Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Coorientadores : Prof. Dr. Marcio Augusto Villela Pinto, Prof. Dr. Luciano Kiyoshi Araki / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 26/02/2013 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: A influencia de alguns parametros do metodo multigrid geometrico sobre o tempo de CPU para tres diferentes modelos matematicos bidimensionais do escopo da CFD (Computational Fluid Dynamics) e investigada. Os modelos matematicos sao: a equacao de Laplace, a equacao de Adveccao-Difusao e as Equacoes de Burgers. Os parametros em estudo sao: numero de iteracoes internas do solver (ƒË); numero de malhas (L); numero de incognitas (N); solvers e operadores de prolongacao. O multigrid e empregado com esquema FAS (Full Approximation Scheme) e tecnica FMG (Full Multigrid) com ciclo V e razao de engrossamento r = 2. As equacoes diferenciais sao discretizadas pelo Metodo dos Volumes Finitos (MVF) em geometrias simples e malhas bidimensionais uniformes por direcao, com aproximacoes de 2a ordem CDS e correcao adiada. As condicoes de contorno, do tipo Dirichlet, sao aplicadas mediante a tecnica de volumes ficticios. Os sistemas de equacoes algebricas sao resolvidos com o emprego do solver Gauss-Seidel Lexicografico (GS-Lex) e, no caso do problema de Burgers, tambem com o emprego do Gauss-Seidel red-black (GS-RB). Verificou-se principalmente que: o esquema FAS-FMG e cerca de duas vezes mais rapido do que o FAS padrao; que o numero de equacoes ou complexidade do problema nao interfere na eficiencia do multigrid; que o operador de prolongacao bilinear e o mais eficiente para interpolar as solucoes entre os niveis do FMG. Palavras-chave: Dinamica dos fluidos computacional. Multigrid. Volumes finitos. Metodos numericos. Equacoes de Burgers. / This work investigates the influence of some parameters from the Multigrid Geometric method over CPU processing time for three different mathematical bidimensional methods that make up the Computational Fluid Dynamics scope. These mathematical models are: Laplace equation, Advection-Diffusion equation and Burgers' equations. In order to achieve the main target, which consists on optimize the employed algorithms to solve the problems above, the computational time minimization is sought through parameters modifications at the algorithms. The considered parameters are: number of solver's internal iteration (v); number of grids (L); number of incognites (N); solvers and prolongation operators. The multigrid is employed besides FAS (Full Approximation Scheme) and FMG (Full Multigrid) technique, with V cycle and coarsening ratio r = 2. The differential equations discretization is made by the Finite Volume Method (MVF) over simple geometries and direction uniform bidimensional grids, with second order CDS and delayed correction. The Dirichlet type boundary conditions are applied through fictitious volume technique. The system of algebraic equations are solved by the Gauss-Seidel Lexicographic (GS-Lex) solver and, at the Burgers problem, the Gauss-Seidel red-black (GS-RB) is also employed. The main results that should be emphasized are: the FAS-FMG scheme is about twice faster than the standard FAS; the multigrid efficiency ate not affected by the number of equations or complexity of the problem; the bilinear prolongation operator is the most efficient to interpolate the solution among the FMG levels. Keywords: computational fluid dynamics. Multigrid. Finite volume method. Numerical methods. Burgers' Equation.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Estudo de um Novo Modelo Constitutivo de Fluidos.pdf: 1977718 bytes, checksum: 7a35032e9d735176c39ffb1da6e70cef (MD5) Previous issue date: 2008-11-28 / Flow of viscoplastic material is extremely common in many industrial processes. A practical application includes the drilling of petroleum wells where the drilling mud must carry the drill chips with a minimum pumping power. It is obtained using a drilling mud as a highly viscoplastic material. The material used on cementation of drilling wells also exhibit a highly viscoplastic behavior. Other interesting phenomenon involving viscoplastic materials is the mucus displacement in pulmonary airways. The good understanding of the physical mechanism involved in all processes mentioned before is dependent of a good rheological characterization of the viscoplastic material involved. The viscoplastic behavior of the liquid is generally modelled by the generalized Newtonian liquid model with a typical viscosity function equation. One of the most common equation employed is the Herschel-Bulkley viscosity function. This equation predict an infinite viscosity in the limit of zero-shear-rate and this behavior is not compatible with continuity equation for many complex flows. In the present work a viscosity function recently proposed by Souza Mendes and Dutra (2004) is used to perform numerical simulations via finite element method of the flow of yield-stress materials. This viscosity function encompasses most