Cette thèse traite de la modélisation des réacteurs chimiques par la « modélisation compartimentale », qui consiste à diviser le système en un réseau d’une dizaine à quelques centaines de volumes interconnectés, appelés compartiments. La structure du réseau est déduite à partir d’informations provenant d’expériences de traçage, d’informations techniques sur le réacteur chimique, de simulations de mécanique des fluides numérique et des objectifs de la modélisation. Cette méthode procure un bon compromis entre temps de calcul et finesse des résultats. Quand ils sont correctement menés, les modèles à compartiments donnent des prédictions similaires, en termes de réactions chimiques, à ceux issus des simulations de mécanique des fluides numérique réactive avec un temps de calcul plus court et une représentation physique plus concrète du comportement du réacteur. Chaque étude issue de la littérature est consacrée à un réacteur spécifique avec une approche particulière qui ne peut pas être directement transposée sur un autre réacteur. L’objectif de cette thèse est d’apporter une contribution au développement d’une méthodologie la plus générale possible et de développer un outil de génération automatique et de résolution du système d’équations différentielles qui doit être résolu. Dans le premier chapitre, un état de l’art est réalisé, définissant le champ d’application de notre méthode, dans le but d’identifier les méthodes de découpage les plus pertinentes et les différentes méthodes pour calculer les échanges entre les compartiments. Dans un second chapitre, une méthode générale pour de la modélisation compartimentale est développée. Une approche polyvalente est proposée, consistant à découper le réacteur en tranches identiques. Le calcul des échanges entre compartiments, dus à la convection et la turbulence, est présenté en détail, avec la description des trois méthodes de calcul des échanges turbulents. Une interface a été développée permettant de construire n’importe quel réseau de compartiments. À partir de cette interface, les équations sont écrites et automatiquement résolues. La méthode est appliquée dans un troisième chapitre sur un cas défavorable au découpage en tranches. Cela a permis de tester les limites de cette approche. En particulier, deux points ont été étudiés : (1) l’applicabilité du découpage en tranches identiques et (2) la comparaison entre les méthodes de calcul des échanges turbulents. Le premier test a prouvé la robustesse de l’approche par division mais le second test n’a pas permis d’établir si une méthode de calcul est meilleure qu’une autre. Finalement, la méthode a été valorisée et transférée en implémentant les algorithmes développés dans un logiciel commercial. Ce logiciel permet de simuler la dispersion d’espèces réactives et non réactives (traceurs), dans un modèle contenant plusieurs centaines de compartiments organisés en tranches identiques / This PhD deals with modelling of chemical reactors with the “compartmental modelling” approach, which consists in dividing the system into a network from a dozen to several hundreds of interconnected volumes, called compartments. The structure of the network is deduced from tracer experiments, technical information about the chemical reactor and computational fluid dynamics flow simulations. This method provides a good compromise between computation time and results accuracy. When they are properly set-up, compartmental models give similar predictions, in terms of chemical reactions, as those of CFD simulations with a shorter calculation time and a more concrete representation of the reactor behavior. Every study from the literature is devoted to a specific reactor with a particular approach that cannot be straightforwardly transposed to other reactors. The aim of this PhD is to provide a contribution to the development of the most general possible methodology and to develop an automatic tool of generation and resolution of the differential equations system which must be solved. In the first chapter, a state of the art is proposed, defining the field of application of our method, in order to identify the most relevant division methods and the different methods to calculate the exchange between compartments. In the second chapter, a general methodology for compartmental modelling is developed. A versatile approach is proposed, consisting in dividing the reactor in identical slices. The calculation of exchange between compartments, both due to convection and turbulence, is presented in detail, with the description of three calculation methods for turbulent exchange. An interface has been developed, allowing to build any network of compartments. From this interface, the equations are written and solved automatically. The methodology is applied in the third chapter to an unfavorable case for slice cutting. This has allowed to test the limit of this approach. In particular, two points have been studied: (1) the applicability of division into identical slices and (2) the comparison between the turbulent exchange calculation methods. The first test has proved the robustness of the division approach but the second test has not allowed to establish whether one calculation method is better than another. Finally, the methodology has been promoted and transferred by implementing the developed algorithms within a commercial software. This software allows to simulate the dispersion of reactive and non-reactive (tracers) species, in model containing hundreds of compartments organized in identical slices

