Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas. / Turbomachines are operational machines that transfer mechanical energy between a rotor and a fluid. This type of machinery is employed in many industries. One of the main components of a turbomachine responsible for the energy transference, either receiving the rotation of the shaft and transforming it into fluid energy in the case of a pump or transferring energy from the fluid to the shaft in the case of a turbine, is the impeller or rotor. The cavitation phenomenon involves two-phase flow: the liquid to be pumped and the vapor bubbles which are formed during pumping. The formation process of these bubbles is complex, but occurs mainly due to the presence of regions of very low pressure. The collapse of the bubbles can often lead to a deterioration of the material, depending on the intensity or speed of bubbles collapse. The main objectives of this work was to study the hydrodynamic behavior of the flow in the impeller channels of a turbomachine (radial flow turbopump) using computational fluid dynamics (CFD resources). An Euler-Lagrange approach coupled with the Langevin equation model, was employed to estimate the bubbles tracking trajectory. Results of the simulations show the details of liquid-vapor bubble flow in a curved channel, providing insights that help us in the cavitation prevent of this machines.

Neste trabalho, são apresentados a discussão de conceitos fundamentais, a metodologia e os resultados de simulações numéricas baseadas no Método de Volumes Finitos do escoamento de ar sobre algumas opções de configurações de turbinas eólicas do tipo Savonius, com e sem estatores, em operação e, também, em condições estáticas, como as encontradas nas partidas das mesmas. Comparam-se os resultados para diferentes domínios computacionais, bem como alternativas de discretização espacial e temporal, visando apresentar a influência desses sobre os valores obtidos e estabelecer os parâmetros computacionais adequados para a análise das turbinas em estudo. Nas simulações numéricas, desenvolvidas empregando o programa comercial Star-CCM+, a equação da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds são resolvidas, juntamente com as equações de um modelo de turbulência adequado, que é escolhido, para a obtenção dos campos de pressão e de velocidade do escoamento. Emprega-se um domínio contendo uma região com malha móvel, na qual o rotor é inserido. A cada simulação, a velocidade angular da região de malha móvel é especificada de maneira a variar a razão de velocidade de ponta do rotor. Através da integração das forças ocasionadas devido aos gradientes de pressão e das forças originadas pelo atrito viscoso sobre as pás do rotor eólico, obtém-se o coeficiente de torque em cada simulação. O torque e as forças atuantes no rotor também são obtidos de forma semelhante. Com esses dados, outros parâmetros como a potência e o coeficiente de potência são obtidos. Análises dos principais parâmetros de desempenho do rotor Savonius são realizadas e indicam uma boa concordância com resultados experimentais e de simulações numéricas realizadas por outros autores. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram-se bastante representativos do fenômeno analisado. / This research work presents a discussion of basic concepts, the methodology and the results of numerical simulations based on Finite Volume Method for the air flow through some configuration options of the Savonius wind turbines, with and without stators, in operation, and also under static conditions, such as those found in the self starting. Results for different computational domains, as well as alternative spatial and temporal discretization are compared, in order to present the influence of these on the obtained values from the computational analysis of the turbines in study. In the numerical simulations, performed using the commercial software Star-CCM+, the equation of continuity and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations were solved, together with the equations of a turbulence model appropriate, which is chosen, so that the fields of pressure and velocity could be found. It was used, in the calculations, a domain containing a region with a moving mesh, in which the rotor was inserted. In each simulation, the rotational rate of the moving mesh region was specified so as to vary the tip speed ratio of rotor. Through the integration of the forces arising due to the pressure gradients and the forces originated from the viscous friction on the wind rotor blades, the moment coefficient could be obtained in each simulation. The moment and forces acting on the rotor were also obtained similarly. With these data, other parameters such as the power and the power coefficient of the wind rotor could be obtained. Analysis of the principals performance parameters of the Savonius wind rotor were performed and indicated a good agreement with experimental results and numerical simulations performed by other authors. The simulations results are quite representative of the phenomenon analyzed.