of the viscoplastic and pseudoplastic models such as Herschel-Bulkley, Papanastasiou, Bingham and Carreau as special cases. In order to compare with the results available in the literature, the geometry chosen is the classic 4:1 abrupt contraction. One important dimensionless number analyzed is the jump number J that gives a relative measure of the shear rate jump that occurs when the extra-stress-tensor reaches the yield-stress plateau on the flow field / O escoamento de materiais viscoplásticos é extremamente importante devido sua vasta aplicação industrial. Uma aplicação prática do escoamento de materiais viscopláticos ocorre na perfuração de poços de petróleo. O carreamento do cascalho produzido na perfuração de poços de petróleo é obtido com uso da lama de perfuração. A utilização de lamas de perfuração com propriedades viscoplásticas diminui a potência necessária ao bombeamento desse material. O material utilizado na cimentação dos poços de petróleo também possui propriedades altamente viscoplásticas. Um outro fenômeno que está associado a um escoamento de material tipicamente plástico é o escoamento do muco nas vias áereas pulmonares. O bom entendimento dos mecanismos físicos envolvidos nos processos mencionados depende de uma boa caracterização reológica dos materiais viscoplásticos envolvidos. O comportamento viscoplástico é geralmente modelado pelo modelo de Fluido Newtoniano Generalizado com uso de alguma função típica para descrever a viscosidade. Uma equação para a viscosidade muito utilizada é a de Herschel-Bulkley. Essa equação prevê viscosidade infinita para valores de tensão abaixo da tensão limite de escoamento. Esse comportamento não é compatível com o comportamento previsto pela equação da continuidade para fluidos complexos. No presente trabalho utiliza-se a função viscosidade recentemente proposta por Souza Mendes e Dutra (2004) para uma análise numérica, utilizando-se o método dos elementos finitos, do escoamento de materiais viscoplásticos. Essa função engloba a maioria dos modelos viscoplásticos e pseudoplásticos tais como Herschel-Bulkley, Papanastasiou, Bingham e Carreau. A fim de comparar os resultados previstos pelo presente trabalho com os disponíveis na literatura, a geometria escolhida é a clássica contração abrupta 4:1. Um importante número adimensional analisado é o número J que dá uma medida relativa do salto na taxa de deformação quando atingida a tensão limite de escoamento.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 479492 bytes, checksum: 161f390be241d47212fb09813d1c03e5 (MD5) Previous issue date: 2009-12-15 / This work presents a procedure based on the recursive use of the governing integral equation with the purpose to improve the accuracy of the Boundary Element Method. Usually, the recursive use of integral equation with BEM is done exclusively to determinate internal v alues of basic or primal variables, after all the nodal boundary values have been calculated. In this work, it is presented the same idea to improve the boundary results accuracy. Instead the new source points be located inside the domain, they are positioned on the boundary, with different coordinates from the nodal points. Thus, the basic variable values and their boundary spatial derivatives can be recalculated based on the boundary values calculated previously. This numerical procedure is based on the mathematical equivalence among the recursive use of the boundary integral equation and the new application of the residual weighed sentence, related to the governing equation. The procedure is here applied to Laplace´s Equation. The numerical results are compared with the analytical ones to evaluate the performance obtained with the proposed technique. / Este trabalho apresenta o emprego recursivo da equação integral de governo com a finalidade de melhorar a exatidão dos resultados numéricos do Método dos Elementos de Contorno (MEC). Geralmente, os valores em pontos internos do domínio com o MEC são determinados com a aplicação recursiva da equação integral, depois que todos os valores nodais no contorno tiverem sido calculados. Neste trabalho, mostra-se que a mesma idéia pode ser usada para melhorar a exatidão dos resultados no contorno. Ao invés dos novos pontos fonte serem localizados dentro do domínio, eles são posicionados sobre o contorno, com coordenadas diferentes dos pontos nodais. Assim, os valores da variável básica e de suas derivadas espaciais no contorno podem ser recalculados baseados nos valores do contorno calculados previamente. O resultado deste procedimento numérico é baseado na equivalência matemática entre o uso recursivo da equação integral de contorno e a nova aplicação da sentença de resíduos ponderados associada à equação de governo. O procedimento é aplicado aqui à solução de problemas expressos pela Equação de Laplace. Comparando-se os resultados numéricos dos erros percentuais cometidos no cálculo do potencial e sua derivada em exemplos em que a solução analítica é conhecida, avalia-se o desempenho do procedimento proposto.

Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho Vargas / Co-orientador : Prof. Dr. Juan Carlos Ordonez / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 05/06/2015 / Inclui referências : f. 83-88 / Resumo: Esta Tese de doutorado apresenta um modelo matematico adimensional simplificado para um sistema de refrigeracao de compressao de vapor, operado em regime transiente, com objetivo de otimizar a resposta dinamica do sistema. O modelo combina os principios da termodinamica e da transferencia de calor e de massa aplicando-os aos componentes do sistema, assumindo volumes de controle termodinamicos para cada um dos componentes. O sistema de equacoes diferenciais ordinarias resultante e integrado em relacao ao tempo, com precisao e baixo tempo computacional. Grupos adimensionais adequados sao identificados e os resultados apresentados na forma de graficos normalizados com aplicacao geral para os sistemas semelhantes. Um sistema de refrigeracao piloto foi construido, instrumentado e utilizado para obtencao de dados reais de temperatura. Assim, o modelo foi ajustado a partir de um conjunto de dados experimentais e, entao, validado experimentalmente usando outro conjunto de dados experimentais. A seguir, o estudo aborda a otimizacao da alocacao de area total de troca termica entre os trocadores de calor, evaporador e condensador, para minimizar o tempo de pull-down. A avaliacao do desempenho do sistema e conduzida para tres fluidos refrigerantes: i) um refrigerante banido (CFC12), ii) um alternativo em relacao ao CFC12 com ODP = 0, mas com um alto potencial de aquecimento global, GWP (HFC134a), e iii) um dos atuais substitutos para o R134a, o HFO1234yf. Os resultados dinamicos mostram que, para um sistema projetado para utilizacao de R12, a substituicao por R1234yf descreve um desempenho do sistema mais proximo do R12 do que a substituicao por R134a. A configuracao ideal que promove, em estado estacionario, o maior coeficiente de performance (COP) e a maxima eficiencia de segunda lei tambem e investigada. Os resultados normalizados, para os refrigerantes R12, R134a, e R1234yf, mostram que a distribuicao ideal da area total de transferencia de calor entre o evaporador e o condensador, representada pela fracao da area total destinada ao evaporador, x4,opt 0,55, garante ao sistema o menor tempo de pull-down e maxima eficiencia de segunda lei. Entretanto, o maximo COP e obtido quando x4,opt 0,40. Esta diferenca, que ocorre na alocacao ideal de area quando analisado o tempo de pull-down e a eficiencia de segunda lei em relacao a alocacao ideal de area quando avaliamos o COP, e justificada pelo fato de que a analise de primeira lei nao contempla completamente as perdas termodinamicas do sistema devido as alteracoes nas areas dos trocadores de calor, mostrando a importancia da analise de segunda lei para obter resultados reais. No entanto, as variacoes na alocacao otima de area de troca termica do sistema foram observadas quando a razao entre os coeficientes globais de transferencia de calor dos trocadores afasta-se de 1. Este fato foi observado com R1234yf, evidenciando a importancia da analise de segunda lei para o projeto real de sistemas de refrigeracao por compressao de vapor. Palavras-chave: Refrigeracao. Alocacao de area. Trocador de calor. Area de transferencia de calor / Abstract: This study introduces a dimensionless simplified mathematical model of a vapor compression refrigeration system, in order to optimize the system dynamic response. The model combines principles of thermodynamics, heat and mass transfer applied to the system components with empirical correlations, assigning thermodynamic control volumes to each component, which yield a system of ordinary differential equations with respect to time that is integrated explicitly and accurately with low computational time. Appropriate dimensionless groups are identified, and the results are presented in the form of normalized charts for general application to similar systems. A pilot cooling system was built, instrumented and used to obtain temperature data. Thus, the model has been adjusted from a set of experimental data and, then, experimentally validated using other experimental data set. The study addresses the optimization of the heat exchangers heat transfer area inventory for minimum pull down time. A system performance comparison is conducted for three refrigerant fluids: i) a banned refrigerant (CFC12); ii) its original ozone depletion harmless substitute, but with a high global warming potential, GWP (HFC134a), and iii) one of the current substitutes of R134a, HFO1234yf. The dynamic results show that, for a system originally designed for R12, substitution with R1234yf depicts a closer performance to R12 than R134a. The optimal configuration that leads to steady state maximum system first (or coefficient of performance, (COP), and second law efficiencies is also pursued. The normalized results for refrigerants R12, R134a, and R1234yf show that an optimal heat transfer area distribution in both evaporator and condenser, represented by an evaporator to total system heat exchanger area ratio x4,opt 0.55 , leads the system to minimum pull down time and maximum system 2nd law efficiency, whereas x4,opt 0.4 to maximum COP, when the heat exchangers global heat transfer coefficients are of the same magnitude. The difference in the optimum location when the objective function is the pull-down time (and second law efficiency) and COP is due to the fact that the first law analysis does not fully capture the thermodynamic losses due to changes in heat exchangers' areas, which stresses the importance of a system second law assessment for realistic results. However, changes in the optima location are observed when the ratio of heat exchangers global heat transfer coefficients departs from 1. This fact was observed with refrigerant R1234yf, which points out their importance for actual refrigeration vapor compression systems design. Key-words: Refrigeration. Optimal area allocation. Heat exchanger. Total heat transfer area.