A presente dissertação desenvolve um estudo numérico em duas direções espaciais com o objetivo de encontrar a configuração de geometrias acopladas a aletas de alta condutividade térmica em forma de “T” que resultam na menor resistência ao fluxo de calor utilizando o método Design Construtal. Como restrição as áreas de ambos os componentes, o corpo sólido onde há geração de calor e a aleta, são mantidas constantes. A equação diferencial da difusão do calor bidimensional, em regime permanente e propriedades constantes, com as condições de contorno, foram solucionadas pelo método dos elementos finitos utilizando o programa MATLAB ®, mais precisamente a ferramenta PDETOOL, Partial Differential Equations Tool. Em outras palavras, minimizar a resistência térmica ao fluxo de calor gerado para uma melhora na refrigeração, variando somente os comprimentos e larguras que formam o sólido de baixa condutividade térmica e a aleta composta por material de alta condutividade térmica. Para cada geometria proposta foram avaliadas todas as possibilidades geométricas dentro do domínio estabelecido Três geometrias foram propostas para os sólidos geradores de calor: retangular, trapezoidal e semicircular, todas acopladas com a aleta na forma de T. Além dos graus de liberdade, também foram avaliados o efeito dos seguintes parâmetros adimensionais: (condutividade térmica da aleta), (fração de área), (fração de área auxiliar) e ℎ . O melhor design encontrado é aquele que distribui melhor as imperfeições, ou seja, a geometria que distribui melhor os pontos de temperatura máxima. Os resultados reforçam, ainda, o entendimento de que sistemas multicomponentes devem ser estudados globalmente e não cada componente individualmente. Para a geometria retangular houve uma melhora de 66% no desempenho quando comparados os desempenhos da primeira para a última otimização. O melhor desempenho obtido para a geometria trapezoidal superou em aproximadamente 3,5% o desempenho da geometria retangular. Por fim a geometria semicircular atingiu o melhor desempenho entre as geometrias estudadas, superando em 40% o resultado atingido pela geometria trapezoidal. / This work used the method Construtal Design to develop a numerical study trying to find out the best configuration of geometries coupled to T-shaped materials of high thermal conductivity to improve the heat transfer between the heat generating body, which is a low heat conductor, and the environment. As a restriction, both areas are kept constant. The differential equations of heat diffusion, steady state and constant properties, and their boundary conditions were solved numerically using the MATLAB ® software, specifically the PDETOOL tool. The objective of this work is to improve the flux of heat through the Tshaped materials of high thermal conductivity, in other words, minimize the thermal resistance to improve the refrigeration, changing only the values of the lengths and widths that setup the solid of low thermal conductivity and the T-shaped materials of high thermal conductivity. All geometric possibilities were evaluated, respecting the domain. The optimal geometry was that which resulted in lower thermal resistance. Three geometries have been proposed for solid heat generators: rectangular, trapezoidal and semicircular. All coupled with the T-shaped materials of high thermal conductivity Besides the degrees of freedom were also evaluated the effect of the following dimensionless parameters: (thermal conductivity), (area fraction), (auxiliary area fraction) and ℎ . The best design found is that better distributes the imperfections, in other words, it is the geometry that better distributes the points of maximum temperature. The results reinforce also the understanding that multicomponent systems should be studied globally rather than each component individually. For the rectangular geometry there was an improvement of 66% in performance when comparing the performances of the first to the last optimization. The best performance obtained for the trapezoidal geometry exceeded by approximately 3.5% performance of the rectangular geometry. Finally the semicircular geometry achieved the best performance among the studied geometry, exceeding by 40% the result achieved by the trapezoidal geometry.

Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur. / Heat and mass transfers are two physical phenomena at the base of many thermal systems involved in various fields, such as industries, buildings or renewable energies. The present researches tackle different optimization methodologies of structures subject to heat transfers, coupled with a fluid flow or not, in the topological sense of the term. The partial differential equations describing the physical phenomena are discretized thanks to the finite volume method. The first part of the thesis successively studies three different classes of approaches: constructal theory, cellular automaton, and the solid isotropic material with penalization method. The same academic case, aiming at the optimal cooling of a finite-size volume generating heat, is tackled by means of these three methods, allowing the comparison of the performances of each algorithm. This comparison shows that the method based on the material penalization performs better than the first two approaches, structurally and quantitatively, and also establishes solutions based on a trade-off in the frame multi-objective optimization. Consequently, the second part applies this method to configurations subject to heat and mass transfers with laminar flows. The use of penalization parameters in conjunction with the finite volume method requires a regularization of the viscous dissipation along the solid/fluid interfaces. A bi-objective approach is implemented in order to minimize the total power dissipated by the fluid, while maximizing the thermal energy recovered from the system. The solutions show non-trivial configurations that can be categorized in four different topological classes. The present researches open a new investigation field for fluid flows coupled with the problem of heat transport.

Elementos estruturais como as placas finas fazem parte de um grande número de aplicações nas mais diversas áreas da engenharia e são de grande importância para a engenharia naval e aeronáutica, na construção de cascos de embarcações e estruturas offshore, e na construção de fuselagens de aviões. Por constituírem-se em um elemento estrutural esbelto, estão sujeitas a um comportamento mecânico diferenciado denominado de flambagem, proveniente de um carregamento de compressão uniaxial. O fenômeno da flambagem pode ser dividido em flambagem elástica e elasto-plástica, sendo dependente de aspectos dimensionais, construtivos e/ou operacionais. A inclusão de perfurações em placas provoca uma redistribuição de suas tensões internas, afetando não apenas a sua resistência, mas também as suas características de flambagem. Neste trabalho, desenvolveu-se a análise do comportamento mecânico de placas finas perfuradas de aço, simplesmente apoiadas em suas bordas, e submetidas à compressão. Serão analisados dois graus de liberdade: H/L e H0/L0. Para H/L, serão analisadas placas com H/L = 1,00 e H/L = 0,50, sendo que H e L representam, respectivamente, a largura e o comprimento da placa. Para H0/L0, serão analisadas infinitas possibilidades, sendo que H0 e L0 representam, respectivamente, a largura e o comprimento da perfuração. As placas utilizadas possuem espessura (h) de 10,00 mm e perfuração centralizada. Quanto às perfurações, estas serão dos tipos: oblonga longitudinal, oblonga transversal, elíptica, retangular, losangular, hexagonal longitudinal e hexagonal transversal. Ainda em relação às perfurações, serão consideradas as seguintes frações ϕ = 0,08; 0,10; 0,15; 0,20 e 0,25, sendo que (ϕ) corresponde ao volume da perfuração. Para a determinação das cargas crítica e última de flambagem, foi utilizada a simulação numérica com o auxílio do software Ansys®, que é baseado no método dos elementos finitos. A aplicação do método Design Construtal, possibilitou a determinação das geometrias ótimas para todos os tipos de perfurações, todos os valores de (ϕ) e para todas as relações de H/L. Os resultados obtidos mostram que há influência do tipo, da forma e do tamanho da perfuração na definição das curvas limites à flambagem e das curvas à flambagem elasto-plástica. Foi possível definir, para cada tipo de perfuração e para todos os valores de (ϕ), os pontos de transição entre a flambagem elástica e à elasto-plástica, assim como os pontos que definem os valores máximos para o fator TLNMáx (tensão limite normalizadora). / Structural elements such as thin plates are part of a large number of applications in various areas of engineering and are of great importance for marine and aerospace engineering, construction and offshore structures hulls, and the construction of airplane fuselages. Being a slender structural element, they