No contexto do método MAC e baseado em esquemas de diferenças finitas, este trabalho apresenta três estudos: i) uma análise de estabilidade, ii) o desenvolvimento de técnicas implícitas e, iii) a construção de métodos de projeção para escoamentos com superfície livre. Na análise de estabilidade, o principal resultado mostra que o método de Crank-Nicolson torna-se condicionalmente estável quando aplicado para uma malha deslocada com a discretiza ção explícita das condições de contorno do tipo Dirichlet. Entretanto, o mesmo método com condições de contorno implícitas é incondicionalmente estável. Para obter métodos mais estáveis, formulações implícitas são desenvolvidas para a equação da pressão na superfície livre, derivada da condição de tensão normal. Esta estratégia resulta no acoplamento dos campos de velocidade e pressão, o que exige a introdução de novos métodos de projeção. Os métodos de projeção assim desenvolvidos resultam em novas metodologias para escoamentos com superfície livre que são apropriados para o tratamento de problemas com baixo número de Reynolds. Além disso, mostra-se que os métodos propostos podem ser aplicados para fluidos viscoelásticos. Novas estratégias são derivadas para obter métodos de projeção de segunda ordem de precisão para escoamentos com superfícies livres. Além dos resultados teóricos sobre a estabilidade de esquemas numéricos, técnicas implícitas e métodos de projeção, testes computacionais são realizados e comparados para consolidação da teoria apresentada. Os resultados numéricos são obtidos no sistema FREEFLOW. A eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas neste trabalho são demonstradas na solução de problemas tridimensionais complexos com superfície livre e baixo número de Reynolds, incluindo os problemas do jato oscilante e do inchamento do extrudado / In the context of the MAC method and based on finite difference schemes, this work presents three studies: i) a stability analysis, ii) the development of implicit techniques, and iii) the construction of projection methods for free surface flows. In the stability analysis, the main result shows a precise stability restriction on the Crank-Nicolson method when one uses a staggered grid with Dirichlet explicit boundary conditions. However, the same method with implicit boundary conditions becomes unconditionally stable. In order to obtain more stable methods, implicit formulations are applied for the pressure equation at the free surface, which is derived from the normal stress condition. This approach results in a coupling of the velocity and pressure fields; hence new projection methods for free surface flows need to be developed. The developed projection methods result in new methodologies for low Reynolds number free surface flows. It is also shown that the proposed methods can be applied for viscoelastic fluids. New strategies are derived for obtaining second-order accurate projection methods for free surface flows. In addition to the theoretical results on the stability of numerical schemes, implicit techniques and projection methods, computational tests are carried out and the results compared to consolidate the theory. The numerical results are obtained by the FREEFLOW system. The eficiency and robustness of the techniques in this work are demonstrated by solving complex tridimensional problems involving free surface and low Reynolds numbers, including the jet buckling and the extrudate swell problems

A presente tese se refere a três principais objetivos. Um objetivo foi desenvolver um código de simulação numérica direta para simulação de ondas de instabilidade em um escoamento de Poiseuille plano. O outro objetivo foi analisá-Io através do Método das Soluções Manufaturadas (MMS), e por fim, um terceiro objetivo foi estudar o regime não-linear da evolução de trens de ondas modulados em um escoamento de Poiseuille plano. O código resolve numericamente, com diferenças finitas de ordem de precisão alta e métodos pseudo espectrais, as equações de Navier-Stokes tri-dimensionais e incompressíveis numa formulação vorticidade-velocidade. O MMS é um método de verificação de código mais completo que os normalmente usados, por exemplo, comparação com teoria de estabilidade linear. O código usa diferenças finitas de ordem alta de precisão, mas com diferentes ordens em diferentes regiões do domínio. O MMS é pouco utilizado neste tipo de código. Concluiu-se que estes códigos em geral não operam na chamada faixa assintótica de erro. Na faixa de trabalho, a ordem do erro varia no domínio computacional de forma consistente com os métodos numéricos empregados. Isto permite, entre outras coisas, a otimização do esquema numérico. Após os testes de verifição, simulações numéricas dos trens de ondas foram realizadas. A análise dos resultados foi feita através das teorias de instabilidade primária e secundária e teoria fracamente não-linear. Foi estudado um trem de ondas modulado numa região do diagrama de