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Alberto Bavastri / Coorientadora : Profª. Drª. Ana Gabriela Martinez / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/02/2016 / Inclui referências : fls. 104-110 / Resumo: A instabilidade presente em sistemas girantes com rotações elevadas é uma das principais causas de graves problemas nos mesmos, podendo levar o rotor a falhas catastróficas ou desgastes prematuros de seus componentes. Uma forma de reduzir este problema em dinâmica de rotores é a adição de amortecimento nos mancais. O uso de materiais viscoelásticos (MVEs) em controle de vibrações, seja através de isolamento ou neutralizadores dinâmicos, tem sido aplicado com relativo sucesso já há alguns anos, pois além da elevada capacidade de dissipar energia vibratória, os MVEs possuem baixos custos iniciais de implementação e de manutenção. Porém, os modelos utilizados para descrever o comportamento dinâmico destes materiais com exatidão no domínio da frequência, levam a matrizes de rigidez complexas, em função da frequência e da temperatura. Uma forma de constatar a instabilidade de um sistema é verificar a parte real dos autovalores associados a este tipo de problema. No presente caso, a dinâmica destes sistemas deve ser resolvida no espaço de estado, um espaço dimensional, onde é o número de graus de liberdade ou frequências naturais. Em modelos numéricos que utilizam matrizes com coeficientes reais, é possível observar, no espaço de estado, que os autovalores aparecem com multiplicidade dupla em pares complexos conjugados. Por outro lado, quando utilizado o modelo de derivadas fracionárias para descrever o comportamento dinâmico de materiais viscoelásticos (polímeros, borrachas, entre outros), a matriz de rigidez possui coeficientes complexos. Neste caso, os autovalores, que devem estar relacionados de alguma forma pela redundância de informação, podem aparecer repetidos e em pares complexos conjugados, e/ou em pares complexos e seu oposto. Sendo assim, uma simples inspeção na parte real dos autovalores não pode mais ser realizada, já que os códigos numéricos não poderiam determinar quem é o autovalor e quem é o oposto. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho é propor um método para estimar com exatidão a instabilidade dinâmica de rotores quando os mesmos são compostos com materiais viscoelásticos. Para tal, é proposto o acompanhamento da trajetória dos autovalores no plano de Laplace. Partindo de um ponto de equilíbrio, quando o autovalor cruzar o eixo da parte imaginária, o sistema se tornará instável. Para corroborar esta proposta, é considerado um sistema com amortecimento histerético, que é solucionado no domínio do tempo para algumas velocidades de rotação predeterminadas. Com isto, o método apresenta resultados satisfatórios, ao ser analisado um caso particular. Palavras-chave: Instabilidade. Rotor. Autovalor. Material viscoelástico. / Abstract: The instability in high-speed rotors is one of the main causes of their problems, which may lead to catastrophic rotor failure or premature weakening. One way to reduce this problem is the addition of damping in the bearings. The use of viscoelastic materials (VEM) for vibration control, either through isolation or dynamic neutralizers, has been applied with relative success in the last years, because, besides its high capacity to dissipate vibrational energy, the VEM have lower initial costs of implementation and maintenance. However, the models used to describe the dynamic behavior of such materials with accuracy lead to complex stiffness matrices as function of frequency and temperature. One way to verify the instability of a system is to check the real part of the associated eigenvalues. In this case, this problem should be solved in the state space, a dimensional space, where is the number of degrees of freedom or natural frequencies. In numerical models involving matrices with real coefficients, it is possible to observe in the state space that the eigenvalues appear with double multiplicity and complex conjugate pairs. On the other hand, when using the fractional-derivative model describing the dynamic behavior of viscoelastic materials (polymers, rubbers and so on) the matrix has complex coefficients. In this case, the eigenvalues should be in some way related by redundant information that may appear in complex conjugate pairs and repeated, and also in complex and opposite pairs, as has been observed in some numerical simulations and previous work. If this is the case, a simple inspection of the real part of the eigenvalues cannot be performed, since the numeric codes could not determine which eigenvalue is physically relevant. Within this context, the aim of this work is to propose a method for accurately estimate the dynamic instability of rotors when they are built with viscoelastic materials. For that, it is proposed to monitor the trajectory of eigenvalues in Laplacian plan. Starting from an equilibrium point, when the trajectory of eigenvalues crosses the axis of the imaginary part, the system will become unstable. To confirm this proposal, it is considered a system with hysteretic damping, which is solved in the time domain to some pre-determined speed. Thus, the method shows satisfactory results, when taken into account a special case. Key-words: Instability. Rotor. Eigenvalue. Viscoelastic material.

