Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T18:43:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaJunior_JoaoLameuda_D.pdf: 4304757 bytes, checksum: 87ed8cbf9a1722317132a9054fbfd782 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Nesta pesquisa investigou-se numericamente as características fluidodinâmicas de colunas de bolhas em leito de lama operando sob diferentes regimes de escoamento e concentrações de sólido particulado empregando a técnica CFD. A síntese de metanol em duas etapas (carbonilação e hidrogenação catalítica) também foi estudada numericamente em um reator em leito de lama. Na análise fluidodinâmica, o papel das interações entre as diferentes fases, a turbulência induzida pelas bolhas e o balanço populacional destas foram estudados. As predições das simulações foram validadas com dados experimentais obtidos da literatura. Na análise fluidodinâmica e cinética, os fenômenos de transferência de massa e de calor entre fases e as taxas das reações químicas foram avaliadas e os resultados foram comparados a dados experimentais de composição da fase líquida e de conversão do gás de síntese obtidos da literatura. As interações disperso-contínuo (arrastes gás-líquido e sólido-líquido) mostraram ser fundamentais na modelagem correta de sistemas trifásicos. As interações entre as fases dispersas (arraste gás-sólido e interação sólido-sólido) apresentaram influências significativas sob certas condições operacionais. O modelo de balanço populacional não-homogêneo promoveu bons resultados para a condição operacional estudada. A turbulência induzida pelas bolhas também demonstrou ser essencial na modelagem correta do escoamento de sistemas gás-líquido-sólido. Os modelos fluidodinâmicos com expressões cinéticas do tipo Langmuir-Hinshelwood para a síntese de metanol representaram bem o sistema reativo estudado. Em síntese, os modelos CFD propostos e simulados foram capazes de predizer o comportamento do escoamento de colunas de bolhas em leito de lama nas condições estudadas / Abstract: In the present work, numerical simulations using CFD were performed to study the fluid dynamic characteristics of a slurry bubble column operating under different flow regimes and particulate solid concentrations. The two-step methanol synthesis (carbonylation and catalytic hydrogenolysis) was also numerically investigated in a slurry bubble column reactor. In the fluid dynamic analysis, the role of phase interactions, bubble induced turbulence and population balance for bubbles were evaluated. The simulations were validated with experimental data from literature. In the fluid dynamic with chemical reactions analysis, mass and heat transfer between phases and reaction rates were evaluated and the results were compared with experimental data of liquid compositions and syngas conversion. Dispersed-continuous interactions (gas-liquid and solid-liquid drag forces) showed to be fundamental to model correctly three-phase systems. Dispersed-dispersed interactions (gas-solid drag force and solid-solid interactions) exhibited expressive influences under certain operating conditions. The inhomogeneous population balance model promoted good results for the operating conditions studied. Bubble induced turbulence is also an essential feature in the modelling of gas-liquid-solid systems. The fluid dynamic model with Langmuir-Hinshelwood-type rate expressions for the methanol synthesis represented well the reaction system studied. The proposed CFD models were capable to predict flow behaviour of slurry systems in the investigated operating conditions / Doutorado / Engenharia Química / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:43:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ParadaHernandez_NataliaLorena_M.pdf: 3447077 bytes, checksum: 71ef0ac11523fdfcfd56b1e719487b5f (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O estudo das resinas epóxicas é de grande interesse científico e tecnológico devido à versatilidade apresentada por estes materiais. Esta versatilidade é o resultado das diferentes reações químicas envolvidas e das características físico-químicas dos diferentes endurecedores, catalisadores e reagentes que possibilitam diferentes processos e combinação de propriedades objetivando aplicações específicas. A resina epóxi obtida a partir de epicloridrina e bisfenol A, o diglicidil éter de bisfenol A, continua sendo um intermediário importante na tecnologia da resina epóxi. Os microreatores tem provado melhorar a distribuição da massa molar dos polímeros sintetizados dentro destes microaparelhos, isto como consequência das altas taxas de transferência de calor e massa e da mais rápida e melhor mistura apresentada