are subject to a different mechanical behavior known as buckling, caused by a compressive loading. The phenomenon of buckling can be divided in elastic and elasto-plastic buckling, being dependent dimensional, construction and / or operational aspects. The inclusion of perforations in plates causes a redistribution of its internal stress, affecting not only their resistance but also their buckling characteristics. In this work it was performed the analysis of the mechanical behavior of thin perforated steel plates, simply supported on its edges, and subjected to compression. In the analysis it was considered two degrees of freedom: H/L and H0/L0. For H/L will be analyzed plates with H/L = 1.00 and H/L = 0.50, wherein H and L represent respectively the width and length of the plate. There are endless possibilities for the relation H0/L0. The studied plates have a thickness (h) of 10.00 mm and centralized perforation. The following types of perforation will be used: longitudinal oblong, transverse oblong, elliptical, rectangular, diamond, longitudinal hexagonal and transverse hexagonal. Also in relation to perforations, it will be considered the following fractions (ϕ = 0.08; 0.10; 0.15; 0.20 and 0.25), wherein (ϕ) corresponds to the volume ratio of the perforation. For determining the critical and ultimate buckling loads it was utilized numerical simulation with the assistance of Ansys® software, which is based on the finite element method. The application of the Constructal Design method of this study made it possible to determine the optimal geometries for all types of perforations, for all values of (ϕ) and all the relations H/L. The results show that there is an influence of the perforation type, shape and size, in defining the limit curves of the buckling and the curves of the elasto-plastic buckling. It was also possible to define, for each type of perforation and for all (ϕ) values, the transition points between elastic and elasto-plastic buckling; as well as the points that define the maximum values for the TLNMáx factor (normalized limit stress).

O presente trabalho destina-se ao estudo numérico da geometria de tubos de seção elíptica que facilite a transferência de calor adimensional e diminua a queda de pressão adimensional (Δ̃) sofrida pelo escoamento. O método aplicado é o Design Construtal, que visa determinar a geometria que apresentará a menor resistência ao escoamento, ou seja, busca-se determinar a razão de aspecto da elipse (=⁄) que favorece a transferência de calor e diminui a queda de pressão do escoamento. O fluido empregado neste estudo apresenta características de viscoplasticidade. A relação entre a tensão cisalhante e a taxa de deformação obedece ao modelo de Herschel-Bulkley modificado. Considera-se que o escoamento é incompressível, laminar, bidimensional, externo e ocorre em regime permanente. A solução numérica do problema proposto é realizada com um código comercial baseado no método dos volumes finitos. É investigada a influência do índice de potência, , sobre a seção elíptica que facilita o escoamento e, para isso, este índice é variado de 0,4 a 1. A influência dos números de Reynolds (√), Herschel-Bulkley (√) e Prandtl (√) sobre o comportamento do escoamento também é avaliada. √ é variado de 1 a 40, √ é variado de 1 a 100 e √ é variado de 0,1 a 100 Os resultados mostram que, para um escoamento com √=1, √=1 e √=1, o aumento do índice de potência influencia negativamente na transferência de calor adimensional e a seção elíptica, que maximiza esta transferência de calor adimensional, tende a ser mais alongada na direção do escoamento. Já e influenciam positivamente na transferência de calor adimensional. Para um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que com o aumento de a razão de aspecto ótima (q,opt), do ponto de vista térmico, diminui. Quando é considerado um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que q,opt diminui com o aumento de , ou seja, a elipse torna-se mais alongada no sentido do escoamento. A variação de √ em um escoamento com √=1, √=1, =0,4 mostra que o aumento deste parâmetro acarreta em aumento da taxa de transferência adimensional e de Δ̃. / The present work is aimed at the numerical study of the geometry of elliptic section tubes that facilitates the dimensionless heat transfer and decreases the dimensionless pressure drop (Δ̃) suffered by the flow. The applied method is the Construtal Design, which aims to determine the geometry that will present the least resistance to the flow, that is, to determine the aspect ratio of the ellipse (=⁄) that favors heat transfer and decreases the flow pressure drop. The fluid used in this study has