Resumo: Neste trabalho, um estudo experimental do escoamento em cavidades abertas, para diferentes razões de aspecto e números de Reynolds, foi realizado. Para a condução da campanha de ensaios, um canal de superfície livre em circuito fechado foi projetado e construído. Testes de qualificação foram conduzidos, com o propósito de verificar as características vibratórias do aparato e a qualidade do escoamento na seção de testes. A partir dos dados coletados nessa etapa, modificações foram introduzidas no projeto, melhorando significativamente as condições de funcionamento do dispositivo. Em seguida, os ensaios das cavidades abertas, propriamente ditos, foram executados. Para a determinação qualitativa dos padrões de escoamento encontrados em cavidades rasas e profundas, visualizações de escoamento foram realizadas, utilizando-se, como traçadores, corante líquido e partículas sólidas em suspensão. Com uma iluminação adequada, as duas técnicas foram capazes de fornecer elementos importantes para a identificação topológica deste tipo de escoamento. Além disso, medições de velocidade local e instantânea foram realizadas, dentro e fora das cavidades, com o auxílio de uma sonda ADV (acoustic Doppler velocimetry). Os resultados obtidos foram analisados fisicamente e comparados com dados experimentais e numéricos da literatura, apresentando excelente concordância / Abstract: In this work, an experimental study of the flow inside open cavities, for different aspect ratios and Reynolds numbers, was performed. To carry out the experimental runs, a closed-circuit free-surface water channel has been designed and built. Qualification tests have been conducted to verify the vibrating characteristics of the device and the quality of the flow in the test section. From the data collected in this stage, constructive changes have been proposed and executed in the apparatus, improving significantly its operational conditions. Soon after the open cavities tests have been performed. For qualitative determination of the fluid motion inside deep and shallow cavities, flow visualizations techniques have been implemented using as tracers liquid dye and solid micro-particles in suspension. With the help of an adequate illumination system, both techniques were able to provide important information about the topological structure of the flow. Measurements of local instantaneous speed have also been performed within and outside the cavities by means of an ADV probe (acoustic Doppler velocimetry). The results have been physically analyzed and compared with available experimental and numerical data. An excellent agreement has been reached / Orientador: Sérgio Said Mansur / Coorientador: Edson Del Rio Vieira / Banca: João Batista Campos Silva / Banca: Aristeu da Silveira Neto / Mestre

Orientador: Gisele Faria / Banca: Marco Antonio Hungaro Duarte / Banca: Idomeo Bonetti Filho / Resumo: Avaliar os efeitos da incorporação do iodofórmio ou do hidróxido de cál-cio (HC) respectivamente no cimento Sealer 26 ou MTA Fillapex (MF). Na ava-liação com o Sealer 26, as proporções de 1.1g, 0,55g or 0.275g foram incorpo-radas ao cimento e o de tempo de presa, escoamento, solubilidade, pH e libe-ração de cálcio foram avaliados. Na análise do MF puro, acrescido de 5% (MF5) ou 10%(MF10) em massa de HC, o escoamento, pH e liberação de cál-cio foram comparados com AH Plus. A adição do iodofórmio ao Sealer26 au-mentou o tempo de presa do cimento (p<0,05), mas os demais resultados fo-ram similares (p>0,05). Em 24hs, a mistura com 1.1g: 0.55g de iodofórmio de-monstrou menor pH que o cimento puro (p<0,05). O MF teve maior escoamento que os demais cimentos (p<0,05). O MF10 apresentou menor escoamento que MF (P<0,05). O MF10 apresentou maior pH que o AH Plus (p<0,05).A liberação de cálcio foi similar ao MF e o MF10 (p>0,05). O MF5 demonstrou menor esco-amento que o MF e maior que MF10 (p<0,05), tendo maior valor de pH que o MF (p<0,05) e similar liberação de cácio ao MF10. A adição do iodofórmio inter-fere no tempo de presa e solubilidade do Sealer 26 e a adição de 5%HC no MF apresentou-se como alternativa para reduzir o escoamento, sem interferir no potencial de alcalinização do MF. / Abstract: To evaluate the effects of incorporation of iodoform or calcium hydroxide (CH) respectively in cement Sealer 26 or MTA Fillapex (MF) . In review with the Sealer26, the proportions of 1.1g, 0.55g or 0.275g were incorporated into the cement and the setting time, flow, solubility, pH and calcium release were evaluated. The analysis of pure MTA Fillapex (MF) or containing 5% (MF5) or 10% (MF 10) calcium hydroxide (CH), in weight, in comparison with AH Plus sealer .The addition of iodoform to Sealer26 cement increased setting time(p < 0.05), but the other results were similar (p> 0.05). In 24 hours, the mixture with 1.1g : 0.55g iodoform showed lower pH than the pure cement ( p < 0.05 ) . The MF had greater flow than the other cements ( p < 0.05 ) . The MF10 showed lower flow that MF ( P < 0.05 ) . The MF10 showed pH greater than AH Plus (p < 0.05). Calcium realise was similar to MF and MF10 (p> 0.05). The MF5 showed less than the flow MF , and greater than MF10 (p <0.05 ), and higher pH value than the MF (p <0.05) and calcium release similar to MF10 . The addi-tion of iodoform interferes with the setting time and solubility of Sealer 26 and the addition of 5% CH in the MF presented as an alternative to reduce the flow without interfering with potential alkalization. / Mestre

Na prática da engenharia existem diversos problemas relacionados a escoamentos com superfície livre, como escoamentos evoluindo sobre obstáculos de fundo, com recirculação ou ondas, entre outros. No presente trabalho, derivado das Equações de Navier-Stokes e de Continuidade, foi desenvolvido um código utilizando um equacionamento semi-implícito em diferenças finitas, com a finalidade de simular escoamentos com superfície livre e com aproximação não-hidrostática de pressão. O tratamento numérico é realizado com o passo de tempo fracionado em dois subpassos: no primeiro são calculados as velocidades e o desnível com condição de pressão hidrostática e no segundo subpasso é calculada a pressão dinâmica e corrigidas as velocidades e o desnível. Este código foi verificado para casos com resultados analíticos e numéricos e validado para casos com resultados experimentais. Por fim, o código desenvolvido foi aplicado a um caso hipotético que representa esquematicamente o caso de um emissário submarino. A consideração da aproximação não hidrostática da pressão se mostrou fundamental para o ajuste dos resultados com os dados experimentais e analíticos. / In engineering practice there are a lot of problems related to free-surface flow, like flows with bottom obstacles, separation and waves, among others. In the present work, derived from Navier-Stokes and Continuity Equations, a code was developed with semi-implicit finite differences equations in order to simulate non-hydrostatic pressure approximation free-surface flows. The numerical treatment is performed with split time step into two substeps: at the first velocities and free-surface are calculated with hydrostatic pressure condition and at the second substep dynamic pressure is calculated and the velocities and free-surface are corrected. This code was verified with analytical and numerical cases and validated with experimental cases results. Furthermore, this code was applied to a hypothetical case which represents a marine outfall case. The non-hydrostatic pressure consideration are very important for the adjustment of the results with the experimental and analytical data.

