to the presence of regions of very low pressure. The collapse of the bubbles can often lead to a deterioration of the material, depending on the intensity or speed of bubbles collapse. The main objectives of this work was to study the hydrodynamic behavior of the flow in the impeller channels of a turbomachine (radial flow turbopump) using computational fluid dynamics (CFD resources). An Euler-Lagrange approach coupled with the Langevin equation model, was employed to estimate the bubbles tracking trajectory. Results of the simulations show the details of liquid-vapor bubble flow in a curved channel, providing insights that help us in the cavitation prevent of this machines.

Muitos estudos são realizados para melhorar a resistência à erosão por cavitação dos aços. Entre estes estudos, está a utilização de aços inoxidáveis enriquecidos com nitrogênio na superfície. O presente trabalho estudou o uso da técnica SHTPN (Solution Heat Treatment after Plasma Nitriding), que consiste em duas etapas. Primeiro utiliza-se a nitretação a plasma, para inserir o nitrogênio no material. Na sequência realiza-se o tratamento térmico de solubilização, para que o nitrogênio fique em solução sólida. Foram utilizados neste trabalho dois aços inoxidáveis martensíticos (ASTM CA-6NM e ASM 15-5PH). A nitretação foi realizada na temperatura de 630°C por 3 horas. Para o aço CA-6NM foram utilizadas três diferentes condições de solubilização (1100°C por 1 hora, NS1, 1200°C por 30 minutos, NS2 e 1200°C por 1 hora NS3). Para o aço 15-5PH foi utilizada apenas 1 condição de solubilização (1200°C por 30 minutos, NS), e realizado posterior tratamento de envelhecimento (390°C por 8 horas, NSE). As amostras foram analisadas por difração de raios-x, microscopia ótica e determinação de perfil de microdureza na secção transversal. Verificou-se um aumento da dureza superficial dos aços CA-6NM, porém não foi observado grande presença de austenita próxima à superfície. No aço 15-5PH, foi observada uma camada de austenita na superfície. O ensaio de cavitação foi realizado conforme norma ASTM G32/09, porém utilizando o método indireto. A região cavitada das amostras foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura. Constatou-se que as amostras tratadas obtiveram aumento de resistência à erosão por cavitação, sendo de mais de 5 vezes para a condição NS1 e de três vezes para a condição NSE. / Several studies are being done to improve the cavitation erosion resistance of steel. Among those studies, is the use of steels with nitrogen enriched surfaces. In this study the use of SHTPN (Solution Heat Treatment after Plasma Nitriding) technique was studied, which consists in performing plasma nitriding, used to add nitrogen to the material, followed by a solubilization treatment so that the nitrogen is in solid solution. On this experiment two martensitic stainless steel were used (ASTM CA-6NM and ASM 15-5PH). Nitriding was performed at 630°C for 3 hours. Three different solubilization conditions were used for CA6NM steel (1100°C for 1 hour, NS1, 1200°C for 30 minutes, NS2 and 1200° for 1 hour, NS3). Only one condition was used for 15-5PH steel (1200°C por 30 minutos, NS), and later used an aging treatment (390°C for 8 hours, NSE). The samples were analyzed through x-ray diffraction, optical microscopy and microhardness profiles. All CA6NM samples had an increase in surface hardness, and no big austenite presence was observed. On 15-5PH steel, an austenictic phase was observed. The cavitation test was conducted according to ASTM G32/09 standard, but using the indirect method. The damaged area of the samples was analyzed by scanning electron microscopy. The treatment increased cavitation erosion resistance of all samples, having increased over 5 times for the NS1 sample and 3 times for NSE sample.

