Orientador: Cassio Machiaveli Oishi / Banca: Gilcilene Sanchez de Paulo / Banca: Roberto Federico Ausas / Resumo: Esse trabalho apresenta um estudo sobre técnicas de reinicialização para métodos level-set com aplicação em escoamentos de fluidos. O transporte da interface é feito com um método WENO de quinta ordem para as derivadas espaciais, e um Runge-Kutta de terceira ordem para a derivada temporal. Utilizamos malha uniforme, no contexto de diferenças finitas, e nos limitamos a estudar casos bidimensionais. Após o estudo da advecção da interface, apresentamos duas técnicas de reinicialização para restaurar a propriedade de função distância da função level-set sem, que haja perda de massa. A primeira das técnicas consiste na resolução de uma equação diferencial parcial, e a outra é puramente geométrica. Utilizando as Equações de Navier-Stokes, estudamos duas técnicas para o cálculo da força devido à tensão superficial: CSF e SSF. Apresentamos testes numéricos com velocidade prescrita para verificar as duas técnicas de reinicialização, e resolvemos problemas de escoamentos bifásicos com tensão superficial para verificar como as duas técnicas de reinicialização se comportam nesse tipo de problema. / Abstract: This work presents a study about redistancing schemes for level-set methods with applications in fluid flow. The transport of the interface is performed with a fifth order WENO scheme combined with a third order accurate Runge-Kutta method. After the advection of the interface, we analise two redistancing methods to restore the distance function property of the level-set function. The first method consists in the solution of a partial differential equation, while the other is fully geometric. Using the Navier-Stokes equations, we study two different techniques for the calculation of the surface tension force: CSF and SSF. In order to numerically verify the two redistancing schemes, we present tests with prescribed velocity field. Finally, we apply the redistancing techniques for solving biphase fluid flows in the presence of the surface tension. / Mestre

Orientador: José Luiz Gasche / Resumo: Segundo a Sociedade de Cirurgia Vascular da América do Norte e Sociedade Internacional de Cirurgia Cardiovascular, aneurismas são dilatações superiores ou iguais a 1,5 vezes o diâmetro original da artéria. Estima-se que aproximadamente 2% a 5% da população adulta tem algum tipo de aneurisma cerebral. Grande parte dos casos não chegam a causar sintomas ou gerar problemas graves, entretanto o risco de sua ruptura gera consequências clínicas desafiadoras, visto que tem grande taxa de morbimortalidade, tornando difícil a tarefa de tomar a decisão de intervenção ou não no tratamento do aneurisma. Neste trabalho, propõe-se o estudo numérico do escoamento em aneurismas do tipo basilar empregando-se a técnica da dinâmica de fluidos computacional. Comparando diferentes casos de aneurismas rompidos e não rompidos, identificamos características no escoamento para auxiliar a tomada de decisões no tratamento de pacientes. Os casos de aneurismas são oriundos de tomografias computadorizadas de pacientes reais, os quais foram utilizados para a criação dos modelos digitais. As simulações computacionais foram realizadas com o programa open source OpenFOAM®. Outros programas open source também foram utilizados na criação dos modelos, assim como para o tratamento dos resultados. Analisando os dados de máxima pressão e tensão cisalhante nas paredes na região do aneurisma apenas (domo e pescoço), propomos um critério para identificar os aneurismas rompidos e não rompidos. Considerando que os aneur... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

No presente trabalho são empregadas ferramentas de fluidodinâmica computacional (CFD) como base à criação de uma rede de reatores equivalente para o estudo de um reator de leito fluidizado borbulhante em escala piloto pertencente à CIENTEC-RS, empregado para a gaseificação de carvão das minas de Candiota-RS. Inicialmente, foram conduzidas simulações fluidodinâmicas em meio reacional gasoso (utilizando metano e ar) para análise do comportamento do escoamento no gaseificador. A partir de medições do equipamento real e dados de projeto do mesmo foi implementada no software CFX 13.0 a geometria do reator e foram realizados testes de convergência de malhas computacionais, de forma a escolher a mais apropriada para a realização das simulações em CFD. A avaliação de parâmetros como perfis de velocidade e concentrações ao longo do reator serviram para a escolha das malhas para a continuidade do estudo. Diferentes variações na geometria foram propostas, de modo a simplificá-la, reduzindo o custo computacional das simulações, porém mantendo a qualidade dos resultados. Foram, ainda, avaliados os padrões de escoamento típicos do reator, operando em fase gasosa e na presença de um leito fluidizado. De posse dos padrões de escoamentos obtidos foi proposta uma rede de reatores equivalentes – ERN (equivalent reactor network) a fim de modelar o reator da CIENTEC, empregando um modelo cinético detalhado para determinação das taxas de reação na fase gasosa. Para fins de avaliação da metodologia, conduziram-se simulações envolvendo a combustão de metano, analogamente ao estudo em CFD, e envolvendo o processo de gaseificação de carvão, com as características do obtido nas minas