Este trabalho apresenta uma metodologia geral para aproximar equações de convecção-difusão-reação baseada no princípio de separação de escalas. Utiliza-se uma decomposição de dois níveis dos espaços de aproximação e o problema local é modificado, introduzindo-se uma difusão artificial que atua somente nas escalas submalhas. O aspecto chave do método é o controle local dado a partir da decomposição do campo de velocidades em escalas resolvidas e não resolvidas com o requerimento da satisfação do modelo discreto a nível do elemento para uma energia cinética mínima associada às escalas não resolvidas. Este procedimento conduz à um modelo submalha não linear que não depende da escolha/ajuste de nenhum parâmetro de estabilização. Ele pode ser considerado um método auto-adaptativo, de forma que a quantidade de viscosidade submalha é automaticamente introduzida de acordo com o resíduo das escalas resolvidas a nível do elemento. É apresentada uma estimativa de erro a priori com taxas de convergência equivalentes às obtidas para sua contrapartida linear e vários métodos estabilizados. Experimentos numéricos demonstram a habilidade do método desenvolvido em representar problemas predominantemente convectivos e predominantemente reativos. / This work presents a general framework for approximating convection-diffusion-reaction equations based on principles of scale separation. A two-level decomposition of the discrete approximation spaces is performed and the local problem is modified introducing an artificial viscosity acting only on the subgrid scales. The key feature is the local control coming from the decomposition of the velocity field into the resolved and unresolved scales and requiring the satisfaction of the discrete model problem at the element level for a minimum kinetic energy associated to the unresolved scales. This procedure leads to a nonlinear subgrid model that acts only on the unresolved scales but does not require any tuned-up parameter. It can be considered a self adaptive method such that the amount of the subgrid viscosity is automatically introduced according to the residual of the resolved scale at element level. We provide an a priori error estimate with convergence rates similar to its linear counterpart and some other stabilized methods, like SUPG. Numerical experiments demonstrate the ability of the method to represent convection and/or reaction dominated problems.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1419023 bytes, checksum: 1bf50c9a366f8d01e4a2a3efdb0a5526 (MD5) Previous issue date: 2012-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this study the forced convection in the laminar flow in simultaneous developing is studied by applying the Generalized Integral Transform Technique to provide a hybrid analytical solution for the fields of velocity, pressure and temperature in circular ducts. The Continuity, Navier-Stokes, Poisson and Energy equations are formulated using primitive variables,knowing that the Poisson Equation was obtained from some mathematical manipulation made on the Navier-Stokes equations. The integral transformation is done in the Momentum equation in x, Poisson and energy equations, and the resulting equations are solved using the IMSL, DBVPFD subroutines and recovering the original potential for each profile studied. In this way it is possible to find a solution to the system by means of an expansion in terms of convenient eigenfunctions, to circular ducts, the eigenfunctions will be Bessel functions. In the following, some results from a practical point of view will be calculated and exhibited graphically such as: The Nusselt number, the f Re value, the study of the convergence profile of the velocity field, the mean velocity, the temperature, the mean temperature, pressure and the mean pressure in the middle of the duct will be analyzed. The results will be compared with the ones found in the literature to validate and adjust the model. / No presente trabalho a convecção forçada interna no escoamento laminar em desenvolvimento simultâneo é estudada aplicando a Técnica da Transformada Integral Generalizada para produzir um solução híbrida para os campos de velocidade, pressão e temperatura em dutos circulres. As equações da Continuidade, de Navier-Stokes, de Possion e da Energia são formuladas utilizando variáveis primitivas, sabendo-se que a equação de Poisson foi obtida a partir de algumas manipulações matemáticas feitas na equação de Navier-Stokes. A transformação integral é aplicada nas equações da quantidade de movimento na direção x, de Poisson e na equação da energia, e as equações resultantes são resolvidas com a subrotina numérica do IMSL, DBVPFD recuperando o potencial original para cada perfil em estudo. Assim é possível encontrar uma solução para o sistema de equações em termos de um expansão de autofunções, que para dutos circulares, as autofunções serão funções de Bessel. Em seguida resultados de interesse prático são calculados e exibidos graficamente como: número de Nusselt e f Re e estudos da convergência dos perfis de velocidade,velocidade média, temperatura, temperatura média, pressãoo e pressão média no centro do duto são analisados. Os resultados são comparados com os dados disponíveis na literatura para validação e ajustes do modelo.