instabilidade onde vários estudos para ondas mono cromáticas foram realizados. Os resultados sugeriram que nesta região o regime não-linear de transição dos trens de ondas modulados é governado pela instabilidade tipo-K. Com a redução da amplitude inicial de perturbação um cenário mais complexo, que pode estar envolvendo outros mecanismos, foi observado. Casos mais próximos ao primeiro ramo do diagrama também foram estudados. Nesta região a teoria linear prevê ondas tri-dimensionais sendo as mais instáveis, fato que poderia favorecer a ocorrência da chamada transição oblíqua. Os resultados indicaram que o trem de ondas modulado se divide em duas regiões que tendem-se afastar uma da outra. Apesar de estar associado com a instabilidade linear, este comportamento não havia sido antecipado na literatura. Neste cenário, para trens de ondas modulados isolados, o regime não-linear não pode ser correlacionado claramente com nenhum dos cenários clássicos de transição. Neste contexto transição oblíqua pode estar restrito a situações que envolvem a interação entre trens de ondas modulados. / The current thesis had three objectives. The first objective was to develop a code of direct numerical simulation (DNS) to simulation of waves of instability in a plane Poiseuille flow. The other main objective was to analyze it through the method of manufactured solutions (MMS). Finally, a third objective was to study the nonlinear regime of spanwise modulated wavetrains in a plane Poiseuille flow. Using high-order finite differences and pseudo-spectral methods, the DNS code solved the incompressible three-dimensional Navier-Stokes equations in a vorticity-velocity formulation. The MMS is a verification method more complete than the others more often used, for example, comparison with linear stability theory. The code used different high-order finite differences in different regions of the domain. The MMS has been little used for this type of code. It was concluded that these codes generally do not operate in the so-called errar asymptotic range. In the working range, the observed arder changes in the computational domain in a manner consistent with the numerical methods employed. This allows, among other things, optimization of the numerical scheme. After testing, numerical simulations of the wavetrains were performed. The analysis of the results was made based on the primary and secondary instability theories and weakly non-linear theory. A modulated wavetrain was studied in a region of the stability diagram where several studies for monochromatic waves were performed. The results suggested that in this region the non-linear regime of transition of the modulation wavetrain is governed by the K-type instability. With the reduction of the magnitude of the initial disturbance, a more complex scenario, which may involve other mechanisms, was observed. Cases near the first branch of the instability diagram were also studied. In this region, the linear theory predicts tri-dimensional waves are the most unstable, a fact that could lead to the so-called oblique transition. The results indicated that the modulated wavetrain divided into two regions, which tend move further from each other. Despite being associated with the linear instability, this behavior was not anticipated in the literature. In this scenario, for isolated modulated wavetrains, the non-linear system could not be clearly correlated with any of the classic scenarios of transition. In this context, oblique transition may perhaps to situations involving the interaction between modulated wavetrains.

Este trabalho aborda a utilização do método de Lattice Boltzmann como ferramenta de simulação para a área de dinâmica de fluidos. Além disso, apresenta o programa LBSim desenvolvido durante o período de pesquisa, construído para ser flexível e extensível (através do emprego de técnicas de orientação a objetos) e com uma interface gráfica mais amigável do que outros projetos semelhantes. Como resultado deste trabalho, o software LBSim implementa uma série de módulos diferentes que utilizam o método de Lattice Boltzmann como base, permitindo a simulação de casos monofásico, multifásico, multicomponente, com suporte à gravidade, meios porosos, difusão, transferência de calor e paredes deslizantes. / This work approaches the use of the Lattice Boltzmann method as a simulation tool for the fluid dynamics area. Beyond that, it presents the LBSim software, developed during the period of the research and built to be flexible and extensible (through the application of techniques of the object oriented paradigm) and with a graphical interface more friendly than other similar projects. As a result of this work, the LBSim software implements a series of different modules that uses the Lattice Boltzmann method as a base, allowing the simulations of the following cases: monophase, multiphase, multicomponent, with support of gravity, porous media, diffusion, heat transfer and moving walls.