Orientador : Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/10/2015 / Inclui referências : f. 104-108 / Área de concentração : Manufatura / Resumo: A porosidade resultante do processo de injeção de alumínio sob pressão corresponde a 35% da falha desse processo. A determinação da origem dos poros e definição dos mecanismos de solução é complexa, pois há vários fatores que induzem a sua ocorrência. Assim, é comum se empregar alternativas de processo e de engenharia para tentar resolver o problema. Diante de tal complexidade, procurou-se propor alternativas de como aplicar os métodos dos elementos finitos para minimizar a probabilidade da ocorrência de poros em produtos injetados em alumínio através do processo HPDC. Procurou-se, ainda, verificar quais seriam as melhores configurações de engenharia e de processo objetivando diminuir o volume de poros em produtos injetados em alumínio culminando com o desenvolvimento de uma equação que represente o comportamento e a origem da porosidade. Para estudar a origem e o comportamento da porosidade foram analisadas algumas condições de projeto e de processo, nas quais foram realizadas simulações computacionais, utilizando-se os softwares Magma e Click2Cast, para injeção de alumínio sob pressão e Jump para análise estatística de resultados. Observou-se que através de fluxo e de solidificação, pode-se entender o comportamento da porosidade em produtos injetados em alumínio sob pressão. Verificou-se ainda que a velocidade no canal de alimentação e o tempo de preenchimento não interferem na origem de porosidade, porém o menor tempo de solidificação é o parâmetro de injeção que resulta em um menor volume de porosidade. A partir do levantamento de um banco de dados, foi possível desenvolver uma equação estatística para descrever o comportamento da porosidade incluindo todos os parâmetros de injeção utilizados no processo HPDC. Palavras-chave: Processo de injeção de alumínio sob pressão. Alumínio. Porosidade. Simulação Numérica. / Abstract: The resulting porosity is responsible to 35% of failures on the high pressure aluminum die casting process. The determination of the origin and setting the pore elimination is a complex mechanism. There are several factors that induce their occurrence. Thus, it is common to employ process and engineering alternatives in order to try to solve the issue. Faced with such complexity we tried to understand how to apply the finite element methods to minimize the occurrence of pores in highpressure die casting products. The motivation was to determine the best engineering and process settings to reduce the pore volume in aluminum injected products. The aim of this study was to develop a methodology in order to generate an equation that represents the porosity behavior. In order to do that, the results obtained with the variation of some boundary conditions which were applied to computer simulations in commercial dedicated software (Magma, Click2Cast and Jump) were analyzed. It was observed that a flow and solidification analysis of the product in the mold can determine the probability of occurrence of pores in the product already during injection process. Keywords: High-pressure die casting. HPDC. Aluminum. Porosity. Numerical simulation.