nos microcanais graças à diminuição do tamanho. Levando isto em conta, foi estudada a síntese da resina epóxi em microreatores usando o laser na polimerização rápida da resina dentro destes pequenos reatores. Para o desenvolvimento do projeto foi estudada a síntese da resina em escala laboratorial e calculados os parâmetros cinéticos da reação de obtenção da resina epóxi líquida. O projeto de microreatores requer o conhecimento do comportamento da mistura dentro dos microcanais destes aparelhos, razão pela qual se fez uso da fluido dinâmica computacional, CFD, o qual permitiu a avaliação da mistura dos reagentes dentro das configurações testadas neste trabalho, uma configuração tipo T e tipo Y. / Abstract: Epoxy resin study is of a great scientific and technologic interest due to the versatility showed for these materials. This versatility is the result of different chemical reactions involved and the physical-chemical characteristics of the several hardeners, catalysts, and reagents that make possible uncountable process and properties combination objectify specific applications. Epoxy resin from epicholorohydrin and bisphenol-A continues being an important intermediary in the epoxy resin technology. Microreactors have shown to improve molecular weight distribution of the synthetized polymer within these microdevices; this can be explained by the high heat and mass transfer fluxes, and the faster and better mixture shown in the microchannel due to the size reduction. In this context, the epoxy resin synthesis was studied using a laser in the rapid polymerization of the resin within these small reactors. It was studied the resin synthesis in laboratorial scale and calculated the kinetic parameters of the liquid epoxy resin obtaining reaction. Since microreactor design requires knowing the mixture behavior in the microchannels, computational fluid dynamics (CFD) was used in order to evaluate the mixture grade of the reagents for the tested configuration in this work, the "T" and "Y" configuration types. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T18:54:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bastos_JaciCarloSchrammCamara_D.pdf: 4353350 bytes, checksum: 0de3633c8edcc4ae2ec7fc57a3b590d0 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Apresenta-se nesta pesquisa uma análise experimental e numérica do comportamento da fase dispersa em um jato circular bifásico confinado e uma comparação com jato circular bifásico livre. Nas análises experimentais, uma câmara pentagonal em acrílico foi utilizada como sistema de confinamento para a obtenção de perfis axiais e radiais de velocidade média, flutuação de velocidade (RMS) e intensidade de turbulência. Estes dados foram analisados a fim de desenvolver uma análise completa da região desenvolvida do jato. Três diferentes jatos foram utilizados para a alimentação da fase gás no topo da câmara, mas apenas o jato central foi carregado com partículas entre 60 e 90µm de diâmetro. Os outros dois foram utilizados para proporcionar uma maior interação entre as fases no interior da câmara. A técnica óptica Phase Doppler Anemometry (PDA), foi empregada na medição da velocidade instantânea da fase sólida e do diâmetro das partículas nas diferentes posições axiais a partir do bico do jato. Nove casos de estudo distintos são investigados individualmente e, em seguida, comparados entre si. Estes casos fornecem informações importantes sobre o comportamento e o efeito do confinamento dos jatos sobre o transporte macrocóspico e turbulento das partículas entre o centro e as regiões de contorno do jato. As análises numéricas tratam da modelagem matemática tridimensional, turbulenta e transiente do escoamento no jato bifásico confinado. O modelo trata as fases gás e sólida a partir de uma abordagem Euleriana. O fechamento das equações de transporte foi realizado utilizando o modelo de turbulência de duas equações k-e para a fase gás e modelos de turbulência de zero-equação para a fase sólida, e ainda em alguns casos esta última apenas sofreu efeitos turbulentos advindos da fase contínua. A acurácia das previsões do modelo em um jato de partículas confinadas com as características médias no tempo, assim como os coeficientes da correlação de turbulência foram avaliados. Perfis radiais de velocidade média e fração volumétrica das partículas foram capturados em quarenta e dois níveis, subdivididos em nove casos e comparados aos dados experimentais adquiridos. O diâmetro médio das partículas utilizado nas simulações foi de 75µm e as velocidades iniciais utilizadas variam entre 3 e 11m/s no jato central. O modelo matemático previu um escoamento desenvolvido semelhante ao que foi encontrado