A obstrução dos emissores é apontada como o principal problema da irrigação por gotejamento, sendo a obstrução por agentes físicos a mais observada. No mercado, existem diversos modelos de emissores, sendo que a sensibilidade à obstrução varia conforme a qualidade da água e a geometria interna do emissor. Nesse contexto, o desenvolvimento de uma metodologia de avaliação da susceptibilidade de emissores à obstrução é importante para a identificação de modelos de emissores menos sensíveis à obstrução. A norma ISO/DTR 21540 (em desenvolvimento) especifica métodos de laboratório e de campo para a avaliação da sensibilidade de gotejadores à obstrução causada por partículas sólidas. O objetivo dessa pesquisa foi identificar limitações e propor aprimoramentos na etapa de ensaios de laboratório da ISO/DTR 21540, visando melhorar a repetitividade dos resultados e contribuir para a obtenção de uma metodologia mais robusta e confiável. Além disso, para a compreensão dos processos de obstrução por partículas sólidas, buscou-se analisar as principais causas e regiões de deposição de partículas ao longo dos labirintos dos emissores. Foram avaliados dois modelos de emissores (Taldrip 0,55 L h-1 e Drip-Tech 1,55 L h-1). O material utilizado como agente causador de obstrução foi um composto de partículas sólidas preparadas a partir de solo natural conforme requisitos da norma ISO 11277. O ensaio de obstrução consistiu de quatro fases, com duração de 40 horas cada, em uma combinação entre faixas granulométricas (0-75, 75-125; 125-212 e 212-500 μm) e concentração de partículas (125, 250, 375 e 500 mg L-1), com o aumento do risco de obstrução a cada fase. Essa pesquisa permitiu identificar limitações e enunciar recomendações para melhoria do protocolo de ensaios em discussão na ISO/DTR 21540. O acúmulo de partículas com dimensões relativamente grande (> 125 μm) foi a principal causa de obstrução, reforçando a probabilidade de que a granulometria de partículas é um fator dominante nos processos de obstrução quando se usa esse protocolo de ensaios. / Clogging of emitters is pointed out as the main problem of drip irrigation, being the clogging by physical agents the most observed. In the market, there are several models of emitters, and the sensitivity to the clogging varies according to the water quality and the internal geometry of the emitter. In this context, the development of a methodology that evaluates the susceptibility of emitters to clogging is important, once that it can identify less sensitive emitter models to clogging. The standard ISO / DTR 21540 (under development) specifies laboratory and field methods for assessing the sensitivity of drippers to clogging caused by solid particles. The aim of this research was to identify limitations and propose improvements in the ISO / DTR 21540 laboratory test stage, in order to improve the repeatability of the results and contribute to a more robust and reliable methodology. In addition, to understand the solid particle clogging processes, were analyzed the main causes and regions of particle deposition along the labyrinths of the emitters. Two emitter models (Taldrip 0.55 L h-1 and Drip-Tech 1.55 L h-1) were evaluated. The material used as clogging agent was solid particles compound prepared from natural soil according to the ISO 11277 requirements. The clogging test consisted of four stages, lasting 40 hours each, in a combination of granulometric range (0-75, 75-125, 125-212 and 212-500 μm) and particle concentration (125, 250, 375 and 500 mg L-1), with higher risk of clogging at each stage. This research allowed to identify limitations and enunciate recommendations for improvement of the test protocol under discussion in ISO / DTR 21540. The accumulation of particles with relatively large dimensions (> 125 μm) was the main cause of clogging, reinforcing the probability that the grain size particle is a dominant factor in the clogging processes when using this test protocol.