[pt] A substituição de válvula aórtica por cateter (Transcatheter Aortic Valve Replacement, TAVR) tornou-se uma poderosa alternativa para pacientes com estenose aórtica e com alto risco de serem submetidos à cirurgia tradicional de peito aberto. O conhecimento da distribuição da pressão, bem como a tensão cisalhante na superfície da aorta podem ajudar a identificar regiões críticas, onde o processo de remodelamento da aorta pode ocorrer. O objetivo do presente trabalho é avaliar numericamente a influência do posicionamento do orifício da válvula protética no campo de escoamento. O estudo foi realizado com base em um paciente submetido a TAVR. Um modelo 3D foi gerado a partir de angiotomografia e de segmentação de imagens da aorta. Dados experimentais obtidos anteriormente na mesma geometria indicaram que o fluxo do jato através da válvula de entrada é de natureza turbulenta. O escoamento foi determinado numericamente com o software comercial FLUENT. A turbulência foi modelada com o modelo de dois equações k-omega SST. Para representar um fluxo pulsátil, foram impostos diferentes fluxo de massa na entrada da válvula. Para todas as vazões investigadas, obteve-se um padrão de escoamento semelhante. Mostrou-se que uma pequena variação dos ângulos de inclinação pode modificar a natureza do fluxo, deslocando a posição dos vórtices e alterando a localização das regiões de alta tensão de cisalhamento, assim como de alta pressão, na superfície interna da aorta. Mostrou-se também que um aumento da intensidade da turbulência na entrada diminui os valores de tensão cisalhante e de pressão nas paredes da aorta. Essas características hemodinâmicas podem ser relevantes no processo de remodelação aórtica e os estresses mecânicos podem influenciar na durabilidade da prótese valvular. / [en] Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) has become a powerful alternative for patients with aortic stenosis and a high surgical risk to face a traditional open chest surgery. The knowledge of the pressure distribution as well as shear stress at the aortic surface may help identify critical regions, where aortic remodeling process may occur. The purpose of the present work is to evaluate numerically the influence of the positioning of the prosthetic valve orifice in the flow field. The study was carried out on the basis of a particular patient who had undergone a TAVR. A 3D model was generated from computed tomography angiography and image segmentation of the aorta. Experimental data previously obtained in the same geometry indicated that the jet flow through the inlet valve is turbulent flow. The flow field was numerically determined with the commercial software Fluent. The turbulence was modeled with the two-equation k-omega SST model. To represent a pulsatile flow, different mass flow rates were imposed at the inlet valve. Similar flow pattern was observed for all flow rates investigated. It was shown that small variations of the tilt angle can modify the nature of the flow, displacing the position of the vortices and altering the location of high shear stress, as well as high pressure, at the aortic inner wall. It was also shown that an increase of the turbulent intensity at the entrance decreases the values of shear stress and pressure on the walls. These hemodynamic features may be relevant in the aortic remodeling process and the mechanical stresses may influence the durability of the valve prosthesis.

[pt] A equação diferencial parcial de Poisson é de fundamental importância em várias áreas de pesquisa, dentre elas: matemática, física e engenharia. Para resolvê-la numericamente utilizam-se vários métodos, tais como os já tradicionais métodos das diferenças finitas e dos elementos finitos. Este trabalho propõe um método para resolver a equação de Poisson, utilizando uma abordagem de sistema de partículas conhecido como SPH, do inglês Smoothed Particles Hydrodynamics. O método proposto para a solução da equação de Poisson e os operadores diferenciais discretos definidos no método SPH, chamados de operadores SPH, são utilizados neste trabalho em duas aplicações: na decomposição de campos vetoriais; e na simulação numérica de escoamentos de fluidos monofásicos e bifásicos utilizando a equação de Navier-Stokes. / [en] Poisson`s equation is of fundamental importance in many research areas in engineering and the mathematical and physical sciences. Its numerical solution uses several approaches among them finite differences and finite elements. In this work we propose a method to solve Poisson`s equation using the particle method known as SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). The proposed method together with an accurate analysis of the discrete differential operators defined by SPH are applied in two related situations: the Hodge-Helmholtz vector field decomposition and the numerical simulation of the Navier-Stokes equations.