A visualização de escoamentos e a medição de campos de velocidades têm sido instrumentos de grande valia na compreensão de fenômenos na Mecânica dos Fluidos. Há muito tempo existem processos de medição de velocidade tais como tubo de Pitot ou de Venturi. Entretanto estes métodos são denominados invasivos. Na década de 70 surgiu o método não invasivo de determinação de velocidade e ficou conhecido como Velocimetria de Laser Doppler, em alusão ao fenômeno físico envolvido no processo de medição. Na década de 80, também do século passado, surgiram técnicas como Velocimetria por Speckle e Velocimetria por Imagem de Partículas. Estas, apesar de serem incluídas como não invasivas, na realidade devem colocar partículas traçadoras e/ou marcadoras (dependendo da técnica). Primeiramente, deve-se fazer considerações a respeito do quão intrusivo é a colocação de uma determinada partícula em um determinado escoamento. Em segundo lugar, deve-se efetuar uma análise do quanto o movimento da partícula reflete o movimento do escoamento, principalmente naqueles em que existem fortes gradientes de velocidade. Estas são questões cruciais para estes processos. O objetivo do presente trabalho é fazer uma avaliação do acompanhamento ou não de uma partícula, esférica, em um escoamento com gradientes de velocidade. Será estudada a influência do diâmetro da partícula. Para tanto será utilizado um perfil de Venturi e a técnica será a de Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV em inglês), utilizando o tamanho do rastro deixado pelas partículas dispersas no fluido, determinando sua velocidade. Para determinação deste valor, foi desenvolvido um método de análise de histograma. / The flow visualization and measurements of velocity fields have been important instruments to phenomena understanding in Fluid Mechanics. Process of velocity measurements have been used a long time ago, like Pitot and Venturi pipes. Those methods are named invasive. In seventies of the last century rised a method non invasive to determine velocity in flows known as Laser Doppler Velocimetry (LDV), in respect of the physical phenomena involved in measurement process. In eighties, of last century too, rised techniques like Laser Speckle Velocimetry (LSV) and Particle Image Velocimetry (PIV). These techniques, although have been classified as non intrusive, actually must spread out tracer and/or marker particles, depending upon what technique is been used. First, one has to analyze of how non intrusive is to spread out particles in one specified flow. Second, it is necessary to study of how a particle movement reflects the flow, mainly in those flows submitted upon high velocity gradients. Those questions are essentials in this kind of measurement. The aim of this present work is to evaluate of how suitable the particle movement is to flow movement. The particle will be considered as spherical, in a flow with velocity gradients. Will be studied the influence of particle diameter. To implement this work, the pipe profile chosen was Venturi and the technique will be Particle Image Velocimetry, using the length of particle streaks to evaluate its velocity. It was developed a method that analyzes the histogram.

Este trabalho apresenta um estudo experimental das características do escoamento turbulento nas primeiras fileiras de bancos de tubos. São estudados os escoamentos sobre três geometrias de arranjos de tubos: dois tubos posicionados lado a lado normais ao escoamento, uma fileira de tubos transversal ao escoamento e bancos de tubos de configuração quadrangular, com três razões de espaçamento diferentes. O objetivo é entender o comportamento das instabilidades e fenômenos aleatórios e transientes que ocorrem nas primeiras fileiras de bancos de tubos e se propagam para o seu interior. Os resultados experimentais são obtidos através de medições em túnel de vento e visualizações em canal de água. Para a obtenção dos campos de velocidade é utilizada a técnica de anemometria de fio quente e para as medições de pressão é utilizado um transdutor de pressão piezo resistivo. Os dados experimentais obtidos são analisados por ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas. As visualizações são feitas através da técnica de injeção de tinta diretamente no escoamento. Os resultados mostram a presença de instabilidades geradas a partir da segunda fileira do banco de tubos, que se propagam para o interior, gerando um comportamento onde as três componentes ortogonais do escoamento são igualmente importantes. O comportamento tridimensional do escoamento é responsável por uma redistribuição de massa dentro do banco de tubos que leva a valores de velocidade e números de Strouhal não esperados para a geometria estudada.

