Orientador: Osvaldo Luís Manzoli / Coorientador: Luís Antônio Guimarães Bitencourt Júnior / Banca: Caio Gorla Nogueira / Banca: Leonardo José do Nascimento Guimarães / Resumo: Este trabalho aborda a simulação de problemas que envolvem contato mecânico, utilizando uma nova técnica de acoplamento de malhas independentes de elementos finitos. Esta técnica se baseia no uso de elementos finitos especiais denominados elementos finitos de acoplamento, que compartilham nós de malhas independentes. A técnica é capaz de estabelecer a interação entre duas malhas de elementos finitos, representando dois domínios diferentes, que compartilham entre si uma ou mais de suas faces. No caso mais geral, devido a possíveis diferenças nas dimensões e naturezas dos domínios, as posições dos nós na face de uma malha podem não coincidir com as posições dos nós da outra malha. As principais vantagens da técnica proposta são: (i) não há adição de graus de liberdade para a resolução do problema; (ii) um acoplamento não rígido pode ser considerado para descrever o comportamento não linear de interfaces similares aos modelos coesivos e (iii) malhas não compatibilizadas de quaisquer dimensões e quaisquer tipos de elementos finitos podem ser compatibilizadas. Como extensão da utilização da técnica, visa-se representar a interação entre duas peças genéricas distintas, demonstrando a capacidade da técnica em simular efeitos de contato, ou de perda de contato, de forma coerente e precisa. Foram empregados modelos baseados na mecânica do dano contínuo para simular efeitos de atrito em uma formulação de acoplamento não rígido. Os resultados obtidos neste trabalho demostram que a repre... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work deals with the numerical simulation of contact problems using a novel technique for coupling non-matching finite element meshes. The technique is based on the use of special finite element termed coupling finite element, which share nodes with non-matching meshes. Thus, the interaction among two non-matching meshes, representing two different subdomains of a problem can be described. In additional, this technique has demonstrated to be highly versatile, since no additional degree of freedom is introduced to the problem; non-rigid coupling can be considered to describe the nonlinear behavior among the subdomains and nonmatching meshes of any dimension and any type of finite elements can be coupled. In this work the technique is applied to simulate the interaction among some parts of mechanical components discretized initially in finite elements in a totally independent way, by demonstrating its capability to represent contact problems or loss of adherence. A combined constitutive model based on the damage mechanics theory is used for modeling the friction effects using a non-rigid coupling procedure. The results demonstrated that the strategy applied can represent the interaction among the parts of mechanical components, coherently and accurately / Mestre

Para a garantia do bom desempenho dos fluxantes para lingotamento contínuo de aços no molde, a determinação da sua composição química é importante para garantir as propriedades necessárias para o seu perfeito funcionamento. O carbono é adicionado ao fluxante para controlar a velocidade de fusão do fluxante sobre o aço líquido, já que, se adequada, colabora para a disponibilidade de escória líquida suficiente para alimentar o intervalo existente entre a placa de aço em solidificação e o molde, garantindo a perfeita lubrificação. Neste trabalho é demonstrada a influência do efeito de duas fontes de carbono na velocidade de fusão dos fluxantes, através da utilização de uma nova concepção de forno elétrico no qual são colocados dois cadinhos vazados contendo fluxante in natura. Um dos cadinhos é utilizado para avaliação da amostra de referência. O desenvolvimento das reações de fusão do fluxante com o aumento da temperatura resulta em uma escória que, em função de sua fluidez, gera o escorrimento da massa fundida a uma taxa característica, a qual é registrada em um gráfico de massa x temperatura. Desta forma, é demonstrada a eficiência do uso deste equipamento para avaliação da velocidade de fusão, e da influência da fonte e teor de carbono, possibilitando a avaliação de diferentes alternativas de composições. Os ensaios de microscopia com aquecimento e análises térmicas também foram utilizados. / In order to assure good performance of mould flux for continuous casting of steel, the chemical composition definition is important to guarantee the properties needs to its perfect behavior in the mould. Carbon is added to the mould flux to control the melting rate, since this property is related to the availability of liquid slag to fill in the gap between the solidified steel and the cupper wall that assure a perfect lubrication. This work presents the influence of two carbon sources evaluated by an apparatus designed for testing the melting rate of mould fluxes. It is an electric resistance furnace in which two perforated at the bottom crucibles contain flux sample in natura. One of the crucibles is used for the reference sample. As the temperature increases and the melting of the flux takes place, liquid slag starts dropping from the crucible, which is attached to a load cell. Weight losses and temperature are simultaneously recorded and a plot of mass (grams) versus temperature (degree Celsius) is produced. The effect of carbon content of the flux mixtures on the melting rate has been investigated. The heating microscope and thermal analysis were also evaluated.

