Orientador: Felix Sharipov / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Paraná

Orientador: Felix Sharipov / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Paraná / Resumo: Nesta dissertação foi investigado o problema do escoamento hipersônico de um gás monoatômico e rarefeito ao redor de uma esfera, utilizando o Método da Simulação Direta de Monte Cario. Os cálculos foram realizados para o numero de Mach (Ma) igual a 10 e 20 e para diversos números de Knudsen (Kn) no intervalo de 0,01 a 100, ou seja, abrangendo os regimes heterodinâmico, de transição e de moléculas livres. Foram calculados os coeficientes de arrasto, de atrito, de pressão e de transferência de calor. Os resultados são apresentados em gráficos e tabelas. Alem disso, as distribuições de densidade, de temperatura e do numero de Mach local sao apresentadas em diagramas. -Palavras chave: Aerotermodinâmica, Gases rarefeitos, Escoamento hipersônico, Simulação Direta de Monte Cario, Coeficiente de arrasto. / Abstract: In this dissertation, the problem of a hypersonic flow of monoatomic rarefied gas past a sphere was investigated, applying the Direct Simulation Monte Carlo method. The calculations were carried out for the Mach number (Ma) equal to 10 and 20 in the range of the Knudsen numbers (Kn) from 0,01 to 100, i. e. for the hydrodynamic, transition and free-molecule regimes. The drag coefficient, the pressure coefficient, the friction coefficient and the heat transfer coefficient were calculated. The results are presented in graphics and tables. Also, the distributions of density, temperature and local Mach number are presented in diagrams.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2012-10-20T01:31:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 189337.pdf: 1181941 bytes, checksum: 873ea5eaddd96e37c3359d96305007e4 (MD5) / No presente trabalho foi desenvolvido e implementado computacionalmente um modelo linear capaz de representar com qualidade os transientes a que um duto esta sujeito, como a abertura e o fechamento de válvulas, a partida e a parada de bombas. Estas operações são consideradas os eventos do duto. Foi utilizado um modelo para cada tipo de fluido, sendo estes, o óleo combustível leve (OCL), o diesel, a gasolina e o gás liquefeito do petróleo (GLP). Foram realizados diversos eventos a fim de representar diferentes capacidades de entregas a diferentes consumidores. No modelo o único parâmetro a ser ajustado é a constante de tempo do duto. As constantes de tempo do diesel, GLP, e gasolina foram obtidas através do ajuste de curvas, enquanto a do pentano foi estimada. Outro estudo com o mesmo objetivo, foi o de simular o mesmo duto para diferentes comprimentos a fim de estimar a constante de tempo para diferentes comprimentos.

Orientador: Prof. Dr. Felix Sharipov / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Curso de Pós-Graduação em Física. Defesa: Curitiba, 17/07/2015 / Inclui referências : f. 128-147 / Resumo: Um esquema para implementar um potencial arbitrário na Simulação Direta de Monte Carlo é proposto. Para ilustrar esse esquema, dois problemas testes foram resolvidos usando o potencial de Lennard-Jones. Os potencias AI também foram implementados na Simulação Direta de Monte Carlo (DSMC). Tal implementação permite modelar os fenômenos de transporte em gases rarefeitos sem nenhum parâmetro de ajuste de colisões intermoleculares que normalmente são extraídos de dados experimentais. Aplicando o método proposto em Phys. Fluids 24 011703 (2012), o uso de potenciais ab initio em DSMC requer o mesmo esforço computacional de potenciais amplamente utilizados como o de esferas rígidas, esferas rígidas variáveis, esferas moles variáveis etc. Ao mesmo tempo, os potenciais ab initio permitem obter resultados mais confiáveis do que qualquer outro método. Como exemplo, dois dos coeficientes de transporte para a mistura binária de He-Ar, isto é, viscosidade e condutividade térmica, também foram calculados para diversas valores da fração molar. Já que o esforço computacional do novo esquema é comparável com o modelo de esferas rígidas, este esquema pode substituir completamente os modelos amplamente utilizados tais como esferas rígidas variáveis e esferas moles variáveis. A seguir, o escoamento plano de Couette para a mistura gasosa de He- Ar é calculado pelo método DSMC baseado no potencial ab initio, ao longo de toda a gama de rarefação de gás para diversos valores da fração molar e para dois valores da velocidade da parede. O menor valor de velocidade é correspondente ao limite quando as condições não lineares são desprezíveis, enquanto o valor maior descreve um escoamento não linear. O tensor de cisalhamento, gradiente de velocidade, e perfis de temperatura e fração molar são apresentados. Os resultados reportados podem ser utilizados como dados de referência para testar as equações