A utilização de placas defletoras em banco de tubos é muito difundida em trocadores de calor, aumentando os níveis de turbulência do escoamento e o tempo de contato do fluido refrigerante e a superfície aquecida dos tubos. Os vórtices gerados pela turbulência tem a finalidade de imprimir a camada limite térmica dos tubos, onde o calor é trocado basicamente por condução, tornando a troca de calor mais eficiente. No entanto a maioria dos estudos em bancos de tubos considera um escoamento incidindo uniformemente sobre os tubos, sem qualquer tipo de análise dos efeitos causados pela utilização de placas defletoras, transformando-se assim em idealizações pouco reais. A proposta deste trabalho é analisar experimentalmente os efeitos causados no escoamento pelo uso de defletores, tomando-se como referência a região entre-tubos (linhas), onde para tanto foram estudadas duas geometrias distintas. A primeira geometria consiste uma placa defletora voltada para o escoamento e nela encontram-se montados dez tubos, dispostos horizontalmente em duas linhas, e a partir de uma certa distância a jusante ocorre um estreitamento súbito do canal prolongando-se até a saída. Com este tipo de geometria, pretende-se estudar os efeitos no desenvolvimento do escoamento para uma entrada assimétrica. A segunda geometria estudada é uma simplificação de bancos de tubos utilizados em trocadores de calor, porém, agora, com o uso de defletores. Nesta seção o escoamento é obrigado a contornar três placas defletoras, duas na parede superior do canal e uma na parede inferior, montadas de forma eqüidistantes O número de Reynolds, para ambas as seções, foi calculado com o diâmetro externo do tubo (32.1 mm) e a velocidade média do escoamento abaixo da primeira placa defletora, Ue. Para a primeira seção o número de Reynolds foi de 3.32 x 104 e para segunda 2.99 x 104. Os testes foram realizados em um canal retangular de 146 mm de altura e 193 mm de largura, com 900 mm de comprimento. Os bancos de tubos possuem uma relação de espaçamento, passo-diâmetro de 1,26, com dez tubos dispostos em duas linhas. As velocidades médias, suas direções e flutuações de velocidade foram investigadas ao longo das fendas, linhas, permitindo um conhecimento do desenvolvimento das componentes de velocidades, bem as intensidades de turbulência desde a região de entrada. Este estudo revelou que o desenvolvimento do escoamento , após a passagem por defletores se dá para distâncias superiores aquelas aqui estudadas.

O escoamento ao redor de cilindros próximos de um contorno é um problema de grande interesse para muitas aplicações de engenharia. Vários parâmetros afetam o desprendimento de vórtices neste tipo de escoamento, tais como a espessura e o tipo da camada limite (laminar ou turbulenta), a distância do cilindro à placa, bem como o número de Reynolds. Devido à quantidade de parâmetros envolvido, este escoamento é bem mais complexo do que o caso de um cilindro isolado. No presente trabalho, o problema da interação entre camada limite e desprendimento de vórtices de um cilindro circular, foi dividido em quatro casos fisicamente mais simples, os quais permitiram avaliar o efeito isolado do cisalhamento e do confinamento provocado pela placa, bem como a combinação destes. Para este estudo foi utilizada a técnica de Simulção Numérica Direta (DNS) para a solução das equações de Navier-Stokes. As simulações foram realizadas para número de Reynolds na faixa de 60 a 300. Os resultados obtidos das simulações bidimensionais, para os quatro casos propostos e considerando a faixa de parâmetros analisados, demonstraram que a supressão do desprendimento de vórtices só ocorre quando existe a combinação do cisalhamento e do confinamento, e que o valor crítico no qual ocorre a supressão dos vórtices depende da intensidade do cisalhamento. Os resultados tridimensionais obtidos para o caso de escoamento livre com cisalhamento constante, mostraram que o aumento do cisalhamento tende a retardar a formação de estruturas tridimensionais. Além disso, o cisalhamento afeta o comprimento axial das estruturas tridimensionais, quando comparado com os observados no caso de escoamento uniforme. No caso de escoamento próximo à placa, os resultados tridimensionais mostram que a redução do afastamento provoca a supressão das estruturas tridimensionais. Esta observação foi associada à redução do número de Reynolds local. Além disso, os resultados tridimensionais obtidos para ambos os casos mostraram que existe uma variação ao longo do eixo do cilindro dos coeficientes hidrodinâmicos, a qual foi associada com a formação das estruturas longitudinais próximas à base do cilindro. Os resultados tridimensionais também permitiram visualizar a ocorrência do emparelhamento de vórtices longitudinais. / The flow around a circular cylinder close to a plane wall is of great interest to many engineering fields, due to its practical applications. In this kind of flow many parameters affect the vortex shedding, such as the boundary layer thickness, laminar or turbulent flow, the distance between the cylinder and the plate (gap) and the Reynolds number. Due to the number of parameters involved, this flow is much more complex than the flow around an separately circular cylinder. In the present work the interaction between the boundary layer and the vortex shedding from a cylinder was divided in four simple cases. These four cases allowed evaluating the isolated effect of the shear, the confinement and the combination of them. For this study the Direct Numeric Simulation (DNS) of the Navier-Stokes equation was chosen. The simulations were done at low Reynolds number, in the range of 60−300. The results of the two-dimensional simulations, considering the four cases and the range of parameters, have showed that the suppression of vortex shedding only takes place when there is a combination of shear and confinement, and the value of the critical gap, wherever it takes place, depends on the shear intensity. In the three-dimensional simulation the results of the free constant shear flow have indicated that the increase of the shear parameter tends to delay the formation of three-dimensional structures when compared to the uniform flow case. On the other hand, the results for the cylinder close to a wall have indicated the suppression of the three-dimensional structures with the reduction of the gap. This effect was also associated with the reduction of local Reynolds number. Moreover, the three-dimensional results have showed a variation of the hydrodynamic coefficients along the cylinder axis. This variation was associated with the streamwise vortex formed near the base of the cylinder. The three-dimensional results also permit to visualize the merging of the streamwise vortex.

