Neste trabalho são estudados os mecanismos de desgaste, atuantes na escala do tamanho de grão (meso-escala), durante ensaios de cavitação vibratória, para diferentes amostras de aços inoxidáveis austeníticos ligados com nitrogênio. Amostras com teores superficiais de nitrogênio de aproximadamente 0, 9 % massa, 1, 4%massa e 20%massa, obtidas a partir do a¸co inoxidável dúplex UNS S31803, foram estudadas. As amostras do a¸co inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0, 9 % N massa, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura (temperatura de nitretação entre 1050 e 1200 C) e consistiram em três grupos diferentes: amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas, amostras com precipitação de nitretos e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. Já as amostras com teor de nitrogênio próximo de 20 % N massa foram processadas por meio de nitretação a plasma na temperatura de 400 C, obtendo-se uma camada superficial de austenita expandida. As amostras de ensaio foram submetidas à caracterização de textura por difração de elétrons retroespalhados, EBSD, e posteriormente à cavitação vibratória em ´agua destilada. Os ensaios de cavitação foram periodicamente interrompidos com o intuito de estudar a deteriora¸cao das amostras por exame das mesmas no microscópio eletrônico de varredura, MEV, e por medidas de perda de massa. Quando comparadas com os aços inoxidáveis austeníticos convencionais (UNS S30403 solubilizado e UNS S31803 como recebido), sem adição de nitrogênio e livre de encruamento, as amostras estudadas apresentaram resistência ao desgaste por cavitação superior, quantificada tanto pelo tempo de incubação do dano com perda de massa quanto pela taxa máxima de perda de massa nos estágios avançados do dano. A taxa máxima de perda de massa para cada tipo de amostra estudada, com relação `a taxa máxima do material de comparação, o aço inoxidável convencional sem adição de nitrogênio e livre de encruamento (UNS S30403) solubilizado, foi de: amostras com precipitação de nitretos (318HTGN+Nit), 6,9 vezes menor; amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGH+Sol) e laminadas e solubilizadas (318HTGN+Lam+Sol), 26,8 e 25 vezes menor, respectivamente; amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas (318HTGN+Enc) 145 vezes menor; e amostras com camada superficial de austenita expandida (obtidas por nitretação a plasma), (318HTGN+Plas e 304LSol+Plas) 290 e 1,77 e vezes menor respectivamente. O efeito benéfico da adição de nitrogênio na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis austeníticos estudados foi atribuído a: (i) aumento na resistência à deformação plástica; (ii) distribuição mais homogênea da deformação plástica induzida pelas ondas de choque e micro-jatos característicos do processo de cavitação; e (iii) aumento da importância relativa dos mecanismos de perda de massa com elevado consumo de energia de impacto. Nos primeiros estágios do dano erosivo por cavitação se observou clara evidência de deformação plástica, acompanhada de formação de microreelevo superficial e de protrusão de bandas de escorregamento. A perda de massa em nível microscópico (observações no MEV) começa como destacamento de material em microtrincas e micropites. Observou-se que tanto a nucleação do dano como o seu crescimento se apresenta de forma heterogênea na escala do tamanho de grão. Os sítios microestruturais nos quais se iniciou o dano com perda de massa foram preferencialmente protuberâncias nas protrusões de bandas de escorregamento, protuberâncias nos contornos de grão e as interfaces matriznitreto. O incremento do teor de nitrogênio (em solução sólida) na amostra aumentou a importância relativa dos contornos de grão como locais de nucleação do dano, em relação ao dano iniciado no interior dos grãos. Observou-se que o interior dos grãos com planos 100 ou 111 orientados de forma aproximadamente paralela à superfície das amostras são regiões muito suscetíveis à incubação do dano e ao crescimento do mesmo. Já os grãos com planos 101 