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. A viabilização de uma instalação eólica de grande porte depende da avaliação correta do potencial eólico. A fim de avaliar a capacidade de conversão de energia cinética do vento em torque, é fundamental a modelagem da esteira aerodinâmica das turbinas eólicas. Este trabalho apresenta um estudo sobre a esteira aerodinâmica formada por uma turbina eólica dimensionada conforme a teoria de otimização de Betz. Para tanto, realiza-se inicialmente uma pesquisa sobre a evolução da transformação da energia contida no vento em energia mecânica e métodos de análise adotados. Para modelagem da esteira, realiza-se a simulação numérica do escoamento sobre uma turbina de eixo horizontal empregando o Método de Volumes Finitos. Através do uso da Dinâmica dos Fluidos Computacional são resolvidas as Equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS) e a utilização dos modelos de turbulência k-, k- RNG, k- e k- SST. Para a solução das equações é utilizado o programa ANSYS-CFX. Define-se o perfil NACA 4412 como perfil aerodinâmico para projeto das pás da turbina, e modela-se a turbina através da teoria de dimensionamento ótimo de Betz. O domínio, discretizado em um número finito de volumes de controle, possui duas regiões distintas, uma estática e outra rotacional, representado o rotor da turbina. Inicialmente são apresentadas simulações com os diferentes modelos de turbulência e definido o modelo que apresenta os melhores resultados, o k- SST. Para o modelo escolhido são realizadas simulações incluindo estudos com a turbina inclinada em relação à direção de incidência do vento, para verificar a alteração no perfil da esteira gerada e na capacidade da turbina em transformar a energia do vento em Torque. Os resultados obtidos para os campos de velocidade e pressão são comparados com os de outros autores e mostraram-se coerentes, indicando que a simulação feita é capaz de representar o fenômeno analisado. / The evolution of the use of the wind energy in recent decades is directly related to the technology in the facilities conversion and design. The feasibility of a large wind farm depends on the correct assessment of wind potential. To evaluate the capacity of converting wind kinetic energy in torque, it is essential to model the wake aerodynamics of wind turbines. This paper presents a study on the aerodynamic wake formed by a wind turbine sized according to the Betz optimization theory. For this, initially it is performed a research on the evolution of the energy contained in wind into mechanical energy and the adopted analysis methods. For wake modeling, a horizontal axis wind turbine flow numerical simulation is done using the Finite Volume Method. Using the Computational Fluid Dynamics, the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are solved with the use of the k-, k- RNG, k- e k- SST turbulence models and using the software ANSYS-CFX. It is defined the NACA 4412 profile as aerodynamic profile for turbine blades and the turbine is modeled using the Betz optimization theory. The domain, discretized into a finite number of control volumes, has two distinct regions, one static and one rotational, represented the turbine rotor. Initially the simulations with different turbulence models are presented and the model k- SST is defined as the model that gives best results. For the chosen model, simulations are performed, including studies on the turbine yawed with respect to the wind incidence direction, to verify the profile change in the generated wake and turbine capacity to convert wind energy into torque. The obtained results for the velocity and pressure fields are compared to other authors are very consistent, indicating that the proposed simulation is capable of representing the analyzed phenomenon.

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

A ênfase deste trabalho está voltada ao desenvolvimento de um novo sistema de limpeza para a colheitadeira de grãos visando, principalmente, a utilização de uma nova geometria. O design de um sistema com peneiras rotativas vem de encontro a todos os sistemas conhecidos até o momento, este sistema visa eliminar sistemas eletrônicos cada vez mais complexos e caros. Uma descrição sobre os sistemas de colheita e máquinas agrícolas, principalmente colheitadeiras, é apresentada neste trabalho, já que a bibliografia sobre este assunto é bastante restrita. A utilização de métodos computacionais, voltados à análise de fluídos foi utilizada com o intuito de nortear o desenvolvimento de protótipos reais. O método computacional dos fluídos dinâmicos simula diversas hipóteses de maneira mais rápida e mais barata até que sejam alcançados resultados suficientemente bons que compensem a fabricação de um protótipo real. Com o protótipo real os resultados virtuais podem ser validados e comparados com outros sistemas. Os resultados obtidos foram bons, a peneira rotativa tem um ótimo desempenho em testes realizados no plano, com perdas inferiores comparativamente às peneiras planas. Nos testes realizados com inclinação o desempenho não foi bom, devido a alguns problemas no duto de ar. Com relação à qualidade dos grãos separados, não foram detectadas quaisquer avarias que pudessem ter sido resultadas da peneira. / The emphasis of this work is dedicated to the development of a new cleaning system for grain harvester aiming mainly to use a new geometry in this part of the machine. The design of a system with rotary sieves comes against all systems known at this time; this system seeks to eliminate electronic systems increasingly complex and expensive. A description of the harvesting systems and agricultural machinery, harvesters mainly, is been presented in this work, since the literature on this subject is very limited. The use of computational methods, focused on the analysis of fluid was used in order to guide the development of prototypes. The method of computational fluid dynamic simulates scenarios faster and cheaper to achieve results that are good enough to compensate the fabrication of a real prototype. With the real prototype, virtual results can be validated and compared with other systems. The results achieved were good. The rotary sieve cleaning system shows excellent performance when testing on level ground with lower losses than a flat sieve system. In tests on slopes, the performance was not as good due to some problems in the air duct. With regard to grain quality, no mechanical damage that could have been produced by the screens was detected in either test.