Processos industriais de polimerização em emulsão são usualmente realizados em reatores tipo tanque agitado em batelada (ou semi-batelada) ou em contínuo (CSTR). Reatores contínuos tem a vantagem de serem comparativamente de menor porte, e propiciarem melhor controle da qualidade do produto pela redução de variações de batelada a batelada. Reatores tipo CSTR podem exibir oscilações periódicas e autosustentadas de conversão, de tamanho e concentração de partículas. Estas oscilações podem ser minimizadas nos reatores tubulares pulsados devido à diminuição da dispersão axial em relação aos reatores do tipo CSTR. Na presente tese, desenvolveu-se um novo tipo de reator tubular, a Coluna Pulsada de Pratos Perfurados, CPPP, para uso no processo de polimerização contínua do acetato de vinila em emulsão. O reator é operado com escoamento pulsado e contém pratos perfurados como dispositivos internos. Inicialmente foram realizados ensaios de distribuição de tempos de residência, em um reator montado em vidro, com o objetivo de caracterizar o escoamento no reator CPPP quanto ao grau de mistura axial. Os dados foram interpretados usando o modelo de escoamento pistonado com dispersão axial. Valores do coeficiente de dispersão axial foram medidos e correlacionados para diferentes condições de freqüência e amplitude de pulsação, vazão, espaçamento entre pratos, e viscosidade do fluido. Verificou-se que o grau de mistura axial pode ser variado em faixas relativamente amplas pela manipulação da freqüência e amplitude de pulsação. Foi também montado um reator em aço inox e encamisado, com as mesmas dimensões, onde foram realizados ensaios de polimerização em emulsão de acetato de vinila, medindo-se a conversão e a distribuição de tamanhos de partículas (DTP), na saída do reator em regime transiente e permanente, e também ao longo do reator em regime permanente. Verificou-se que as condições operacionais (tempo médio de residência e grau de dispersão axial) influenciam várias características do produto, como, a conversão, tamanho médio e concentração de partículas, porém, não influencia, significativamente, a viscosidade da emulsão produzida, para a receita da reação de polimerização e as condições operacionais estudadas. Os resultados experimentais foram interpretados usando um modelo matemático do reator, o qual foi estabelecido com base em um modelo cinético publicado na literatura para o processo de polimerização em emulsão de acetato de vinila em batelada. Tal modelo foi adaptado incluindo-se os termos convectivos e dispersivos nas equações de balanço de massa, e resolvido numericamente. Foram ajustados apenas dois parâmetros neste modelo, para todas as condições operacionais estudadas e os resultados simulados reproduziram adequadamente o comportamento das principais variáveis de processo para a condição de regime permanente. O novo tipo de reator contínuo apresentado neste trabalho mostrou-se ser possível obter altas conversões em tempos médios de residência da ordem ou mesmo inferiores aos do processo em batelada e atingir regime permanente de operação em um a dois tempos médios de residência. O reator é eficiente, robusto, construtivamente simples, de fácil limpeza e manutenção, e mostrou-se promissor para utilização industrial em processo de polimerização em emulsão de acetato de vinila. / Industrial emulsion polymerization processes are usually carried out in stirred tanks operated in batch/semibatch or in continuous mode (CSTR). In comparison to batch processes, continuous reactors present several advantages such as lower volumes and better quality control by reducing batch-to-batch variations. Continuous emulsion polymerization in CSTR may exhibit sustained oscillations in conversion, particle size and particle concentration. Such oscillations may be reduced in pulsed tubular reactors due to less axial mixing. In this thesis a new type of tubular reactor, called Pulsed Sieve Plate Column, PSPC, was developed for the continuous process of vinyl acetate emulsion polymerization. This reactor is operated using oscillatory pulsed flow and uses perforated plates as internals. Residence time distribution runs were carried out in a glass reactor in order to characterize the axial mixing and flow patterns in the PSPC. The data were treated using the axially dispersed plug flow model. Axial dispersion coefficient was measured for different conditions of pulse frequency and amplitude, flow rate, plate spacing and viscosity. It was found that the degree of axial mixing can be varied in wide ranges by manipulating pulsation frequency and/or amplitude. Vinyl acetate continuous emulsion polymerization runs were carried out in a jacketed stainless steel reactor (with the same size of the glass reactor). Monomer conversion and particle size distribution was measured both at the reactor exit in transient state and along the reactor length at steady-state. It was found that average residence time and degree of axial mixing affect process and product quality variables, such as monomer conversion, mean particle size and concentration, but did not affect the viscosity of the emulsion produced, for the recipe and conditions used. A mathematical model for the reactor was developed. The model used, based on a well-known kinetic model previously developed in the literature for batch emulsion polymerization, was adapted to the continuous tubular reactor by adding the dispersion and convective terms to the balance equations. The model was numerically solved. Only two parameters were adjusted in this model and the simulated results showed excellent agreement with the experimental results, for steady state conditions. The proposed tubular reactor allows to reach high monomer conversion with similar or even lower residence time than those in batch processes and reaches steady state operation in just one to two mean residence times. The reactor is efficient, easy-to-built, easy-to-clean, robust and promising for use in industrial continuous emulsion polymerization of vinyl acetate.