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1415567 bytes, checksum: 7b043cdad595239d38d4437820f24dd0 (MD5) Previous issue date: 2012-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In the present study, forced convection flow in two-dimensional laminar simultaneous development pipeline with rectangular geometry, is analyzed analytically using the Navier-Stokes, Poisson and Energy in its primitive form. These equations are solved by the Generalized Integral Transform Technique, which is characteristic hybrid-numeric. The development work is composed primarily by restructuring the problem, so that, it can be solved by using the subroutine Fortran, IMSL Library, DBVPFD. Then, the results obtained are considered of practical interest, such as the velocity field, the temperature profile, the behavior of the average temperature, the Nusselt number and the friction factor, with the goal of providing a better parameter for construction equipment. These parameters are assessed both longitudinally and horizontally. Finally, the results are validated through convergence charts in order to comparisons with literature articles. / No presente estudo, a convecção forçada no escoamento bidimensional em desenvolvimento simultâneo laminar em dutos com geometria retangular, é analisada analiticamente através das equações de Navier-Stokes, Poisson e da Energia em sua forma primitiva. Estas equações são resolvidas pela Técnica da Transformada Integral Generalizada, que tem característica hibrida-numérica. O desenvolvimento do trabalho é composto primeiramente pela reestruturação do problema, afim de que, possa ser resolvido pelo Fortran por meio da subrotina, da biblioteca IMSL, DBVPFD. Em seguida, são obtidos os resultados considerados de interesse práticos, como o campo de velocidade, o perfil da temperatura, o comportamento da temperatura média, o numero de Nusselt e o fator de atrito, com o objetivo de proporcionar parâmetros para melhor dimensionamento de equipamentos. Esses parâmetros são avaliados tanto longitudinalmente quanto horizontalmente. Por fim, os resultados são validados através de tabelas de convergência e comparações com artigos da literatura especializada.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / With the aim of develop a computational tool for thermodynamic optimization of heat exchangers, a computational code was implemented to solve the Navier-Stokes equations in an axisymmetric domain using the finite volume method and central differencing with Runge-Kutta explicit temporal advance and pressure-velocity coupling of fractional step type. This work presents results of the numeric simulation of the fully developed flow with heat transfer in a tube of circular section with ribs or obstacles, periodically spaced in the flow direction. The simulations were carried out in two regimes, laminar and turbulent, out of the completely rough region, and in four different geometries. In the cases with the high Reynolds number, the Smagorinsky subgrid model with damping function was used to include the effects of the quasi-two-dimensional scales not solved. In both cases, the primitive variables were decomposed to use periodic boundary conditions in the flow direction and non-slip boundary conditions in the walls. The results obtained in laminar regime are satisfactory. In the turbulent regime the results show the deficiency of the Smagorinsky subgrid model, when it is applied in two-dimensional domains. / Com o objetivo de desenvolver uma ferramenta computacional que permita a otimização termodinâmica de trocadores de calor, foi implementado um código computacional para resolver as equações de Navier-Stokes num domínio axissimétrico, usando o método dos volumes finitos e diferenças centradas, com esquema temporal explícito de Runge Kutta e acoplamento pressão-velocidade do tipo passo fracionário. Neste trabalho são apresentados resultados da simulação numérica de escoamentos completamente desenvolvidos e com troca de calor, em um tubo de seção circular com nervuras ou obstáculos periodicamente espaçados na direção do escoamento. As simulações foram feitas em dois regimes, laminar e turbulento, fora da região completamente rugosa, e para quatro geometrias diferentes. Nos casos com números de Reynolds mais elevados, foi empregado o modelo de turbulência sub-malha de Smagorinsky com função de amortecimento, para incluir os efeitos das escalas quase bidimensionais não-resolvidas. Em ambos os casos, as variáveis primitivas foram decompostas para empregar condições de contorno periódicas na direção do escoamento e de não-escorregamento nas paredes. Os resultados obtidos em regime laminar são satisfatórios e, em regime turbulento, mostram a deficiência do modelo sub-malha de Smagorinsky, quando aplicado em domínios bidimensionais. / Mestre em Engenharia Mecânica