No desenho de mecanismos lubrificados, tais como Mancais hidrodinâmicos ou anéis de pistões de Motores a Combustão, atrito e desgaste são efeitos não desejados. Por exemplo, é sabido que aproximadamente 5% da energia perdida em um motor a combustão esta associada ao atrito presente no sistema de anéis/cilindro do pistão. Após vários trabalhos experimentais e teóricos, as superfícies texturizadas hão mostrado serem capazes de reduzir o atrito em algumas condições de funcionamento. O estudo da relação entre o atrito e os parâmetros de texturização é um problema difícil e de interesse tanto industrial como acadêmico. O contexto matemático e computacional destes trabalhos apresentam desafios por si mesmos, como o estudo da boa colocação dos modelos matemáticos, a consideração adequada das descontinuidades das superfícies. Este trabalho enfoca-se no contexto matemático, apresentando e estudando a equação de Reynolds junto com diferentes modelos de cavitação que podem encontrar-se na literatura. Começamos estudando a matemática da equação de Reynolds. Depois disso, modelos de cavitação são inclusos, aumentando a complexidade da matemática envolvida. Seguidamente, como aplicação da teoria apresentada, um rolamento deslizante será estudado junto com uma texturização da superfície móvel. Os resultados deste estudo revelam mecanismos básicos de redução de atrito e propriedades gerais que não haviam sido reportadas anteriormente. Possíveis trabalhos futuros são apresentados, tal como o uso de Métodos Descontínuos de Galerkin em vez dos Métodos de Volumes Finitos. O último em procura de uma melhor acomodação da formulação matemática, tentando melhorar a flexibilidade da malha e a precisão. / In the design of lubricated mechanisms, such as Journal Bearings or Piston Rings of Combustion Engines, friction and wear are undesirable effects. It is known, for instance, that about 5% of the energy loss in a Combustion Engine is associated to friction taking place in the Piston Rings/Cylinder system. Textured surfaces, after a significant number of experimental and theoretical studies, have shown to reduce friction in some operating conditions. The study of the relation between the friction and the texture parameters is a challenging problem with both industrial and academic interest. The mathematical and computational frameworks involved present challenges by themselves, such as establishing the well-posedness of the mathematical models with suitable consideration of discontinuous surfaces. In this work we focus on the mathematical framework, presenting and studying the Reynolds equation along with different state-of-the-art cavitation models. We begin by studying the Reynolds equation and then incorporate two different cavitation models of increasing mathematical complexity. Next, as an application of the theory already presented, a slider bearing is numerically studied considering a sinusoidal texture on the runner. The results of this study unveil basic mechanisms of friction reduction and global quantitative trends that had not been previously reported. In this way, the applicability of numerical tools for texture selection is established. Future research directions are also identified, such as using Discontinuous Galerkin methods instead of Finite Volume Methods, aiming at improving the mesh exibility and thus the accuracy of the discrete formulation.

Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces. / O atrito em mancais hidrodinâmicos é uma fonte importante de perdas em motores de combustão ([69]). As condições extremas de carga induzem contato entre as superfícies dos mancais. Em tais condições não somente a macro-geometria do mancal é relevante, mas também são as escalas menores da superfície as que determinam o desempenho do mancal. A possibilidade de fabricar superfícies com detalhes na escala do micrometro ([57]) deixou em aberto a questão de se o atrito pode ser reduzido por meio de micro-texturas, até agora com resultados mistos. Este trabalho centra-se no desenvolvimento de métodos numéricos eficientes para resolver problemas de lubrificação na escala da rugosidade das superfícies. Devido às altas velocidades e a forma convergente-divergente dos mancais hidrodinâmicos o fluido cavita. Para tratar o fenômeno de cavitação empregamos o modelo de Elrod-Adams, um modelo conservativo que tem demonstrado em cuidadosos testes numéricos ([12]) e experimentais ([119]) ser essencial para obter resultados físicos significativos. Outro aspecto revelante do modelado é que os efeitos inerciais do mancal são considerados, o que é necessário para simular corretamente texturas em movimento. Como aplicação, os efeitos de micro-texturizar a superfície móvel do mancal foram estudados. Valores realistas são assumidos nos parâmetros físicos que definem o problema. Foram realizados extensivos estudos no regime de lubrificação hidrodinâmica. Também foram executadas simulações convergidas em malha, levando em conta a topografia real de superfícies medidas, e as hipóteses de lubrificação para superfícies rugosas foram avaliadas.