de Candiota. O objetivo do estudo foi avaliar os pontos cruciais no desenvolvimento de um modelo ERN e prever as características dos produtos obtidos para diferentes condições operacionais. Espera-se que este modelo seja aprimorado e usado para o melhoramento e otimização do processo, com o propósito de obter um gás de potencial energético e com características adequadas à utilização como insumo para processos carboquímicos. / In this dissertation, computational fluid dynamics (CFD) simulations were applied to develop equivalent reactor networks (ERN) for the study of a bubbling fluidized bed reactor from CIENTEC-RS, used for coal gasification. Initially, the computational geometry of the gasifier was created using the software CFX 13.0, based on field measurements and design data. Mesh convergence tests were carried out in order to choose the most appropriate for obtaining accurate solutions, using gas-phase reactions. Different variations in geometry were proposed in order to reduce the computational cost of the simulations, while maintaining the quality of the results. The simulations also evaluated the typical flow patterns of the reactor operating in the gaseous phase and in the presence of a fluidized bed. The flow patterns were used as a basis for proposing equivalent reactor networks for the CIENTEC reactor, using a detailed kinetic model to determine the reaction rates in the gas phase. For methodology evaluation purposes, simulations involving the combustion of methane were conducted, similar to the study in CFD, as well as the coal gasification process. The aim of the study was to evaluate the crucial points in the development of an ERN model and to predict the characteristics of the gaseous product streams obtained for different operating conditions. It is expected that this model can be used for the improvement and optimization of the gasification process, in order to obtain a gas with energetic potential and suitable for using it as a feedstock for carbochemical processes.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The computational fluid dynamics is a technique used for the analysis of fluid flow systems By this technique, it is possible to simulate new geometries of equipments as well as optimize one in use. In this research, we propose the development of new configurations for static mixers. Is proposed 27 simulations were conducted in a 24 factorial planning with 3 central points and 8 axial points, varying the thickness and the depth of the groove and the distance between the grooves, in order to obtain the velocity gradient as response. One could obtain two optimal settings were obtained. Once the machining of the optimal geometry was difficult, modifications were proposed to facilitate the construction of the mixer. So 16 configurations were obtained and the simplest one was built to be coupled to an experimental test system. The simulated and the experimental values of the velocity gradient were compared. One set up two tubular reactor systems with and without the static mixer were built for the experiments to obtain biodiesel. In these experiments, a 23 factorial planning was done, varying alcohol:oil ratio, catalyst concentration and temperature. The static mixer presented the value of the velocity gradients of 2288.93s-1, being 4,01% lower than the value found in the (2384.61s-1). A comparison of the experiments showed that the utilization of the mixer increased the ester conversion. The equation obtained from the empirical model of conversion to ester (Y) had an adjustment coefficient of 0.97 for the smooth tube reactor and 0.94 for the reactor with mixer. / A fluidodinâmica computacional é uma técnica que permite a análise de sistemas envolvendo o escoamento de fluidos. Através desta técnica é possível simular novas geometrias de equipamentos, bem como otimizar os já utilizados. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de novas configurações para misturadores estáticos. Foram realizadas 27 simulações de um planejamento fatorial 24 com 3 pontos centrais e 8 pontos axiais variando o comprimento equivalente, a espessura, a altura das saliências e a distância entre cada saliência para obtenção do gradiente de velocidade como resposta. Foram obtidas duas configurações ótimas. Com a dificuldade de usinagem da configuração ótima, foram propostas modificações para facilitar a construção do misturador; assim, 14 configurações foram obtidas e a mais simples foi construída, para ser acoplada a um sistema de testes experimentais. Foram comparados os valores do gradiente de velocidade simulado e experimental. Foram construídos dois sistemas de reatores tubulares com e sem o misturador estático construído para a realização dos experimentos de obtenção de biodiesel. Para estes experimentos foi realizado um planejamento fatorial 23, variando os seguintes parâmetros: razão álcool:óleo; concentração de catalisador e temperatura. O misturador construído apresentou o valor do gradiente de velocidade de 2288,93s-1, sendo 4,01% inferior ao valor encontrado na simulação (2384,61s-1). Após os experimentos foi constatado que com a utilização do misturador a conversão em ésteres é maior. A equação obtida para o modelo empírico da conversão em éster (Y) teve um coeficiente de ajuste de 0,97 para o reator com tubo liso e 0,94 para o reator com misturador.