Este trabalho propõe um modelo de transferência de calor e massa para prever a formação de gelo em um container preenchido com legumes congelados. O problema físico é modelado como um meio poroso composto pelo próprio produto e o ar em seu entorno. O regime de convecção natural é assumido dentro do container, o qual promove o transporte de massa. Como uma primeira validação, o modelo é simulado considerando diferentes temperaturas de ar externo, causadas por flutuações da vizinhança. Resultados para quatro ciclos de temperaturas foram comparados, variando separadamente a temperatura média do ar, amplitude e frequência de oscilação. De modo geral, é observado que a temperatura do produto se comporta assim como era esperado e este resultado é diretamente associado à formação de gelo dentro do container. A formação de gelo cresce com uma maior amplitude de oscilação, porém decresce com um aumento na frequência e na temperatura média. Os parâmetros do modelo foram obtidos para dois diferentes produtos: fatias de cenouras congeladas e vagens congeladas, ambos em meio ao ar. As definições de parâmetros são oriundas de revisão bibliográfica, medições experimentais e simulações numéricas. Os parâmetros encontrados para a caracterização desses meios porosos foram similares para ambos os produtos, mesmo eles possuindo diferentes geometrias. A validação experimental foi feita para as fatias de cenoura considerando dois ciclos de temperatura O modelo numérico é capaz de prever o campo de velocidades do ar, as temperaturas do produto e a formação de gelo local. Os resultados foram validados em relação a um grupo independente de resultados numéricos, tal comparação apresentou uma boa concordância. A circulação de ar encontrada é, de fato, devido à convecção natural. O comportamento da temperatura dos produtos simulados concorda com os valores medidos e os valores de temperaturas diferem por menos de 12%. Com respeito à formação de gelo, o modelo é capaz de prevê-la corretamente nas regiões mais suscetíveis a este fenômeno. Porém, a quantidade de gelo formado prevista pelo modelo (1,56 g/semana) é menor do que a experimental (4,67 g/semana), apesar de serem de mesma ordem de magnitude. O efeito de cada parâmetro no modelo é estudado visando detectar maneiras de aprimorar o modelo. Foi encontrado que os parâmetros mais importantes para a formação de gelo total são a difusividade de massa efetiva e o coeficiente de transferência de calor convectivo dentro do container. Ajustando estes parâmetros duas vezes foi possível encontrar resultados melhores com respeito à formação de gelo (3,09 g/semana). / A model of heat and mass transfer is proposed in order to predict frost formation into a closed container filled with frozen vegetables. The physical problem is modeled as a macroporous media composed by the product itself and the surrounding air. Natural convection air flow is assumed into the container, who promotes water mass transport. As a first validation, the model is simulated for several exterior air temperatures, under environmental fluctuations (boundary conditions). Results of four temperature cycles were compared, varying average air temperature, amplitude and frequency of oscillation, one by one. As a general result, it is observed that the product temperature behavior is as expected, and it is directly associated with frost formation into the container. Frost formation increases with large amplitude of oscillation, but decreases with higher frequencies and higher mean temperatures. Model parameters were obtained for two assembling: frozen slices of carrots and air, and frozen extra thin green beans and air. Parameter definition and evaluation combines literature review, measurements and numerical simulation. In general, parameters which characterize these porous media were similar for both products, even though they display different geometries. The experimental validation is performed for carrot slices with two temperature cycles The numerical model is able to predict air velocity field, air and product temperatures, and local frost formation. Results are validated in respect to a set of independent experimental results that shown a good agreement. Air flow circulation is as expected due to natural convection. Product temperature simulated behavior agrees with measurements, and temperature values differ by less than 12%. Respect to frost formation predictions, the model predicts correctly the most susceptible regions to frost formation. However, the quantity of frost formed predicted by the model (1.56 g/ week)is lower than the experimental one (4.67g/week), despite being of the same order of magnitude. The effect of each parameter in the model is study in order to detect how to improve the model. The most important parameters affecting total frost formation are effective mass diffusivity and convective heat coefficient into the storage container. Adjusting these parameters to twice, better results in terms of frost formation could be obtained (3.09 g/ week).

