The study of non-Newtonian flow is presents itself as relevant in bioengineering field, specially for design of devices that conduct blood, as arterial bypass grafts. Improvements in reducing energy dissipation and blood cell damage caused by artificial flows can be achieved by using numerical simulation and optimization methods. Thus, the present work proposes the study of design channels for steady, incompressible non-Newtonian flow, by using Topology Optimization Method based on the density method. The fluid flow is modeled with the Navier-Stokes equations coupled with Carreau-Yasuda constitutive equation for the dynamic viscosity to take into account the effects of the non-Newtonian blood properties. The Topology Optimization Method distributes regions of solid and fluid, given a volume constraint, within a specified domain in order to obtain a geometry and layout that minimizes energy dissipation, shear stress and vorticity by using the material pseudo-density as design variable. To apply this method to fluidic systems design, a fictional porous media based on Darcy equation is introduced. The flow model is implemented in its discrete form by using the Finite Element Method through the OpenSource platform FEniCS, applied to automate the solution of mathematical models based on differential equations. The optimization problem is solved by using the library DOLFIN-adjoint and IPOpt optimizer. Optimized topologies of channels for blood flow, focusing in arterial bypass grafts, are presented to illustrate the proposed method. / O estudo de escoamento de fluidos não-Newtonianos apresenta-se relevante no campo de bioengenharia, em especial no projeto de dispositivos para condução de sangue, como bypass arterial. Melhorias na redução de dissipação de energia e no dano às células sanguíneas causados por fluxos artificiais podem ser obtidas através do uso de técnicas de simulação e otimização numéricas. Deste modo, este trabalho propõe o estudo do projeto de canais para escoamentos incompressíveis em regime permanente de fluidos não-Newtonianos através do Método de Otimização Topológica baseado no método de densidade. O escoamento é modelado com as equações de Navier-Stokes acopladas com a equação constitutiva de Carreau-Yasuda para a viscosidade dinâmica, para que sejam considerados os efeitos das propriedades não-Newtonianas do sangue. O Método de Otimização Topológica distribui regiões de sólido e fluido, dada uma restrição de volume, dentro de um domínio especificado de modo a obter uma geometria e configuração que minimize a dissipação de energia, tensão de cisalhamento e vorticidade, utilizando a pseudo-densidade do material como variável de projeto. Para aplicar este método a sistemas fluidos, um meio poroso fictício, baseado na equação de Darcy, é introduzido. O modelo de escoamento é implementado em sua forma discreta utilizando o Método de Elementos Finitos através da plataforma OpenSource FEniCS, aplicada para automatizar a solução dos modelos matemáticos baseados em equações diferenciais, e o problema de otimização é resolvido utilizando a biblioteca DOLFIN-adjoint e otimizador IPOpt. Topologias otimizadas de canais para fluxo de sangue, com foco em bypass arterial, são apresentadas para ilustrar o método proposto.