A presente tese se refere a três principais objetivos. Um objetivo foi desenvolver um código de simulação numérica direta para simulação de ondas de instabilidade em um escoamento de Poiseuille plano. O outro objetivo foi analisá-Io através do Método das Soluções Manufaturadas (MMS), e por fim, um terceiro objetivo foi estudar o regime não-linear da evolução de trens de ondas modulados em um escoamento de Poiseuille plano. O código resolve numericamente, com diferenças finitas de ordem de precisão alta e métodos pseudo espectrais, as equações de Navier-Stokes tri-dimensionais e incompressíveis numa formulação vorticidade-velocidade. O MMS é um método de verificação de código mais completo que os normalmente usados, por exemplo, comparação com teoria de estabilidade linear. O código usa diferenças finitas de ordem alta de precisão, mas com diferentes ordens em diferentes regiões do domínio. O MMS é pouco utilizado neste tipo de código. Concluiu-se que estes códigos em geral não operam na chamada faixa assintótica de erro. Na faixa de trabalho, a ordem do erro varia no domínio computacional de forma consistente com os métodos numéricos empregados. Isto permite, entre outras coisas, a otimização do esquema numérico. Após os testes de verifição, simulações numéricas dos trens de ondas foram realizadas. A análise dos resultados foi feita através das teorias de instabilidade primária e secundária e teoria fracamente não-linear. Foi estudado um trem de ondas modulado numa região do diagrama de instabilidade onde vários estudos para ondas mono cromáticas foram realizados. Os resultados sugeriram que nesta região o regime não-linear de transição dos trens de ondas modulados é governado pela instabilidade tipo-K. Com a redução da amplitude inicial de perturbação um cenário mais complexo, que pode estar envolvendo outros mecanismos, foi observado. Casos mais próximos ao primeiro ramo do diagrama também foram estudados. Nesta região a teoria linear prevê ondas tri-dimensionais sendo as mais instáveis, fato que poderia favorecer a ocorrência da chamada transição oblíqua. Os resultados indicaram que o trem de ondas modulado se divide em duas regiões que tendem-se afastar uma da outra. Apesar de estar associado com a instabilidade linear, este comportamento não havia sido antecipado na literatura. Neste cenário, para trens de ondas modulados isolados, o regime não-linear não pode ser correlacionado claramente com nenhum dos cenários clássicos de transição. Neste contexto transição oblíqua pode estar restrito a situações que envolvem a interação entre trens de ondas modulados. / The current thesis had three objectives. The first objective was to develop a code of direct numerical simulation (DNS) to simulation of waves of instability in a plane Poiseuille flow. The other main objective was to analyze it through the method of manufactured solutions (MMS). Finally, a third objective was to study the nonlinear regime of spanwise modulated wavetrains in a plane Poiseuille flow. Using high-order finite differences and pseudo-spectral methods, the DNS code solved the incompressible three-dimensional Navier-Stokes equations in a vorticity-velocity formulation. The MMS is a verification method more complete than the others more often used, for example, comparison with linear stability theory. The code used different high-order finite differences in different regions of the domain. The MMS has been little used for this type of code. It was concluded that these codes generally do not operate in the so-called errar asymptotic range. In the working range, the observed arder changes in the computational domain in a manner consistent with the numerical methods employed. This allows, among other things, optimization of the numerical scheme. After testing, numerical simulations of the wavetrains were performed. The analysis of the results was made based on the primary and secondary instability theories and weakly non-linear theory. A modulated wavetrain was studied in a region of the stability diagram where several studies for monochromatic waves were performed. The results suggested that in this region the non-linear regime of transition of the modulation wavetrain is governed by the K-type instability. With the reduction of the magnitude of the initial disturbance, a more complex scenario, which may involve other mechanisms, was observed. Cases near the first branch of the instability diagram were also studied. In this region, the linear theory predicts tri-dimensional waves are the most unstable, a fact that could lead to the so-called oblique transition. The results indicated that the modulated wavetrain divided into two regions, which tend move further from each other. Despite being associated with the linear instability, this behavior was not anticipated in the literature. In this scenario, for isolated modulated wavetrains, the non-linear system could not be clearly correlated with any of the classic scenarios of transition. In this context, oblique transition may perhaps to situations involving the interaction between modulated wavetrains.