[pt] Fluidos são extremamente comuns em nosso mundo e têm papel central em muitos fenômenos naturais. A compreensão de seu comportamento tem importância fundamental em uma vasta gama de aplicações e diversas áreas de pesquisa, da análise de fluxo sanguíneo até o transporte de petróleo, da exploração do fluxo de um rio até a previsão de maremotos, tempestades e furacões. Na simulação de fluidos, a abordagem conhecida como Euleriana é capaz de gerar resultados bastante corretos e precisos, mas as computações envolvidas podem se tornar excessivamente custosas quando há a necessidade de tratar fronteiras curvas e obstáculos com formas complexas. Este trabalho aborda esse problema e apresenta uma técnica Euleriana rápida e direta para simular o escoamento de fluidos em grades estruturadas parametrizadas tridimensionais. O principal objetivo do método é tratar de forma correta e eficiente as interações de fluidos com fronteiras curvas, incluindo paredes externas e obstáculos internos. Para isso, são utilizadas matrizes Jacobianas por célula para relacionar as derivadas de campos escalares e vetoriais nos espaços do mundo e paramétrico, o que permite a resolução das equações de Navier-Stokes diretamente no segundo, onde a discretização do domínio torna-se simplesmente uma grade uniforme. O trabalho parte de um simulador baseado em grades regulares e descreve como adaptá-lo com a aplicação das matrizes Jacobianas em cada passo, incluindo a resolução de equações de Poisson e dos sistemas lineares esparsos associados, utilizando tanto iterações de Jacobi quanto o método do Gradiente Biconjugado Estabilizado. A técnica é implementada na linguagem de programação CUDA e procura explorar ao máximo a arquitetura massivamente paralela das placas gráficas atuais. / [en] Fluids are extremely common in our world and play a central role in many natural phenomena. Understanding their behavior is of great importance to a broad range of applications and several areas of research, from blood flow analysis to oil transportation, from the exploitation of river flows to the prediction of tidal waves, storms and hurricanes. When simulating fluids, the so-called Eulerian approach can generate quite correct and precise results, but the computations involved can become excessively expensive when curved boundaries and obstacles with complex shapes need to be taken into account. This work addresses this problem and presents a fast and straightforward Eulerian technique to simulate fluid flows in three-dimensional parameterized structured grids. The method s primary design goal is the correct and efficient handling of fluid interactions with curved boundary walls and internal obstacles. This is accomplished by the use of per-cell Jacobian matrices to relate field derivatives in the world and parameter spaces, which allows the Navier-Stokes equations to be solved directly in the latter, where the domain discretization becomes a simple uniform grid. The work builds on a regular-grid-based simulator and describes how to apply Jacobian matrices to each step, including the solution of Poisson equations and the related sparse linear systems using both Jacobi iterations and a Biconjugate Gradient Stabilized solver. The technique is implemented efficiently in the CUDA programming language and strives to take full advantage of the massively parallel architecture of today s graphics cards.

[pt] Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) é frequentemente aplicada ao estudo da combustão, permitindo otimizar o processo e controlar a emissão de poluentes. Entretanto, reproduzir o comportamento observado nos sistemas de engenharia tem uma elevada carga computacional. Para superar este custo, técnicas de aprendizagem de máquinas, tais como modelos de ordem reduzida (ROM), têm sido aplicadas a várias aplicações de engenharia com o objetivo de criar modelos para sistemas complexos com custo computacional reduzido. Aqui, o ROM é criado usando dados de simulação de chama laminar não pré-misturada de CFD, decompondo-os, e depois aplicando um algoritmo de aprendizagem de máquinas, criando um ROM estático. Este trabalho analisa o efeito de cinco abordagens diferentes de pré-processamento de dados sobre o ROM, sendo estas: (1) as propriedades tratadas como um sistema desacoplado ou como um sistema acoplado, (2) sem normalização, (3) com temperatura e velocidade normalizadas, (4) todas as propriedades normalizadas, e (5) o logaritmo da espécie química. Para todos os ROM construídos são analisados a energia do processo de redução e a reconstrução dos campos das propriedades da chama. Em relação a análise da energia da redução, o ROM acoplado, exceto o ROM (4), e o ROM do logaritmo convergem rapidamente, semelhante ao ROM da temperatura desacoplado, enquanto o ROM da espécie química minoritária desacoplado exibe uma lenta convergência, tal como o ROM acoplado com todas as propriedades normalizadas. Assim, a aprendizagem é atingida com um número menor de modos para a ROM (2), (3) e (5). Quanto à reconstrução dos campos de propriedades, nota-se que existem regiões de fração mássica negativa, o que sugere que a metodologia do ROM não preserva a monotonicidade ou a delimitação das propriedades. A abordagem do logaritmo mostra que estes problemas são superados e reproduzem os dados originais. / [en] Computational fluid dynamics (CFD) is often applied to the study of combustion, enabling to optimize the process and control the emission of pollutants. However, reproducing the behavior observed in engineering systems has a high computational burden. To overcome this cost, machine learning techniques, such as reduced order models (ROM), have been applied to several engineering applications aiming to create models for complex systems with reduced computational cost. Here, the ROM is created using CFD laminar non premixed flame simulation data, decomposing it, and then applying a machine learning algorithm, creating a static ROM. This work analyzes the effect of five different data pre-processing approaches on the ROM, these being: (1) the properties treated as an uncoupled system or as a coupled system, (2) without normalization, (3) with temperature and velocity normalized, (4) all properties normalized, and (5) the logarithm of the chemical species. For all ROM constructed are analyzed the energy of the reduction process and the reconstruction of the flame properties fields. Regarding the reduction energy analysis, the coupled ROM, except the ROM (4), and the logarithm ROM converges faster, similarly to the uncoupled temperature ROM, whereas the uncoupled minor chemical species ROM exhibits a slower convergence, as does the coupled ROM with all properties normalized. So, the learning is achieved with a smaller number of modes for the ROM (2), (3) and (5). As for the reconstruction of the property fields, it is noted that there are regions of negative mass fraction, which suggest that the ROM methodology does not preserve the monocity or the boundedness of the properties. The logarithm approach shows that these problems are overcome and reproduce the original data.