Orientador : Prof. Dr. Silvio Francisco Brunatto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 20/08/2015 / Inclui referências : fls. 117-122 / Área de concentração: Manufatura / Resumo: Neste trabalho foi realizado um estudo do processo de nitretacao por plasma do niobio com o objetivo de avaliar a influencia do tempo de tratamento (serie VTO), a temperatura (serie VTA) e a composicao da mistura gasosa (serie VMG) na formacao da camada nitretada do niobio, bem como na resistencia ao ensaio de cavitacao. Nos estudos de tempo e temperatura foi utilizada a composicao de mistura gasosa de 90%N2 + 10%H2. Para a serie VTO, os estudos foram realizados para os tempos de 1, 2, 3 e 4 h. Na serie VTA, as seguintes temperaturas foram utilizadas: 980, 1080 e 1180 °C. Para a serie VMG, efetuou-se o estudo de composicao da mistura gasosa e os tratamentos foram realizados com as seguintes misturas: 70%N2 + 10%H2 + 20% Ar; 50%N2 + 30%H2 + 20%Ar e 30%N2 + 50%H2 + 20%Ar. A caracterizacao das amostras foi realizada usando as tecnicas de microscopia eletronica de varredura, interferometria 3D, difratometria de raios-X, microdureza e nanoindentacao. Os ensaios de cavitacao foram conduzidos nas condicoes com e sem tratamento, conforme a norma ASTM G32-09. Foram investigados os mecanismos de desgaste que ocorrem no ensaio de cavitacao do niobio nitretado. De modo geral, as amostras nitretadas por plasma apresentaram melhor resistencia a erosao por cavitacao do que as amostras nao nitretadas. / Abstract: In this paper it is presented a study of plasma nitriding process of niobium samples, which aims to evaluate the influence of treatment time (VTO series), temperature (VTA series) and the composition of the gas mixture (VMG series), on the formation of niobium nitrided layer and the behavior of the obtained layers to the cavitation erosion test. In the VTO and VTA series it was used the gas mixture of 90%N2+10%H2. For VTO series studies, were conducted for times of 1, 2, 3 and 4 h. In VTA series, the studied temperatures were 980, 1080 and 1180 °C. For VMG series, it was performed using 70%N2+10%H2+20%Ar, 50%N2+30%H2+20%Ar and 30%N2+50%H2+20%Ar, gas mixtures. The characterization of samples was performed using the techniques of scanning electron microscopy, 3D interferometry, XRD, hardness and nanoindentation. The cavitation tests were conducted under the conditions with and without treatment, according to the ASTM G32-09. The wear mechanism occurring in the nitrided layer subjected to the cavitation test was investigated. In general, the plasma nitreded niobium samples showed better resistance to cavitation erosion than non-treated samples.

Orientador : Prof. Dr. Christian J. L. Hermes / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 02/09/2016 / Inclui referências : f. 101-104 / Resumo: Evaporadores tubo-aleta são utilizados em sistemas de refrigeração nos quais há condições favoráveis para a formação de geada, como temperaturas de evaporação abaixo de 0°C e graus de super-resfriamento acima de 5°C. Em tais condições as características do escoamento e da transferência de calor são diferentes para cada região do evaporador, de forma que a distribuição de aletas e a razão de aspecto afetam o comportamento térmico e hidráulico deste componente. O presente estudo busca a otimização da geometria de um evaporador tubo-aleta com base na termodinâmica, levando em consideração os processos de formação de geada, de degelo e um modelo de gabinete refrigerado operando de forma cíclica. Para tal, um modelo totalmente algébrico foi desenvolvido para simular o comportamento termo- hidráulico de evaporadores tubo-aleta operando em condições favoráveis à formação de geada em um gabinete refrigerado sujeito ao processo de degelo. O modelo de formação de geada foi calibrado e validado contra dados experimentais obtidos na literatura. A taxa de geração de entropia e o consumo energético foram adotadas como funções objetivo de minimização no processo de determinação de configurações geométricas ótimas para o evaporador. Concluiu-se que a definição de restrições de projeto representa um fator crítico para a definição de geometrias ótimas, sendo predominantemente robustas as geometrias que provocam condições de maior eficiência. Palavras-chave: análise termodinâmica, evaporador tubo-aleta, formação de geada e degelo, termodinâmica irreversível / Abstract: Tube-fin evaporators are used in refrigeration systems which frost formation conditions are likely, such as evaporation temperatures below 0°C and super cooling degrees above 5°C. In such conditions, the airflow and heat transfer behaviors are different for each region of the evaporator in such a fashion that the fin distribution and the aspect ratio change the thermal-hydraulic behavior for this component. This study search for an optimization path of a tube-fin evaporator's geometry based on thermodynamics, taking in consideration the process of frost formation, defrost and a refrigeration cabinet model with cycling operation. For this, a fully algebraic model was developed to simulate the thermal-hydraulic behavior of tube-fin evaporators operating under frost formation conditions in a refrigerated cabinet subjected to defrosting process. The frost formation model was calibrated and validated against experimental data obtained in the literature. The entropy generation rate and the energy consumption were adopted as the minimization function in the process of finding optimal geometrical configurations for the evaporator. The conclusion is that the definition of project's constraints represents a key factor for the definition of optimal geometries; the ones with higher efficiency are mainly robust (low aspect ratio). Keywords: thermodynamics analysis, tube-fin evaporators, frost formation and defrost, irreversible thermodynamics