The study of non-Newtonian flow is presents itself as relevant in bioengineering field, specially for design of devices that conduct blood, as arterial bypass grafts. Improvements in reducing energy dissipation and blood cell damage caused by artificial flows can be achieved by using numerical simulation and optimization methods. Thus, the present work proposes the study of design channels for steady, incompressible non-Newtonian flow, by using Topology Optimization Method based on the density method. The fluid flow is modeled with the Navier-Stokes equations coupled with Carreau-Yasuda constitutive equation for the dynamic viscosity to take into account the effects of the non-Newtonian blood properties. The Topology Optimization Method distributes regions of solid and fluid, given a volume constraint, within a specified domain in order to obtain a geometry and layout that minimizes energy dissipation, shear stress and vorticity by using the material pseudo-density as design variable. To apply this method to fluidic systems design, a fictional porous media based on Darcy equation is introduced. The flow model is implemented in its discrete form by using the Finite Element Method through the OpenSource platform FEniCS, applied to automate the solution of mathematical models based on differential equations. The optimization problem is solved by using the library DOLFIN-adjoint and IPOpt optimizer. Optimized topologies of channels for blood flow, focusing in arterial bypass grafts, are presented to illustrate the proposed method. / O estudo de escoamento de fluidos não-Newtonianos apresenta-se relevante no campo de bioengenharia, em especial no projeto de dispositivos para condução de sangue, como bypass arterial. Melhorias na redução de dissipação de energia e no dano às células sanguíneas causados por fluxos artificiais podem ser obtidas através do uso de técnicas de simulação e otimização numéricas. Deste modo, este trabalho propõe o estudo do projeto de canais para escoamentos incompressíveis em regime permanente de fluidos não-Newtonianos através do Método de Otimização Topológica baseado no método de densidade. O escoamento é modelado com as equações de Navier-Stokes acopladas com a equação constitutiva de Carreau-Yasuda para a viscosidade dinâmica, para que sejam considerados os efeitos das propriedades não-Newtonianas do sangue. O Método de Otimização Topológica distribui regiões de sólido e fluido, dada uma restrição de volume, dentro de um domínio especificado de modo a obter uma geometria e configuração que minimize a dissipação de energia, tensão de cisalhamento e vorticidade, utilizando a pseudo-densidade do material como variável de projeto. Para aplicar este método a sistemas fluidos, um meio poroso fictício, baseado na equação de Darcy, é introduzido. O modelo de escoamento é implementado em sua forma discreta utilizando o Método de Elementos Finitos através da plataforma OpenSource FEniCS, aplicada para automatizar a solução dos modelos matemáticos baseados em equações diferenciais, e o problema de otimização é resolvido utilizando a biblioteca DOLFIN-adjoint e otimizador IPOpt. Topologias otimizadas de canais para fluxo de sangue, com foco em bypass arterial, são apresentadas para ilustrar o método proposto.

Estudou-se a aplicação de uma modelagem RANS, com a utilização do modelo de turbulência k-? na modelagem do escoamento no interior de um sistema de lavagem de gases, composto por um lavador Venturi e uma coluna de spray, por técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD), com a fase líquida resolvida pela abordagem Lagrangiana e a atomização secundária dessas por diferentes modelos de quebra. Utilizou-se o pacote comercial de CFD da ANSYS CFX 15.0 com as simulações realizadas em estado transiente. Verificaram-se os resultados obtidos pelo simulador para um lavador Venturi em escala piloto com dados da literatura, obtendo-se boa adequação para a perda de pressão ao longo do equipamento. Comparou-se a influência do tamanho das gotas de líquido da injeção na distribuição de tamanho de gotas ao longo do equipamento utilizando o modelo de quebra CAB (Cascade Atomization and drop Breakup), obtendo-se uma melhor dispersão das gotas de líquido na secção transversal do lavador ao se utilizar na injeção, uma distribuição de tamanho de gotas ao invés de gotas com mesmo diâmetro. Simularam-se diferentes condições de vazão de líquido e gás em um lavador Venturi em escala industrial e compararam-se os resultados de perda de pressão obtidos com correlações da literatura, obtendo-se boa adequação para as regiões iniciais do equipamento. Utilizando o modelo de quebra CAB e a abordagem Euler-Lagrange, comparou-se a distribuição de tamanho de gotas ao longo do lavador Venturi industrial para diferentes vazões de gás. Com a simulação do lavador Venturi, utilizou-se os resultados obtidos neste e simulou-se o sistema de lavagem de gases completo (coluna de Spray e lavador Venturi). Comparou-se ao final a retirada de poluentes por meio da impactação inercial e da difusão, obtendo-se uma melhor probabilidade de retirada de poluentes com o aumento da vazão de líquido. / The flow field inside a wet scrubber was simulated with a RANS model using Computational Fluid Dynamics (CFD) in which the multiphase flow was solved by an Euler-Lagrange approach. Turbulence was modeled by the k-? model and droplet breakup was assumed to occur. The transient flow equations were solved using a commercial CFD package (ANSYS CFX 15.0). Simulations of a pilot plant Venturi scrubber were compared with literature data, in which a good agreement level was achieved for pressure loss through the scrubber. Droplet size distribution was evaluated throughout the scrubber by changing droplet diameter of injected liquid and using a Cascade Atomization and drop Breakup model (CAB). A better liquid dispersion inside the scrubber was achieved for a droplet size distribution injection when compared with a single diameter droplet liquid injection. After the results verification by comparing with data from a pilot scale Venturi, pressure loss for different flow conditions was compared between numerical simulations and literature correlations in an industrial size Venturi scrubber, achieving a good agreement for the entrance section of the scrubber. Droplet size distribution throughout the industrial Venturi scrubber for different gas mass flow conditions were also compared using the CAB model and Euler-Lagrange approach. Removal of contaminants was evaluated by two parameters, being inertial impaction of particulate and diffusion to droplet surface, by which a better contaminant removal was achieved for higher liquid flow rates.