Buscando compreender o comportamento hidrodinâmico de um reator anaeróbio de fluxo ascendente (UASB), o presente trabalho teve por objetivo desenvolver um modelo numérico utilizando ferramentas de Fluidodinâmica Computacional (CFD) para a simulação do comportamento do escoamento trifásico (líquido, gás e sólido) em um reator UASB utilizado na produção de biogás a partir da vinhaça, e validar este modelo utilizando técnicas de Velocimetria de Partículas por Imagem (PIV). Para tanto, inicialmente foi projetado o reator UASB e em seguida foram desenvolvidas a geometria e a malha. As simulações foram executadas no software Fluent, utilizando uma malha com 528.000 volumes de controle. Foram inicialmente realizadas simulações do escoamento monofásico do líquido e em seguida simulações bifásicas gás/líquido e sólido/líquido foram realizadas adotando-se uma abordagem Euleriana-Euleriana, isotérmica, transiente e tridimensional. Por fim, os modelos bifásicos já validados foram associados em um modelo trifásicos. Técnicas de PIV foram utilizadas na validação dos modelos bifásicos e do trifásico. Na etapa de validação dos modelos numéricos, foi verificada uma diferença máxima entre resultados experimentais e computacionais menor de 4% para todos os casos. Foi verificado que a força de arraste é a que exerce a maior influência no perfil do escoamento gás/líquido. Com relação ao escoamento sólido/líquido, o modelo de Gidaspow foi escolhido para o cálculo do coeficiente de arraste, após comparação com resultados experimentais. Nas simulações trifásicas, verificou-se o gás foi o principal responsável pela qualidade da mistura dentro do reator, reduzindo de 44% o percentual de zonas mortas no reator no caso sólido/líquido para 0,02% no caso trifásico e aumentando em cerca de oito vezes a magnitude da velocidade das fases sólida e líquida. O sistema de distribuição de gás exerceu forte influência no perfil do escoamento, tendo induzido recirculação interna no reator. A compreensão do escoamento permitirá otimizações no processo e no reator de forma a buscar o aumento da eficiência de tratamento bem como da geração de biogás. / PETROBRAS, Brasil. / Aiming to understand the hydrodynamics of a Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, this work aimed to apply multiphase modeling through computational fluid dynamics (CFD) to assess the behavior of the three phase flow (liquid, gas and solid) in a UASB reactor, which is used in the biogas production using vinasse as substrate and the to validate the results using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques. Therefore, the UASB reactor was designed and then the geometry and mesh were developed. The simulations were performed using the software Fluent and a mesh with 528.000 control volumes. Initially, monophasic simulations of the liquid phase were carried out. Next, two phase simulations were performed considering the pairs of phases gas/liquid and solid/liquid. An Eulerian-Eulerian approach was adopted, together with isothermal, transient and tridimensional conditions. After validated, the two-phase models (solid/liquid and gas/liquid) were combined into a three-phase model. PIV was used for the experimental validation of the two and three-phase models. The numerical model validation showed maximum differences lower than 4% between experimental and computational results for the three cases (gas/liquid, solid/liquid and liquid/gas/solid). Numerical results showed that the drag force plays the major role on the gas/liquid flow profile. Regarding the solid/liquid flow, Gidaspow model was chosen to estimate the drag force coefficient after comparisons between numerical and experimental results. Three-phase simulations showed that the gas was the main responsible for the mixing quality within the reactor. Dead zones were reduced from 44% in the solid/liquid simulations to 0,02% in the three-phase simulations and the liquid and solid velocity magnitude increased in about eight times. The configuration of the gas distribution system played a major role on the overall flow profile and drove liquid recirculation along the axial position. Understanding the multiphase flow within this reactor will allow optimizations on the process as well as on the reactor, in order to seek an increase on the efficiency both in the treatment and biogas in the production.