O presente trabalho trata da modelagem de combustão em um queimador industrial de gás natural utilizando cadeias de reatores químicos idealizados. A partir de simulações de CFD e dados experimentais do ensaio denominado BERL 300 kW, sucessivas cadeias de reatores são propostas, baseando-se em premissas sobre as condições de temperatura e fluxo de massa entre as diversas regiões do escoamento reativo. O objetivo é obter uma cadeia de reatores que reproduza as emissões de NOx do ensaio. O erro relativo das emissões é de 98,23% na primeira cadeia, de 82,30% na segunda cadeia e de 1,54% na terceira cadeia. A partir da terceira cadeia de reatores proposta, considerada representativa do ensaio, realiza-se uma análise de sensibilidade e um estudo paramétrico, para avaliar a sensibilidade do modelo aos ajustes de segmentação de correntes e a capacidade de reproduzir os dados experimentais de emissão em condições de pré-aquecimento do ar de combustão e em operação fora do ponto de projeto. O modelo produz resultados satisfatórios para os casos de pré-aquecimento do ar até 110°C e para potências térmicas até 33% superiores ao ponto de projeto, não oferecendo bons resultados para as demais condições de operação. / This work shows the development and application of chemical reactor networks (CRN) to the modeling of a natural gas burner. The CRN development is based on experimental and CFD simulation results of the BERL 300 kW test. The CRN element arrangement, reactor volumes and flow splits are adjusted based on the best agreement with characteristic temperatures of the reactive flow, aiming to reproduce the experimental NOx emissions data. The relative error in the emissions predictions are 98,23% for the first CRN proposed, 82,30% for the second CRN and 1,54% for the third one. A sensitivity analysis and a parametric study of the third CRN are carried out to evaluate its sensitivity to the flow splits adjustments and its ability to predict emission with air preheat and turndown operation. The NOx emissions predicted by CRN are in good agreement until 110ºC preheating and for a turndown ratio of 1,33.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma formulação numérica baseada em Análise Isogeométrica para o estudo de escoamentos incompressíveis isotérmicos de fluidos newtonianos. Com o emprego desta metodologia, os procedimentos de pré-processamento e análise são unificados, melhorando as condições de continuidade das funções de base empregadas tanto na discretização espacial do problema como na aproximação das variáveis do sistema de equações. O sistema de equações fundamentais do escoamento é formado pelas equações de Navier-Stokes e pela equação de conservação de massa, descrita segundo a hipótese de pseudo-compressibilidade, além de uma equação constitutiva para fluidos viscosos de acordo com a hipótese de Stokes. Para problemas com escoamentos turbulentos emprega-se a Simulação de Grandes Escalas - LES (Large Eddy Simulation), na qual o modelo clássico de Smagorinsky é utilizado para a representação das escalas inferiores à resolução da malha. O esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin é aplicado no contexto da Análise Isogeométrica para a discretização das equações governantes, sendo que a discretização espacial é realizada empregando-se funções NURBS (Non Uniform Rational Basis B-Splines). Essas funções base apresentam vantagens em relação às tradicionais funções utilizadas no MEF (Método dos Elementos Finitos), principalmente no que diz respeito à facilidade de obtenção de continuidade superior a C0 entre os elementos e representação precisa das geometrias. Propõe-se também o desenvolvimento de ferramentas de pré e pós-processamento baseadas na estrutura de dados da Análise Isogeométrica para a geração de malhas e visualização de resultados. Alguns problemas clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são analisados para a validação da metodologia apresentada. Os resultados apresentados demonstram boa aproximação da formulação em relação a dados de referência, além de maior versatilidade quanto à discretização espacial dos problemas em comparação com as tradicionais formulações baseadas em elementos finitos. / This work aims to develop a numerical formulation based on Isogeometric Analysis for the study of incompressible flows of Newtonian fluids under isothermal conditions. By using this methodology, pre-processing and analysis procedures are unified, improving the conditions of continuity of the basis functions utilized in the approximations of the equation variables and spatial discretization of the problem. The system of fundamental equations of the fluid flow is constituted by the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, which is described according to the pseudo-compressibility hypothesis. In addition, a constitutive equation for viscous fluids according to Stokes' hypothesis is also provided. Turbulent flows are analyzed using LES (Large Eddy Simulation), where the Smagorinsky’s model is adopted for sub-grid scales. The explicit two-step Taylor-Galerkin method is applied into the context of Isogeometric Analysis for the discretization of the flow equations, where spatial discretization is carried out taking into account Non Uniform Rational Basis B-Splines (NURBS) basis functions. These basis functions have advantages over traditional functions employed in the FEM (Finite Element Method). Particularly, it is easier to obtain continuity order higher than C0 between adjacent elements and geometry representation is more accurate. Pre and post-processing tools for mesh generation and results visualization are also proposed considering the data structure inherent to Isogeometric Analysis. Some classic problems of Computational Fluid Dynamics are analyzed in order to validate the proposed methodology. Results obtained here show that the present formulation has good approximation when compared with predictions obtained by reference authors. Moreover, Isogeometric Analysis is more versatile than traditional finite element formulations when spatial discretization procedures are considered.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.