No labirinto dos gotejadores ocorrem diferentes interações entre as partículas de argila e as características do escoamento, sendo que essas interações interferem no potencial de obstrução dos mesmos. Considerando que os principais fatores que interferem no processo de obstrução causado por partículas de argila estão relacionados à natureza das argilas, ao regime de escoamento, à força iônica e ao pH da solução, e à concentração de partículas em suspensão. Esta pesquisa apresentou como objetivo identificar como esses fatores podem influenciar o desempenho dos gotejadores. Além disso, visando a caracterização do processo de obstrução causado por partículas desta natureza, buscou-se: relacionar o potencial de agregação das partículas com o desempenho dos gotejadores; e, analisar o comportamento da deposição de partículas no interior dos labirintos dos gotejadores. Para isso, além da realização dos ensaios em bancada utilizando diferentes dispersões de argila, foram realizadas análises sobre o potencial de agregação das partículas, e, utilizando um dispositivo milifluidico, foi realizada uma análise de deposição de partículas. Durante a pesquisa foram utilizados dois tipos de argilas, caulinita e montmorilonita. A força iônica da solução e a natureza dos materiais de argila apresentaram efeito sobre o desempenho dos gotejadores, enquanto que a caulinita em solução salina de sódio proporcionou incremento máximo de vazão de 5%, a montmorilonita causou redução máxima de vazão de 15%. No geral, as partículas de argila começaram a causar redução de vazão significativas com concentrações iguais ou superiores a 1000 mg L-1. Observou-se que as partículas de argila estão sujeitas ao fenômeno de autolimpeza que ocorre no interior dos labirintos após o acionamento do sistema. Não foi possível encontrar uma relação entre o potencial de agregação das partículas de argila e o desempenho dos gotejadores. Possivelmente, o índice de agregação utilizado pela teoria DLVO clássica não seja o mais adequado para obter esta relação. Em relação a deposição de partículas, as regiões que apresentaram maiores deposições de partículas coincidem com aquelas que apresentam menores valores de intensidade de turbulência e energia cinética turbulenta. A deposição de partícula ocorre principalmente nas regiões de vórtices e estagnação, localizadas nos dois primeiros defletores dos labirintos. Não foi observado acúmulo de partículas na região do fluxo principal. Por isso, sugere-se que partículas de argila, como agente isolado de obstrução, não apresentam potencial para causar obstrução completa dos gotejadores. / In the drippers labyrinth different interactions occur between the clay particles and the flow characteristics, and these interactions interfere in the clogging potential of the particles. Considering the main factors that affect the process of clogging caused by clay particles are related to the type of the clays, the flow regime, the ionic strength and pH of the solution, and the concentration of suspended particles. This research aims to identify how these factors can influence the performance of drippers. In addition, aiming to characterize the clogging process caused by particles of clay, it was sought to relate the potential of particles aggregation with the performance of drippers; and, to analyze the behavior of particles deposition inside the labyrinths of drippers. For this, in addition to performing bench tests using different clay dispersions, analyzes were carried out on the particle aggregation potential, and a particle deposition analysis was performed using a microfluidic device. During the research two types of clays were used, kaolinite and montmorillonite. The ionic strength of the solution and the type of the clay materials had an effect on the drippers performance. Whereas the kaolinite in sodium saline provided a maximum flow rate increase of 5%, the montmorillonite caused a maximum flow rate reduction of 15%. In general, clay particles began to cause significant flow rate reduction with concentrations equal to or greater than 1000 mg L-1. It was observed that clay particles are subject to the phenomenon of self-cleaning which occurs inside the labyrinths after turn on the system. It was not possible to find a relation between the potential of clay particles aggregation and the drippers performance. Possibly, the aggregation index used by the classical DLVO theory is not the most adequate to obtain this relation. In relation to the particles deposition, the regions of greatest deposition coincide with those that present lower values of turbulence intensity and turbulent kinetic energy. Particles deposition occurs mainly in the vortex and stagnation regions, located in the first two baffles of the labyrinths. In addition, no particle accumulation occurs in the main stream region, it suggested that clay particles, as an isolated clogging agent, do not have the potential to cause total clogging of drippers.