orientados aproximadamente paralela à superfície das amostras, apresentam regiões com resistência ao dano bem maior. Esses resultados são discutidos, considerando as diferenças de tensão (resultantes da ação de ondas de choque causadas pela implosão de bolhas de cavitação) crítica projetada para cisalhamento de grãos com diferentes orientações. O dano ocorre preferencialmente em contornos de grãos com acentuados gradientes de tensão resolvida para a deformação plástica, onde se desenvolve elevada concentração de tensões. Em particular, os contornos de macla CSL 3 são acentuadamente mais suscetíveis à incubação do dano que os outros tipos de contornos CSL e que os contornos não CSL. / High nitrogen austenitic stainless steels containing 0.9 wt-% N and 20 wt- % N were tested in a ultrasonically induced vibratory cavitation testing device. Incubation times for damage initiation and mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. Scanning Electron Microscopy observation of the damaged surfaces allowed identifying the wear mechanisms operating during each step of the cavitation-erosion test. 0.9 wt-% N specimens were obtained through High Temperature Gas Nitriding UNS S31803 duplex stainless steel, at temperatures between 1050 and 1200 oC. Three groups of specimens were obtained: solubilized with all nitrogen in solid solution, solubilized and work hardened specimens and nitride containing specimens. The 20 wt- % N specimens were obtained through Low Temperature Plasma Nitriding the already High Temperature Gas Nitrided specimens and getting an expanded austenite layer at the surface. The specimens were firstly characterized by Electron Backscattered Diffraction - EBSD techniques and then submitted to the cavitation-erosion tests in distilled water. When compared to conventional UNS S30403 lean nitrogen solubilized austenitic stainless steel specimens, greater incubation times and smaller maximum wear rates were observed. The maximum wear rates (compared to those of the solubilized UNS S30403 steel) were: for the nitride containing specimen 6.9 times smaller; for textured and non-textured all nitrogen in solid solution specimens 26.8 and 25 times smaller, respectively; for the solubilized and work hardened specimen 145 times smaller; for the expanded austenite layer, with circa 20 wt- % N, specimens 300 times smaller. The beneficial effect of nitrogen on the cavitation-erosion resistance of the studied specimens was attributed to: (i) an increase in resistance to plastic deformation; (ii) a more homogeneous distribution of the plastic deformation; and (iii) an increase of the relative participation of energy consuming mass loss mechanisms. Plastic deformation accompanied by formation of micro relief at the surface and slip bands protrusions were clearly identified, during the first stages of cavitation erosion. The first evidences of mass loss (detected by SEM observations) were seen as particles detaching from micro cracks and micro pits formed at the grain surface. Nucleation and growth of cavitation damage was heterogeneously distributed at the grain scale. Slip bands protrusions, grain boundary protrusions and nitride matrix interfaces sites were more prone to nucleating the damage. Increasing nitrogen contents in solid solution increased the relative contribution of grain boundary nucleated damage, compared to the total amount of nucleation sites. Grains with 100 and 111 crystallographic planes approximately parallel to the surface were more prone to nucleation and growth of cavitation damage. Grains with 101 planes // surface were much more resistant to cavitation-erosion damage. These results are discussed considering differences of critical resolved shear stresses for grains with different orientations. Cavitation erosion damage occurs preferentially at grain boundaries across which steep stress gradients arise. Particularly, CSL -3 twin boundaries are much more susceptible to cavitation erosion damage incubation than other types of CSL boundaries and non CSL boundaries.