O coletor solar de tubos evacuados une uma alta absortividade de radiação solar a um ótimo grau de isolamento térmico. Estas características, aliadas a um custo relativamente baixo, fazem deste tipo de coletor o mais utilizado no mundo. Por isso, diversos tipos de abordagens estão sendo adotadas para descrever seu comportamento térmico. Nesta linha, este trabalho foi desenvolvido através de abordagem experimental e teórica, sendo a última subdividida em numérica por CFD e analítica. A abordagem experimental contou com a construção de uma bancada para medida de temperatura e radiação, em um coletor de 24 tubos evacuados acoplados em um reservatório de 178 L. A abordagem por CFD utilizou um modelo tridimensional transiente. Com o modelo numérico validado, utilizando resultados experimentais, simularam-se diferentes condições de operação, em termos de ângulo de inclinação, fluxo de calor sobre o coletor, tamanho do reservatório e temperatura de entrada da água. Em relação à abordagem analítica, esta é dividida em: modelo de irradiância, modelo do tubo e modelo do reservatório. O modelo de irradiância determina a distribuição da radiação solar ao longo da circunferência do tubo. Parte desta radiação é absorvida pelo coletor e transferida para água. Esta quantidade é determinada com o modelo do tubo, que é baseado no método de resistências térmicas. O modelo do reservatório descreve o comportamento térmico da água em seu interior, tanto em aquecimento quanto em resfriamento, analisando a interação energética com o coletor e com o meio externo. O desenvolvimento do modelo do tubo passa pela avaliação da vazão mássica entre o tubo e o reservatório, além disso, o coeficiente de transferência de calor por convecção no interior do tubo deve ser determinado. Tais variáveis são determinadas a partir de uma correlação para o número de Reynolds, a qual foi obtida com resultados da avaliação por CFD e é função dos números de Nusselt, Grashof e Prandtl. A correlação proposta apresentou bom ajuste com os resultados numéricos. Com a bancada de ensaio experimental foram feitas medidas de temperatura da água no reservatório ao longo de alguns dias. Para as mesmas condições do experimento, a temperatura média da água no reservatório foi estimada com resultados da integração dos modelos de irradiância, do tubo e do reservatório. A diferença entre os resultados experimental e teórico foi de 4,8% para a energia acumulada. / The evacuated tube solar collector combines high solar radiation absorptivity to a great thermal insulation degree. These characteristics, combined with a relatively low cost, make this type of collector the most used in the world. Therefore, various types of approaches are being adopted to describe its thermal behavior. In this way, this work was developed through experimental and theoretical approaches, the latter being subdivided into numeric, by CFD, and analytical analysis. For the experimental approach a test bench was built. The tests was carried on a solar collector with 24 evacuated tubes coupled to a 178 L tank, measuring temperature and solar radiation. The CFD approach used a transient three-dimensional model. After the numerical model validation using experimental data, simulations was carried over different operating conditions in terms of angle, heat flux on the collector, tank size and water inlet temperature. The analytical approach is divided into: irradiance model, tube model and tank model. The irradiance model determines the irradiance distribution of solar radiation along the circumference of the tube. Part of this radiation is absorbed by the collector and transferred to water, this amount is determined with the tube model, using the thermal resistance method. The tank model describes the thermal behavior of inside water, both in heating and in cooling, analyzing energy interaction with the collector and the external environment. The development of the tube model involves the assessment of the mass flow rate between the tube and the tank, furthermore the convection heat transfer coefficient inside the tube must be determined. These variables are determined from a correlation for the Reynolds number, which was obtained with evaluation results by CFD. Proposed Reynolds number is a function of the Nusselt, Prandtl and Grashof numbers. The correlation presented a good agreement with the numerical results. Using the experimental test bench the water temperature was measured into the tank over a few days. For the same experiment conditions, the average temperature of the water into the tank was estimated by results of integration of irradiance, tube and tank models. The difference between the experimental and theoretical results was 4.8% for the accumulated energy.

A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.