cinéticas modelo de misturas gasosas. Para estudar a influência do potencial intermolecular, são realizadas simulações para o modelo molecular de esfera rígida. Um desvio relativo dos resultados com base nesse modelo daqueles baseados em potencial ab initio é observado. Salienta-se que a diferença entre os tensores de cisalhamento dos dois potenciais para a solução linearizada é dentro de 1%, enquanto que atinge 6% para os casos não- lineares. A seguir, o problema do fluxo de calor para uma mistura gasosa binária confinada entre duas placas paralelas com diferentes temperaturas é estudado em função do método DSMC com uma aplicação do potencial ab initio. Os cálculos são feitos para uma ampla gama de rarefação gás, para vários valores da fração molar e para dois valores da diferença de temperatura. O menor valor de diferença de temperatura corresponde ao limite quando os termos não lineares são desprezíveis, enquanto o valor maior descreve uma transferência de calor não-linear. O fluxo de calor, temperatura, e as distribuições de frações molares são apresentados. Para estudar a influência do potencial intermolecular, foram realizadas simulações para o modelo molecular de esfera rígida. Um desvio relativo dos resultados com base nesse modelo daquelas baseadas no potencial ab initio é observado. A diferença entre o fluxo de calor dos dois potenciais é de cerca de 8% e 5% para as pequenas e grandes diferenças de temperatura, respectivamente. A distribuição de temperatura entre as placas é fracamente afetada pelo potencial molecular, enquanto que a variação da composição química é a quantidade mais sensível para o problema considerado. Os resultados reportados podem ser utilizados como dados de referência para testar equações cinéticas modelo de misturas gasosas. Por último, um fluxo de gás rarefeito através de um orifício é calculado para três gases nobres, hélio, argônio e criptônio, aplicando DSMC baseada no potencial ab initio. Os cálculos são realizados ao longo de todo o intervalo da rarefação do gás e para vários valores da razão de pressão com o erro numérico inferior a 0,5%. Uma análise comparativa mostra que a diferença relativa da taxa de fluxo com base no potencial ab initio do que a obtida para o modelo molecular de esferas rígidas depende de muitos fatores, isto é, espécies de gás, a razão de pressão, rarefação do gás e a temperatura do gás. Entre os gases considerados aqui, a diferença para o hélio é menor e não excede 0,7%. O desvio para o criptônio é maior e chega a 1,4%. O desvio relativo da taxa de fluxo devido à variação de temperatura está dentro de 0,9%. Uma comparação dos campos mostra que os discos de Mach para o potencial ab initio são mais intensos do que aqueles para o modelo de esferas rígidas. / Abstract: First, a scheme to implement an arbitrary intermolecular potential into the direct simulation Monte Carlo method is proposed. To illustrate the scheme, two benchmark problems are solved employing the Lennard-Jones potential. Then, ab initio potentials are implemented into the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. Such an implementation allows to model transport phenomena in rarefied gases without any fitting parameter of intermolecular collisions usually extracted from experimental data. Applying the method proposed by the authors in Phys. Fluids 24 011703 (2012), the use of ab initio potentials in the DSMC requires the same computational efforts as the widely used potentials such as hard spheres, variable hard sphere, variable soft spheres etc. At the same time, the ab initio potentials provides more reliable results than any other one. As an example, two of the transport coefficients of a binary mixture He-Ar, viz., viscosity and thermal conductivity, are calculated for several values of the mole fraction. Since the computational effort of the new scheme is comparable with that of the hard sphere model of molecules, this new scheme can completely substitute the widely used models such as variable hard spheres and variable soft spheres. Then, the planar Couette ow for gaseous mixture He-Ar is calculated by the DSMC method based on ab initio potential over the whole range of the gas rarefaction for several values of the mole fraction and for two values of the wall speed. The smaller value of the speed corresponds to the limit when the non-linear terms are negligible, while the larger value describes a nonlinear ow. The shear stress, velocity gradient, temperature and mole fraction profiles are presented. The reported results can be used as benchmark data to test model kinetic equations for gaseous mixtures. To study the inuence of the intermolecular potential, the same simulations are carried out for the hard sphere molecular model. A relative deviation of the results based on this model from those based on the ab initio potential is analyzed. It is