Elementos de materiais flexíveis são empregados em diversas aplicações na engenharia, como por exemplo, em pás de turbinas eólicas. O comportamento do escoamento é afetado pela alteração na forma da estrutura. Muitas vezes, seu movimento e deformação são induzidos pelas próprias forças fluidodinâmicas. O trabalho apresenta o estudo de escoamentos externos envolvendo a interação fluido-estrutura, com o interesse voltado ao comportamento de pás de turbinas eólicas. Simulações numéricas são realizadas com o intuito de avaliar o efeito que a deformação da estrutura, devido à resposta elástica às forças oriundas do escoamento, tem nas próprias forças fluidodinâmicas. A plataforma ANSYS Workbench é utilizada, combinando o software ANSYS CFX para a análise do fluido e o ANSYS Mechanical para a análise da estrutura. Como validação do método, o escoamento laminar sobre um cilindro apoiado elasticamente é estudado e comparado com dados da literatura. O caso escolhido para o presente trabalho é o de um escoamento turbulento sobre um elemento de pá, fixo em uma das suas extremidades e livre na outra. A geometria da pá é retangular com o perfil NACA 0012 e o modelo de turbulência utilizado é o k-ω SST. Os resultados demonstram a influência significativa que a deformação da estrutura tem nas forças fluidodinâmicas de sustentação e arrasto e concordam com a literatura existente. / Elements of flexible materials are employed in several engineering applications, for instance, in wind turbine blades. The flow behavior is affected by any change in the shape of the structure. Often, its displacement and deformation are induced by the fluid-dynamic forces themselves. This paper presents the study of an external flow using fluid-structure interaction (FSI), focused on the behavior of wind turbine blades. Numerical simulations are performed in order to evaluate the effect that the deformation of the structure, caused by the elastic response to the flow forces, has on the fluid-dynamic forces themselves. The ANSYS Workbench platform is used, combining the software ANSYS CFX for the fluid analysis and ANSYS Mechanical for the structural analysis. As a form of validation of this method, the laminar flow over an elastically mounted cylinder is studied and compared with literature data. The chosen case for this work is a turbulent flow over a 3D blade element, fixed at one end and free at the other. The blade geometry is rectangular with the NACA 0012 profile and the turbulence model used is the k-ω SST. The results demonstrate the significant influence that the deformation of the structure has on the fluid-dynamic lift and drag forces, leading to an agreement with the existing literature.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T20:17:28Z No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:39:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The development of the design of chemical processes has received increasing improvement, incorporating sophisticated mathematical models, which allowed better simulation of its real behavior. Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes and its perfect working and optimization are economically crucial factors. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. Due to the development of the Information Technology (IT), in the numerical methods and improvement in models of multiphase flows, the investigation of complex turbulent flow problems is possible. One way to investigate these problems is to use the Computational Fluid Dynamics (CFD) tecniques. Therefore, it was adopted for this study a CFD model, with the main objective of evaluating the transport phenomena for the isothermal (water-air) and non-isothermal (ethanol-water) flows through the CFD techniques to simulate a distillation sieve tray. The proposed models had the following characteristics in common in the modeling: heterogeneous, three-dimensional, shear stress transport as turbulence model, and Eulerian-Eulerian approach at 1 atm. The continuity and momentum conservation equations were used to describe the isotherm model and for non-isothermal model it was added the energy and chemical species conservations equations. The simulated sieve trays geometries were based on experimental work of Solari e Bell (1986), to which it were observed the influence of the inlet downcomer presence or not on sieve tray. The results for isotherm flow showed the velocity profiles, the volume fractions, and clear liquid height under the influence of the inlet downcomer. For the non-isotherm flow, the results showed moreover the hydraulic parameters, the temperature profiles and ethanol mass fractions for vapor flow rates. Thus, the simulations of the isothermal system indicated a strong influence of the liquid velocity profile for the domain with