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2018-06-21T22:15:21Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Marcelo_Felix_Alonso.pdf: 3066911 bytes, checksum: c05f60df7aea1fe1e26c060cd18eb54c (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2018-06-21T22:44:57Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Marcelo_Felix_Alonso.pdf: 3066911 bytes, checksum: c05f60df7aea1fe1e26c060cd18eb54c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-21T22:44:57Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Marcelo_Felix_Alonso.pdf: 3066911 bytes, checksum: c05f60df7aea1fe1e26c060cd18eb54c (MD5) Previous issue date: 2006-02-15 / Sem bolsa / O objetivo geral dessa dissertação de mestrado foi estudar a influência das Parametrizações de Convecção na simulação de eventos severos no Brasil, a fim de avaliar o seu desempenho na previsão regional de tempestades potencialmente destruidoras. Com esse raciocínio, comparou-se a precipitação observada e simulada, estudaram-se as reservas de energia envolvidas no processo da convecção, analisou-se como o ambiente termodinâmico e dinâmico em grande escala foi modificado e estudaram-se maneiras de melhorar a parametrização convectiva de Grell a fim de propiciar ainda mais confiabilidade à previsão numérica do tempo, utilizando o modelo regional de mesoescala BRAMS 2.0. Para isso, analisaram-se dois casos de sistemas precipitantes, influenciados por regimes distintos (extratropical e tropical). Não obstante, ainda fez-se uma análise da confiabilidade da Parametrização Convectiva de Grell na simulação da precipitação para o mês de maio de 2005, no Rio Grande do Sul. Evidencia-se a superioridade da Parametrização Convectiva de Grell na simulação da magnitude da precipitação, em relação à Parametrização Convectiva de Kuo. Porém, conclui-se que a Parametrização Convectiva de Grell tende a superestimar o dado observado de precipitação acumulada. Nos dois casos de convecção, pôde-se obter uma boa eficiência da Parametrização convectiva de Grell, em relação à magnitude da precipitação diária acumulada, diminuindo-se o raio da nuvem, aumentando o entranhamento de massa no sistema. Os experimentos cuja peculiaridade é o uso da Parametrização Convectiva de Grell, simularam com melhor precisão as características termodinâmicas do ambiente e representaram com boa exatidão os aspectos dinâmicos favoráveis à gênese e manutenção de tempestades mais severas, fornecendo subsídio no que se refere ao uso da modelagem regional como estratégia adicional na prevenção de fenômenos potencialmente destruidores. Percebe-se, analisando o caso II, que os dados de inicialização do modelo tiveram um profundo impacto na simulação da Linha de Instabilidade. Os experimentos iniciados com os dados de Re-análise, do NCEP, cuja resolução é de 250 km, organizaram as bandas convectivas numa configuração mais parecida com o que foi observado. Todavia, os experimentos iniciados com o modelo T126L28, do CPTEC, cuja resolução é de 100 km, geraram núcleos convectivos em áreas onde não foi observada atividade convectiva. / The general objective of this purpose of was to study the Convection Parameterization influence in the Brazilian severe events simulation, in order to evaluate its performance in the regional severe storm forecast. It was compared observed and simulated precipitation, the energy budghets envolved in the convection process had been studied, were analyzed the large-scale thermodynamic and dynamic modification and had studied ways to improve the Grell convective parameterization for a better weather numerical forecast, using BRAMS 2.0 model. For this, two cases of convective systems had been analyzed, influenced by regimes distinct (extratropical and tropical). Still, we made an analysis of the Grell Convective Parameterization behavior in the precipitation simulation for May 2005, in the Rio Grande Do Sul state. The accumulated precipitation, simulated from experiments that use the Grell scheme, better represented the rain intensity, but overestimated the observed data. The simulations with Kuo scheme underestimated the observed data. The inicialization data has a full influence in the squall line simulation. The LIGRELLA/LIKUOA experiments better simulated the spatial coverage of squall line, with relation the GPCP satellite data. However, the LIGRELLB/LIKUOB experiments simulated maximum precipitation in regions with any observed rain, including, LIKUOB simulated a squall line with propagation opposing the observed.

