CPL (Capillary Pumped Loop) é um sistema de transporte de calor na forma de um circuito fechado por onde circula um fluido, bombeado de pressão capilar. O calor é transportado utilizando-se os processos de evaporação e condensação que o fluido sofre ao longo do circuito. Neste trabalho, uma nova configuração de CPL é estudada experimental e teoricamente. Com o objetivo de criar uma interface fixa entre o líquido e o vapor dentro do circuito, o condensador convencional tipo serpentina é substituída por um contendo material poroso no seu interior. A idéia é ter um sistema simples, leve e confiável, sem os problemas operacionais do CPL convencional. Um protótipo é fabricado e testado em diferentes condições de operação, demonstrando a funcionalidade e indicando o desempenho deste tipo de CPL. Um modelo matemático, que simula o comportamento térmico e hidrodinâmico do dispositivo em função das condições de operação, é desenvolvido e validado com dados experimentais. Utilizando o modelo, estudam-se as características opercaionais deste sitema, incluindo levantamento das condições necessárias para operação e inicialização, identificação e caracterização do modo de operação, e análise de sensibilidade em relação aos principais parâmetros de projeto.

Foi apresentado um sistema automatizado para monitorar fluxos de metano (CH4) e do dióxido de carbono (CO2) na relação da água/ar de ecossistemas aquáticos. Consiste em uma série de câmaras flutuantes dinâmicas acopladas a um analisador photo acústico infravermelho de gás. Associado os outros sensores atmosféricos e de qualidade da água, foi possível identificar os fatores atmosféricos, hidrológico e biológico que afetam emissões de CH4 e de CO2 no reservatório de Corumbá (estado de Goiás), uma terra inundada antropogenica de savana. O estudo realizado em novembro 2004 e em março/agosto 2005 permitiu uma inter-correlação desobstruídos de estabelecimento da câmara, embora relações ligadas da profundidade-fluxo. Os fluxos de CH4 borbulhando médios em novembro 2004, em março e em agosto 2005 eram respectivamente 0.05 ± 2.19, 4 ± 45 e 505 o ± 1192 mg/m2/d. Para os mesmos meses, as emissões de CH4 difusivo médias foram 17 o ± 6, 37 ± 9 e 69 o ± 28 mg/m2/d, visto que os fluxos difusivo do CO2 foram respectivamente 59 o ± 398, 385 ± 629 e o ± 1466 1223 mg/m2/d. Um aspecto interessante de bolhas de CH4 é a liberação repentina e grande em locais rasos e liberação do escoamento em locais profundos. Em uma base diária, a freqüência e o valor de bolhas de CH4 são condicionados à oxidação durante períodos da flutuação do lago, e às mudanças totais da pressão exercidas no sedimento. Em escalas de tempo sazonal, a intensidade de bolhas de CH4 é condicionada principalmente pela disponibilidade da carcaça ao metanogeneses. As frentes frias são responsáveis pela a ruptura da estratificação (misturar), favorecendo emissões do CO2 depois da oxidação CH4. As emissões do CO2 puderam também ser acopladas ao diel metanotrófico. Nossos resultados sugerem que as emissões de gás do efeito estufa de Corumbá estão controladas pela maior parte pelo nível de água e pela luz solar. / It was present an automated system for monitoring methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) fluxes at the water/air interface of aquatic ecosystems. It consists of a series of floating dynamic chambers coupled to an infrared photo acoustic gas analyzer. Associated to other atmospheric and water quality sensors, it was possible to identify atmospheric, hydrologic and biological factors affecting CH4 and CO2 emissions at Corumbá reservoir (State of Goiás), a savanna anthropogenic flooded land. The study carried out in November 2004 and March/August 2005 allowed establishing clear chamber inter-correlations, although intricate depth-flux relations. Mean CH4 bubbling fluxes in November 2004, March and August 2005 were respectively 0.05 ± 2.19, 4 ± 45 and 505 ± 1192 mg/m2/d. For the same months, mean CH4 diffusive emissions were 17 ± 6, 37 ± 9 and 69 ± 28 mg/m2/d, whereas CO2 diffusive fluxes were respectively 59 ± 398, 385 ± 629 and 1466 ± 1223 mg/m2/d. An interesting aspect of CH4 bubbling is the sudden and large release at shallow sites and seepage release at deep sites. On a daily basis, the frequency and magnitude of CH4 bubbling is conditioned to oxidation during overturn periods, and to the total pressure changes exerted on the sediment. At seasonal time scales, CH4 bubbling intensity is mainly conditioned by substrate availability to methanogenesis. Cold fronts are responsible for stratification rupture (mixing), favoring CO2 emissions following CH4 oxidation. CO2 emissions might also be coupled to diel methanotrophy. Our results suggest that greenhouse gas emissions from Corumbá are largely controlled by water level and sunlight.