viscoplasticity characteristics. The relationship between shear stress and strain rate follows the modified Herschel-Bulkley model. It is considered that the flow is incompressible, laminar, two-dimensional, external and occurs in steady state. The numerical solution of the proposed problem is carried out with a commercial code based on the finite volume method. The influence of the power index, n, on the elliptical section facilitating the flow is investigated, and for this, the index is varied from 0.4 to 1. The influence of the Reynolds number (√), Herschel-Bulkley number (√) and Prandtl number (√) on the flow behavior is also evaluated √ is varied from 1 to 40, √ is varied from 1 to 100 and √ is varied from 0.1 to 100. The results show that for a flow with √=1, √=1 and √=1, the increase of the power index negatively influences the dimensionless heat transfer and the elliptic section, which maximizes this dimensionless heat transfer, tends to be more elongated in the direction of flow. Already √ and √ influence positively the dimensionless heat transfer. For a flow with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that with the increase of √ the optimum aspect ratio (q,opt), from the thermal point of view, decreases. When a flow is considered with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that q,opt decreases with the increase of √, that is, ellipse becomes more elongated in the flow direction. The variation of √ in a flow with √=1, √=1, =0.4 shows that the increase of this parameter causes an increase of the dimensionless transfer rate and Δ̃.

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada. / The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors.

Researchers have paid relatively little attention to the fact that most design activities are actually more like redesign. These activities are characterized by an attempt to leverage experience, knowledge, and the capital that a company has already invested into existing engineering systems. In this dissertation, it is proposed that an approach be developed to aid designers in making decisions in redesign problems when there exist systems to be leveraged and multiple new systems to be created. In addition, strategy is introduced to the problem through the consideration that new systems may not be offered all at once, as is often assumed in product family design research. In this dissertation, the aim of the designer is assumed to be a creation, through redesign, of a series of new systems with desirable and distinct performance levels. In addition, a plan is required to involve as little redesign effort throughout the life of the family of systems as possible The proposed approach is based upon the concepts of Constructal Theory and previous work to create methods for the design of mass customized families of products. The existing methods are abstracted and heavily modified through the infusion of the compromise Decision Support Problems at all stages of the decision-making process. In addition, two indices are developed to represent considerations unique to redesign as opposed to original design. These indices for redesign effort and commonality value are utilized in the overall objective formulation for the approach. Through a thorough validation process and a large number of redesign scenarios, it is shown that the overall approach proposed can lead the designer towards promising redesign plans involving leveraging of existing systems, but that the constructal-inspired approach in and of itself has certain limitations when applied to redesign.

Dans le contexte actuel d'amélioration de l'efficacité énergétique des logements, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage. Nous avons développé un générateur de chaleur et de rafraîchissement innovant (GCRI). Ce générateur repose sur l'utilisation de modules thermoélectriques assurant le rôle de pompe à chaleur au moyen d'une alimentation électrique. La présente thèse vise à améliorer l'efficacité énergétique du système complet incluant un émetteur basse température (coefficient de performance global). Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Ces modèles ont permis de définir une configuration optimisée du système et de mettre en place une méthode de gestion optimale pour répondre à des besoins variables de puissance et de températures. Les échangeurs multifonctionels mis en jeu dans le système ont été dimensionnés et étudiés expérimentalement en vue de maximiser les performances du générateur. Après couplage au bâtiment, nous montrons une nette amélioration des performances du système par rapport à une configuration classique de pompe à chaleur thermoélectrique.