downcomer inlet. In the non-isothermal system it was possible to determine the separation efficiency, which varied with the vapor flow rates on the sieve tray. The proposed methodology in this work proved to be appropriate and the computational fluid dynamics techniques presented to be an important tool in the design and optimization of sieve trays. / O desenvolvimento de projetos de processos químicos tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporando modelos matemáticos mais sofisticados, os quais possibilitam uma maior aproximação do seu comportamento real. A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos e o seu perfeito funcionamento e otimização são fatores economicamente cruciais. Sua importância dá-se na capacidade de separar os componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Alguns modelos utilizados nesses dispositivos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Com o avanço da Tecnologia de Informação (TI), dos métodos numéricos e aperfeiçoamento em modelos de fluxos multifásicos, é possível a investigação de problemas complexos de escoamentos turbulentos. Uma das formas de investigar esses problemas é a aplicação das técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD). Dessa maneira, foi adotado para o presente trabalho um modelo de CFD, tendo como objetivo principal a avaliar os fenômenos de transportes para os escoamentos isotérmico (água-ar) e não isotérmico (etanol-água) através das técnicas de CFD na simulação de um prato perfurado de destilação. Os modelos propostos, possuem em geral, as seguintes características em comum: modelo heterogêneo, tridimensional, modelo de turbulência shear stress transport e abordagem Euleriana-Euleriana a 1 atm. As equações da continuidade e de conservação da quantidade de movimento foram empregadas no modelo isotérmico e para o modelo não isotérmico foram adicionadas as equações de conservações de energia e das espécies químicas. Os domínios computacionais foram baseados no trabalho de Solari e Bell (1986), onde foram observados a influência da presença ou não do downcomer de entrada no prato perfurado. Os resultados para o escoamento isotérmico mostraram os perfis de velocidades de líquido, as frações volumétricas e a altura de líquido claro sob a influência do downcomer de entrada. Para o escoamento não isotérmico, os resultados mostraram, além dos parâmetros hidráulicos, os perfis de temperatura e das frações mássicas de etanol para várias vazões de vapor. Assim, as simulações do sistema isotérmico indicaram uma forte influência do perfil de velocidade de líquido na entrada prato para o domínio com downcomer. No sistema não isotérmico foi possível determinar a eficiência de separação, a qual variou com a vazão de vapor no prato. A metodologia proposta neste trabalho foi adequada para aplicações em internos de coluna de destilação, mostrando-se uma ferramenta viável e importante no desenvolvimento e otimização de pratos perfurados.

Dissertation submitted in fulfilment of the requirements for the Masters Degree in Technology: Chemical Engineering in the Department of Chemical Engineering of Cape Peninsula University ofTechnology, 2005 / The emulsion used for this study is a new thermodynamically unstable multi-component waterin- oil (w/o) explosive type with an internal phase ratio of approximately 94%, i.e. far beyond the close packing limit of spherical droplets of 74%. Economic considerations and the ongoing need for continuous drilling, loading and blasting in the mining industry, has made long-distance pipeline transportation of these emulsion explosive systems a viable economic option. Presently, rheological characterization of emulsion explosives is well documented (Bampfield & Cooper, 1988, Utracki, 1980). However, very little or none has been done for this system, pertaining to the use of rheometry for prediction of pumping characteristics of these systems in long-distance pipeline transport. This Master's dissertation is devoted to develop rheological methods of testing, characterization and correlation in order to develop a basis for predicting the pumping characteristics of highly concentrated w/o emulsion explosives from rheometry. The literature and theory pertinent to the pipeline flow of high internal phase ratio emulsion explosives are presented, as well as the fundamentals of both concentric cylinder rheometry and pipe viscometry. The most relevant is the work of Bampfield and Cooper (1988), Utracki (1980) and Pal (1990). Two experimental test facilities were used for data collection. Pipeline experiments were done using an experimental test facility at African Explosives Limited (AEL), and rheometry was conducted at the Rheology Laboratory of the Cape Peninsula University of Technology Flow Process Research Centre. The