Orientador: Henry França Meier. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

Orientador: Henry França Meier. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

Orientador: Vanderlei Gageiro Machado. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional de Blumenau, Centro de Ciências Exatas e Naturais, Programa de Pós-Graduação em Química.

Orientador: Henry França Meier. / Co-orientador: Dirceu Noriler. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

Orientador: Henry França Méier. / Co-orientador: Edelberto Luiz Reinehr. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

Orientador: Henry França Méier. / Co-orientador: Rodrigo Koerich Decker. / Dissertação (mestrado) - Universidade Regional Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

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Um mecanismo móvel instalado no interior de tanques, e conectado à estrutura por molas é proposto para atenuar os efeitos de sloshing em diferentes níveis de preenchimento. Para realizar o estudo e desenvolvimento deste dispositivo, foram propostas duas ferramentas de análise. A primeira ferramenta é baseada em uma formulação desenvolvida analiticamente que calcula a resposta das forças nas paredes do tanque no domínio da frequência. Esta formulação foi desenvolvida como um sistema mecânico de dois graus de liberdade, onde são representados o corpo móvel e o sloshing descrito como um sistema do tipo massa-mola. A segunda ferramenta é uma abordagem utilizando simulações numéricas baseada em um método de partículas de cálculo de escoamento. O método numérico utilizado foi o Moving Particle Semi-implicit (MPS) que calcula o comportamento do fluido interagindo com o corpo móvel e as paredes do tanque sem restrições de movimento. Resultados qualitativos do método analítico foram analisados e mostraram-se bastante consistentes. Resultados quantitativos dos métodos analíticos e numéricos foram comparados com os resultados presentes na literatura e entre si com uma boa concordância. O método analítico é eficiente no dimensionamento inicial do corpo móvel considerando apenas efeitos lineares, e o método numérico é mais indicado para análises mais detalhadas onde efeitos não-lineares podem ser considerados. A integração dos efeitos do corpo móvel no sloshing mostra que o dispositivo de supressão é eficaz em diferentes razões de preenchimento do tanque na atenuação dos efeitos gerados pelo sloshing. / A movable mechanism installed inside tanks and connected to the structure by springs is proposed to attenuate the sloshing effects for different filling ratios. To carry on the investigation and the development of this device, two analysis approaches were elaborated. The first approach is based on an analytical formulation that describes the coupled motion calculating the sloshing force on the walls in the frequency domain. This formulation was developed as a mechanical system with two degrees of freedom representing the moving body and the sloshing described as a mass-spring system. The second tool is an approach that uses numerical simulations based on a particle method to calculate the fluid flow called Moving Particle Semi- implicit method (MPS). This numerical approach calculates the fluid behavior interacting with the moving body and the tank walls without motions restrictions. Qualitative results of the analytical method were analyzed and they were consistent. Quantitative results of the analytical and numerical approaches were compared with the results found in the literature with good agreement. The analytical method is useful to define the moving device initial design considering only linear effects, and the numerical approach is indicated to more detailed analysis where non-linear effects can take place. The integration of the effects of sloshing with the moving body shows the effectiveness of the device for different filling ratios to attenuate the sloshing loads.