Elementos estruturais como as placas finas fazem parte de um grande número de aplicações nas mais diversas áreas da engenharia e são de grande importância para a engenharia naval e aeronáutica, na construção de cascos de embarcações e estruturas offshore, e na construção de fuselagens de aviões. Por constituírem-se em um elemento estrutural esbelto, estão sujeitas a um comportamento mecânico diferenciado denominado de flambagem, proveniente de um carregamento de compressão uniaxial. O fenômeno da flambagem pode ser dividido em flambagem elástica e elasto-plástica, sendo dependente de aspectos dimensionais, construtivos e/ou operacionais. A inclusão de perfurações em placas provoca uma redistribuição de suas tensões internas, afetando não apenas a sua resistência, mas também as suas características de flambagem. Neste trabalho, desenvolveu-se a análise do comportamento mecânico de placas finas perfuradas de aço, simplesmente apoiadas em suas bordas, e submetidas à compressão. Serão analisados dois graus de liberdade: H/L e H0/L0. Para H/L, serão analisadas placas com H/L = 1,00 e H/L = 0,50, sendo que H e L representam, respectivamente, a largura e o comprimento da placa. Para H0/L0, serão analisadas infinitas possibilidades, sendo que H0 e L0 representam, respectivamente, a largura e o comprimento da perfuração. As placas utilizadas possuem espessura (h) de 10,00 mm e perfuração centralizada. Quanto às perfurações, estas serão dos tipos: oblonga longitudinal, oblonga transversal, elíptica, retangular, losangular, hexagonal longitudinal e hexagonal transversal. Ainda em relação às perfurações, serão consideradas as seguintes frações ϕ = 0,08; 0,10; 0,15; 0,20 e 0,25, sendo que (ϕ) corresponde ao volume da perfuração. Para a determinação das cargas crítica e última de flambagem, foi utilizada a simulação numérica com o auxílio do software Ansys®, que é baseado no método dos elementos finitos. A aplicação do método Design Construtal, possibilitou a determinação das geometrias ótimas para todos os tipos de perfurações, todos os valores de (ϕ) e para todas as relações de H/L. Os resultados obtidos mostram que há influência do tipo, da forma e do tamanho da perfuração na definição das curvas limites à flambagem e das curvas à flambagem elasto-plástica. Foi possível definir, para cada tipo de perfuração e para todos os valores de (ϕ), os pontos de transição entre a flambagem elástica e à elasto-plástica, assim como os pontos que definem os valores máximos para o fator TLNMáx (tensão limite normalizadora). / Structural elements such as thin plates are part of a large number of applications in various areas of engineering and are of great importance for marine and aerospace engineering, construction and offshore structures hulls, and the construction of airplane fuselages. Being a slender structural element, they are subject to a different mechanical behavior known as buckling, caused by a compressive loading. The phenomenon of buckling can be divided in elastic and elasto-plastic buckling, being dependent dimensional, construction and / or operational aspects. The inclusion of perforations in plates causes a redistribution of its internal stress, affecting not only their resistance but also their buckling characteristics. In this work it was performed the analysis of the mechanical behavior of thin perforated steel plates, simply supported on its edges, and subjected to compression. In the analysis it was considered two degrees of freedom: H/L and H0/L0. For H/L will be analyzed plates with H/L = 1.00 and H/L = 0.50, wherein H and L represent respectively the width and length of the plate. There are endless possibilities for the relation H0/L0. The studied plates have a thickness (h) of 10.00 mm and centralized perforation. The following types of perforation will be used: longitudinal oblong, transverse oblong, elliptical, rectangular, diamond, longitudinal hexagonal and transverse hexagonal. Also in relation to perforations, it will be considered the following fractions (ϕ = 0.08; 0.10; 0.15; 0.20 and 0.25), wherein (ϕ) corresponds to the volume ratio of the perforation. For determining the critical and ultimate buckling loads it was utilized numerical simulation with the assistance of Ansys® software, which is based on the finite element method. The application of the Constructal Design method of this study made it possible to determine the optimal geometries for all types of perforations, for all values of (ϕ) and all the relations H/L. The results show that there is an influence of the perforation type, shape and size, in defining the limit curves of the buckling and the curves of the elasto-plastic buckling. It was also possible to define, for each type of perforation and for all (ϕ) values, the transition points between elastic and elasto-plastic buckling; as well as the points that define the maximum values for the TLNMáx factor (normalized limit stress).