experimentalmente. / Abstract: It is presented in this research an experimental and numerical analisys of the dispersed phase behavior in a circular confined two-phase jet and a comparison with circular free two-phase jet. In the experimental analysis, a pentagonal plexiglass chamber was used as confined system for the axial and radial profiles investigation of mean velocity, fluctuation velocity known as RMS velocity and turbulence intensity. These data were analyzed in order to develop a complete analysis in the developed region of the jet. Three different nozzles were used to feed the gas phase at the top of the chamber, but just the central nozzle was loaded with particles between 60 and 90µm of diameter. The other two were used to increase the interaction between the phases in the chamber. An optical technique known as Phase Doppler Anemometry was used to measure the instantaneous velocity of the solid phase and particle diameter in different axial positions of the jet nozzle. Nine different cases of study are investigated individually and then compared among each other. These cases provide important information about the jets behavior and the confinement effect on the macrocospic and turbulent transport of particles between the jet center and the jet contour regions. The numerical analysis deals with three-dimensional, turbulent and transient mathematical modeling of a confined two-phase jet flow. The model treats the gas and the solid phases from an Eulerian approach. The closure of the transport equations have been accomplished by using the k-e turbulence model for the gas phase and the zero-equation turbulence model for the solid phase, and in some cases the latter suffered turbulent effects occuring only from the continuos phase. The accuracy of the model predictions in a particle-laden confined jet with the characteristics as well as turbulence correlation coefficients have been evaluated. Radial mean velocity profiles for the solid phase were computed on forty two axial levels, subdivided in nine cases and compared to the obtained experimental data. The mean particle diameter used in the simulations was 75µm and the initial velocities used vary between 3 and 11m/s. The mathematical model predicted a flow development similar to that found experimentally. / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Luiz Otávio Saraiva Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T05:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Horta_AgnusAzevedo_M.pdf: 4762311 bytes, checksum: 1bcc55cdb06dfc294f352fc1ac27c0ad (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal a implementação do motor de simulação de um framework de simulação com partículas, o motor de simulação utilizará o método DPD (Dissipative Particle Dynamics), baseando-se no paradigma de programação orientada a objeto (POO) e no uso de estruturas de dados otimizadas. O motor de simulação foi escrito em linguagem C++. A concepção do sistema foi realizada de forma a facilitar e promover a reutilização e manutenção do código. Buscou-se, também, a flexibilidade e generalização através do uso da linguagem Python na geração dos arquivos de entrada correspondentes a distribuição espacial das partículas, sendo utilizada a linguagem de marcação XML (eXtensible Markup Language) na estruturação dos arquivos resultantes da simulação. No final, o motor de simulação é avaliado aplicando o problema do fluxo de um fluído entre placas paralelas e o resultado comparado com os resultados obtidos no simulador Hoomd-Blue / Abstract: This work aims the implementation of the simulation of a simulation framework with particle engine, the simulation engine will use DPD (Dissipative Particle Dynamics) method, based on the paradigm of object oriented programming (OOP) and use optimized data structures. The simulation engine is written in C language ++. The system design was performed in order to facilitate and promote the reuse and maintainability of the code. Also, we sought flexibility and generalization through the use of Python in the generation of the input files corresponding to the spatial distribution of particles, (eXtensible Markup Language) XML markup being used in structuring the files resulting from the simulation. At the end, the simulation engine is the problem of applying rated flow of a fluid between parallel plates and the result compared with the results obtained in the simulation Hoomd-Blue / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T06:44:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvarezCastro_HelverCrispiniano_D.pdf: 5280150 bytes, checksum: 96fb29e2849d11c06890186cb8af2f51 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Conversão