Neste trabalho, é estudada a descrição do fluxo de um gás rarefeito em um duto cilíndrico de comprimento infinito. A formulação matemática do problema está baseada na forma integral de equações cinéticas derivadas da Equação de Boltzmann. Particularmente são estudados os modelos cinéticos conhecidos como BGK e S. Métodos espectrais são propostos para obtenção de soluções, em forma fechada, para quantidades de interesse como o perfil de velocidade do gás, bem como taxas de fluxo. As formulações espectrais são baseadas em duas abordagens: expansão clássica em termos de Polinômios de Legendre e expansão em termos de splines cúbicas de Hermite, neste caso, associada a um esquema de colocação. A implementação das propostas produz resultados computacionais satisfatórios do ponto de vista prático. Para obtenção de resultados com maior precisão, técnicas de tratamento da singularidade do núcleo da equação integral foram introduzidas, resultando em ganho computacional significativo. Finalmente, a proposta de solução espectral para problemas em geometria cilíndrica se mostrou adequada para problemas em que se admite reflexão especular na superfície do cilindro, situação onde outras abordagens clássicas disponíveis na literatura não podem ser utilizadas. / In this work, rarefied gas flows in cylindrical ducts are studied. The mathematical formulation of the problems are based on the integral form of kinetic equations derived from the Boltzmann equation. Particularly, the BGK and S models are studied. Spectral methods are proposed to obtain closed form solutions for quantities of interest as velocity profile of the gas as well as flow rates. The spectral formulations are based on two approaches: classical expansions in terms of Legendre Polynomials and Hermite cubic splines expansions. In this case, associated with a collocation scheme. The approaches provide good computational results, from the practical point of view. On the other hand, for obtaining higher accuracy, some techniques were introduced to deal with the inherent singularity of the integral kernel. In this context, a significant computational gain is achieved. Finally, this spectral approach has shown to be adequate to solve problems where specular reflection is assumed at the surface, in which cases, classical approaches available in the literature can not be used.

Neste trabalho, o fenômeno de evaporação em gases rarefeitos e analisado, para o caso de uma espécie de gás bem como de misturas binárias. Evaporação fraca e forte são consideradas para escoamentos de gases em canal e semi-espaco. Também e investigado o fenômeno conhecido como reverso de temperatura, típico de gases em estado de rarefação. O método ADO, uma versão analítica do método de ordenadas discretas, é utilizado para construção de soluções em forma fechada para os diversos problemas e quantidades de interesse, como perfis de temperatura e fluxos de calor. Para o caso de um gás, uma solução unificada e desenvolvida para problemas formulados a partir dos modelos cinéticos, derivados da equação de Boltzmann, BGK, S, Gross- Jackson e MRS. No caso de mistura binária de gases, a formulação matemática e baseada no modelo McCormack. Particularmente, quando a evaporação forte e abordada, e aspectos não lineares devem ser incluídos, a versão não linear do modelo BGK e utilizada. Neste caso, a solução ADO do modelo linear e utilizada em um processo chamado de pós-processamento para inclusão dos termos não lineares do problema e reavaliação das quantidades de interesse, evidenciando melhoria dos resultados obtidos pela formulação linear. Uma serie de resultados numéricos são listados e é observada, de forma geral, excelente exatidão e eficiência computacional. / In this work, evaporation phenomena in rarefied gas flow, for one gas case and binary mixtures, are analyzed. Weak and strong evaporation are considered in channel and half-space problems. The reverse of temperature problem, typical in rarefied gas dynamics, is also investigated. The ADO method, an analytical version of the discrete ordinates method, is used to develop closed form solutions, to several problems and quantities of interest, as temperature profiles and heat flows. For the one gas case, an unified solution is developed for the BGK, S, Gross-Jackson and MRS models, derived from the Boltzmann equation. For binary mixtures, the mathematical formulation is based on the McCormack model. Particularly, when strong evaporation is investigated, and nonlinear aspects have to be included, the nonlinear BGK model is used. In this case, the ADO solution, provided by the linear model, is considered in a post-processing procedure which takes into account the nonlinear terms to evaluate the quantities of interest, and improved results are obtained, in comparison with the linear version. A series of numerical results are listed and, in general, an excellent accuracy and good computational efficiency are observed.