Orientadores: Luiz Felipe Mendes de Moura, João Batista Campos Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T00:52:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_VanessaDavanco_D.pdf: 25543252 bytes, checksum: e4c1c00ac828271186af3bc2fc3654d5 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Neste trabalho foram desenvolvidos e aplicados códigos computacionais baseados em métodos de elementos finitos estabilizados, principalmente, a versão de mínimos quadrados (LSFEM - Least Squares Finite Element Method) que leva a sistemas algébricos sempre simétricos e positivos definidos, independentemente dos sistemas de equações diferenciais parciais dos casos considerados. Um método conhecido como CBS (Characteristic Based Split) também tem sido aplicado o qual possibilita a aplicação do método de Galerkin (GFEM - Galerkin Finite Element Method) para solução de problemas de escoamento de fluidos, sem oscilações na solução. Resultados têm sido obtidos para problemas de convecção-difusão bi e tridimensional discretizando os domínios por malhas estruturadas de elementos quadráticos, e para solução de escoamentos incompressíveis bidimensionais usando malhas não estruturadas de elementos finitos triangulares lineares / Abstract: In this study we developed and implemented computer codes based on stabilized finite element methods, especially the version of least squares (LSFEM - Least Squares Finite Element Method) that leads to algebraic systems always symmetric and positive defined, independently of the systems of partial differential equations of the cases considered. A method known as CBS (Characteristic Based Split) has also been implemented which allows the application of the Galerkin method (GFEM - Galerkin Finite Element Method) to solve problems of fluid flow without oscilations in the solution. Results have been obtained for two-and three-dimensional problems of convection-diffusion type discretizing the domains by structured meshes of quadratic elements and for solution of two-dimensional incompressible flows using unstructured meshes of linear triangles / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcelo Moreira Ganzarolli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T20:18:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Avelar_AnaCristina_M.pdf: 5757345 bytes, checksum: ab66436b252ec7b8b48d4756dd9e7f42 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Os constantes avanços tecnológicos em eletrônica e informática tem tornado os sistemas eletrônicos cada vez mais compactos, aumentando-se a quantidade de calor a ser removida dos componentes e placas de circuito impresso. Por este motivo, atualmente são exigidos sistemas de dissipação de calor altamente eficientes. Este estudo analisa teórica e experimentalmente a transferência de calor em canais verticais formados por placas de circuito impresso dispostas paralelamente, resfriadas por convecção natural e propõe uma modelagem, baseada em relações existentes na literatura, que busca prever a distribuição de temperaturas em pontos significativos nos canais e placas em função da potência dissipada e da distância entre as placas. Este estudo visa também analisar os efeitos do aquecimento não-uniforme das placas que formam o canal. Na simulação teórica, devido à pequena espessura da placa o gradiente de temperatura ao longo da espessura da mesma foi desprezado e resolveu-se numericamente a equação de transferência de calor em coordenadas cartesianas bidimensionais e em regime permanente. Equacionou-se balanços de energia para os componentes e para o ar no canal e o problema foi resolvido numericamente através de um programa computacional. As placas de circuito impresso utilizadas nos testes experimentais, concebidas exclusivamente para fins de estudos térmicos, possuem uma base de epóxi com 25 resistores discretamente distribuídos sobre sua superfície de 200x164mm. Realizou-se testes com aquecimento uniforme e não-uniforme, variando-se a potência por componentes nas placas. Variou-se também as potências por placas e as distâncias entre as mesmas. Testou-se as potências de 2, 4,6 e 8 W e as distâncias entre placas de 12,24, e 48mm. Verificou-se boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais, principalmente para a menor distância entre placas, 12 mm, onde a diferença entre os resultados teóricos e experimentais foi muito pequena / Abstract: The constant technological advances in electronics and computations have made the electronic system increasingly more compact, thus increasing the amount of heat to be removed ITomthe components and printed circuit boards. For this reason, highly efficient system of heat removal are presently required. This study analyses both theoretically and experimentallyheat transfer in an array of vertical parallel printed circuit boards, cooled off by natural convection and proposes a modeling, based on correlation found in literature which tries to predict temperature distribution in significant places in the channels and boards as regards dissipated power and distance among boards. This study also aims at analyzing nonuniform heating effets of the channel made boards. In the theoritical simulation, due to the board' s small thickness, the temperature gradient across the board has been neglected, and the equation of heat transfer in two-dimensional Cartesian was numericallysolved, and on a steady