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.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Orientadores: Fernando Roberto Martins, Rafael Silva Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-22T21:00:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_ArildodeSouza_D.pdf: 101885895 bytes, checksum: 1d2644f73311bbbaee1346d9d6c59e1b (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Compreender como espécies de plantas diferenciam-se em relação a atributos funcionais para aquisição e utilização de recursos, e se a relação entre esses atributos varia em função de diferenças ambientais, como pluviosidade total e sazonalidade, e uma forma de construir uma ecologia mais preditiva no contexto das mudanças climáticas globais. Nesta tese investigamos como arvores e lianas se diferenciam em relação a atributos funcionais da folha dos ramos. Analisamos-nos se o relacionamento entre esses atributos diferia considerando a variação de pluviosidade e sazonalidade de duas fitofiosionomias da Floresta Atlântica, a floresta ombrofila densa (FO) e a floresta estacional semedicidua (FS). Encontramos diferenças não são na amplitude, mas também na forca do relacionamento entre os atributos funcionais foliares estudados. Essas diferenças parecem ser determinadas pela diferença ambiental entre as duas florestas estudadas e por características intrínsecas do habito de crescimento de lianas e arvores. A anatomia do xilema das espécies de lianas e arvores da FO difere em relação à das espécies da FS, mesmo quando consideramos o parentesco filogenético. Por investir pouco em tecidos de sustentação esperava-se menor conteúdo de lignina nos ramos de lianas, entretanto nosso resulto foi o oposto. Encontramos a razão S/G dos monômeros syringil e guaiacil que compõe a lignina menor que um para duas espécies de lianas. Indicando que ha maior deposição de lignina em vasos de xilema do que em fibras. Esse fato pode estar relacionado à maior eficiência em condutividade hidráulica de lianas ou a requerimentos biomecânicos específicos dos ramos de lianas. Em particular, ressalta-se o fato de que lianas foram mais eficientes em captar luz (menor MFA) e tiveram maior condutividade hidráulica potencial (Kp) do que arvores na FS. A maior competitividade de lianas frente arvores apenas na FS tem implicação importante no cenário de mudanças climáticas / Abstract: Understanding how plant species differentiated in functional traits for resources acquisition and use, and if the relationships among those traits vary in according with environmental characteristics such as rainfall and seasonality, could lead to a more predictive science in the context of global change. Here we investigate how trees and lianas differ in leaf and xylem anatomical traits related to water transport and hydraulic architecture. We analyze the relationships among those traits taking into account the variation in rainfall and seasonality between two types of Atlantic Forest, semediciduous seasonal forest (SF) and the dense ombrophilous forest (OF). We found differences not only in range, but in the strength of the relationship among leaf functional traits, which in turn could be related to environmental differences between the two forests studied. The xylem anatomy of lianas and tree species of OF differ compared to species of SF despite taking to account the phylogenetic relatedness. Since lianas have low investment in support tissues we expected lower lignin content in the branches of lianas. However, we found the opposite pattern. Another unexpected result found for two liana species was the ratio to the monomers syringyl and guayacil present at lignin (S/G) lower than one. This result indicates that there is more deposition of lignin in xylem vessel walls than fibers, what in turn would be linked to greater efficiency in hydraulic conductivity of lianas or to specific biomechanical requirements of the branches of lianas. In particular, we highlighted the fact that liana species are more efficient in light acquisition (lower LMA) and had higher hydraulic conductivity (Kp) relative to trees just in the SF. These lianas competitive advantages over trees have important implications in the context of climatic changes / Doutorado / Biologia Vegetal / Doutor em Biologia Vegetal