No labirinto dos gotejadores ocorrem diferentes interações entre as partículas de argila e as características do escoamento, sendo que essas interações interferem no potencial de obstrução dos mesmos. Considerando que os principais fatores que interferem no processo de obstrução causado por partículas de argila estão relacionados à natureza das argilas, ao regime de escoamento, à força iônica e ao pH da solução, e à concentração de partículas em suspensão. Esta pesquisa apresentou como objetivo identificar como esses fatores podem influenciar o desempenho dos gotejadores. Além disso, visando a caracterização do processo de obstrução causado por partículas desta natureza, buscou-se: relacionar o potencial de agregação das partículas com o desempenho dos gotejadores; e, analisar o comportamento da deposição de partículas no interior dos labirintos dos gotejadores. Para isso, além da realização dos ensaios em bancada utilizando diferentes dispersões de argila, foram realizadas análises sobre o potencial de agregação das partículas, e, utilizando um dispositivo milifluidico, foi realizada uma análise de deposição de partículas. Durante a pesquisa foram utilizados dois tipos de argilas, caulinita e montmorilonita. A força iônica da solução e a natureza dos materiais de argila apresentaram efeito sobre o desempenho dos gotejadores, enquanto que a caulinita em solução salina de sódio proporcionou incremento máximo de vazão de 5%, a montmorilonita causou redução máxima de vazão de 15%. No geral, as partículas de argila começaram a causar redução de vazão significativas com concentrações iguais ou superiores a 1000 mg L-1. Observou-se que as partículas de argila estão sujeitas ao fenômeno de autolimpeza que ocorre no interior dos labirintos após o acionamento do sistema. Não foi possível encontrar uma relação entre o potencial de agregação das partículas de argila e o desempenho dos gotejadores. Possivelmente, o índice de agregação utilizado pela teoria DLVO clássica não seja o mais adequado para obter esta relação. Em relação a deposição de partículas, as regiões que apresentaram maiores deposições de partículas coincidem com aquelas que apresentam menores valores de intensidade de turbulência e energia cinética turbulenta. A deposição de partícula ocorre principalmente nas regiões de vórtices e estagnação, localizadas nos dois primeiros defletores dos labirintos. Não foi observado acúmulo de partículas na região do fluxo principal. Por isso, sugere-se que partículas de argila, como agente isolado de obstrução, não apresentam potencial para causar obstrução completa dos gotejadores. / In the drippers labyrinth different interactions occur between the clay particles and the flow characteristics, and these interactions interfere in the clogging potential of the particles. Considering the main factors that affect the process of clogging caused by clay particles are related to the type of the clays, the flow regime, the ionic strength and pH of the solution, and the concentration of suspended particles. This research aims to identify how these factors can influence the performance of drippers. In addition, aiming to characterize the clogging process caused by particles of clay, it was sought to relate the potential of particles aggregation with the performance of drippers; and, to analyze the behavior of particles deposition inside the labyrinths of drippers. For this, in addition to performing bench tests using different clay dispersions, analyzes were carried out on the particle aggregation potential, and a particle deposition analysis was performed using a microfluidic device. During the research two types of clays were used, kaolinite and montmorillonite. The ionic strength of the solution and the type of the clay materials had an effect on the drippers performance. Whereas the kaolinite in sodium saline provided a maximum flow rate increase of 5%, the montmorillonite caused a maximum flow rate reduction of 15%. In general, clay particles began to cause significant flow rate reduction with concentrations equal to or greater than 1000 mg L-1. It was observed that clay particles are subject to the phenomenon of self-cleaning which occurs inside the labyrinths after turn on the system. It was not possible to find a relation between the potential of clay particles aggregation and the drippers performance. Possibly, the aggregation index used by the classical DLVO theory is not the most adequate to obtain this relation. In relation to the particles deposition, the regions of greatest deposition coincide with those that present lower values of turbulence intensity and turbulent kinetic energy. Particles deposition occurs mainly in the vortex and stagnation regions, located in the first two baffles of the labyrinths. In addition, no particle accumulation occurs in the main stream region, it suggested that clay particles, as an isolated clogging agent, do not have the potential to cause total clogging of drippers.