A visualização de escoamentos e a medição de campos de velocidades têm sido instrumentos de grande valia na compreensão de fenômenos na Mecânica dos Fluidos. Há muito tempo existem processos de medição de velocidade tais como tubo de Pitot ou de Venturi. Entretanto estes métodos são denominados invasivos. Na década de 70 surgiu o método não invasivo de determinação de velocidade e ficou conhecido como Velocimetria de Laser Doppler, em alusão ao fenômeno físico envolvido no processo de medição. Na década de 80, também do século passado, surgiram técnicas como Velocimetria por Speckle e Velocimetria por Imagem de Partículas. Estas, apesar de serem incluídas como não invasivas, na realidade devem colocar partículas traçadoras e/ou marcadoras (dependendo da técnica). Primeiramente, deve-se fazer considerações a respeito do quão intrusivo é a colocação de uma determinada partícula em um determinado escoamento. Em segundo lugar, deve-se efetuar uma análise do quanto o movimento da partícula reflete o movimento do escoamento, principalmente naqueles em que existem fortes gradientes de velocidade. Estas são questões cruciais para estes processos. O objetivo do presente trabalho é fazer uma avaliação do acompanhamento ou não de uma partícula, esférica, em um escoamento com gradientes de velocidade. Será estudada a influência do diâmetro da partícula. Para tanto será utilizado um perfil de Venturi e a técnica será a de Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV em inglês), utilizando o tamanho do rastro deixado pelas partículas dispersas no fluido, determinando sua velocidade. Para determinação deste valor, foi desenvolvido um método de análise de histograma. / The flow visualization and measurements of velocity fields have been important instruments to phenomena understanding in Fluid Mechanics. Process of velocity measurements have been used a long time ago, like Pitot and Venturi pipes. Those methods are named invasive. In seventies of the last century rised a method non invasive to determine velocity in flows known as Laser Doppler Velocimetry (LDV), in respect of the physical phenomena involved in measurement process. In eighties, of last century too, rised techniques like Laser Speckle Velocimetry (LSV) and Particle Image Velocimetry (PIV). These techniques, although have been classified as non intrusive, actually must spread out tracer and/or marker particles, depending upon what technique is been used. First, one has to analyze of how non intrusive is to spread out particles in one specified flow. Second, it is necessary to study of how a particle movement reflects the flow, mainly in those flows submitted upon high velocity gradients. Those questions are essentials in this kind of measurement. The aim of this present work is to evaluate of how suitable the particle movement is to flow movement. The particle will be considered as spherical, in a flow with velocity gradients. Will be studied the influence of particle diameter. To implement this work, the pipe profile chosen was Venturi and the technique will be Particle Image Velocimetry, using the length of particle streaks to evaluate its velocity. It was developed a method that analyzes the histogram.