Orientador: Celso Eduardo Tuna / Resumo: A agroindústria nacional brasileira dispõe de uma grande variedade de unidades agrícolas que geram elevada quantidade de resíduos como o bagaço de cana-de-açúcar. Mesmo diante da crescente utilização desse material, o excedente ainda é da ordem de milhões de toneladas, causando problemas de estocagem e poluição ambiental. Devido a sua estrutura complexa e sua recalcitrância, a etapa de pré-tratamento representa o desafio mais crítico para a viabilização da utilização do bagaço de cana-de-açúcar dentro do contexto de uma biorrefinaria. O pré-tratamento busca facilitar o acesso aos componentes estruturais da biomassa, permitindo sua utilização na cadeia produtiva. Existem diferentes métodos de pré-tratamento como os físicos, químicos e biológicos ou uma combinação de todos esses, de modo que a geração de resíduos ambientalmente perigosos e/ou altos insumos energéticos é o gargalo. Neste sentido, rotas tecnológicas alternativas vem sendo estudadas e a cavitação hidrodinâmica desponta-se como uma promissora rota para o pré-tratamento de biomassa liberando grandes magnitudes de energia e induzindo a transformações físicas e químicas, favorecendo o rompimento da matriz carboidrato-lignina. Neste contexto, este trabalho empregou a cavitação hidrodinâmica para potencializar o pré-tratamento alcalino do bagaço de cana-de-açúcar. Para isto, projetou-se um reator de cavitação hidrodinâmica com tubo de Venturi utilizando como base uma abordagem computacional para a dinâmica dos fluidos. ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The Brazilian national agroindustry has a large variety of agricultural units that generate high amounts of waste such as sugarcane bagasse. Even with the increasing use of this material, the surplus is still in the order of millions of tons, causing problems of stocking and environmental pollution. Due to its complex structure and recalcitrance, the pretreatment stage represents the most critical challenge for the feasibility of using sugarcane bagasse within the context of biorefinery. Pretreatment seeks to facilitate access to the structural components of biomass, allowing its use in the production chain. There are different pretreatment methods such as physical, chemical, physicochemical and biological or a combination of all of these, so that the generation of environmentally hazardous waste and / or high energy inputs is the bottleneck. In this sense, alternative technological routes have been studied and hydrodynamic cavitation emerges as a promising route for biomass pretreatment releasing large energy magnitudes and inducing physical and chemical transformations, favoring the rupture of the carbohydrate-lignin matrix. In this context, this thesis employed hydrodynamic cavitation as a physical means to improve the alkaline pre-treatment of sugarcane bagasse. The hydrodynamic cavitation reactor with Venturi tube was modeled by a computational approach to fluid dynamics, in order to evaluate the influence of the pressure ratio, the length and diameter of the throat and ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Amostras de um aço inoxidável martensítico AISI 410 temperado e revenido foram nitretadas a plasma em baixa temperatura usando o tratamento de nitretação plasma DC e a nitretação a plasma com tela ativa. Ambos os tratamentos foram realizados a 400 °C, utilizando mistura gasosa de 75 % de nitrogênio e 25 % de hidrogênio durante 20 horas e 400 Pa de pressão. As amostras de aço AISI 410 temperado e revenido foram caracterizadas antes e depois dos tratamentos termoquímicos, usando as técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de microdureza, difração de raios X e medidas de teor de nitrogênio em função da distância à superfície por espectrometria WDSX de raios X. A resistência à erosão por cavitação do aço AISI 410 nitretado DC e com tela ativa foi avaliada segundo a norma ASTM G32 (1998). Os ensaios de erosão, de erosão - corrosão e de esclerometria linear instrumentada segundo norma ASTM C1624 (2005) somente foram realizados no aço AISI 410 nitretado com tela ativa. Ensaios de nanoindentação instrumentada forma utilizados para medir a dureza (H) e o módulo de elasticidade reduzido (E*) e calcular as relações H/E* e H3/E*2 e a recuperação elástica (We), utilizando o método proposto por Oliver e Pharr. Ambos os tratamentos produziram camadas nitretadas de espessura homogênea constituídas por martensita expandida supersaturada em nitrogênio e nitretos de ferro com durezas superiores a 1200 HV, porém, a nitretação DC produziu maior quantidade de nitretos de ferro do que o tratamento