AEL experimental test facility consisted of a four-stage Orbit progressive cavity pump, two fluid reservoirs, (a mixing tank and a discharge reservoir), five 45m HOPE (high density polyethylene) pipes of internal diameters of 35.9 mm, 48.1 mm, 55.9 mm, 65.9 mm and 77.6 mm pipes. The test work was done over a wide range of laminar flow rates ranging from 3 kg.min-I to 53 kg.min-I . Rheometry was done using a PaarPhysica MCR300 rheometer, and only standard rotational tests (i.e. flow curve) at 30 °c in controlled rate mode were done. Rheological characterisation was done using three rheological models, i.e. the Herschel-Bulkley, the Power Law and the Simplified Cross models. The coefficients obtained from these models were then used to predict pumping characteristics. The performances of these models were then evaluated by comparing the pipeline flow prediction to the actual pipeline data obtained from pipeline test experiments. It was found that the flow behaviour depicted by this explosive emulsion system was strongly non-Newtonian, and was characterized by two distinct regions of deformation behaviour, a lower Newtonian region of deformation behaviour in the shear rate region lower than 0.001 S-I and a strong shear thinning region in the shear rate range greater than 0.001 S-l. For all the models used for this study, it was evident that rheometry predicts the pumping characteristics of this high internal phase ratio emulsion reasonably well, irrespective of the choice of the model used for the predictions. It was also seen that the major difference between these models was in the lower shear rate domain. However, the Simplified Cross model was preferred over the other two models, since its parameter (the zero shear viscosity denoted by 110) can in general be correlated to the structure of the emulsion systems (i.e. mean droplet size, bulk modulus, etc.). Thus, structural changes induced by shearing (either inside the pump or when flowing inside a pipe) can be detected from changes in the value of the 110. The above statement implies that Tlo can be used as a quality control measure. Different pumping speeds were found to cause different degrees of shear-induced structural changes which were manifested by two opposing processes. These two opposing processes were the simultaneous coalescence and flocculation of droplets encountered at low rates of shear, and the simultaneous refinement and deflocculation of droplets encountered at high rates of shear. These two droplet phenomena were associated with a decrease or an increase in viscous effects, leading to both lower and higher viscous stresses and pumping pressures during pump start-up respectively.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1948155 bytes, checksum: c82ffca61b521bccfe5b164df783aac2 (MD5) Previous issue date: 2014-05-09 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The study aimed to synthesize, store and monitor the biodiesel from the homogeneous alkaline transesterification of soybean and castor oil via methyl route, as well as evaluating the oxidative induction by the standard EN14112 and the PetroOxy basis over the period of 120 days. We observed the behavior of biodiesel blends inserted in the proportions of 20, 30, 40 and 50% v/v biodiesel from castor biodiesel from soybeans called M20 , M30 , M40 and M50 (in closed containers carbon steel). As physicochemical analyzes, specifications for both biodiesel and blends met the requirements of the limits allowed by the Technical Regulation No. 14/2012 of the National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels (ANP), except for the analysis of oxidative stability (M0 , M20 , M30 and M40) , the index of acidity after 60 days (M50) , after 90 days (M40 and M50) after 120 days (M100) and kinematic viscosity (M40 , M50 and M100) that had values outside the limits set by the standard. The fluid-dynamic properties showed similar behavior for methyl biodiesel blends and thus these concentrations of methyl biodiesel acts as a natural castor oil to methyl soybean biodiesel additive. The cetane number (CN) was higher for methyl soybean biodiesel. As the storage time increases the cetane number of towers. These values follow the trend of the Rancimat oxidative stability and PetroOxy methods. By the method EN 14112 has been found that the M50 blend is more resistant to oxidation during storage for 120 days on storage conditions. / O trabalho objetivou sintetizar, armazenar e monitorar os biodiesel proveniente da transesterificação homogênea alcalina do óleo de soja e mamona via rota metílica, bem como avaliar a indução oxidativa pela norma EN14112 e pelo método PetroOxy durante o período de 120 dias. Observou-se o comportamento dos biodiesel inseridos em blendas nas proporções de 20, 30, 40 e 50% v/v