de matéria-prima e rendimento são estudados através de um modelo 3D que simula o principal reator do processo de craqueamento catalítico fluidizado (FCC). Fluidodinâmica computacional (CFD) é usada como técnica com abordagem Euleriana-Euleriana para prever o comportamento do riser da FCC. O modelo considera 12 grupos com desativação do catalisador dada por coque e envenenamento por nitritos alcalinas e adsorção aromático policíclico para estimar o comportamento cinético, o qual partindo de uma determinada matéria prima, se craquea a diversos produtos. Composições diferentes para matérias-primas foram consideradas. Para validação o modelo foi comparado com dados experimentais em condições de operação industrial. O modelo é capaz de representar com precisão a geração de produtos para as diferentes condições de operação consideradas. Todas as condições consideradas foram resolvidos usando o solver Ansys CFX 14.0. As diferentes variáveis do processo de operação e efeitos hidrodinâmicos do riser industrial de craqueamento catalítico fluidizado (FCC) foram avaliadas. As previsões do modelo são apresentados e comparadas; conversão e produtos são apresentados. Recomendações para criar condições para obter maior rendimento do produto no processo industrial foram dadas / Abstract: Feedstock conversion and yield products are studied through a 3D model simulating the main reactor of the fluid catalytic cracking (FCC) process. Computational Fluid Dynamic (CFD) is used with Eulerian-Eulerian approach to predict the fluid catalytic cracking behavior. The model considers 12 lumps with catalyst deactivation by coke and poisoning by alkaline nitrides and polycyclic aromatic adsorption to estimate the kinetic behavior which, starting from a given feedstock, produces several cracking products. Different feedstock compositions are considered. The model is compared with sampling data at industrial operation conditions. The simulation model is able to represent accurately the products behavior for the different operating conditions considered. All the conditions considered were solved using a solver Ansys CFX 14.0. The different operation process variables and hydrodynamic effects of the industrial riser of a fluid catalytic cracking (FCC) are evaluated. Predictions from the model are shown and comparison with experimental conversion and yields products are presented; recommendations are drawn to establish the conditions to obtain higher product yields in the industrial process / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T06:39:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezSilva_German_D.pdf: 4427269 bytes, checksum: bb45c122c3faad0613f060ad4cbd3b61 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo principal desta tese é propor uma metodologia para aplicar simulação de grandes escalas (LES) em uma unidade de craqueamento catalítico industrial. Para atingir este objetivo, iniciou-se propondo uma metodologia para a construção da malha, sendo uma malha quase-uniforme. As malhas propostas foram implementadas para minimizar o esforço computacional e procedimento para a refinação uniforme no domínio do sistema. Inicialmente, foi estudada a fluidodinâmica de um leito fluidizado gás-sólido na escala de laboratório sem reação química, utilizando Simulação de Grandes Escalas. Com base nos resultados numéricos obtidos a partir de resultados da escala de laboratório foi aplicado o modelo cinético de 4 lump em uma simulação CFD tridimensional para um reator industrial FCC, utilizando LES para a fase gasosa, e considerando o catalisador como uma fase contínua (Euleriana). Os pacotes de simulação utilizados foram Ansys ICEM versão 13 para a construção da malha e Ansys CFX versão 13 para o pós-processamento dos resultados. No pós-processamento dos resultados foi proposta uma metodologia para determinar as médias azimutais das variáveis em planos perpendiculares ao escoamento e finalmente foram validadas as simulações com dados reportados na literatura. As principais conclusões do trabalho foram que foi possível diminuir o tamanho da malha e o tempo de processamento. Notou-se também que, ao usar malhas com discretização quase-uniforme não foi necessário fazer um refinamento de malha elevado, nem refinar perto da parede para o sistema gás-sólido / Abstract: The main objective of this thesis is to propose a methodology in how to apply Large Eddy Simulation (LES) on a unit of catalytic cracking. In order to achieve this, it was proposed an alternative way of constructing the computational mesh, by using quasi-uniform meshes. The proposed meshes were implemented to minimize the computational effort and procedure for refining them in the entire domain