A obstrução de natureza física é ocasionada por partículas sólidas presentes em suspensão na água de irrigação e tem sido apontada como a mais comum entre os tipos de obstrução. A suscetibilidade dos gotejadores a problemas de obstrução é influenciada pela qualidade da água e por características geométricas do canal de escoamento do gotejador. Normalmente locais com baixa velocidade de escoamento, como as regiões de estagnação de fluxo e o centro de vórtices, proporcionam baixa capacidade de sustentação das partículas, o que favorece a sedimentação e acúmulo de sedimentos no canal, favorecendo a obstrução do emissor. Este trabalho teve como objetivo investigar a relação entre características geométricas de gotejadores e as características de escoamento no labirinto com seu desempenho hidráulico e a dinâmica da obstrução causada por partículas sólidas, a fim de adquirir fundamentos para suporte ao aprimoramento de geometrias de labirintos de emissores. Para isso foram projetados, desenvolvidos e avaliados dois grupos de protótipos de labirintos com características construtivas que conduzem a condições de escoamento distintas. No primeiro grupo os labirintos apresentaram escoamento uniforme (EU) apresentando geometria e características de escoamento que minimizam zonas de vórtice, comparando canais com diferentes seções de escoamento e ângulos de defletores. No segundo, os labirintos foram desenvolvidos para favorecer a formação de vórtices bem desenvolvidos (EV) por meio de alterações na altura dos defletores e na largura do canal. Alterações nos parâmetros construtivos dos labirintos resultaram em variações significativas na magnitude da perda de carga e no expoente de fluxo dos labirintos. Os emissores com características geométricas que favoreceram a formação de vórtices bem desenvolvidos apresentaram maior potencial de perda de carga e menores expoente de fluxo comparado aos emissores que permitem escoamento com características mais uniformes no canal. Em relação ao desempenho antiobstrução observou-se que a seção do canal foi um fator limitante, sendo que para ambas as etapas, emissores com largura de canal inferior a 0,8 mm, foram obstruídos rapidamente por partículas relativamente grandes. Por outro lado, os emissores com largura de canal igual ou superior a 1,0 mm não foram sensíveis à obstrução. Os resultados indicaram que a adoção dos vórtices bem desenvolvidos nos labirintos é benéfica do ponto de vista de desempenho hidráulico e antiobstrução pois permite a construção de labirintos com canais mais largos e mais curtos, além de não favorecerem a sedimentação de partículas ao longo do canal nas condições estudadas. / Clogging of physical nature is caused by solid particles present in suspension in irrigation water and has been pointed out as the most common type of clogging. The susceptibility of the drippers to clogging problems is influenced by the water quality and geometric characteristics of the drip channel of the dripper. Usually low flow velocity sites, such as the regions of flow stagnation and the center of vortices, provide low particle support capacity, which favors sedimentation and sediment accumulation in the channel, favoring the emitter clogging. This study aimed to investigate the relationship between geometrical characteristics of drip and flow characteristics in the labyrinth with its hydraulic performance and dynamics of the clogging caused by solid particles in order to acquire fundamentals to support the enhancement of emitters labyrinth geometries. For this, two groups of labyrinth prototypes with constructive characteristics were designed, developed and evaluated that lead to different flow conditions. In the first group the labyrinths presented uniform flow (EU) presenting geometry and flow characteristics that minimize vortex zones, comparing channels with different flow sections and deflector angles. In the second the labyrinths were developed to favor the formation of well developed vortices (EV) by means of changes in the height of the baffles and the width of the channel. Changes in the constructive parameters of the labyrinths resulted in significant variations in the magnitude of the head loss and the exponent of flow of the labyrinths. The emitters with geometric characteristics that favored the formation of well developed vortices presented greater potential of head loss and smaller exponent of flow compared to the emitters that allow flow with more uniform characteristics in the channel. Regarding the anti-clogging performance, it was observed that the section of the channel was a limiting factor, and for both steps, emitters with channel width less than 0.8 mm, were obstructed by relatively large particles. On the other hand, the emitters channel width exceeding 1.0 mm were not sensitive to clogging. The results indicated that the adoption of well developed vortices in the labyrinths is beneficial from the point of view of hydraulic performance and anti-obstruction because it allows the construction of labyrinths with wider and shorter channels, besides not favoring the sedimentation of particles along the channel in the conditions studied.