de biodiesel de mamona ao biodiesel de soja denominadas de M20, M30, M40 e M50 (em recipientes de aço-carbono fechado). Conforme análises físico-químicas, as especificações para ambos biodiesel e blendas satisfizeram as exigências dos limites permitidos pelo Regulamento Técnico nº 14/2012 da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), com exceção das análises de estabilidade oxidativa (M0, M20, M30 e M40), do índice de acidez após 60 dias (M50), após 90 dias (M40 e M50), após 120 dias (M100) e da viscosidade cinemática (M40, M50 e M100) que apresentaram valores fora dos limites estabelecido pela norma. As propriedades fluido-dinâmicas apresentaram comportamentos semelhantes para os biodiesel metílicos e blendas, assim, nestas concentrações o biodiesel metílico de mamona atua como um aditivo natural ao biodiesel metílico de soja. O Número de cetano (NC) apresentou-se maior para o biodiesel metílico de soja. A medida que o tempo de armazenamento aumenta o número de cetano eleva-se. Esses valores seguem a tendência de estabilidade oxidativa dos métodos Rancimat e PetroOxy. Através do método EN 14112 verificou-se que a blenda M50 é mais resistente ao processo de oxidação durante armazenamento de 120 dias sobre condições de estocagem.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1846340 bytes, checksum: 4509ef9787ae7fb094406e4231a153fa (MD5) Previous issue date: 2009-11-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The present paper aimed at synthesizing, storing and monitoring biodiesel from the alkaline homogeneous transesterification of soybean oil and castor oil, using the methanol route, as well as evaluating the oxidative stability, during a 60 day-period, by means of the EN14112 standard. Blends of castor oil biodiesel and soybean oil biodiesel, containing 10, 20 and 30% v/v of castor oil biodiesel, respectively called M10, M20 and M30, were stored within illuminated and closed glass containers and later characterized. The physico-chemical analyses, performed for the two different biodiesel types and their blends, met most the requirements stated by the Technical Rule number 7 from the Brazilian National Agency for Petroleum, Natural Gas and Biofuels. The exceptions were the oxidative induction time (0.60 h) and the kinematic viscosity (13.98 mm2/s), which displayed values outside the limits established by the aforementioned agency. The blends displayed a higher oxidative stability than the pure soybean oil biodiesel, obtained by the methanol route. Thus, the blends with higher amounts of castor oil biodiesel, obtained by the methanol route, presented a higher safety, on the storage standpoint. The fluid-dynamic properties, cloud point, pour point and cold filter plugging point, pointed out similar behaviors for the blends and the pure biodiesels, obtained by the methanol route. Thus, in the studied concentrations, the castor oil methanol biodiesel acts as a natural additive for the soybean methanol biodiesel. By means of the EN 14112 standard, it was observed that the blend M30 is the one that is the most immune to the oxidation process, during the storage period of 60 days. / O presente trabalho buscou sintetizar, armazenar e monitorar os biodiesel proveniente da transesterificação homogênea alcalina do óleo de soja e mamona via rota metílica, por catálise básica, bem como avaliar a estabilidade de indução oxidativa pela norma EN14112 durante o período de 60 dias. Também, foi observado o comportamento dos referidos biodiesel, inseridos em blendas nas proporções variando de 10, 20 e 30% v/v de biodiesel de mamona ao biodiesel de soja, denominadas de M10, M20 e M30 (em recipientes de vidro fechados com luz), respectivamente. Conforme análises físicoquímicas, todas as especificações para ambos biodiesel e blendas satisfizeram as exigências dos limites permitidos pelo Regulamento Técnico nº 7 da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). Com exceção do tempo de indução oxidativa (0,60 h) e a viscosidade cinemática (13,98 mm2/s) que apresentaram valores fora dos limites estabelecidos pela norma vigente. As blendas apresentaram maior estabilidade oxidativa em relação ao biodiesel metílico de soja, e, portanto, suas blendas mais concentradas em biodiesel metílico de mamona, apresentam maior segurança em relação ao armazenamento. O estudo das propriedades fluido-dinâmicas demonstrou que tanto os resultados de ponto de nevoa, fluidez e ponto de entupimento de filtro a frio, apresentaram comportamento semelhantes para os biodiesel metílicos e blendas e, portanto nestas concentrações o biodiesel metílico de mamona atua como um aditivo natural ao biodiesel metílico de soja. Através do método EN 14112 verificou-se que a blenda M30 é mais resistente ao processo de oxidação durante armazenamento de 60 dias.