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca do fenômeno da biestabilidade em bancos de tubos de arranjo triangular submetidos a escoamento cruzado turbulento. São estudados os escoamentos sobre dois tubos dispostos lado a lado, três tubos e bancos de tubos que variam de uma a cinco fileiras, com até 23 tubos em arranjo triangular. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade em canal aerodinâmico utilizando a técnica de anemometria de fio quente e na visualização do escoamento em canal hidráulico utilizando injeção de tinta. Os dados medidos em canal aerodinâmico são tratados através de ferramentas estatísticas, espectrais e de ondaletas, e os resultados das visualizações do escoamento são apresentados através de imagens obtidas das filmagens realizadas com uma câmera digital. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade para dois tubos dispostos lado a lado, que é o caso clássico apresentado na literatura e para três tubos em arranjo triangular, onde um tubo posicionado a montante e dois a jusante. Para uma fileira de tubos não é identificada a biestabilidade em canal aerodinâmico. Existe um estado estável que pode mudar entre dois experimentos consecutivos, mas sempre estável. Porém, as visualizações de escoamento em canal hidráulico mostram a ocorrência da biestabilidade para um dos modos do escoamento. Para duas fileiras de tubos a biestabilidade também é identificada, e para a terceira, quarta e quinta fileiras o escoamento que emana das fendas entre os tubos apresenta uma rápida alternância, de um lado para outro, com a presença de uma componente transversal, observada a partir das visualizações. A técnica de visualização de escoamento empregada em canal hidráulico corrobora a interpretação dos resultados obtidos através da técnica de anemometria de fio quente em canal aerodinâmico. / This work presents an experimental study concerning the bistability phenomenon in banks of tubes of triangular arrangement submitted to a turbulent cross flow. The flow through two tubes located side by side, three tubes and banks of tubes with one to five rows is studied, with a maximum of 23 tubes in triangular arrangement. The experimental techniques consists in the measurement of the fluctuating velocities in an aerodynamic channel, using hot wire anemometry technique, and in a water channel, by means of flow visualizations in using ink injection. Analysis of hot wire experimental results is made through statistical, spectral and wavelet tools and the results of the flow visualizations are presented through pictures obtained from digital movies. The results confirm the existence of the bistability phenomenon for two tubes located side by side that is the classical case presented in the literature and for three tubes in triangular arrangement, where one tube is located upstream and two downstream. For one row of tubes the bistability is not identified in aerodynamic channel. There is a stable state that can change between two consecutive experiments, but never bistable. However, the flow visualizations in water channel show the occurrence of the bistability for one of the flow modes. For two rows of tubes the bistability is also identified, and for the third, fourth and fifth rows the flow that emanates from the gaps between the tubes present a flip-flop behavior, with the presence of a transverse component, observed from the visualizations. The applied flow visualization technique in water channel supports the interpretation of the results obtained through the hot wire anemometry technique in the aerodynamic channel.

Na prática da engenharia existem diversos problemas relacionados a escoamentos com superfície livre, como escoamentos evoluindo sobre obstáculos de fundo, com recirculação ou ondas, entre outros. No presente trabalho, derivado das Equações de Navier-Stokes e de Continuidade, foi desenvolvido um código utilizando um equacionamento semi-implícito em diferenças finitas, com a finalidade de simular escoamentos com superfície livre e com aproximação não-hidrostática de pressão. O tratamento numérico é realizado com o passo de tempo fracionado em dois subpassos: no primeiro são calculados as velocidades e o desnível com condição de pressão hidrostática e no segundo subpasso é calculada a pressão dinâmica e corrigidas as velocidades e o desnível. Este código foi verificado para casos com resultados analíticos e numéricos e validado para casos com resultados experimentais. Por fim, o código desenvolvido foi aplicado a um caso hipotético que representa esquematicamente o caso de um emissário submarino. A consideração da aproximação não hidrostática da pressão se mostrou fundamental para o ajuste dos resultados com os dados experimentais e analíticos. / In engineering practice there are a lot of problems related to free-surface flow, like flows with bottom obstacles, separation and waves, among others. In the present work, derived from Navier-Stokes and Continuity Equations, a code was developed with semi-implicit finite differences equations in order to simulate non-hydrostatic pressure approximation free-surface flows. The numerical treatment is performed with split time step into two substeps: at the first velocities and free-surface are calculated with hydrostatic pressure condition and at the second substep dynamic pressure is calculated and the velocities and free-surface are corrected. This code was verified with analytical and numerical cases and validated with experimental cases results. Furthermore, this code was applied to a hypothetical case which represents a marine outfall case. The non-hydrostatic pressure consideration are very important for the adjustment of the results with the experimental and analytical data.