Um dos principais problemas relacionados ao transporte e manipulação de fluidos multifásicos refere-se a existência de regimes de escoamento e sua forte influência sobre importantes parâmetros de operação. Um bom exemplo disto ocorre em reatores químicos gás-líquido no qual máximos coeficientes de reação podem ser alcançados mantendo-se um escoamento a bolhas disperso, maximizando a área interfacial total. Assim, a habilidade de identificar automaticamente regimes de escoamento é de importância crucial, especialmente para operação adequada de sistemas multifásicos. Este trabalho se constituirá no desenvolvimento e implementação de uma rede neural auto-organizativa especializada ao problema de identificação de regimes de escoamento bifásico ar-água em tubo horizontal. Os regimes reconhecidos em tubo horizontal são seis: estratificado liso, estratificado ondulado, estratificado rugoso, intermitente, bolhas e anular. Para tanto, pretende-se tomar como ponto de partida as medidas capacitivas, variação de pressão da tubulação e medida de pressão \"flutuante\" como padrões associativos a serem armazenados na rede neural. Posteriormente, a fase de treinamento da rede neural consistirá em identificar os coeficientes sinápticos apropriados, a partir de um conjunto representativo de ensaios. Nesse trabalho optou-se por uma arquitetura com 10 neurônios na camada de entrada, portanto uma quantidade maior do que o número de regimes que se deseja identificar. O objetivo é ver se a rede neural consegue encontrar de forma autônoma os seis regimes já conhecidos, mesmo tendo 10 neurônios na grade. Isso demonstra a habilidade da rede neural auto-organizativa em identificar regimes de escoamento mesmo em situações onde não há conhecimento prévio dos mesmos. Serão feitas simulações para verificar o desempenho da rede neural a partir de dados experimentais coletados no oleoduto piloto do Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos da Escola de Engenharia de São Carlos. / One of the main problems related to the transport and manipulation of multiphase flow is the existence of flow regimes and its strong influence on important parameters of operation. As an example of it occurs in gas-liquid chemical reactor in which maximum coefficients of reaction can be reached by keeping a maximal flow bubbly dispersed into a total interfacial area. Thus, the ability to identify flow regimes automatically is very important, specially in order to obtain a properly operation of multiphase systems. This work consists in the development and implementation of a self-organizing neural networks specially for the problem of identification of regimes of two-phase flow air-water in horizontal pipe. The regimes recognized in horizontal pipe are six: estratified smooth, estratified wavy, estratified rugged, intermittent, bubbly and annular. The capacitive measures, variation of pressure of the piping and measure of flutuante pressure were considered as a starting point to be stored as associative standards in the neural networks. After, the phase of training of the neural networks consisted of an appropriate identification for the sinaptic coefficients from a representative set of tests. An architectural input-layer of 10 neurons was opted. Therefore a bigger amount of regimes than the ones usually required. The objective is to see if the neural network is able to find independently the six regimes already known, even having 10 neurons in the grid. This demonstrates the ability of the self-organizing maps neural network in identifying flow regimes in situations where one does not have previous knowledge of them. Simulations will be made to verify the performance of the neural network from experimental data collected in the pilot pipe-line of the Nucleus of Thermal Engineering and Fluids of the School of Engineering of São Carlos.