Elementos de materiais flexíveis são empregados em diversas aplicações na engenharia, como por exemplo, em pás de turbinas eólicas. O comportamento do escoamento é afetado pela alteração na forma da estrutura. Muitas vezes, seu movimento e deformação são induzidos pelas próprias forças fluidodinâmicas. O trabalho apresenta o estudo de escoamentos externos envolvendo a interação fluido-estrutura, com o interesse voltado ao comportamento de pás de turbinas eólicas. Simulações numéricas são realizadas com o intuito de avaliar o efeito que a deformação da estrutura, devido à resposta elástica às forças oriundas do escoamento, tem nas próprias forças fluidodinâmicas. A plataforma ANSYS Workbench é utilizada, combinando o software ANSYS CFX para a análise do fluido e o ANSYS Mechanical para a análise da estrutura. Como validação do método, o escoamento laminar sobre um cilindro apoiado elasticamente é estudado e comparado com dados da literatura. O caso escolhido para o presente trabalho é o de um escoamento turbulento sobre um elemento de pá, fixo em uma das suas extremidades e livre na outra. A geometria da pá é retangular com o perfil NACA 0012 e o modelo de turbulência utilizado é o k-ω SST. Os resultados demonstram a influência significativa que a deformação da estrutura tem nas forças fluidodinâmicas de sustentação e arrasto e concordam com a literatura existente. / Elements of flexible materials are employed in several engineering applications, for instance, in wind turbine blades. The flow behavior is affected by any change in the shape of the structure. Often, its displacement and deformation are induced by the fluid-dynamic forces themselves. This paper presents the study of an external flow using fluid-structure interaction (FSI), focused on the behavior of wind turbine blades. Numerical simulations are performed in order to evaluate the effect that the deformation of the structure, caused by the elastic response to the flow forces, has on the fluid-dynamic forces themselves. The ANSYS Workbench platform is used, combining the software ANSYS CFX for the fluid analysis and ANSYS Mechanical for the structural analysis. As a form of validation of this method, the laminar flow over an elastically mounted cylinder is studied and compared with literature data. The chosen case for this work is a turbulent flow over a 3D blade element, fixed at one end and free at the other. The blade geometry is rectangular with the NACA 0012 profile and the turbulence model used is the k-ω SST. The results demonstrate the significant influence that the deformation of the structure has on the fluid-dynamic lift and drag forces, leading to an agreement with the existing literature.