pointed out that the difference between the shear stresses of the two potentials for the linearized solution is within 1%, while it reaches 6% for the non-linear cases. Next, the heat ux problem for a binary gaseous mixture confined between two parallel plates with different temperatures is studied on the basis of the DSMC method with an implementation of ab initio potential. The calculations are carried for a wide range of the gas rarefaction, for several values of the mole fraction and for two values of the temperature difference. The smaller value of the difference corresponds to the limit when the nonlinear terms are negligible, while the larger value describes a nonlinear heat transfer. The heat ux, temperature, and mole fraction distributions are presented. To study the inuence of the intermolecular potential, the same simulations were carried out for the hard sphere molecular model. A relative deviation of the results based on this model from those based on the ab initio potential is analyzed. It is pointed out that the difference between the heat ux of the two potentials is about 8% and 5% for the small and large temperature differences, respectively. The temperature distribution between plates is weakly affected by the molecular potential, while the chemical composition variation is the most sensitive quantity for the considered problem. The reported results can be used as benchmark data to test model kinetic equations for gaseous mixtures. Finally, a rarefied gas ow through a thin orifice is calculated for three noble gases, helium, argon and krypton, applying the DSMC method based on the ab initio potential. The calculations are carried out over the whole range of the gas rarefaction and for several values of the pressure ratio with the numerical error less than 0.5%. A comparative analysis shows that the relative difference of the ow rate based on the ab initio potential from that obtained for the hard sphere molecular model depends on many factors, namely, gas species, pressure ratio, gas rarefaction and gas temperature. Among the gases considered here, the difference for helium is the smallest and does not exceed 0.7%. The deviation for krypton is the largest and reaches 1.4%. A relative deviation of the ow rate due to the temperature variation is within 0.9%. A comparison of the flowfield shows that the Mach discs for the ab initio potential are stronger than those for the hard sphere model.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-03-07T16:02:26Z No. of bitstreams: 1 169364.pdf: 2214358 bytes, checksum: 3b5c0fccccca9f1db059249dade9f5dc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-07T16:02:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 169364.pdf: 2214358 bytes, checksum: 3b5c0fccccca9f1db059249dade9f5dc (MD5) Previous issue date: 1984-04 / Apresenta uma metodologia para análise termo-fluidodinâmica de vaporizadores com tubos horizontais, utilizando componentes puros como fluido de trabalho. Para tanto foi desenvolvido um programa de computador, em linguagem FORTRAN 77, automatizando o método. São efetuadas comparações com outras metodologias, mostrando a validade do método proposto. / A new methodology is presented for thermal-fluid dynamic analysis of vaporizers with horizontal tubes using pure substances as process fluid. A computer program has been developed using FORTRAN 77 in order to implement the new method. Several comparisons have been done to show the validity of the proposed methodology with respect to other approaches.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-07T16:06:32Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseTecnicoEconomica.pdf: 2203242 bytes, checksum: 85ce39916f090becc574e9e649fc8f6f (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-16T14:04:49Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseTecnicoEconomica.pdf: 2203242 bytes, checksum: 85ce39916f090becc574e9e649fc8f6f (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-16T14:04:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_AnaliseTecnicoEconomica.pdf: 2203242 bytes, checksum: 85ce39916f090becc574e9e649fc8f6f (MD5) Previous issue date: 2007 / A experiência internacional indica a existência de cinco alavancas principais comumente relacionadas à expansão do consumo de gás natural: a) disponibilidade de reservas de gás natural; b) restrições à oferta de outros energéticos (especialmente para a geração de eletricidade); c) preocupação com o meio ambiente em uma legislação ambiental cada dia mais rigorosa; d) liberalização de empresas privadas na distribuição e comercialização de gás natural, atraindo investimentos; e) liberalização da indústria, atraindo investimentos privados, como opção. Dentro desse cenário, as obras de construção do gasoduto Coari (Base de Extração Urucu)-Manaus, com cerca de 670 quilômetros de extensão total, ficarão