Este trabalho apresenta uma técnica de diferenças finitas para resolver a equação constitutiva Fluido de Segunda Ordem para escoamentos tridimensionais com superfície livre. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas em uma malha deslocada 3D. A superfície livre é modelada por células marcadoras (Marker-and-Cell) e as condições de contorno a superfície livre são empregadas. O método numérico apresentado neste trabalho foi validado pela comparação entre as soluções numéricas obtidas para o escoamento em um tubo com a solução analítica correspondente para Fluidos de Segunda Ordem. Ao fazer refinamento de malha, a convergência do método numérico foi verificada. Resultados numéricos da simulação do problema do inchamento do extrudado para números de Deborah De \'< OU =\' 0:3 são apresentados / This work presents a finite difference method to simulate three-dimensional viscoelastic flow with free surfaces governed by the constitutive equation Second Order Fluid. The governing equations are solved by the finite difference method in a three-dimensional shifted mesh. The free surface of fluid is modeled by the Marker-and-Cell method which allows for the visualization and the location of the free surface of fluid. The full free surface stress conditions are employed. The numerical method developed in this work is validated by comparing the numerical and analytic solutions for the steady state flow of a Second Order Fluid in a pipe. By using mesh refinement convergence results are given. Numerical results of the simulation of the transient extrudate swell of a Second Order Fluid of the Deborah number De \'< OR =\' 0:3 are presented

Diversas aplicações industriais utilizam escoamentos de fluidos viscoelásticos, e em muitos casos é necessário saber se os escoamentos propagam-se no estado laminar ou no turbulento. Embora a hidrodinâmica de fluidos viscoelásticos seja fortemente afetada pelo balanço entre forças inerciais e elásticas no escoamento, o efeito da elasticidade sobre a estabilidade de escoamentos inerciais não foi completamente estabelecido. Neste trabalho, estuda-se o que ocorre durante a transição laminar-turbulenta, investigando a convecção de ondas de Tollmien-Schlichting para o escoamento incompressível, para um fluido viscoelástico, entre placas paralelas, utilizando a equação constitutiva Giesekus. Para isto, adotou-se a simulação numérica direta para verificar a estabilidade dos escoamentos à perturbações não estacionárias deste fluido. Experimentos computacionais para verificação do código foram realizados. Com os resultados numéricos obtidos, foi possível verificar e analizar a estabilidade de escoamentos utilizando-se o modelo não newtoniano Giesekus. / Several industrial applications use viscoelastic fluid flows, and it is necessary to know if the flows propagate in the laminar or turbulent state. Although the hydrodynamics of viscoelastic fluids is strongly affected by the balance between inertial and elastic forces in the flow, the effect of elasticity on the stability of inertial flows has not been completely established. In this work we study what happens during the laminar-turbulent transition, investigating the convection of Tollmien-Schlichting waves for the incompressible flow, for a viscoelastic fluid, between parallel plates, using the constitutive equation Giesekus. For this, the direct numerical simulation was used to verify the stability of the flows to the non-stationary perturbations of this fluid. Computational experiments to verify the code were performed. With the numerical results obtained, it was possible to verify and analyze the stability of flows modelled by Giesekus non-newtonian model.