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte2.pdf: 1632843 bytes, checksum: 2c495bfe4324aa440676731f99a33b25 (MD5) Previous issue date: 2007-11-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Quasicrystalline structured materials bear singular properties such as elevated hardness, low superficial energy, low friction coefficient, good oxidation and corrosion resistance, high degrading resistance as well as low electrical and thermal conductivities. These materials can be obtained via conventional foundry, high energy grinding or mechanical alloying as well as fine film techniques. Nonetheless, these materials are very fragile. This makes bulk rods as used for mechanical components making also difficult. Therefore, most applications use the powder form as reinforcement in composite material and plasma spray superficial layers. One of the techniques that show excellent results is the high energy grinding technique of such quasicrystalline alloys after being obtained via the other more conventional techniques. The former technique is also known as Mechanical Milling, which allows the production of extremely fine powders (grain size below 1μm). The refined powders are often exposed to high temperatures either used for the productions of the reinforced composite materials or superficial layers. Hence, it is important to understand the thermal stability of quasicrystalline material as a function of the average particle size, temperature and atmosphere, extremely important parameters from the technological view point. The aim of this work is, therefore, to investigate the thermal stability of icosahedra quasycristalline powders of Al62.2Cu25.5Fe12.3 based alloys, which were obtained via the Mechanical Milling technique under controlled atmosphere as a function of the average particle size of the powder. Results show that the stability of the quasicrystalline powders is lost for very fine powders (after subjected to 20 hours of milling, ambient temperature). In this case, quasicrystalline phases turned into the β phase. Also, powders subjected to 10 hours of milling, the stability was lost when temperature reached 973K. On the other hand, powders subjected to 0,5 hours of milling maintained their stability up to the temperature of 973K. It has been proposed that such thermal stability is attributed to the formation of a fine aluminum oxide layer, which promotes localized chemical composition alteration and the formation of the cubic crystalline b phase as consequence. In order to avoid such oxide layer formation, the addition of bismuth was investigated. This addition was chosen in order to assess the formation of a protective external layer during the refinement process of the high energy grinding, acting as an oxygen barrier. Results show that powders ground with the addition of bismuth remained stable for longer periods of grinding. This suggests that bismuth addition does promote a formation of a fine protective layer, reducing the aluminum oxide formation. Also, the loss of the quasicrystalline structure is directly related to the formation of such aluminum oxide layer. / Os materiais com estrutura quasicristalina apresentam propriedades singulares, tais como: elevada dureza, baixa energia superficial e baixo coeficiente de atrito, boa resistência à oxidação e corrosão, elevada resistência ao desgaste e ainda baixas condutividades elétrica e térmica. Estes materiais podem ser obtidos por fundição convencional, moagem de alta energia (MAE) ou mecanossíntese e também por técnicas de obtenção de filmes finos. Entretanto, estes materiais são bastante frágeis o que dificulta seu uso na forma de tarugos para confecção de componentes mecânicos. Assim sendo, eles são preferencialmente utilizados em forma de pó como reforços em materiais compósitos ou para aplicação em camadas superficiais por plasma spray. Uma das técnicas de obtenção de pós, que apresenta excelentes resultados, é a moagem de alta energia das ligas quasicristalinas, previamente obtidas pelas técnicas convencionais. Esta técnica é conhecida como Refinamento por Moagem Mecânica (RMM) e permite a produção de pós extremamente finos, com granulometria abaixo de 1μm. Os pós refinados, por muitas vezes, são expostos à alta temperatura para produção de materiais compósitos ou para deposição de camadas superficiais, o que torna, então, o conhecimento da sua estabilidade térmica em função do tamanho médio de partícula, da temperatura e da atmosfera um aspecto de extrema importância do ponto de vista