state. Energy balances for the componentes were formulated, and the problem was numerically solved by a computer programo The printed circuit boards used in the experimental tests, manufactured speciallyfor heat trasnfer studies have an epoxy basis with 25 resistors discretely distributed on 200 x 164 mm. Uniform and non-uniform heating tests were performed, thus a variation of power and distance among them had a variation. The 2, 4, 6 and 8 W power and distance among 12, 24 and 48 mm boards were tested. Good agreements between numerical and experimentalresults were observed, mainlyfor the smaller distance among boards, 12 mm, the differencesbetween the theoretical and experimentalresults were small / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcelo Cristianini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-13T10:42:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Augusto_PedroEstevesDuarte_M.pdf: 2374617 bytes, checksum: 51b7576f4277bc0fdae47e5122fc60fd (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A crescente busca por alimentos mais seguros e de melhor qualidade nutricional e sensorial cria a necessidade de melhor entendimento dos processos envolvidos na produção dos mesmos. O tratamento térmico é um dos métodos mais utilizados na conservação de alimentos, sendo o processamento dentro da embalagem um dos mais seguros. A utilização de modelamento matemático da transferência de calor na avaliação de tratamentos térmicos vem se mostrando uma poderosa ferramenta na garantia da segurança sem comprometimento da qualidade nutricional e sensorial dos alimentos. A fluidodinâmica computacional (CFD) vem sendo utilizada em diversos trabalhos para melhor entendimento de processos térmicos de alimentos líquidos. Entretanto, a falta de consistência e uniformidade nas modelagens, aliadas as raras avaliações experimentais das simulações, criam a necessidade de avaliações entre metodologias utilizadas e validações criteriosas. O presente trabalho estudou a transferência de calor durante tratamentos térmicos de alimentos líquidos embalados em garrafas comerciais através de modelagem matemática por CFD. Determinou-se o coeficiente convectivo de transferência de calor (h) para duas garrafas comerciais em um sistema de aquecimento e um de resfriamento em imersão em água. Observou-se que mesmo pequenas diferenças entre geometrias de embalagens resultaram em considerável diferença nos valores de h entre embalagens e sistemas, reforçando a necessidade de avaliação dessa propriedade para cada processo real estudado. Avaliou-se quatro metodologias utilizadas nos trabalhos de CFD para determinação das condições de contorno das simulações, observando-se que as que consideram perfis de temperatura superestimam o fluxo de calor trocado com o produto, podendo comprometer a segurança e conservação do mesmo. A metodologia que considera o fluxo de calor decorrente das condições de contorno h e perfil térmico do meio de aquecimento apresentaram boa concordância com os perfis térmicos experimentais, mostrando-se adequados à modelagem de processos térmicos de alimentos. Caracterizou-se reologicamente um alimento líquido modelo, podendo ser utilizado para simulação de sucos de frutas, assim como a inativação térmica de um microrganismo modelo em processos de pasteurização (Lactobacillus plantarum). Analisou-se as características do tratamento térmico de alimentos líquidos em duas embalagens comerciais, através de perfis de temperatura, velocidade, característica da região de aquecimento mais lento (RAML) e inativação microbiana. Os perfis de temperatura e velocidade obtidos nas simulações de CFD do processo térmico do alimento modelo utilizado se mostraram semelhantes aos reportados na literatura, sendo descritas as características do processo. A análise dos perfis de temperatura obtidos experimentalmente e através do modelo indicaram boa correlação das simulações de CFD, sugerindo a possibilidade de utilização dessa ferramenta para avaliação de perfis térmicos em processos térmicos de alimentos embalados. Entretanto, a análise de validação microbiológica indicou grande desvio entre os valores experimentais e obtidos pelo modelo, atribuído a baixa resistência térmica do microrganismo alvo utilizado nas condições de processo. Nesse caso, mesmo pequenos desvios entre as temperaturas experimentais e obtidas por CFD podem resultar em grande desvio na inativação microbiana final, sugerindo que a utilização de CFD na avaliação de tratamentos térmicos deve ser vista com cautela. Os resultados obtidos comprovam a necessidade de validação dos modelos obtidos através de avaliação de perfil térmico e inativação microbiológica / Abstract: The growing demand for safer and high-quality food products creates the need for better knowledge of the processes involved in food production. Thermal process is one of the safest and most frequently used methods for food preservation, in special when performed in the package. The mathematical modelling of heat transfer is a useful tool for designing safety process while minimizing nutritional and sensory drops. The computational fluid dynamics (CFD) have been widely used for better understand of liquid food thermal process. However, no consistency in the mathematical models built is observed, and just a very few works compare the CFD data with experimental ones. There is a need for the evaluation of the