A tomografia por sensoriamento elétrico representa uma técnica de grande potencial para a otimização de processos normalmente associados às indústrias do petróleo e química. Entretanto, o emprego de técnicas tomográficas em processos industriais envolvendo fluidos multifásicos ainda carece de métodos robustos e computacionalmente eficientes. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de métodos para a solução do problema tomográfico com base em algoritmos genéticos específicos para a fenomenologia do problema abordado (interação do campo elétrico com o campo hidrodinâmico), bem como a adaptação do algoritmo para processamento em paralelo. A idéia básica consiste em partir de imagens qualitativas, fornecidas por uma sonda de visualização direta, para formar um modelo da distribuição interna do contraste elétrico e refiná-lo iterativamente até que variáveis de controle resultantes do modelo numérico se igualem às suas homólogas, determinadas experimentalmente. Isso pode ser feito usando um funcional de erro, que quantifique a diferença entre as medidas externas não intrusivas (fluxo de corrente elétrica real) e as medidas calculadas no modelo numérico (fluxo de corrente elétrica aproximado). De acordo com a abordagem funcional adotada, pode-se modelar a reconstrução numérica do contraste elétrico como um problema de minimização global, cuja função objetivo corresponde ao funcional de erro convenientemente definido e o mínimo global representa a imagem procurada. A grande dificuldade está no fato do problema ser não linear e mal-posto, o que reflete na topologia da superfície de minimização, demandando um método especializado de otimização para escapar de mínimos locais, pontos de sela, mínimos de fronteira e regiões praticamente planas. Métodos de otimização poderosos, como os algoritmos genéticos, embora apresentem elevado esforço computacional na obtenção da imagem procurada, são melhor adaptáveis ao problema em questão. Desse modo, optou-se pelo uso de algoritmos genéticos paralelos nas arquiteturas mestre-escravo, ilha, celular e híbrida (combinando ilha e celular). O desempenho computacional dos algoritmos desenvolvidos foi testado em um problema de reconstrução da imagem tomográfica de um escoamento vertical a bolhas. De acordo com os resultados, a arquitetura híbrida é capaz de obter a imagem desejada com um desempenho computacional melhor, quando comparado ao desempenho das arquiteturas mestre-escravo, ilha e celular. Além disso, estratégias para melhorar a eficiência do algoritmo foram propostas, como a introdução de informações a priori, derivadas de conhecimento físico do problema tomográfico (fração de vazio e coeficiente de simetria do escoamento), a inserção de uma tabela hash para evitar o cálculo de soluções já encontradas, o uso de operadores de predação e de busca local. De acordo com os resultados, pode-se concluir que a arquitetura híbrida é um método apropriado para solução do problema de tomografia por impedância elétrica de escoamentos multifásicos. / Tomography by electrical sensing represents a technique of great potential for the optimization of processes usually associated with petroleum and chemical industries. However, the employment of tomographic techniques in industrial processes involving multiphase flows still lacks robust and computationally efficient methods. In this context, the main objective of this thesis is to contribute to the development of solution methods based on specific genetic algorithms for the phenomenology of the tomographic problem (interaction between electric and hydrodynamic fields), as well as the adaptation of the algorithm to parallel processing. From qualitative images provided by a direct imaging probe, the basic idea is to generate a model of electric contrast internal distribution and refine it repeatedly until control variables resulting from the numerical model equalize their counterparts, determined experimentally. It can be performed by using an error functional to quantify the difference between non-intrusive external measurements (actual electric current flow) and measurements calculated in a numerical model (approximate electric current flow). According to the functional approach, the numerical reconstruction of the electrical contrast can be treated as a global minimization problem in which the fitness function is an error functional conveniently defined and the global minimum corresponds to the sought image. The major difficulty lies in the nonlinear and ill-posed nature of the problem, which reflects on the topology of the minimization surface, demanding a specialized optimization method to escape from local minima, saddle points, boundary minima and almost plane regions. Although powerful optimization methods, such as genetic algorithms, require high computational effort to obtain the sought image, they are best adapted to the problem in question, therefore parallel genetic algorithms were employed in master-slave, island, cellular and hybrid models (combining island and cellular). The computational performance of the developed algorithms was tested in a tomographic image reconstruction problem of vertical bubble flow. According to the results, the hybrid model can obtain the sought image with a better computational performance, when compared with the other models. Besides, strategies to improve the algorithm efficiency, such as the introduction of a priori information derived from the physical knowledge of the tomographic problem (void fraction and symmetry coefficient of the flow), the insertion of a hash table to avoid the calculation of solutions already found, the use of predation and local search operators were proposed. According to the results, it is possible to conclude that the hybrid model is an appropriate method for solving the electrical impedance tomography problem of multiphase flows.