tecnológico. O objetivo principal deste trabalho é investigar a estabilidade térmica de pós icosaedrais quasicristalinos (IQC) de ligas Al62.2Cu25.5Fe12.3 obtidos por (RMM), sob atmosfera controlada em função do tamanho médio de partícula. Os resultados obtidos mostraram que os pós quasicristalinos muito finos (quando submetido a 20h de moagem, à temperatura ambiente) perdem sua estabilidade, transformando-se em uma fase cristalina β. Pós moídos por 10h, desestabilizam-se quando são aquecidos a 773K. Por outro lado, pós mais grosseiros, moídos por 0,5h permanecem estáveis até uma temperatura de 973K. Neste trabalho a desestabilização térmica foi atribuída a formação de uma fina camada de oxido de alumínio, que provoca a alteração localizada da composição química e consequentemente a formação de uma fase b de estrutura cristalina cúbica. Na tentativa de evitar a formação da camada de oxido foi também investigado o uso da adição de bismuto durante a moagem com o propósito de formar uma camada protetora sobre a superfície do pó quasicristalino e atuar como barreira ao oxigênio. Os resultados obtidos mostram que os pós moídos com bismuto permanecem estáveis por longos períodos de moagem. Isto sugere que o bismuto de fato promove a formação de uma fina película protetora que reduz a formação de óxido de alumínio e também que a perda da estrutura quasicristalina esta diretamente ligada a formação desta camada de óxido.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1235416 bytes, checksum: 45d769c4f43a1cb25c3cef4e7e61aef2 (MD5) Previous issue date: 2007-11-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present investigation, aim studying the Boron effect as amorphizing agent, in the Nickel-Niobium alloy, using the technique of High Energy Milling to using as master alloy for preparation of alloys Cu-Al-Ni susceptible to the shape memory effect. Using the milling of high energy is possible to extend the solubility limit of some alloy elements in the matrix. In materials whose components present remarkable gap differential in their fusing points, the master alloy can be used, with satisfactory results. For this work two milling series were accomplished, one for NiNb alloy and other series for the NiNbB alloy, with the same times of milling (1, 5, 10, 20 and 40 h). After the milling stages they were made rehearsals of x-ray diffraction, to identify the formed phases in the powders and his evolution with the milling times and thermal analysis to identify the temperatures of transformation of the present phases. System NiNb alloy with concentrations of Nb around 24% (in weight) they are easily amorphizing, being enough times of milling of 40 h. The B addition tends to accelerate the process of dissolution of Nb into Ni increasing the amorphization kinetics. The diffraction analyses XRD patterns collected in several temperatures for the amorphous powders made possible to investigate with more accuracy the B influence. When this element is added to the binary Ni-Nb alloy, the recrystallization temperatures, which they are associated to the formation of the equilibrium phase Ni3Nb, are reduced. The XRD patterns indicate also that this phase begins her formation in lower temperatures, when B is added. Therefore, was concluded that B accelerates the decomposition of the amorphous phase because of the high intensity of defects introduced during the milling process. / A presente pesquisa visa estudar o efeito do Boro, como amorfizador, na liga Níquel- Nióbio, utilizando a técnica de Moagem de Alta Energia (MAE) para utilizá-la como liga mãe ou master alloy para preparação de ligas Cu-Al-Ni passíveis do efeito memória de forma. Utilizando a moagem de alta energia é possível estender o limite de solubilidade de alguns elementos de liga dentro da matriz. Em materiais cujos componentes apresentam diferenças acentuadas nos seus pontos de fusão, a MAE pode ser utilizada, com resultados satisfatórios. Para este trabalho foram realizadas duas séries de moagem, uma para liga NiNb e outra série para a liga NiNbB, com os mesmos tempos de moagem (1, 5, 10, 20 e 40h). Após as etapas de moagem foram feitos ensaios de difração de raios-X, para identificar as fases presentes nos pós e sua evolução com os tempos de moagem e análise térmica para identificar as temperaturas de transformação das fases presentes. Liga do sistema NiNb com concentrações de Nb em torno de 24% (em peso) são facilmente amorfizaveis, bastando tempos de moagem de 40h. A adição de B tende a acelerar o processo de dissolução do Nb no Ni aumentando a cinética de amorfização. As análises de difração de raios-x coletados em diversas temperaturas para os pós amorfos nos possibilitaram investigar com mais exatidão a influência do B. Quando este elemento é adicionado à liga binária Ni-Nb, as temperaturas de recristalização, as quais estão associadas à formação da fase de equilíbrio Ni3Nb, são reduzidas. Os difratogramas de raios-x também indicam que esta fase começa sua formação em temperaturas mais baixas, quando o B é adicionado. Desta forma, conclui-se que o B acelera a decomposição da fase amorfa em virtude da alta intensidade de defeitos introduzidos durante a moagem.