Neste trabalho, é estudada a descrição do fluxo de um gás rarefeito em um duto cilíndrico de comprimento infinito. A formulação matemática do problema está baseada na forma integral de equações cinéticas derivadas da Equação de Boltzmann. Particularmente são estudados os modelos cinéticos conhecidos como BGK e S. Métodos espectrais são propostos para obtenção de soluções, em forma fechada, para quantidades de interesse como o perfil de velocidade do gás, bem como taxas de fluxo. As formulações espectrais são baseadas em duas abordagens: expansão clássica em termos de Polinômios de Legendre e expansão em termos de splines cúbicas de Hermite, neste caso, associada a um esquema de colocação. A implementação das propostas produz resultados computacionais satisfatórios do ponto de vista prático. Para obtenção de resultados com maior precisão, técnicas de tratamento da singularidade do núcleo da equação integral foram introduzidas, resultando em ganho computacional significativo. Finalmente, a proposta de solução espectral para problemas em geometria cilíndrica se mostrou adequada para problemas em que se admite reflexão especular na superfície do cilindro, situação onde outras abordagens clássicas disponíveis na literatura não podem ser utilizadas. / In this work, rarefied gas flows in cylindrical ducts are studied. The mathematical formulation of the problems are based on the integral form of kinetic equations derived from the Boltzmann equation. Particularly, the BGK and S models are studied. Spectral methods are proposed to obtain closed form solutions for quantities of interest as velocity profile of the gas as well as flow rates. The spectral formulations are based on two approaches: classical expansions in terms of Legendre Polynomials and Hermite cubic splines expansions. In this case, associated with a collocation scheme. The approaches provide good computational results, from the practical point of view. On the other hand, for obtaining higher accuracy, some techniques were introduced to deal with the inherent singularity of the integral kernel. In this context, a significant computational gain is achieved. Finally, this spectral approach has shown to be adequate to solve problems where specular reflection is assumed at the surface, in which cases, classical approaches available in the literature can not be used.

Neste trabalho, o fenômeno de evaporação em gases rarefeitos e analisado, para o caso de uma espécie de gás bem como de misturas binárias. Evaporação fraca e forte são consideradas para escoamentos de gases em canal e semi-espaco. Também e investigado o fenômeno conhecido como reverso de temperatura, típico de gases em estado de rarefação. O método ADO, uma versão analítica do método de ordenadas discretas, é utilizado para construção de soluções em forma fechada para os diversos problemas e quantidades de interesse, como perfis de temperatura e fluxos de calor. Para o caso de um gás, uma solução unificada e desenvolvida para problemas formulados a partir dos modelos cinéticos, derivados da equação de Boltzmann, BGK, S, Gross- Jackson e MRS. No caso de mistura binária de gases, a formulação matemática e baseada no modelo McCormack. Particularmente, quando a evaporação forte e abordada, e aspectos não lineares devem ser incluídos, a versão não linear do modelo BGK e utilizada. Neste caso, a solução ADO do modelo linear e utilizada em um processo chamado de pós-processamento para inclusão dos termos não lineares do problema e reavaliação das quantidades de interesse, evidenciando melhoria dos resultados obtidos pela formulação linear. Uma serie de resultados numéricos são listados e é observada, de forma geral, excelente exatidão e eficiência computacional. / In this work, evaporation phenomena in rarefied gas flow, for one gas case and binary mixtures, are analyzed. Weak and strong evaporation are considered in channel and half-space problems. The reverse of temperature problem, typical in rarefied gas dynamics, is also investigated. The ADO method, an analytical version of the discrete ordinates method, is used to develop closed form solutions, to several problems and quantities of interest, as temperature profiles and heat flows. For the one gas case, an unified solution is developed for the BGK, S, Gross-Jackson and MRS models, derived from the Boltzmann equation. For binary mixtures, the mathematical formulation is based on the McCormack model. Particularly, when strong evaporation is investigated, and nonlinear aspects have to be included, the nonlinear BGK model is used. In this case, the ADO solution, provided by the linear model, is considered in a post-processing procedure which takes into account the nonlinear terms to evaluate the quantities of interest, and improved results are obtained, in comparison with the linear version. A series of numerical results are listed and, in general, an excellent accuracy and good computational efficiency are observed.