de tela ativa. Os resultados de erosão por cavitação do aço nitretado DC mostraram que a precipitação de nitretos de ferro é prejudicial para a resistência à cavitação já que reduziu drasticamente o período de incubação e aumentou a taxa de perda de massa nos estágios iniciais do ensaio; entretanto, depois da remoção desses nitretos de ferro, a camada nitretada formada somente por martensita expandida resistiu bem ao dano por cavitação. Já no caso do aço nitretado com tela ativa, a resistência à erosão por cavitação aumentou 27 vezes quando comparada com o aço AISI 410 sem nitretar, fato atribuído à pequena fração volumétrica e ao menor tamanho dos nitretos de ferro presente na camada nitretada, às maiores relações H/E* e H3/E*2 e à alta recuperação elástica da martensita expandida. A remoção de massa ocorreu, principalmente, pela formação de crateras e de destacamento de material da superfície dos grãos por fratura frágil sem evidente deformação plástica. As perdas de massa acumulada mostradas pelo aço nitretado foram menores do que aquelas do aço AISI 410 nos ensaios de erosão e de erosão corrosão. O aço nitretado apresentou uma diminuição nas taxas de desgaste em ambos os ensaios de aproximadamente 50 % quando comparadas com o aço AISI 410. O mecanismo de remoção de material foi predominantemente dúctil, mesmo com o grande aumento na dureza. Os resultados de esclerometria linear instrumentada mostraram que a formação de martensita expandida possibilitou uma diminuição considerável do coeficiente de atrito em relação ao observado no caso do aço AISI 410 sem nitretar. O valor de carga crítica de falha foi de 14 N. O mecanismo de falha operante no aço nitretado foi trincamento por tensão. / Specimens of a quenched and tempered AISI 410 martensitic stainless were low temperature plasma nitrided using DC pulsed plasma treatment and the pulsed plasma active screen technic. Both treatments were carried out at 400 °C in a mixture of 75 % of nitrogen and 25 % of hydrogen during 20 hours and 400 Pa of pressure. Nitrided and non-nitrided AISI 410 specimens were characterized by optical and scanning electron microscopy, micro and nanohardness measurements, X ray diffraction and determination of the nitrogen content as a function of the depth using wavelength dispersive spectroscopy WDSX. Cavitation erosion tests were carried out according to ASTM G32 (1998) standard for both DC nitrided steel and active screen nitrided steel, whereas, the erosion, erosion - corrosion tests and scratch tests according to ASTM C1624 (2005) were conducted only for active screen nitrided steel. Nanoindentation tests were carried out in order to assess the hardness (H), the reduced elastic modulus (E*) the H/E* and H3/E*2 ratios and the elastic recovery (We) of the active screen nitrided steel according to the procedure proposed by Oliver and Pharr. Both nitrided treatments produced thick nitrided cases composed of nitrogen supersaturaded expanded martensite and iron nitrides, however, the DC treatment promoted the precipitation of large quantities of iron nitrides in comparison to the active screen technic. The cavitation erosion results of the DC nitrided steel showed that iron nitrides precipitation is harmful for the cavitation resistance as it drastically reduced the incubation period, despites this, after the removal of those iron nitrides, the nitrided case composed solely of expanded martensite resisted the cavitation damage. On the other hand, the active screen technic increased 27 times the cavitation erosion resistance of the AISI 410 steel. The increase in cavitation erosion resistance was attributed to minor quantities of smaller size iron nitrides, the higher H/E* and H3/E*2 ratios and to the higher elastic response of the expanded martensite. The material removal mainly comes from the formation of craters and from debris detachment from the grain surfaces due to brittle fracture, without plastic deformation. The active screen nitrided steel showed the lower cumulative mass losses in erosion and erosion - corrosion tests. The nitrogen addition decreased around 50 % the erosion rate in both tests. The active screen nitrided steel showed a ductile behavior despite the intense increase in hardness. The scratch tests showed that expanded martensite formation led to a significant decrease of the friction coefficient. The critical load was 14 N and the failure mechanism acting in the nitrided case was tensile cracking.