of the system. Initially it was studied the fluid dynamics of a lab scale gas-solid system without chemical reaction, using Large Eddy Simulation. Based on the numerical results obtained from lab scale results it was implemented the 4 lump kinetic model in a three dimensional CFD simulation of an FCC industrial reactor, using LES for the gas phase and considering the catalyst as a continuous phase (Eulerian). The simulation packages used were Ansys ICEM, version 13 for mesh construction and Ansys CFX 13 for computation and post-processing of the results. In the data post-processing it was proposed a methodology for calculating average values of fluctuating variables between two circular sections in the azimuthal direction. The results were compared with data reported in literature. The main conclusions of the results showed that it was possible to decrease the mesh size and the computational time. It was also noticed that by using quasi-uniform discretization it was not necessary to make a high mesh refinement near the wall for a gas-solid system / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: José Roberto Nunhez, Everton Moraes Matos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T22:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fontoura_DienerVolpinRibeiro_D.pdf: 11658919 bytes, checksum: 6a2be1fd48301240f5f4b18c84757db1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O escoamento de fluidos é, sem dúvida, de grande importância na indústria, especialmente no transporte de fluidos entre as unidades de operação. Sistemas multifásicos são bastante comuns, e em muitos casos, também ocorrem processos de transferência de massa e energia, como é o caso dos fornos de pré-aquecimento na indústria petroquímica. O escoamento gás-líquido nessas linhas é muitas vezes complexos, pois durante a vaporização da carga ocorre também o craqueamento térmico do petróleo. É comum nestas operações a formação de coque no interior do tubo, o que é muito indesejável. Para entender as condições nas quais esta formação de coque é minimizada, ou aumentada, foi proposto um modelo uidodinâmico computacional para simular o escoamento bifásico gás - liquido do petróleo no interior desses tubos. O modelo foi implementado na plataforma OpenFOAM, ao qual foram acrescidas novas rotinas para a estimativa das temperaturas e concentrações através das equações de conservação de massa e energia. O modelo k - epsilon foi utilizado para descrever a turbulência e dois modelos de vaporização foram utilizado para caracterizar a mudança de fase. Uma formulação não conservativa foi adotada na escrita das equações do modelo para maior estabilidade numérica em altas frações volumétricas. Foi também implementada uma rede cinética dependente da temperatura para descrever o craqueamento térmico. Através do modelo foi possível simular o escoamento tridimensional de petróleo no interior de um tubo com as dimensões da planta obtendo como resultado os perfis de velocidades, temperaturas e concentrações das fases líquida e gasosa / Abstract: Fluid flow is of great importance in the industry, especially for its transport between the operating units. Multiphase systems are very frequent. In many cases, mass and energy transfer processes, such as the case of preheating furnaces in petrochemical industry, are also observed. The gas-liquid flow in these lines is often complex, because during the vaporization of the charge it also occurs the petroleum thermal cracking. It is common in these operations the very undesirable formation of coke inside the tube. With the aim of understanding under which conditions the formation of coke is minimized or increased it was proposed a computational fluid dynamic model for simulating the petroleum gas-liquid two-phase flow inside of these tubes. The model was implemented on the OpenFOAM software, to which new routines for the calculation of temperatures and concentrations using the equations of conservation of mass and energy were added. The model k - epsilon was used to describe the turbulence and two vaporization models were used to characterize the phase change. A non-conservative formulation was adopted for describing the equations of the model in order to obtain numerical stability at high volumetric fractions. It was also implemented a temperature dependent kinetic net to describe the thermal cracking. With this model it was possible to simulate the three-dimensional flow of petroleum inside a tube with real industrial dimensions as a result of the gas and liquid phase's profiles of velocities, temperatures and concentrations / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Sérgio Tonini Button, José Divo Bressan / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-21T04:08:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_MarceloMatos_D.pdf: 11233728 bytes, checksum: 163e9bff5c80ef1c025e8c1083bed472 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A simulação numérica computacional é nos dia de hoje frequentemente aplicada na elaboração de projetos ou análise dos processos de conformação plástica dos metais. A extrusão de metais é um dos principais processos de conformação plástica e largamente aplicado na fabricação de produtos e peças na indústria metal-mecânica. Tradicionalmente, essas análises são feitas utilizando o Método dos Elementos Finitos. Entretanto, há um aumento no interesse dos pesquisadores na utilização do Método dos Volumes Finitos para este fim. A literatura sugere que o escoamento na extrusão de metais pode ser analisado pela formulação do escoamento plástico (flow Formulation). No qual, pode-se assumir como o escoamento de um fluido incompressível e viscoso. Essa hipótese pode ser assumida já que o processo de extrusão é um processo isocórico. O método MacCormack é geralmente aplicado para simular os escoamentos de fluidos compressíveis pelo Método do Volumes Finitos. No escoamento de um fluido incompressível ou no escoamento de metal não existe uma equação para a evolução da variável pressão, sendo necessário a utilização de um método de acoplamento entre a pressão e a velocidade. Este trabalho trata da apresentação de um novo esquema numérico para a determinação de informações sobre o escoamento de um fluido incompressível e viscoso e sobre o escoamento de metal em um processo de extrusão direta, ambos em regime permanente. As equações governantes foram discretizadas pelo Método dos Volume Finitos através do Método de MacCormack explícito para uma malha estruturada e co-localizada. O acoplamento entre a pressão e a velocidade foi feita pelo método SIMPLE. O novo esquema numérico foi aplicado em escoamentos incompressíveis e viscosos para a glicerina e em escoamento de metais em processos de extrusão direta para o chumbo e uma liga de alumínio. O escoamento da glicerina foi avaliado para o caso entre placas paralelas e em dutos circulares sob condição axissimétrica e obtiveram boa concordância em relação ao resultados analíticos. Os campos de velocidades obtidos para a extrusão de metal alcançaram rápida convergência, em torno de 20000 iterações, essa quantidade de iterações foi inferior a quantidade que a glicerina necessitou. Para todos os materiais analisados os resultados numéricos tiveram boa concordância em comparação com resultados analíticos e experimentais obtidas da literatura. O método MacCormack produziu resultados coerentes para o escoamento da glicerina e dos metais sem a necessidade da adição de viscosidade artificial, como sugere a sua definição. Portanto, os resultados numéricos sugerem que o método MacCormack com o SIMPLE pode ser aplicado na resolução de escoamentos de fluidos incompressíveis e na conformação de metais além da sua tradicional aplicação na resolução de escoamentos compressíveis / Abstract: Computational numerical simulation is nowadays largely applied in the design and analysis of metal forming process. Extrusion of metals is one main forming process largely applied in the manufacturing of metallic products or parts. Historically, the Finite Element Method has been applied for decades in extrusion analysis. However, recently in the academy, there is a trend to use Finite Volume Method: literature suggests that metal flow by extrusion can be analysed by the flow formulation. Thus, metal flow can be modelled such us an incompressible viscous fluid. This hypothesis can be assumed because extrusion process is an isochoric process. The MacCormack Method is commonly used to simulate compressible fluid flow by the finite volume method. However, metal extrusion and incompressible fluid flow do not present state equations for the evolution of pressure, and therefore, a velocity-pressure coupling method is necessary to obtain a consistent velocity and pressure fields. Present work proposes a new numerical scheme to obtain information about both incompressible viscous fluid flow and metal flow in the extrusion process, in steady state. The governing equations were discretized by Finite Volume Method, using the Explicit MacCormack Method to structured and collocated mesh. The SIMPLE Method was applied to attain pressure-velocity coupling. These new numerical scheme was applied to incompressible viscous fluid flow of glycerine and forward extrusion process of lead and an aluminium alloy. The numerical results for glicerine fluid flow for parallel plates and axisymmetric flow in circular