[pt] A correta operação de equipamentos na indústria de Óleo e Gás é fundamental para a reduzir perdas ambientais, humanas e financeiras. Neste cenário, foram estudados selos secos a gás (em inglês,DGS) de compressores cetrífugos, por serem identificados como os mais críticos devido à extensão dos danos potenciais causados em caso de falha. Neste estudo, foram desenvolvidos 31 modelos regressivos disponíveis no Scikit-Learn através de técnicas de aprendizado de máquina (em inglês, ML). Estes foram treinados com um conjunto de dados escassos, criado a partir de uma técnica de planejamento de experimentos, para substituir simulações numéricas na previsão de confiabilidade operacional de DGSs. Primeiramente, foi validado um modelo baseado na simulação da Dinâmica dos Fluidos Computacionais (em inglês, CFD) para representar o escoamento do gás entre as faces de selagem, a fim de possibilitar o cálculo da confiabilidade operacional do equipamento. Neste, foi utilizado o software de CFD de código aberto OpenFOAM em conjunto com o banco de dados de substâncias do software REFPROP, a fim de possibilitar ao usuário definir a mistura gasosa e as condições operacionais avaliadas. Em seguida, foram realizados dois estudos de caso seguindo um fluxograma genérico de projeto proposto. O primeiro consistiu na determinação de um modelo regressivo para estimar a confiabilidade de um DGS cuja composição gasosa (composta por metano, etano e octano) é fixa porém suas condições operacionais podem ser alteradas. Já o segundo consistiu na determinação de um modelo regressivo mais robusto, onde tanto a composição gasosa como as condições operacionais podem ser alteradas. Por fim, foi avaliada a viabilidade de implementação de ambos os modelos em condições reais de operação, baseado na norma infinita obtida para a predição do conjunto de teste. As performances atingidar foram de 1.872 graus Celsius e 6.951 grau Celsius para o primeiro e segundo estudos de caso, respectivamente. / [en] The correct equipment operation in the Oil and Gas industry is essential to reduce environmental, human, and financial losses. In this scenario, dry gas seals (DGS) of centrifugal compressors were studied, as they are identified as the most critical device due to the extent of the potential damage caused by their failure. In this study, 31 regression models available at Scikit-Learn were developed using machine learning (ML) techniques. They were trained with a scarce dataset, created based on a design of experiment technique, to replace numerical simulations in predicting the operational reliability of DGSs. First, a model based on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was validated to represent the gas flowing between the sealing faces, to enable the calculation of the equipment’s operational reliability. Thus, the open-source CFD software OpenFOAM was used together with the substance database of the software REFPROP, to allow the user to define the gas mixture and the evaluated operational conditions. Then, two case studies were carried out following a proposed generic workflow. The first comprised determining a regression model to estimate the reliability of a DGS whose mixture composition (composed of methane, ethane, and octane) is fixed but its operating conditions can vary. The second consisted of determining a more robust regressive model, where both the mixture composition and the operational conditions can vary. Finally, the feasibility of implementing both models under realistic operating conditions was evaluated, based on the infinity norm obtained for the prediction of the test set. The performances achieved were 1.872 degrees Celsius and 6.951 degrees Celsius for the first and second case studies, respectively.