A ventilação natural é uma das estratégias mais eficientes para o condicionamento térmico passivo de edificações, ocorrendo por ação dos ventos, por efeito chaminé ou pela combinação de ambos. Em áreas densamente ocupadas, a velocidade do vento é reduzida pelos diversos obstáculos locais, tornando o efeito chaminé e a captação pela cobertura as alternativas mais viáveis para indução da ventilação natural em edificações. Dentre as estratégias de ventilação, destacam-se os sheds, aberturas no telhado, que funcionam como captadores ou extratores de ar, dependendo de sua localização em relação aos ventos dominantes. Apesar de terem um grande potencial, são pouco utilizados devido à falta de dados técnicos acessíveis ao projetista. Além disso, muitas vezes são utilizados para captação ou para extração do ar de forma aleatória, sem uma análise da influência dos parâmetros projetuais na ventilação natural. Essa pesquisa parte da hipótese que existe diferença nesses parâmetros para um shed extrator e para um shed captador de ar e que é possível otimizar a ventilação natural através desses dispositivos. O objetivo geral foi avaliar o impacto de diferentes parâmetros projetuais e climáticos no desempenho de sheds captadores e extratores de ar e propor diretrizes para o projeto desses dispositivos. A metodologia foi composta de estudos paramétricos, a fim de investigar a interdependência de diferentes parâmetros projetuais na ventilação natural por sheds e realizar análises comparativas. O processo baseou-se em análises numéricas através de simulações CFD e a verificação desses resultados por meio de ensaios experimentais em túnel de vento. As análises mostraram uma boa compatibilidade entre os resultados numéricos e experimentais, obtendo uma diferença de no máximo 10% entre as duas ferramentas para a maioria dos pontos monitorados. Com relação às simulações computacionais, constatou-se que o desempenho de sheds é fortemente influenciado pela velocidade e pelos ângulos de incidência dos ventos externos. Além disso, notou-se que existem diferenças nos parâmetros projetuais para um shed extrator e para um captador, sendo que alguns casos apresentaram bons desempenhos em ambas as situações. Por fim, conclui-se que é possível otimizar o uso da ventilação natural através desses dispositivos, sendo que esses resultados auxiliam a prática do projeto arquitetônico na determinação de configurações adequadas. / Natural ventilation is one of the most important strategies for passive cooling of indoor environments. It can occur by wind forces, stack effect or a combination of both strategies. In urban areas the wind speed is reduced due to several obstacles. Stack effect and air intake by the roof can be viable alternatives to induce natural ventilation in buildings. Among the ventilation strategies, sheds can be highlighted. These structures consist of roof openings that work as collectors or extractors of air, depending on their location in relation to the prevailing wind directions. Although they have great potential, they are seldom used by Brazilian architecture, due to lack of technical data available to the designer. Besides, sometimes the sheds are used for air intake or exhaustion without any detailed analysis on the influence of different building design parameters on natural ventilation. The starting hypothesis of this research is that there is a difference in construction parameters for an exhaustion and intake sheds and it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices. The research aims to investigate the potential of air extracting and capturing sheds to promote indoor natural ventilation and proposes guidelines for the design of these devices. The applied methodology consists on parametric studies to investigate the interdependence of different design parameters for natural ventilation in sheds and perform comparative analyzes. The procedure was based on CFD simulations and the verification of such results through experimental tests using wind tunnel. The analyses showed a good compatibility between the numerical and experimental results, obtaining a maximum difference of 10% between the two tools for most of the monitored points. The computer simulations showed that sheds performance is strongly influenced by the external wind speed and its incidence angles. In addition, it was noted that there are differences in design parameters for air extracting and capturing sheds and some cases showed a good performance in both situations. Finally, it was concluded that it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices, and these results support the practice of architectural design in determining appropriate settings.