Foi apresentado um sistema automatizado para monitorar fluxos de metano (CH4) e do dióxido de carbono (CO2) na relação da água/ar de ecossistemas aquáticos. Consiste em uma série de câmaras flutuantes dinâmicas acopladas a um analisador photo acústico infravermelho de gás. Associado os outros sensores atmosféricos e de qualidade da água, foi possível identificar os fatores atmosféricos, hidrológico e biológico que afetam emissões de CH4 e de CO2 no reservatório de Corumbá (estado de Goiás), uma terra inundada antropogenica de savana. O estudo realizado em novembro 2004 e em março/agosto 2005 permitiu uma inter-correlação desobstruídos de estabelecimento da câmara, embora relações ligadas da profundidade-fluxo. Os fluxos de CH4 borbulhando médios em novembro 2004, em março e em agosto 2005 eram respectivamente 0.05 ± 2.19, 4 ± 45 e 505 o ± 1192 mg/m2/d. Para os mesmos meses, as emissões de CH4 difusivo médias foram 17 o ± 6, 37 ± 9 e 69 o ± 28 mg/m2/d, visto que os fluxos difusivo do CO2 foram respectivamente 59 o ± 398, 385 ± 629 e o ± 1466 1223 mg/m2/d. Um aspecto interessante de bolhas de CH4 é a liberação repentina e grande em locais rasos e liberação do escoamento em locais profundos. Em uma base diária, a freqüência e o valor de bolhas de CH4 são condicionados à oxidação durante períodos da flutuação do lago, e às mudanças totais da pressão exercidas no sedimento. Em escalas de tempo sazonal, a intensidade de bolhas de CH4 é condicionada principalmente pela disponibilidade da carcaça ao metanogeneses. As frentes frias são responsáveis pela a ruptura da estratificação (misturar), favorecendo emissões do CO2 depois da oxidação CH4. As emissões do CO2 puderam também ser acopladas ao diel metanotrófico. Nossos resultados sugerem que as emissões de gás do efeito estufa de Corumbá estão controladas pela maior parte pelo nível de água e pela luz solar. / It was present an automated system for monitoring methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) fluxes at the water/air interface of aquatic ecosystems. It consists of a series of floating dynamic chambers coupled to an infrared photo acoustic gas analyzer. Associated to other atmospheric and water quality sensors, it was possible to identify atmospheric, hydrologic and biological factors affecting CH4 and CO2 emissions at Corumbá reservoir (State of Goiás), a savanna anthropogenic flooded land. The study carried out in November 2004 and March/August 2005 allowed establishing clear chamber inter-correlations, although intricate depth-flux relations. Mean CH4 bubbling fluxes in November 2004, March and August 2005 were respectively 0.05 ± 2.19, 4 ± 45 and 505 ± 1192 mg/m2/d. For the same months, mean CH4 diffusive emissions were 17 ± 6, 37 ± 9 and 69 ± 28 mg/m2/d, whereas CO2 diffusive fluxes were respectively 59 ± 398, 385 ± 629 and 1466 ± 1223 mg/m2/d. An interesting aspect of CH4 bubbling is the sudden and large release at shallow sites and seepage release at deep sites. On a daily basis, the frequency and magnitude of CH4 bubbling is conditioned to oxidation during overturn periods, and to the total pressure changes exerted on the sediment. At seasonal time scales, CH4 bubbling intensity is mainly conditioned by substrate availability to methanogenesis. Cold fronts are responsible for stratification rupture (mixing), favoring CO2 emissions following CH4 oxidation. CO2 emissions might also be coupled to diel methanotrophy. Our results suggest that greenhouse gas emissions from Corumbá are largely controlled by water level and sunlight.