Através da absorção de um e de dois fótons estudamos as diferentes transições do íon \'Gd POT.+3\' e GGG. Utilizando técnicas espectroscópicas com laser pulsado e laser contínuo, analisamos a influência do campo cristalino sobre o íon. Estes resultados estão em concordância com as previsões advindas da teoria de grupo. A partir da análise dos espectros de luminescência das amostras de GdAl\'O IND.3\', conseguimos detectar pequenos traços de impurezas nas mesmas. Não conseguimos detectar nenhuma anomalia nos espectros obtidos, de modo a não acreditarmos na existência de alguma interação Gadolínio - Galdoíno, acima da temperatura de transição de fase. Laser de corante contínuo de alta resolução, laser de corante pulsado foram construídos para a realização dos experimentos. Também desenvolvemos os equipamentos eletrônicos envolvidos. / The different transitions of \'Gd POT.3+\' ion in samples of GdAl\'O IND.3\' and GGG were studied by means of the absorption of one and two photons. The crystalline field influence an the ion was studied by using spectroscopic techniques with pulsed laser as well as continuous laser. These results are in agreement with the group theory prediction. From the luminescence spectrum of this sample little impurities aspects in the GdA1\'O IND.3\' sample were detected. No anomaly was detected in the spectra obtained so that we believed there is no \'Gd POT.3+\'-\'Gd POT.3+\' interaction above the phase transition temperature. High resolution continuous dye laser and pulsed die laser were built up to carry out the experiments. The electronic equipment used in the experiment was developed by us.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

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Este trabalho objetiva o desenvolvimento e a implementação computacional de aproximações Galerkin mínimos-quadrados (GLS) para escoamentos não Newtonianos inelásticos utilizando os modelos de Líquido Newtoniano Generalizado (GNL) e Fluido Quasi- Newtoniano sensível ao tipo de escoamento. Apesar de escoamentos de fluidos não Newtonianos serem cruciais em problemas de engenharia, eles representam, ainda hoje, um assunto em aberto, devido à dificuldade de se criar um modelo matemático para o comportamento não-linear das funções materiais medidas em laboratório e também à complexidade do problema gerado quando da aproximação dos modelos mecânicos disponíveis por métodos numéricos usuais. As equações clássicas de GNL possuem funções de viscosidade capazes de prever comportamentos pseudoplástico, viscoplástico ou dilatante, representado ajustes de curvas de tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento em escoamentos viscométricos. Os modelos sensíveis ao tipo de escoamento são capazes de representar o comportamento diferenciado em regiões de cisalhamento e extensão, utilizando um parâmetro cinemático de classificação de escoamentos e curvas de escoamento em regimes viscométrico e extensional. As formulações multi-campos em tensão extra, pressão e velocidade (τ-p-u), ou ainda com a taxa de deformação como variável primal, são alternativas para a aproximação numérica de escoamentos não Newtonianos que possuem diversas vantagens. Elas tornam desnecessário o pós-processamento do campo de velocidade para a obtenção dos campos de tensão, representando uma aproximação mais precisa especialmente para elementos de baixa ordem, desejáveis do ponto de vista computacional. Além disso, permitem a intuitiva extensão para a implementação de modelos viscoelásticos diferenciais. No entanto, a compatibilização dos sub-espaços funcionais das variáveis é uma dificuldade na implementação numérica, além das instabilidades numéricas intrínsecas aos operadores advectivos dos modelos. Como forma de superar essas dificuldades, uma estratégia de estabilização do tipo GLS é utilizada, a fim de permitir a implementação numérica das formulações em estudo, gerando a estabilidade necessária para várias combinações de subespaços funcionais. É apresentado um estudo dos princípios da Mecânica do Contínuo, de teoria constitutiva, e do método de elementos finitos, com ênfase nos métodos estabilizados do tipo GLS para formulações u-p, τ-p-u e D-p-u. São apresentados resultados numéricos validando o código computacional desenvolvido, e também investigando escoamentos de fluidos Newtonianos, viscoplásticos, pseudoplásticos e quasi-Newtonianos em geometrias como cavidades e contrações. O método se mostra estável e os resultados fisicamente realistas. No entanto, o modelo sensível ao tipo de escoamento demonstra sérios problemas de convergência nos casos nos quais a não-linearidade material é acentuada. / This work aims the development and computational implementation of Galerkin leastsquares (GLS) approximations for non Newtonian purely viscous flows employing Generalized Newtonian Liquid (GNL) and Quasi-Newtonian flow type sensitive models. Despite non Newtonian flows are crucial in many problems in engineering, they represent an open subject, due to the difficulty of building a mathematical model for the non-linear behavior of material functions obtained experimentally, and also due to the complexity of the problem generated by the approximation of the available mechanical models via usual numerical methods. In the classical GNL equations there are viscosity functions that are able to predict pseudoplastic, viscoplastic and dilatant behavior, representing the curve fitting of shear stress versus shear