prontas em abril de 2008 conforme previsão da Petrobrás divulgada no dia 21/05/2007, o qual transportará 4,7 milhões de metros cúbicos por dia de gás natural na primeira fase de operação. O investimento total previsto é de R$2,4 bilhões. O gás natural substituirá o diesel e o óleo combustível usados principalmente na produção de grande parte da energia elétrica consumida no Estado do Amazonas. Será usado também nos processos industrial e comercial, bem como para abastecer veículos automotores (automóveis, pickups, caminhões leves, ônibus) com segurança. Essa última aplicação incentivou por excelência esta dissertação, fazendo uma análise técnico-econômica da substituição parcial do combustível diesel pelo gás natural em motores marítimos na região Amazônica, pois as embarcações são veículos que singram os rios da Amazônia, usados no transporte de carga e passageiros. Demonstra primeiramente que é possível tecnicamente a conversão dos motores diesel para consumirem diesel misturado com gás natural às taxas de substituição de diesel por gás natural de 5% a 90%, usando tecnologias já disponíveis no mercado brasileiro, sob a ótica de desempenho energético e ambiental. Posteriormente apresenta uma análise econômica da conversão, levando em consideração os reservatórios para gás natural comprimido - GNC ofertados no mercado nacional e os kits de conversão, em que ficam demonstradas: a) a viabilidade econômica do empreendimento, se desprezados os pesos e os volumes dos reservatórios de gás natural comprimido, principalmente os pesos; b) a inviabilidade econômica, considerando o transporte dos reservatórios nas embarcações como fretes que deixaram de gerar receitas pelos volumes e pesos ocupados nelas. / The international experience indicates the existence of five main elements related to the expansion of the natural gas consumption as following: a) availability of natural gas reserve; b) restriction offers of other energy ones (especially for the electricity generation); c) concern with the environment by a environmental legislation more rigorous, each day; d) the investments attraction by the private companies permission for the distribution and commercialization of the natural gas; e) the generalized permission for the industry, attracting private companies, because of the opportunity of the investment. In this scene, the construction of the gas line Coari (extraction base) Urucu-Manaus with about 670 kilometers of total extension that will be ready on April of 2008, as divulged by Petrobras on 05/21/2007 and will carry 4.7 million cubic meters per day of natural gas in the first phase of operation. The foreseen total investment is of R$2.4 billions. The natural gas will substitute the diesel and the combustible oil used, mainly, in the production of great part of the consumed electric energy in the Amazon State. It will be used also in the industrial and commercial processes, as well as supplying, with safety, auto-machine vehicles (automobiles, pickups, light trucks, bus). This last application stimulated this research, that establish a technical-economic analysis of the partial substitution of the fuel diesel by the natural gas in maritime engines in the Amazon Region, because the boats are vehicles that cross the rivers of this Region and are used for load and passengers transportation. First, it is demonstrated that it is possible, in technical conditions, the conversion of the diesel engines to consume the diesel mixed with natural gas to the taxes of substitution of diesel for natural gas from 5% to 90%, using available technologies that are in the Brazilian market, under the view of energy and environment performances. Later it presents an economic analysis of the conversion, considering the reservoirs for natural gas compressed - NGC offered in the national market and the kits of conversion. The research reveals: a) the economic viability of the enterprise if the weights and the volumes of the natural gas reservoirs are neglected, especially the first one; b) the no economic viability, considering the transport of the reservoirs, in the boats, that had no financial results because of the prices of the taxes resulting of the space occupied by the volumes and the weights of these reservoirs.