Bombas de fluxo são dispositivos importantes em áreas como a Bioengenharia, Medicina, Farmácia, entre outras aplicações clássicas de Engenharia. Princípios para o bombeamento de fluidos baseados em atuadores piezelétricos estão sendo estudados no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica, que permitem a construção de bombas de fluxo de pequena escala, ou seja, bombas de fluxo de pequena potência para deslocamento de pequenos volumes de fluido com baixo consumo de energia. O presente trabalho estuda bombas de fluxo piezelétricas de diafragma do tipo valve-less para geração de vazão. A bomba de fluxo piezelétrica de diafragma utiliza cerâmica piezelétrica como atuador para mover uma membrana (diafragma) para cima e para baixo como um pistão, que causa uma seqüência de aumento e diminuição do volume da câmara da bomba, forçando a entrada e a saída do fluido na bomba. A direção do fluxo é garantida por válvulas que privilegiam o fluxo em apenas um sentido. O objetivo deste trabalho é o estudo da metodologia de desenvolvimento de uma bomba de fluxo piezelétrica de diafragma de baixo custo do tipo valve-less. Para tanto, será utilizado a modelagem por Método dos Elementos Finitos (MEF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos e construtivos da bomba de fluxo. Serão realizadas simulações de escoamento de fluido pelo Método de Volumes Finitos (MVF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos dos elementos difusor/bocal e o levantamento das curvas características da bomba de fluxo. Por fim, protótipos serão construídos e caracterizados para validação dos resultados computacionais. Serão apresentadas a metodologia empregada e a discussão dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps act as important devices in areas as Bioengineering, Medicine, Pharmacy, among other areas of Engineering. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been studied in the Department of Mechatronic and Mechanical Engineering of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, that allow the construction of small flow pumps, in other words, pumps for displacement of small fluid volumes with low power consumption. The present work studies valveless piezoelectric diaphragm flow pumps for flow generation. The piezoelectric diaphragm flow pump uses a piezoelectric ceramic as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. Consequently, there is a sequence of increase and decrease in the chamber volume that will force the fluid in and out of the pump. The direction of the flow is guaranteed by valves that privilege the flow in just one pumping direction. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low cost valve-less piezoelectric diaphragm flow pump. A sensitivity analysis is carried using computational simulation through the Finite Element Method (FEM) to study how construction parameters and assembly affect diaphragm flow pump performance. Using CFD simulations through the Finite Volume Method (FVM), a sensitivity analysis is done around nozzle/diffuser element geometrical parameters and pump characteristic curves are obtained. Finally, computational results are validated by prototype construction and characterization. The text presents methodologies employed and discusses the obtained results, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Um mecanismo móvel instalado no interior de tanques, e conectado à estrutura por molas é proposto para atenuar os efeitos de sloshing em diferentes níveis de preenchimento. Para realizar o estudo e desenvolvimento deste dispositivo, foram propostas duas ferramentas de análise. A primeira ferramenta é baseada em uma formulação desenvolvida analiticamente que calcula a resposta das forças nas paredes do tanque no domínio da frequência. Esta formulação foi desenvolvida como um sistema mecânico de dois graus de liberdade, onde são representados o corpo móvel e o sloshing descrito como um sistema do tipo massa-mola. A segunda ferramenta é uma abordagem utilizando simulações numéricas baseada em um método de partículas de cálculo de escoamento. O método numérico utilizado foi o Moving Particle Semi-implicit (MPS) que calcula o comportamento do fluido interagindo com o corpo móvel e as paredes do tanque sem restrições de movimento. Resultados qualitativos do método analítico foram analisados e mostraram-se bastante consistentes. Resultados quantitativos dos métodos analíticos e numéricos foram comparados com os resultados presentes na literatura e entre si com uma boa concordância. O método analítico é eficiente no dimensionamento inicial do corpo móvel considerando apenas efeitos lineares, e o método numérico é mais indicado para análises mais detalhadas onde efeitos não-lineares podem ser considerados. A integração dos efeitos do corpo móvel no sloshing mostra que o dispositivo de supressão é eficaz em diferentes razões de preenchimento do tanque na atenuação dos efeitos gerados pelo sloshing. / A movable mechanism installed inside tanks and connected to the structure by springs is proposed to attenuate the sloshing effects for different filling ratios. To carry on the investigation and the development of this device, two analysis approaches were elaborated. The first approach is based on an analytical formulation that describes the coupled motion calculating the sloshing force on the walls in the frequency domain. This formulation was developed as a mechanical system with two degrees of freedom representing the moving body and the sloshing described as a mass-spring system. The second tool is an approach that uses numerical simulations based on a particle method to calculate the fluid flow called Moving Particle Semi- implicit method (MPS). This numerical approach calculates the fluid behavior interacting with the moving body and the tank walls without motions restrictions. Qualitative results of the analytical method were analyzed and they were consistent. Quantitative results of the analytical and numerical approaches were compared with the results found in the literature with good agreement. The analytical method is useful to define the moving device initial design considering only linear effects, and the numerical approach is indicated to more detailed analysis where non-linear effects can take place. The integration of the effects of sloshing with the moving body shows the effectiveness of the device for different filling ratios to attenuate the sloshing loads.