O dimensionamento das câmaras dissipadoras para válvulas dispersoras demanda um estudo sobre a interação da operação destes elementos, não somente para um ponto de operação, mas também para a faixa operativa do conjunto, que compreende a faixa de operação da válvula e da câmara de dissipação. Os limites sobre responsabilidade assumem um cenário onde as dimensões da câmara podem não ser adequadas à operação da válvula, e vice-versa. Isto porque durante o processo de dissipação de energia, ocorrem grandes turbulências que podem gerar erosão na estrutura dissipadora. A interação entre a operação das válvulas dispersoras e as dimensões da câmara dissipadora é complexa porque o dimensionamento de um elemento está associado ao outro. Assim, as dimensões necessárias para dissipação de energia na câmara dependem de dados da válvula, resultando em uma interdependência de dados para a dissipação de energia adequada. O dimensionamento do conjunto deve levar em consideração a interdependência de operação dos elementos, caso contrário o funcionamento do sistema poderá ser inadequado devido às turbulências e altas velocidades, que podem gerar cavitação e erosão das estruturas dissipadoras. Os danos na estrutura dissipadora podem causar paradas de geração de energia das usinas hidrelétricas e acidentes nas regiões localizadas a jusante desta estrutura. O dimensionamento adequado do conjunto válvula e câmara dissipadora e o conhecimento de sua faixa operativa admissível pode ser feito com auxílio de simulações numéricas e ensaios em modelo reduzido de forma a prever o comportamento adequado do protótipo. Desta forma, as simulações numéricas em CFD possibilitam maior seletividade dos casos que serão ensaiados em modelo reduzido, proporcionando maior assertividade nestes ensaios. / The sizing of valves and chambers for dissipating purpose demands a study about the interaction between these elements, not only from an operation point of view but also the whole operating range of the set, which comprehends the operating range of the valve and the dissipating chamber. The limits of liability assume a scenario where the dimensions of the chamber may be not suitable for operation of the valve, and vice-versa. This is because during dissipating energy process, major turbulences occur which may cause erosion in the dissipating structure. The interaction between the dissipating valve and the dissipating chamber dimensions is complex because the sizing of an element is associated to other. Thus, the required dimensions to dissipate energy on the chamber rely on valve data, resulting in data interdependency required for adequate energy dissipation. The set sizing must consider the operation interdependency of both elements otherwise the system operation may be inadequate due to turbulence high flow velocities, which may cause cavitation and erosion of the dissipating structures. Damages on the dissipating structure may cause energy generation interruption of hydroelectric power plants and accidents on the regions located downstream this structure. The adequate sizing of the set valve and dissipating chamber as well as the information regarding its operating range can be done with the aid of numerical simulations and physical model tests in order to predict the behavior of the prototype. Therefore, numerical simulations in CFD allow more selectivity of the cases which will be tested in a physical model, proportioning higher assertiveness on those tests.

Amostras de um aço inoxidável martensítico AISI 410 temperado e revenido foram nitretadas a plasma em baixa temperatura usando o tratamento de nitretação plasma DC e a nitretação a plasma com tela ativa. Ambos os tratamentos foram realizados a 400 °C, utilizando mistura gasosa de 75 % de nitrogênio e 25 % de hidrogênio durante 20 horas e 400 Pa de pressão. As amostras de aço AISI 410 temperado e revenido foram caracterizadas antes e depois dos tratamentos termoquímicos, usando as técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de microdureza, difração de raios X e medidas de teor de nitrogênio em função da distância à superfície por espectrometria WDSX de raios X. A resistência à erosão por cavitação do aço AISI 410 nitretado DC e com tela ativa foi avaliada segundo a norma ASTM G32 (1998). Os ensaios de erosão, de erosão - corrosão e de esclerometria linear instrumentada segundo norma ASTM C1624 (2005) somente foram realizados no aço AISI 410 nitretado com tela ativa. Ensaios de nanoindentação instrumentada forma utilizados para medir a dureza (H) e o módulo de elasticidade reduzido (E*) e calcular as relações H/E* e H3/E*2 e a recuperação elástica (We), utilizando o método proposto por Oliver e Pharr. Ambos os tratamentos