rate in viscometric flows. The flow type sensitive models are able to predict the different behavior in regions of shearing and extension, employing a kinematic parameter to classify the flows and the flow curves in viscometric and extensional flows. Multi-field formulations in extra-stress, pressure and velocity (τ-p-u), or even with the strain rate as a primal variable, are alternatives to the numerical approximation of non Newtonian flows that possess many advantages. They render unnecessary the post-processing of the velocity field to obtain the stress fields, representing a more accurate for low-order elements, eligible from the numerical standpoint. Besides, they allow the intuitive extension for the implementation of viscoelastic differential models. However, the compatibilization of functional sub-spaces of the variables is a difficulty in the numerical implementation, besides the numerical instability intrinsic to the advective operators in the models. As a path to come over these difficulties, a stabilization strategy of GLS type is employed, so as to allow the numerical implementation of the formulations, achieving the necessary stability for various combinations of functional sub-spaces. A study of the principles of Continuum Mechanics, constitutive theory and the finite element method is presented, with emphasis in the GLS methods for u-p, τ-p-u and D-p-u formulations. Numerical results are presented, validating the computational code developed, and investigating flows of Newtonian, viscoplastic, pseudoplastic and quasi-Newtonian fluids different geometry, as cavities and contractions. The methods are noticeable stable and physically comprehensive. Although, the flow type sensitive model shows serious convergence problems in the cases when the nonlinearity is too pronounced.

A presente dissertação tem por objetivo apresentar um estudo numérico comparativo do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço. Para isso, reproduzem-se, numericamente, dois modelos físicos de distribuidores extraídos da literatura, que são empregados em duas etapas: (1) estudo de parâmetros de simulação (esquemas de advecção-difusão, modelos de turbulência, dispersão da turbulência); (2) estudo de metodologias numéricas empregadas para análise de escoamento e grau de limpeza do aço (métodos para obtenção de curvas de distribuição de tempos de residência, simulação de inclusões não-metálicas, e a comparação das mesmas). O processamento numérico das simulações foi realizado em um código comercial que emprega a dinâmica dos fluidos computacional. Através da comparação entre os resultados numéricos e os dados da literatura foi possível determinar o melhor ajuste para cada grupo de casos estudados. Com respeito às conclusões alcançadas pela etapa (2) do trabalho, em um momento inicial, compararam-se os métodos numéricos utilizados para obter curvas de distribuição de tempos de residência. Em geral, a nova metodologia numérica desenvolvida e a tradicional apresentaram comportamentos semelhantes; porém, evidenciou-se uma grande diminuição no tempo de processamento com o emprego da nova metodologia. Em um segundo momento, analisou-se a influência das características de escoamento sobre as trajetórias de partículas que simularam as inclusões não-metálicas. Verificou-se que as trajetórias das partículas foram diretamente relacionadas com a direção e as magnitudes dos perfis de velocidade. De acordo com cada caso, alcançaram-se diferentes frações de remoção de partículas em função das características dos modificadores de escoamento. Por fim, observou-se que os valores de tempo mínimo de residência, e também, a relação entre volume pistonado e volume morto, foram diretamente relacionados com as frações de partículas removidas. / The aim of this work is to present a numerical comparative study of the flow and behaviour non-metallic inclusions in steel tundishes. To reproduce numerically two physical models of tundishes based on the literature those are used in two steps: (1) study of simulation parameters (advection-diffusion schemes, turbulence models, turbulent dispersion); (2) study of numerical methodologies used to analyze the flow and degree of steel cleanliness (methods to obtain residence time distribution curves, simulation of non-metallic inclusions, and their comparison). The numerical process of simulations was made in a computational fluid dynamics commercial code. Trough the comparison of among the numerical results and the literature data it was possible to determine the best fit for each cases group. As far as the conclusions obtained in step (2) of the work, in the beginning moment, the methods to obtain residence time distribution curves are compared. In general the new numerical methodology developed and the traditional one showed it similar behaviour; but it was noted large reduction in processing time with the use of the new method. In a second moment it was analyzed the influence of flow characteristics on the particles tracking that simulated the non-metallic inclusions. It was observed the particle tracking are directly related with the direction and magnitude of velocity profiles. According to each case there were obtained different particle removal fractions on a count of the flow modifiers characteristics. Finally it was observed that values of the minimum residence time and the relation between plug and dead volume were directly related with the particle removal fractions.