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Orientadores: Osvaldir Pereira Taranto, Marcelo Nitz da Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T09:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_LucianeFranquelinGomesde_M.pdf: 4524135 bytes, checksum: 1ae4c10ba2c2ed03a7393643ced61a02 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Acetato de sódio e um sal orgânico produzido pela reação do acido acético com hidróxido de sódio. Depois da cristalização e separação os cristais úmidos são secos. Já o cloreto de potássio e um sal inorgânico extraído de rochas e águas salinas muito utilizado na industria química como fertilizante. Esses sais são higroscópicos, coesivos quando úmidos, e geralmente são secos em secadores de leitos fluidizados. No presente trabalho foi utilizado um secador de leito pulso-fluidizado (PFB) que e uma modificação do secador de leito fluidizado convencional. Neste equipamento uma taxa constante de ar e suprido para o secador. Um distribuidor de gás instalado sob a câmara de secagem promove a pulsação pela corrente de gás alternada. A principal vantagem desta técnica e o uso de uma vazão de ar menor quando comparada com outras. O PFB utilizado neste trabalho possui uma área de secção transversal de 0,18 metros quadrados e constituído de quatro seções. Inicialmente foi realizado o estudo fluidodinâmico dos sais secos e úmidos. Posteriormente as curvas de secagem do acetato de sódio e cloreto de potássio foram determinadas para diferentes condições de secagem (temperatura do ar e freqüência de pulsação). A secagem e fluidodinâmica em leito fluidizado convencional foram feitas para que a comparação com o leito pulsado fosse possível. Resultados mostraram que as taxas de secagem foram maiores na fluidizarão pulsante devido ao melhor comportamento fluidodinâmico: o fluxo intermitente ajuda a romper partículas aglomeradas e conseqüentemente prover melhor contato entre gás - partícula. / Abstract: Sodium acetate is a salt produced by the reaction of acetic acid with sodium hydroxide. After crystallization and separation, the wet crystals are dried. Potassium chloride is an inorganic salt extracted from rocks and saline water. It is mainly used in the chemical industry as a fertilizer. These salts are hygroscopic particulate materials, which are dried in fluidized beds or rotary dryers. In this work a pulsed-fluid bed (PFB) dryer was used, which is a variation of the conventional fluidized bed dryer. In this equipment, a constant airflow rate is supplied to the dryer. A gas distributor installed upstream of the drying chamber provides the pulsed-flow by alternating the gas stream. The main advantage of this technique is the lower airflow rate supplied when compared with competitive techniques. The PFB used in this work has a cross section area of 0.18 m2 and it has four sections. Initially, the fluid-dynamic study of dry and wet salts was performed. Subsequently the drying curves of sodium acetate and potassium chloride were determined for different drying conditions (inlet air temperature and pulsation frequency). Drying and Fluid-dynamic was performed in conventional fluidized bed drying, so that results could be compared. Results showed that the drying rates were higher under pulsed fluidization due to the better fluid-dynamic behavior: the intermittent flow can help to break particle agglomerates and therefore provide better contact between particles and the gas. / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestre em Engenharia Química

Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique de la forme instationnaire des équations de Navier--Stokes incompressibles en dimension trois d'espace. Ces équations sont étudiées dans leur formulation classique mais aussi dans leur formulation hydrostatique. Le schéma en temps est résolu à l'aide d'une méthode de projection, la méthode de projection incrémentale standard qui sert de référence à l'étude numérique des nouvelles méthodes proposées: la méthode de projection hydrostatique et la méthode de projection dynamique étendue. Ces méthodes sont combinées à la méthode de pénalisation de volume qui permet de tenir compte de la présence d'obstacles de forme quelconque dans le domaine de simulation en utilisant un maillage cartésien. Une nouvelle expression des équations de Navier--Stokes hydrostatiques issue de l'application de la méthode de pénalisation de volume est obtenue et étudiée. La discrétisation en espace s'effectue en utilisant la méthode des volumes finis sur une maillage décalé de type MAC. Un nouveau code de calcul baptisé VivAn'O a été conçu et validé durant ce travail. Il a permis l'étude numérique des différentes méthodes proposées et a également permis de réaliser des simulations dans la zone portuaire de Pointe-à-Pitre à partir de données bathymétriques réelles. / The present work is about the numerical study of the three dimensional form of the unstationnary Navier--Stokesequations. These equations are studied under their classical form but also under their hydrostatic one. Thetime--dependent problem is solved using a projection method called the standard incremental projection method which isused as the reference to the numerical study of the new projection methods we proposed : the hydrostatic projectionmethod and the extended dynamical projection method. These methods are combined with a volume penalization methodto take into account obstacles of any shape in the simulation domain using cartesian meshes. A new formulation of the hydrostatic Navier--Stokes equations is obtained from the use of the penalization method and studied. The space isdiscretized using the finite volume method on a staggered MAC mesh.A new computational fluid dynamic code nammed VivAn'O have been developped during this work. It had permitted thenumerical study of the proposed methods. It was also used to carry out simulations in the harbour area of Pointe--à--Pitre usine real bathvmetric data.