La aportación de productos químicos en el agua, operación conocida como quimigación, es una técnica muy extendida hoy día en los sistemas de riego a presión, tanto en los sistemas de aspersión como de riego localizado, presentando ventajas importantes. Un equipo de inyección muy utilizado, en pequeñas y medianas explotaciones, es el inyector tipo Venturi. El inyector se instala sobre la solución madre, trabajando con presiones negativas en su garganta. Este sistema es económico, robusto y su funcionamiento es hidráulico, sin requerir aporte externo de energía. Sin embargo las pérdidas de carga que origina son como mínimo el 30% de la presión de entrada, además de presentar problemas de regulación, inyección de aire o cavitación. El planteamiento de partida, que se pretende estudiar en esta tesis, es que los problemas señalados pueden mitigarse modificando la forma típica de instalación. La forma de inyección propuesta sitúa el inyector en serie y se invierte la posición relativa de la superficie libre de la solución madre y la garganta del Venturi. Además podría lograrse, incluso, un funcionamiento semiautomático de la inyección. Se establecería un nivel mínimo en el depósito de la solución, condicionado por la presión requerida en la garganta, siendo ahora mayor que la atmosférica. Se han ensayado en laboratorio cuatro prototipos de inyector con diferentes dimensiones en sus secciones principales, registrando datos de funcionamiento para cada uno en tres situaciones distintas. Los ensayos se han realizado sin inyección, con inyección y presiones negativas en garganta y con inyección y presiones positivas en garganta. Simultáneamente se pretende comprobar si las técnicas Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) son suficientemente adecuadas para el diseño de nuevos inyectores y predicción del funcionamiento de modelos comerciales, así como el grado de fiabilidad de la formulación teórica actual. Las técnicas de CFD son una herramienta / Manzano Juarez, J. (2008). Análisis del inyector Venturi y mejora de su instalación en los sistemas de riego localizado [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3901

[pt] O presente trabalho apresenta um estudo numérico da transferência de energia por radiação e sua interação com as propriedades radiantes cinzas e espectrais dos gases produtos da combustão e da fuligem que são formados em um processo de combustão turbulenta. Assim, utilizam-se sistemas de forno/- queimador que operam em regime de chama não pré-misturada de maneira a avaliar, através da dinâmica dos fluidos computacional (CFD), a influência que exercem os diversos modelos de propriedades radiantes sobre a representação da termoquímica do escoamento reativo. Com o objetivo de identificar as principais características e deficiências que apresentam cada um destes modelos, foram considerados dois cenários. O primeiro, correspondente a um problema de radiação unidimensional de um sistema homogêneo e não isotérmico onde são estudados, modelos de propriedades radiantes (i) disponíveis em um software comercial de CFD e (ii) aqueles que foram implementados neste trabalho. Além disso, foi empregado um código numérico que determina as propriedades radiantes espectrais de gases produtos da combustão e da fuligem através de uma abordagem de banda estreita. Para este fim, este código foi acoplado com o software de CFD. Em seguida, dois queimadores de porte laboratorial são empregados de forma a avaliar a capacidade preditiva dos modelos de propriedades radiantes: o primeiro queima propano gasoso e ar enriquecido com oxigênio e o segundo utiliza querosene líquido e oxigênio como reagentes. Dados experimentais de fluxo de calor radiante e de fração volumétrica da fuligem são utilizados para comparação com os resultados obtidos da simulação. Para ambas as configurações de queimador foi também estudado o modelo de Moss-Brookes para previsão da formação/consumo da fuligem. Os resultados obtidos demonstraram o bom desempenho da maioria dos modelos de propriedades radiantes estudados. Em particular, a abordagem de banda estreita foi o que melhor previu a radiação térmica. Além disso, a sua utilização com o modelo de Moss-Brookes levou à melhor previsão da fração volumétrica da fuligem. / [en] This work presents a numerical study of radiation heat transfer and its interaction with gray and spectral radiation of combustion products and soot that are formed in a turbulent combustion process. Different burner/furnace systems operating in a non-premixed combustion regime were used in order to evaluate, through computational fluid dynamics (CFD), the influence of several radiant properties models. Aiming to identify the key features and shortcomings that exhibit each of these models, two scenarios were considered. The first corresponds to a 1-D radiation problem where radiative properties models of a homogeneous non isothermal system are studied as (i) available CFD commercial software and (ii) those implemented in this work. Moreover, a numerical code was used in order to determine, through a narrow band approach, the spectral radiative properties of soot and combustion products. For this purpose, this code was coupled with the CFD software. Then, two laboratory-scale burners are used to assess the predictive capacity of radiative properties models: the first, burning propane and enriched air oxygen, and the second uses kerosene and oxygen as reactants. Measurements of radiant heat flux and soot volumetric fraction are used for comparison with simulation results. For both configurations, the performance of the Moss-Brookes model for predicting the soot production was also studied. The results of this study demonstrated the good performance of the majority of the radiant properties models studied. Particularly, the narrow band approach was the model that provided the best thermal radiation prediction. Moreover, the combination of the narrow band approach with the Moss-Brookes model lead to the best prediction of soot volume fraction.