produziram camadas nitretadas de espessura homogênea constituídas por martensita expandida supersaturada em nitrogênio e nitretos de ferro com durezas superiores a 1200 HV, porém, a nitretação DC produziu maior quantidade de nitretos de ferro do que o tratamento de tela ativa. Os resultados de erosão por cavitação do aço nitretado DC mostraram que a precipitação de nitretos de ferro é prejudicial para a resistência à cavitação já que reduziu drasticamente o período de incubação e aumentou a taxa de perda de massa nos estágios iniciais do ensaio; entretanto, depois da remoção desses nitretos de ferro, a camada nitretada formada somente por martensita expandida resistiu bem ao dano por cavitação. Já no caso do aço nitretado com tela ativa, a resistência à erosão por cavitação aumentou 27 vezes quando comparada com o aço AISI 410 sem nitretar, fato atribuído à pequena fração volumétrica e ao menor tamanho dos nitretos de ferro presente na camada nitretada, às maiores relações H/E* e H3/E*2 e à alta recuperação elástica da martensita expandida. A remoção de massa ocorreu, principalmente, pela formação de crateras e de destacamento de material da superfície dos grãos por fratura frágil sem evidente deformação plástica. As perdas de massa acumulada mostradas pelo aço nitretado foram menores do que aquelas do aço AISI 410 nos ensaios de erosão e de erosão corrosão. O aço nitretado apresentou uma diminuição nas taxas de desgaste em ambos os ensaios de aproximadamente 50 % quando comparadas com o aço AISI 410. O mecanismo de remoção de material foi predominantemente dúctil, mesmo com o grande aumento na dureza. Os resultados de esclerometria linear instrumentada mostraram que a formação de martensita expandida possibilitou uma diminuição considerável do coeficiente de atrito em relação ao observado no caso do aço AISI 410 sem nitretar. O valor de carga crítica de falha foi de 14 N. O mecanismo de falha operante no aço nitretado foi trincamento por tensão. / Specimens of a quenched and tempered AISI 410 martensitic stainless were low temperature plasma nitrided using DC pulsed plasma treatment and the pulsed plasma active screen technic. Both treatments were carried out at 400 °C in a mixture of 75 % of nitrogen and 25 % of hydrogen during 20 hours and 400 Pa of pressure. Nitrided and non-nitrided AISI 410 specimens were characterized by optical and scanning electron microscopy, micro and nanohardness measurements, X ray diffraction and determination of the nitrogen content as a function of the depth using wavelength dispersive spectroscopy WDSX. Cavitation erosion tests were carried out according to ASTM G32 (1998) standard for both DC nitrided steel and active screen nitrided steel, whereas, the erosion, erosion - corrosion tests and scratch tests according to ASTM C1624 (2005) were conducted only for active screen nitrided steel. Nanoindentation tests were carried out in order to assess the hardness (H), the reduced elastic modulus (E*) the H/E* and H3/E*2 ratios and the elastic recovery (We) of the active screen nitrided steel according to the procedure proposed by Oliver and Pharr. Both nitrided treatments produced thick nitrided cases composed of nitrogen supersaturaded expanded martensite and iron nitrides, however, the DC treatment promoted the precipitation of large quantities of iron nitrides in comparison to the active screen technic. The cavitation erosion results of the DC nitrided steel showed that iron nitrides precipitation is harmful for the cavitation resistance as it drastically reduced the incubation period, despites this, after the removal of those iron nitrides, the nitrided case composed solely of expanded martensite resisted the cavitation damage. On the other hand, the active screen technic increased 27 times the cavitation erosion resistance of the AISI 410 steel. The increase in cavitation erosion resistance was attributed to minor quantities of smaller size iron nitrides, the higher H/E* and H3/E*2 ratios and to the higher elastic response of the expanded martensite. The material removal mainly comes from the formation of craters and from debris detachment from the grain surfaces due to brittle fracture, without plastic deformation. The active screen nitrided steel showed the lower cumulative mass losses in erosion and erosion - corrosion tests. The nitrogen addition decreased around 50 % the erosion rate in both tests. The active screen nitrided steel showed a ductile behavior despite the intense increase in hardness. The scratch tests showed that expanded martensite formation led to a significant decrease of the friction coefficient. The critical load was 14 N and the failure mechanism acting in the nitrided case was tensile cracking.