Estudou-se a aplicação de uma modelagem RANS, com a utilização do modelo de turbulência k-? na modelagem do escoamento no interior de um sistema de lavagem de gases, composto por um lavador Venturi e uma coluna de spray, por técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD), com a fase líquida resolvida pela abordagem Lagrangiana e a atomização secundária dessas por diferentes modelos de quebra. Utilizou-se o pacote comercial de CFD da ANSYS CFX 15.0 com as simulações realizadas em estado transiente. Verificaram-se os resultados obtidos pelo simulador para um lavador Venturi em escala piloto com dados da literatura, obtendo-se boa adequação para a perda de pressão ao longo do equipamento. Comparou-se a influência do tamanho das gotas de líquido da injeção na distribuição de tamanho de gotas ao longo do equipamento utilizando o modelo de quebra CAB (Cascade Atomization and drop Breakup), obtendo-se uma melhor dispersão das gotas de líquido na secção transversal do lavador ao se utilizar na injeção, uma distribuição de tamanho de gotas ao invés de gotas com mesmo diâmetro. Simularam-se diferentes condições de vazão de líquido e gás em um lavador Venturi em escala industrial e compararam-se os resultados de perda de pressão obtidos com correlações da literatura, obtendo-se boa adequação para as regiões iniciais do equipamento. Utilizando o modelo de quebra CAB e a abordagem Euler-Lagrange, comparou-se a distribuição de tamanho de gotas ao longo do lavador Venturi industrial para diferentes vazões de gás. Com a simulação do lavador Venturi, utilizou-se os resultados obtidos neste e simulou-se o sistema de lavagem de gases completo (coluna de Spray e lavador Venturi). Comparou-se ao final a retirada de poluentes por meio da impactação inercial e da difusão, obtendo-se uma melhor probabilidade de retirada de poluentes com o aumento da vazão de líquido. / The flow field inside a wet scrubber was simulated with a RANS model using Computational Fluid Dynamics (CFD) in which the multiphase flow was solved by an Euler-Lagrange approach. Turbulence was modeled by the k-? model and droplet breakup was assumed to occur. The transient flow equations were solved using a commercial CFD package (ANSYS CFX 15.0). Simulations of a pilot plant Venturi scrubber were compared with literature data, in which a good agreement level was achieved for pressure loss through the scrubber. Droplet size distribution was evaluated throughout the scrubber by changing droplet diameter of injected liquid and using a Cascade Atomization and drop Breakup model (CAB). A better liquid dispersion inside the scrubber was achieved for a droplet size distribution injection when compared with a single diameter droplet liquid injection. After the results verification by comparing with data from a pilot scale Venturi, pressure loss for different flow conditions was compared between numerical simulations and literature correlations in an industrial size Venturi scrubber, achieving a good agreement for the entrance section of the scrubber. Droplet size distribution throughout the industrial Venturi scrubber for different gas mass flow conditions were also compared using the CAB model and Euler-Lagrange approach. Removal of contaminants was evaluated by two parameters, being inertial impaction of particulate and diffusion to droplet surface, by which a better contaminant removal was achieved for higher liquid flow rates.