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5797.pdf: 4020114 bytes, checksum: 6512b1824308fd9cb725adcf72277695 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Universidade Federal de Sao Carlos / The industrialization process and the fast growth of cities lead to an increase of respiratory diseases and, therefore, lead to the beginning of studies involving particle deposition in human lung airways. This work used Computational Fluid Dynamics (CFD) to evaluate the air flow and particle deposition process in three bifurcations of human respiratory system bronchia, considering three ramifications. The model has been validated by the comparison with experimental data available in the literature. It was considered four inlet rates, which correspond to sleep, resting, moderate activity and intense activity breathing conditions of adult male, with particles diameters varying from 1 to 10 μm. It was observed that the air flow is more intense in the inner region of the model, since it was used a parabolic velocity profile at the inlet, and the presence of secondary motion. The particle deposition increased with the intensity of the activity due to higher momentum of the particles, resulting in greater deposition by inertial impaction. Furthermore, CFD techniques were used to compare the particle deposition process during inhalation and further breath holding and exhalation, separately. It was observed a higher number of deposited particles during breath holding when compared with exhalation, justifying the medical recommendations to hold the breath during few seconds after the inhalation of pharmaceutical aerosols. Lastly, the physical mechanisms of gravitational sedimentation, Brownian diffusion and inertial impaction were evaluated and indicated that gravitational sedimentation is more active for bigger particles, while Brownian diffusion has more importance for particles with smaller diameters, and both have more influence in situations involving low speed. Therefore, it can be concluded that CFD is a viable technique and it can be used to represent the physical phenomena of air flow and particle deposition in the portion of respiratory system considered in this work. / O processo de industrialização e o rápido crescimento dos centros urbanos levaram a uma maior incidência de doenças respiratórias e, consequentemente, ao início dos estudos envolvendo deposição de partículas nas vias respiratórias humanas. Este trabalho utilizou a Fluidodinâmica Computacional (CFD) para avaliar o escoamento de ar e a deposição de partículas nos brônquios do sistema respiratório humano, considerando três ramificações. O modelo foi validado através da comparação com dados experimentais disponíveis na literatura. Foram consideradas quatro vazões de entrada, correspondendo às condições de sono, repouso, atividade moderada e atividade intensa de um indivíduo homem adulto, com diâmetro de partícula variando de 1 a 10 μm. Foi observado que o fluxo de ar foi mais intenso região interna do modelo, uma vez que foi utilizado um perfil parabólico na entrada, e a presença de escoamento secundário. A deposição da partícula aumentou com a intensidade da atividade do indivíduo devido a uma maior quantidade de movimento das partículas, resultando em uma maior deposição por impactação inercial. Além disso, as técnicas de CFD foram utilizadas para comparar o processo de deposição das partículas durante a inalação seguida de suspensão da respiração e expiração, separadamente. Foi observada uma maior deposição durante a suspensão da respiração, justificando as recomendações médicas para suspender a respiração durante alguns segundos depois da inalação de aerossóis farmacêuticos. Por fim, os mecanismos físicos de sedimentação gravitacional, difusão Browniana e impactação inercial foram avaliados e indicaram que a sedimentação gravitacional é mais atuante para partículas maiores, enquanto o mecanismo difusional tem maior importância para partículas com diâmetros menores, de forma que ambos têm maior influência em situações envolvendo baixa velocidade. Dessa forma, pode-se concluir que as ferramentas de CFD são viáveis e podem ser utilizadas para representar o fenômeno físico de escoamento de ar e de deposição de partículas na porção do sistema respiratório considerada neste trabalho.