Um dos principais problemas relacionados ao transporte e manipulação de fluidos multifásicos refere-se a existência de regimes de escoamento e sua forte influência sobre importantes parâmetros de operação. Um bom exemplo disto ocorre em reatores químicos gás-líquido no qual máximos coeficientes de reação podem ser alcançados mantendo-se um escoamento a bolhas disperso, maximizando a área interfacial total. Assim, a habilidade de identificar automaticamente regimes de escoamento é de importância crucial, especialmente para operação adequada de sistemas multifásicos. Este trabalho se constituirá no desenvolvimento e implementação de uma rede neural auto-organizativa especializada ao problema de identificação de regimes de escoamento bifásico ar-água em tubo horizontal. Os regimes reconhecidos em tubo horizontal são seis: estratificado liso, estratificado ondulado, estratificado rugoso, intermitente, bolhas e anular. Para tanto, pretende-se tomar como ponto de partida as medidas capacitivas, variação de pressão da tubulação e medida de pressão \"flutuante\" como padrões associativos a serem armazenados na rede neural. Posteriormente, a fase de treinamento da rede neural consistirá em identificar os coeficientes sinápticos apropriados, a partir de um conjunto representativo de ensaios. Nesse trabalho optou-se por uma arquitetura com 10 neurônios na camada de entrada, portanto uma quantidade maior do que o número de regimes que se deseja identificar. O objetivo é ver se a rede neural consegue encontrar de forma autônoma os seis regimes já conhecidos, mesmo tendo 10 neurônios na grade. Isso demonstra a habilidade da rede neural auto-organizativa em identificar regimes de escoamento mesmo em situações onde não há conhecimento prévio dos mesmos. Serão feitas simulações para verificar o desempenho da rede neural a partir de dados experimentais coletados no oleoduto piloto do Núcleo de Engenharia Térmica e Fluidos da Escola de Engenharia de São Carlos. / One of the main problems related to the transport and manipulation of multiphase flow is the existence of flow regimes and its strong influence on important parameters of operation. As an example of it occurs in gas-liquid chemical reactor in which maximum coefficients of reaction can be reached by keeping a maximal flow bubbly dispersed into a total interfacial area. Thus, the ability to identify flow regimes automatically is very important, specially in order to obtain a properly operation of multiphase systems. This work consists in the development and implementation of a self-organizing neural networks specially for the problem of identification of regimes of two-phase flow air-water in horizontal pipe. The regimes recognized in horizontal pipe are six: estratified smooth, estratified wavy, estratified rugged, intermittent, bubbly and annular. The capacitive measures, variation of pressure of the piping and measure of flutuante pressure were considered as a starting point to be stored as associative standards in the neural networks. After, the phase of training of the neural networks consisted of an appropriate identification for the sinaptic coefficients from a representative set of tests. An architectural input-layer of 10 neurons was opted. Therefore a bigger amount of regimes than the ones usually required. The objective is to see if the neural network is able to find independently the six regimes already known, even having 10 neurons in the grid. This demonstrates the ability of the self-organizing maps neural network in identifying flow regimes in situations where one does not have previous knowledge of them. Simulations will be made to verify the performance of the neural network from experimental data collected in the pilot pipe-line of the Nucleus of Thermal Engineering and Fluids of the School of Engineering of São Carlos.