use of CFD for thermal process design. The present work has evaluated the heat transfer in in-package liquid food during thermal process, using mathematical modelling by CFD. The convective heat transfer coefficient (h) among two commercial bottles and a heat and a cooling system were determinated. It was observed that even small differences among packages and heat transfer system result in distinct coefficient and that it must be measured for the exact heat transfer system. Four methodologies were evaluated for the boundary conditions definition of the CFD simulations, based on the previous CFD works. The models that considered the temperature profiles as boundary condition, showed faster heating. By over-estimating the product heating rate, those models are not appropriated for the mathematical modelling of heat process, as it compromises the safety and preservation of food products. The model that considered the measured value of h and temperature profile of the water bath as boundary condition showed good agreement with experimental values, being appropriated for thermal process modelling. The rheological characteristics of a model liquid food was determinated, and the thermal resistance of Lactobacillus plantarum, a target microorganism in pasteurization processes, was evaluated in this model, which can be used as a fruit juice simulator. The thermal process of liquid foods was evaluated in two commercial bottles, using temperature, velocity, slowest heating zone (SHZ) and microbiological inactivation profiles. The temperature and velocity profiles were compatible with those described in CFD works. The thermal profile obtained by CFD shown good correlation with experimental values, suggesting that CFD can be used in thermal process temperature profiles evaluation. Although, the microbiological validation shown large deviation between the experimental values and obtained by the model, probably due the low thermal resistance of the studied microorganism. These results indicate that the CFD utilization in thermal process evaluation might be carefully seen, in especial when the microorganism thermal resistance is low in process conditions. In these situations, even small differences between CFD and experimental temperatures results in considerable microbial inactivation divergence. The results obtained in this work show the need for CFD models evaluation by thermal profile and microbiological inactivation / Mestrado / Mestre em Tecnologia de Alimentos

Foram estudados dois sistemas referentes à células a combustível de membrana de troca protônica através de modelos computacionais. Um protótipo de célula foi utilizado para o estudo da dinâmica de fluidos, tendo sido utilizados resultados cedidos para a validação da formulação do escoamento e posterior quantificação da contribuição do mesmo no transporte de espécies nos meios porosos. Este mesmo sistema foi explorado quanto à geometria dos canais de escoamento, sendo possível estabelecer uma hierarquia de perda por sobrepotencial de concentração em função da estequiometria do reagente. Obteve-se que, para as estequiometrias recomendadas em uma célula real, os melhores desempenhos seriam atingidos por geometrias de serpentina simples e serpentina dupla, ou tripla, para o ânodo e cátodo, respectivamente. Uma célula completa também fora estudada, sendo comparada a resultados experimentais obtidos localmente. Foi observado que o modelo utilizado apresenta boa concordância com os aspectos globais do dispositivo real, enquanto que os aspectos locais são largamente mal representados pelo modelo computacional. Este modelo também fora utilizado para quantificar a contribuição do transporte convectivo na distribuição de reagentes, corroborando e estendendo os estudos realizados com o protótipo de célula. Em suma, são sugeridas as possibilidades e desafios de se utilizar modelos computacionais para células a combustível e sistemas similares, neste caso estabelecendo a conexão entre um protótipo e um dispositivo real. / Two systems related to proton-exchange membrane fuel cells were studied through computational models. A cell prototype was used to study fluid dynamics, where the fluid flow formulation was validated against provided experimental results, being later used to quantify its contribution to species transport in the porous media. This same systems was explored regarding its flow channel geometry, where it was possible to establish a hierarchy relative to the concentration overpotential loss as a function of the reactant stoichiometry. It was obtained that, for the recommended stoichiometries for a real cell, the best performance would be attained by a single serpentine and a double, or triple, serpentine geometries for the anode and cathode, respectively. A full cell was also studied, being compared against experimental results obtained locally. It was observed that the model shows good agreement with the global aspects of the real device, while the local aspects are widely misrepresented. This model was also used to quantify the contribution of convection to reactant distribution, corroborating and extending the studies performed with the cell prototype. In all, the possibilities and challenges concerning the use of computational models with fuel cells and similar systems are suggested, particularly by establishing the connection between a prototype and a real device.