Neste trabalho, é estudada a descrição do fluxo de um gás rarefeito em um duto cilíndrico de comprimento infinito. A formulação matemática do problema está baseada na forma integral de equações cinéticas derivadas da Equação de Boltzmann. Particularmente são estudados os modelos cinéticos conhecidos como BGK e S. Métodos espectrais são propostos para obtenção de soluções, em forma fechada, para quantidades de interesse como o perfil de velocidade do gás, bem como taxas de fluxo. As formulações espectrais são baseadas em duas abordagens: expansão clássica em termos de Polinômios de Legendre e expansão em termos de splines cúbicas de Hermite, neste caso, associada a um esquema de colocação. A implementação das propostas produz resultados computacionais satisfatórios do ponto de vista prático. Para obtenção de resultados com maior precisão, técnicas de tratamento da singularidade do núcleo da equação integral foram introduzidas, resultando em ganho computacional significativo. Finalmente, a proposta de solução espectral para problemas em geometria cilíndrica se mostrou adequada para problemas em que se admite reflexão especular na superfície do cilindro, situação onde outras abordagens clássicas disponíveis na literatura não podem ser utilizadas. / In this work, rarefied gas flows in cylindrical ducts are studied. The mathematical formulation of the problems are based on the integral form of kinetic equations derived from the Boltzmann equation. Particularly, the BGK and S models are studied. Spectral methods are proposed to obtain closed form solutions for quantities of interest as velocity profile of the gas as well as flow rates. The spectral formulations are based on two approaches: classical expansions in terms of Legendre Polynomials and Hermite cubic splines expansions. In this case, associated with a collocation scheme. The approaches provide good computational results, from the practical point of view. On the other hand, for obtaining higher accuracy, some techniques were introduced to deal with the inherent singularity of the integral kernel. In this context, a significant computational gain is achieved. Finally, this spectral approach has shown to be adequate to solve problems where specular reflection is assumed at the surface, in which cases, classical approaches available in the literature can not be used.

Neste trabalho, o fenômeno de evaporação em gases rarefeitos e analisado, para o caso de uma espécie de gás bem como de misturas binárias. Evaporação fraca e forte são consideradas para escoamentos de gases em canal e semi-espaco. Também e investigado o fenômeno conhecido como reverso de temperatura, típico de gases em estado de rarefação. O método ADO, uma versão analítica do método de ordenadas discretas, é utilizado para construção de soluções em forma fechada para os diversos problemas e quantidades de interesse, como perfis de temperatura e fluxos de calor. Para o caso de um gás, uma solução unificada e desenvolvida para problemas formulados a partir dos modelos cinéticos, derivados da equação de Boltzmann, BGK, S, Gross- Jackson e MRS. No caso de mistura binária de gases, a formulação matemática e baseada no modelo McCormack. Particularmente, quando a evaporação forte e abordada, e aspectos não lineares devem ser incluídos, a versão não linear do modelo BGK e utilizada. Neste caso, a solução ADO do modelo linear e utilizada em um processo chamado de pós-processamento para inclusão dos termos não lineares do problema e reavaliação das quantidades de interesse, evidenciando melhoria dos resultados obtidos pela formulação linear. Uma serie de resultados numéricos são listados e é observada, de forma geral, excelente exatidão e eficiência computacional. / In this work, evaporation phenomena in rarefied gas flow, for one gas case and binary mixtures, are analyzed. Weak and strong evaporation are considered in channel and half-space problems. The reverse of temperature problem, typical in rarefied gas dynamics, is also investigated. The ADO method, an analytical version of the discrete ordinates method, is used to develop closed form solutions, to several problems and quantities of interest, as temperature profiles and heat flows. For the one gas case, an unified solution is developed for the BGK, S, Gross-Jackson and MRS models, derived from the Boltzmann equation. For binary mixtures, the mathematical formulation is based on the McCormack model. Particularly, when strong evaporation is investigated, and nonlinear aspects have to be included, the nonlinear BGK model is used. In this case, the ADO solution, provided by the linear model, is considered in a post-processing procedure which takes into account the nonlinear terms to evaluate the quantities of interest, and improved results are obtained, in comparison with the linear version. A series of numerical results are listed and, in general, an excellent accuracy and good computational efficiency are observed.

The present work describes the efforts towards the implementation of upwind schemes to simulate supersonic and hypersonic cold gás flows. The class of flux vector splitting schemes has been chosen, and the particular methods implemented are the van Leer and Liou schemes. Results for different freestream Mach numbers and mesh topologies are discussed in order to assess the comparative performance of the various spatial discretization schemes. The flow is modeled by 3-D Euler equations through the use of a cell centered, face-based data structure finite voluma method applied in an unstructured grid context. Time integration of the system of equations is performed using an explicit, 5-stage, Runge-Kutta scheme. Mesh refinement routines are available in the original code and they are able to handle tetrahedra, hexahedra, triangular-base prisms and square-base pyramids. The full multigrid procedure is also available in the base code to accelerate the convergence to steady state. In the present work, the author has studied possible forms of integrating the multigrid and the mesh refinement procedures, which were both originally available in the base code. The results obtained provide evaluation and comparison of the present methods with regard to oblique shock wave capturing, as well as the behavior of property values such as pressure, density and Mach number contours. Finally, the work presents a discussion on the relative characteristics of each method.