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada. / The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors.

O presente trabalho destina-se ao estudo numérico da geometria de tubos de seção elíptica que facilite a transferência de calor adimensional e diminua a queda de pressão adimensional (Δ̃) sofrida pelo escoamento. O método aplicado é o Design Construtal, que visa determinar a geometria que apresentará a menor resistência ao escoamento, ou seja, busca-se determinar a razão de aspecto da elipse (=⁄) que favorece a transferência de calor e diminui a queda de pressão do escoamento. O fluido empregado neste estudo apresenta características de viscoplasticidade. A relação entre a tensão cisalhante e a taxa de deformação obedece ao modelo de Herschel-Bulkley modificado. Considera-se que o escoamento é incompressível, laminar, bidimensional, externo e ocorre em regime permanente. A solução numérica do problema proposto é realizada com um código comercial baseado no método dos volumes finitos. É investigada a influência do índice de potência, , sobre a seção elíptica que facilita o escoamento e, para isso, este índice é variado de 0,4 a 1. A influência dos números de Reynolds (√), Herschel-Bulkley (√) e Prandtl (√) sobre o comportamento do escoamento também é avaliada. √ é variado de 1 a 40, √ é variado de 1 a 100 e √ é variado de 0,1 a 100 Os resultados mostram que, para um escoamento com √=1, √=1 e √=1, o aumento do índice de potência influencia negativamente na transferência de calor adimensional e a seção elíptica, que maximiza esta transferência de calor adimensional, tende a ser mais alongada na direção do escoamento. Já e influenciam positivamente na transferência de calor adimensional. Para um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que com o aumento de a razão de aspecto ótima (q,opt), do ponto de vista térmico, diminui. Quando é considerado um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que q,opt diminui com o aumento de , ou seja, a elipse torna-se mais alongada no sentido do escoamento. A variação de √ em um escoamento com √=1, √=1, =0,4 mostra que o aumento deste parâmetro acarreta em aumento da taxa de transferência adimensional e de Δ̃. / The present work is aimed at the numerical study of the geometry of elliptic section tubes that facilitates the dimensionless heat transfer and decreases the dimensionless pressure drop (Δ̃) suffered by the flow. The applied method is the Construtal Design, which aims to determine the geometry that will present the least resistance to the flow, that is, to determine the aspect ratio of the ellipse (=⁄) that favors heat transfer and decreases the flow pressure drop. The fluid used in this study has viscoplasticity characteristics. The relationship between shear stress and strain rate follows the modified Herschel-Bulkley model. It is considered that the flow is incompressible, laminar, two-dimensional, external and occurs in steady state. The numerical solution of the proposed problem is carried out with a commercial code based on the finite volume method. The influence of the power index, n, on the elliptical section facilitating the flow is investigated, and for this, the index is varied from 0.4 to 1. The influence of the Reynolds number (√), Herschel-Bulkley number (√) and Prandtl number (√) on the flow behavior is also evaluated √ is varied from 1 to 40, √ is varied from 1 to 100 and √ is varied from 0.1 to 100. The results show that for a flow with √=1, √=1 and √=1, the increase of the power index negatively influences the dimensionless heat transfer and the elliptic section, which maximizes this dimensionless heat transfer, tends to be more elongated in the direction of flow. Already √ and √ influence positively the dimensionless heat transfer. For a flow with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that with the increase of √ the optimum aspect ratio (q,opt), from the thermal point of view, decreases. When a flow is considered with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that q,opt decreases with the increase of √, that is, ellipse becomes more elongated in the flow direction. The variation of √ in a flow with √=1, √=1, =0.4 shows that the increase of this parameter causes an increase of the dimensionless transfer rate and Δ̃.