As Vibrações Induzidas por Escoamentos (VIEs) são dos problemas dinâmicos mais importantes no projeto de trocadores de calor de tipo carcaça e tubos. Esta interação fluido - estrutura pode gerar vibrações de grande amplitude dos tubos ou partes internas do equipamento, o que pode provocar o impacto entre componentes e até falha por fadiga. Várias bancadas experimentais têm sido construídas para o estudo desta interação fluido - estrutura, no entanto, alguns mecanismos de vibração, principalmente aqueles relacionados com escoamentos bifásicos, não são completamente compreendidos. Portanto, neste trabalho, o projeto de uma estrutura dinâmica para o estudo das vibrações induzidas por escoamento bifásico é apresentado. Esta estrutura é composta por um sistema de fios de aço tensionados que permitem que a primeira frequência de ressonância do tubo seja sintonizada. O tubo instrumentado foi instalado numa seção de testes de tubos rígidos em configuração triangular normal com uma razão de passo transversal e diâmetro de 1,26. Os resultados experimentais foram contrastados com uma modelagem teórica desenvolvida para esta estrutura dinâmica. Pôde-se verificar que a primeira frequência de ressonância e seu fator de amortecimento coincidem com os valores estimados pelo modelo, enquanto que a segunda frequência de ressonância apresenta valor teórico 6,6% maior do que o experimental. A seguir, um estudo experimental no ar foi desenvolvido para o reconhecimento dos modos de vibração e as frequências de ressonância da estrutura dinâmica. O fator de amortecimento no ar também foi estimado, o método de Kennedy - Pancu combinado com o algoritmo ERA foi usado para este fim. Assim que a primeira frequência de ressonância foi reconhecida e sintonizada, testes em escoamentos de água foram realizados. A influência da velocidade do escoamento monofásico de água na amplitude de vibração e nas características da Densidade Espectral (PSD) de aceleração foi analisada. Finalmente, testes em escoamento bifásico foram feitos, a sensibilidade do tubo ao escoamento bifásico fica evidente quando analisadas as amplitudes nas PSDs. Além disso, a influência da fração de vazio na amplitude de vibração e no fator de amortecimento foi revisada, no entanto, resultados de estudos anteriores não foram conferidos pelo alto amortecimento concentrado introduzido por alguns elementos construtivos utilizados. / Flow - Induced Vibration (FIV) is the most critical dynamic issue in the design of heat exchangers. This fluid - structure phenomenon may generate high amplitude vibration of tubes or structural parts, which may lead to impacts between internal components or even failure due to fatigue. Many test benches have been constructed to study this fluid - structure interactions, however, some vibration mechanisms, mostly those related to multiphase flow, are not yet fully understood. Therefore, in this work, the design of a dynamic structure for the study of multiphase flow induced vibration is presented. This structure is composed by a system of tensioned piano wires that allow the first natural frequency of the instrumented tube to be calibrated. The tube was installed in a rigid bundle configured in a normal triangular pattern with pitch-todiameter ratio of 1.26. Then, an experimental study in air environment was performed aiming at addressing the mode shapes and resonance frequencies of the dynamic structure. The damping ratio in air environment was also estimated, the Kennedy - Pancu method in combination with the Eigensystem Realization Algorithm have been used to that purpose. Experimental results in air were compared with a theoretical model. The first resonance frequency and its damping factor presented a good agreement with the model, while the second resonance frequency deviated some 6,6% from the predicted value. Tests in water and multiphase flow were also performed. The influence of water flow velocity on vibration amplitudes and on the Power Spectrum Densities (PSDs) has been analyzed. Finally, tests for two - phase water/air flow were carried out; the tube sensitivity to multiphase flow is evident when the vibration level in acceleration PSDs is by analyzed. Also, the influence of void fraction on vibration amplitude and damping ratio have been addressed, however, previous studies could not be validated due to the high damping introduced by some constructive elements of the structure.