Simulações são realizadas utilizando a dinâmica de fluidos computacional (DFC) para prever o desempenho e características de escoamento em uma bomba ejetora anular. A simulação numérica do escoamento no interior da bomba ejetora anular é realizada utilizando o código FLUENT 6.3.26. No presente estudo, o método de volumes finitos é utilizado para resolver um escoamento tridimensional, em regime permanente e incompressível modelado pelas seguintes equações matemáticas: continuidade, momentum e modelo de turbulência . Uma boa concordância foi obtida na comparação entre os resultados numéricos e experimentais disponíveis. Então, os resultados numéricos são utilizados para analisar as seguintes dependências: razão de altura manométrica versus razão de vazão volumétrica e a eficiência global versus razão de vazão volumétrica. Os perfis de velocidade e pressão estática também são usados para estudar o processo de mistura entre as duas correntes na câmara de mistura da bomba ejetora. A boa concordância com os resultados experimentais e a compreensão do escoamento de água obtidos nesta análise numérica mostram que uma abordagem adequada do DFC pode ser utilizada para melhorar o desempenho da bomba ejetora.

A cavitação e a dinâmica de bolhas são tópicos bastante recorrentes na literatura, devido sobretudo a seus efeitos em diversos tipos de fenômenos, como transferência de calor e escoamento em tubos. Considerando fases líquidas, sabe-se que estas estruturas de cavidade estão normalmente associadas ao equilíbrio metaestável, alcançado devido a quedas locais de pressão ou ao superaquecimento de uma substância pura (ou quase). Nestes casos é necessária a inicialização da mudança de fase através de algum mecanismo adequado, o qual gera uma sequência rápida de fenômenos. Apesar de comumente associado a danos, recentemente vários estudos vêm mostrando aplicações práticas deste tema, além de um campo ainda pouco explorado, que é o das macro cavidades. Essas cavidades podem ser geradas através do aquecimento de água a baixa pressão, sob condições específicas, criando sequências explosivas e formando movimentos como pistão para a água no interior de um invólucro convenientemente dimensionado. Este fenômeno mostra-se semelhante em diversos aspectos às micro cavidades, mais especificamente às cavidades próximas a superfícies livres, embora, sem dúvida, em escala muito maior. Os aspectos mencionados foram filmados com câmeras de alta velocidade e as características observadas foram comparadas com aquelas observadas em micro escala. Vários testes foram desenvolvidos de forma a melhor entender a dinâmica da formação e colapso dessas estruturas, sobretudo levando em conta um comportamento mais unidimensional para a evolução da bolha. Através de várias aproximações e análise de diferentes hipóteses para a variação de pressão e para a força de resistência, soluções analíticas e numéricas foram obtidas para a força exercida no fundo do contêiner e para a expansão e colapso das bolhas ao longo do tempo. As soluções propostas, em comparação com os dados experimentais, mostraram boa concordância entre si, sugerindo que os aspectos fundamentais da dinâmica da cavidade foram devidamente considerados e quantificados. / Cavitation and bubble dynamics are fairly recurring topics in literature, mostly due to their effects in various types of phenomena such as heat transfer and flow in pipes. Considering liquid phases, it is known that these cavity structures are normally associated with the metastable equilibrium, reached due to local pressure drop or overheating of a pure substance (or nearly so). In these cases, the phase change require a startup via some appropriate mechanism, which generates a fast sequence of phenomena. Although commonly associated with damage, recently several studies shown practical applications of these topics, and a still little explored field emerged, which is the field of macro cavities. These cavities can be generated by heating water at a low pressure, under specific conditions, creating an explosive sequences and forming piston like movements for the water inside a properly scaled casing. This phenomenon appears to be similar in many aspects to micro cavities, more specifically for cavities near free surfaces, although, without doubt, on a much larger scale. The mentioned aspects were filmed with high-speed cameras and the main features were compared with those observed in micro scale. Several tests have been developed to better understand the dynamics of the formation and collapse of these structures, especially taking into account a more one-dimensional behavior to the evolution of the bubble. Through various approximations, and analysis of different assumptions for the variation of pressure and the resistance force, analytical and numerical solutions were obtained for the force exerted on the bottom of the container and the expansion and collapse of bubbles over time. The proposed solutions in comparison with experimental data showed good agreement between each other suggesting that the fundamental aspects of the dynamics of the cavity were properly considered and quantified.