tube cases had quite good agreement in relation to the analytical solutions. The incompressible metal extrusion velocity fields achieved faster convergence than for liquid glycerine after 20.000 iterations and a good agreement with analytical and experimental results obtained from literature. The MacCormack Method applied for both glycerine and metals produced consistent results without the need of artificial viscosity as employed by the compressible flow simulation approaches. Hence, the present numerical results also suggest that MacCormack Method and SIMPLE can be applied in the solution of incompressible fluid flow and metal forming processes in adition to the traditional application for compressible fluid flow / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Luiz Otávio Saraiva Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T02:13:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_FabiolaMartinsCamposde_M.pdf: 13513306 bytes, checksum: fd54d4a28df68e3217dbd8316b6aeadd (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Recentes avanços na tecnologia de processadores multinúcleos e vários-núcleos popularizaram a computação paralela, acelerando a execução de programas e possibilitando a simulação de domínios maiores. Dentre os problemas complexos que requerem alta velocidade de processamento, os problemas de fluidodinâmica computacional se destacam, já que suas simulações tendem a ter um alto custo computacional e exigem grandes domínios de simulação. O método baseado nas Redes de Boltzmann é um método de fluidodinâmica computacional apropriado para o uso de paralelismo que vem ganhando destaque na comunidade científica. Embora haja trabalhos que explorem o paralelismo em GPU nesse método, um simulador eficiente na execução e visualização interativa ainda não foi explorado adequadamente. Assim, a proposta deste trabalho é implementar em GPU um simulador interativo de fluidodinâmica com o método das Redes de Boltzmann. Inicialmente, o simulador foi desenvolvido em linguagem C e foi paralelizado em CPU usando MPI. Em seguida, foi paralelizado em GPU usando CUDA e convertido para linguagem orientada a objetos em C++. Depois, a visualização interativa foi acrescentada utilizando técnicas como interoperabilidade entre CUDA e OpenGL, texturização 3D, fluxo programável da GPU, além de funções de interação com o usuário. O simulador foi validado para casos 2D e 3D em fluxos monocomponentes monofásicos. Além disso, para demonstrar o ganho de desempenho em velocidade de processamento de problemas paralelizados em relação a execuções sequenciais, um conjunto de testes com tamanhos crescentes de domínio foi desenvolvido. O resultado dessa comparação indicou que o simulador implementado em GPU com visualização interativa teve desempenho 71.3 vezes maior em relação à versão sequencial em CPU sem visualização interativa. Dessa forma, a abordagem de paralelização em GPU com visualização interativa mostrou-se muito adequada à execução de simulações fluidodinâmicas, sendo uma ferramenta útil no estudo de escoamentos fluídicos, capaz de executar inúmeros cálculos e lidar com a grande quantidade de memória exigida por simulações fluídicas / Abstract: Recent advances on multicore and many-core processor technology have popularized the parallel computing, accelerating program execution and enabling the simulation of larger domains. Within the complex problems that require a high processing speed, the computational fluid dynamics problems stand out, since their simulations tend to have high computational cost and demand large simulation domains. The method based on the Lattice Boltzmann is an appropriate computational fluid dynamics algorithm to explore parallelism that has been noteworthy in scientific community. Although there are several works that approach GPU parallelism in this method, an efficient simulator implementation and interactive visualization have not been explored adequately. Thus, the purpose of this work is to implement in GPU an interactive fluid dynamics simulator based on the Lattice Boltzmann method. First, the simulator was developed in C language and was parallelized in CPU using MPI. Next, it was parallelized in GPU using CUDA and converted into C++ object-oriented language. Then, the interactive visualization was added using techniques such as CUDA-OpenGL interoperability, 3D texturing, GPU programmable pipeline, and interaction features. The simulator was validated for 2D and 3D cases in single component, single phase flows. Besides that, to show the performance gain in processing velocity of parallelized problems in relation to sequential executions, a test set with increasing domain sizes was developed. This