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-23T17:52:19Z No. of bitstreams: 1 155807.pdf: 2798696 bytes, checksum: 30de9149b22b84ea3bb0a0ae333d48cb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-23T17:52:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 155807.pdf: 2798696 bytes, checksum: 30de9149b22b84ea3bb0a0ae333d48cb (MD5) Previous issue date: 1981-07 / CNPq / Estuda a ocorrência de anomalias de secas e de chuvas no Nordeste do Brasil, causada pela maior ou menor variação dos sistemas sinóticos de pressão, localizados nas médias e altas latitudes do hemisfério norte, através do mecanismo de forçamento lateral. Para isto, foi feito um estudo diagnóstico, correlacionando estas anomalias com os fluxos de quantidade de movimento, de energia potencial e com os campos de movimentos horizontais e verticais. Posteriormente, foi elaborado um modelo físico-matemático, com as condições de contorno apropriadas decorrentes de análise dos dados, a fim de simular, entender e poder constatar os fatos anteriormente diagnosticados. Foram utilizados dados do campo do vento para um período de dez anos (1968-77), aproximadamente. Os resultados diagnosticados indicam que nos meses dos anos secos (chuvosos) os desvios dos escoamentos de nordeste, com relação aos campos dos ventos normais climatológicos, são relativamente mais fracos (intensos) em direção a região do Nordeste semiárido do Brasil. Havendo boa concordância com os resultados de Namias, que os centros das altas localizadas no oceano Atlântico Sul nos meses chuvosos (secos) encontram-se relativamente mais (menos) ao sul do litoral do Nordeste, em concordância também com os resultados de Hastenrath e Heller. Com respeito aos fluxos de |v 'ϕ' |e |u ' v '|, que seus valores e suas respectivas curvas, concordam com os resultados de Mak. Estes resultados serviram para caracterizar a latitude crítica e evidenciar que grande parte dos fluxos de quantidade de movimento proveniente da região equatorial da América do Sul em direção ao hemisfério norte, origina-se na região compreendida em 50°W e 20ºW. Na simulação, usou-se um modelo de equações primitivas de duas camadas, com uma condição de contorno na fronteira voltada para o hemisfério norte do tipo estado básico mais pertubação estacionária (componente de maior amplitude oriunda da análise em série de Fourier dos desvios dos parâmetros u e v com relação ao campo de vento climatológico). A solução é obtida integrando-se no tempo, a partir de um campo inicial em balanço geostrófico. Obteve-se, apôs 5-6 dias de integração, uma solução quase-estacionária, confinada na região equatorial, mostrando, conforme Mak, a possível existência de interação entre os movimentos de latitudes médias e os trópicos, pelo menos num modelo de diferenças finitas e não-linear. Constatou-se no caso chuvoso (seco), uma convergência no nível de 750 mb relativamente menos (mais) a oeste do litoral norte do nordeste brasileiro, indicando, ao nível de 500 mb, movimentos ascendentes mais (menos) intensos próximos ao litoral do nordeste brasileiro e na própria região mais ao norte para o caso chuvoso (seco). / Study the drought and rain anomalies in the Northeast of Brazil. This can be caused by the variations in the synoptic pressure systems located in the middle and high latitudes of the Northern Hemisphere, mechanism of lateral forcing. To achieve this is a diagnostic study was undertaken to colletate these anomalies with the fluxes of momentum and potential energy and the wind field. A physical mathematical model was then formulated using appropriate boundary conditions in arder to simulate and to understand how the anomalies are set in the equatorial region, and verified against the diagnostic studies. The diagnostic studies show that for the month of dy (.rainy) years the flow deviation-from the trade winds compared with the normal wind field are relatively weak (intense) in the direction of the Semi-Arid Northeast Brazil. This agrees well with Namias results that the synoptic high pressure systems located in the South Atlantic Ocean in the rainy, (dry) months are, found more (less) to the south of the Northeast coast, also in agreement with the results of Hastenrath and Heller. With respect to the quantities |v 'ϕ' |e |u ' v '| their values and correspondent curves agree with the results of Mak. These results caracterize the critical latitude and show that a great part of the momentum flux from the equatorial region of South America towards the Northern Hemisphere originates in a equatorial region between 50°W e 20ºW. A two layer primitive equation rnodel was used in simulated study to understand the coupling mechanism. The boundary condition in the north hemisphere is of the type a basic state plus stationary perturbation (the greater amplitude component was found frorn the Fourier analysis of the parameters deviation u e v with respect to the normal wind field). A solution, confined in the equatorial region was obtained after 5-6 days of integration, in accordance with Mak. This shows a probable interaction between the middle latitude flows and the tropics (at least in non-linear finite difference model).In the rainy (dry) case a convergence was observed at 750 mb level, respectively more (less) west relative to the north coast of the Northeast region. At the 500 mb level vertical motions were observed more (less) intense near the Northeast coast and the norther part of the region for the rainy (dry) case.