comparison result indicated the GPU-implemented interactive simulator was 71.3 times faster in relation to sequential CPU version without interactive visualization. Thereby, the GPU parallelization approach with interactive visualization showed to be very adequate to fluid dynamics simulations, being a useful tool in fluid flow study, capable of simulating numerous calculations and dealing with the large amount of memory required in fluidic simulations / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-12-21T13:22:18Z No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-21T13:22:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) Previous issue date: 2018-10-31 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Armazenamento térmico apresenta grande potencial de utilização em diversas aplicações, como energia solar, climatização, conservação de alimentos ou aproveitamento de calor residual em processos industriais. O armazenamento térmico de calor latente é realizado com materiais de mudança de fase (PCM), através dos processos de fusão e solidificação. A representação destes processos através de simulação numérica é realizada com o acréscimo ao modelo matemático básico, composto pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia, modelos para descrever o calor latente e a transição na velocidade entre as fases, tais como: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) e SOM (switch-off method). No entanto, a grande maioria das pesquisas nesta área utiliza o primeiro método. Além disso, são poucos os estudos comparativos de diferentes métodos para descrever processos de mudança de fase. Assim, o objetivo do presente estudo é comparar os métodos Darcy STM, VVM e misto (utilizando elementos dos dois anteriores) na simulação numérica de processos de fusão e de solidificação do PCM RT27 no interior de uma esfera. O estudo foi realizado utilizando-se fluidodinâmica computacional, através do método dos volumes finitos. O Modelo numérico foi validado com resultados experimentais da literatura. Os resultados quantitativos e qualitativos de fração líquida mostram que o método Darcy STM é mais adequado ao processo de solidificação, enquanto o método VVM produz resultados mais próximos aos experimentais no processo de fusão. O custo computacional foi menor para o método Darcy STM e maior para o método VVM, enquanto o método misto apresenta custo computacional pouco inferior ao do método VVM. Na análise da camada líquida na fusão de contato, foram analisadas a velocidade descendente do sólido, a espessura da camada e a vazão na camada. Os resultados referentes a camada líquida indicaram significativa influência das configurações do método Darcy STM. No entanto, são pouco influenciados pelas configurações do método VVM. / Thermal energy storage presents great potential of utilization in several applications, such as solar energy, HVAC systems, food conservation or waste heat recovery in industrial processes. Latent heat thermal energy storage is realized with phase change materials (PCM), through solidification and melting processes. Representation of such processes through numerical simulation is performed with the addition to the basic numerical model, composed of the conservation equations of mass, momentum and energy, models to account the latent heat and the velocity transition between the phases, such as: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) and SOM (switch-off method). However, the large majority of the research on such area employ the first method. Besides that, there are few comparative studies of different methods to describe phase change processes. Thus, the objective of the present work is compare Darcy STM, VVM and mixed method (using elements of the two prior) in the simulation of melting and solidification processes of PCM RT27 inside a sphere. The study was realized using computational fluid dynamics, with the finite volume method. The numerical model was validated with experimental results from literature. Quantitative and qualitative results of liquid fraction show that Darcy STM is most suitable to solidification process, while VVM produces results closer to experimental in the melting process. Computational cost was smaller for Darcy STM and greater for VVM, while mixed method presents computational cost slightly lower than the one of VVM. In the analysis of the liquid layer in close contact melting, were analyzed descending velocity of the solid, liquid layer thickness and the flow in the liquid layer. The results regarding the liquid layer denote significant influence of the configurations for Darcy STM. However, such results are little influenced by the configurations of VVM.