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T03:33:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_HericksonFariade_M.pdf: 3805937 bytes, checksum: 448bbae52b9a5cf3e1dc4574be708118 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: As normas regulamentadoras que restringem as emissões provenientes dos veículos automotores tem se tornado cada vez mais rigorosas, especialmente para os veículos movidos a motores diesel. Para atender estas normas, os fabricantes automotivos têm desenvolvido diversas tecnologias para reduzir e controlar a emissão de poluentes resultantes do processo de combustão nos motores. Entre estas tecnologias está o sistema de recirculação de gases de escapamento, usualmente conhecido na indústria como sistema EGR. Este sistema é extremamente funcional, entretanto o sucesso de sua operação é bastante sensível às condições de contorno que cercam seu funcionamento. Uma destas condições de contorno é a homogeneidade da mistura de ar e gás EGR que chega aos cilindros. Quanto mais homogênea for esta mistura, mais eficiente será o funcionamento do sistema EGR e menor será o nível de emissão de poluentes gerados pelo motor. Neste trabalho objetivou-se avaliar numericamente dois tipos de dispositivos que são responsáveis pela execução deste processo de mistura, o misturador do tipo pré-câmara e o misturador do tipo anel. Foram utilizadas as técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para a realização destas analises. O pacote computacional de CFD adotado foi o FLUENT® 6.3.26, um código que se baseia no método dos volumes finitos para solução das equações de transporte da mecânica dos fluidos. As condições de contorno foram definidas com base no ciclo de testes ao qual o motor é submetido para avaliação pelas entidades regulamentadoras. Como foi adotado o regime permanente para a realização das análises, apresentam-se resultados qualitativos do processo de mistura e do escoamento da mistura ar EGR (no fenômeno real as condições de contorno variam em função da operação do motor - regime transiente). Na análise dos resultados é possível observar de forma clara e objetiva a eficiência de cada dispositivo e qual deles se apresentou como a melhor solução / Abstract: The standards which define the limits of the pollutant emissions produced by the automotive vehicles have become increasingly restricted, specialty for diesel engines. To meet these standards, the automotive companies have developed several technologies to reduce and control the pollutant emissions resulting from the combustion process in the engines. Among these technologies we can find the exhaust gas recirculation system, which is usually known in the industry as EGR system. This system is very functional; however the success of its operation is quite sensitive to the boundary conditions which surround its operating. One of these boundary conditions is the homogeneity of the air and EGR gas mixture which is provided to the engine cylinders. The more homogeneous were this mixture, more efficient will be the EGR system operation and lower will be the pollutant emissions generated by the engine. In this investigation aimed to evaluate numerically two types of devices which are responsible for the mixture process, the prechamber mixer and the ring mixer. It was used the Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques to develop the analyses. The computational code used is the FLUENT® 6.3.26, which is a code based on the finite volume method to solve the transport equations of the fluid mechanics. The boundary conditions of the problems were defined with basis on the test cycles which the engine is submitted to be evaluated by the regulatory agencies. As it was adopted the permanent regime to make the system numerical analyses, it's presented qualitative results of the flow and the mixture process of the air and EGR gas (in the real phenomena the boundary conditions vary according to the engine operation - transient regime). On the result analysis it's easy to check the efficiency of each mixer and see which one has presented as the best solution for the problem / Mestrado / Motores / Mestre em Engenharia Automobilistica

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira d'Avila / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T21:18:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarcelaKotsukada_D.pdf: 43160482 bytes, checksum: b46a2b0225fdad527404b8c745e2f23b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os principais problemas da simulação da fluidodinâmica em sistemas gás-líquido por CFD são as simplificações do comportamento dinâmico das bolhas. Na maioria dos processos industriais com escoamento gás-líquido em colunas de bolhas, as bolhas estão em velocidades altas e a coluna opera em regime heterogêneo. Existe ainda a influência da geometria do sistema e das propriedades físicas dos fluídos envolvidos no processo. Para que a técnica CFD seja aplicada adequadamente, visando aplicações industriais, é necessário considerar os fenômenos de quebra e coalescência. No entanto, existe uma carência de dados experimentais em tal regime de operação para testar a aplicabilidade dos modelos matemáticos empregados nas simulações. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental de duas colunas de bolhas operando em regime heterogêneo. No primeiro caso, foram realizadas análises quanto a influência de diferentes modelos de arraste, além do emprego das forças interfaciais de sustentação e de dispersão turbulenta. Diferentes modelos de turbulência foram também verificados, tomando a fração volumétrica de gás em diferentes posições axiais e velocidade do gás provenientes da literatura. No segundo caso, realizou-se medidas por meio da técnica PIV de velocidades axiais médias da fase líquida e suas flutuações. Análises de intensidade turbulenta, tensores de Reynolds e energia sindética turbulenta foram realizadas, a fim de obter informações acerca da turbulência em três diferentes velocidades superficiais de gás. Para as análises numéricas foi aplicado um modelo matemático tridimensional, turbulento e transiente para a representação do escoamento nas duas colunas utilizadas. Este modelo trata ambas as fases, gás e líquido, a partir de uma abordagem Euleriana. Diferentes distribuições de tamanhos de bolhas foram empregados por meio do balanço populacional considerando os fenômenos de quebra e coalescência. Perfis radiais de fração volumétrica e velocidade de gás, além de perfis de velocidade média de líquido foram confrontados com dados experimentais publicados e medidos respectivamente. O modelo matemático previu um escoamento semelhante aos que foram encontrados nas colunas propostas / Abstract: The main problems encountered in the simulation of gas-liquid systems with the use of CFD are related to the simplifications of the bubble dynamic behavior. In most industrial procedures with gas-liquid flown in bubble columns, bubbles are at high speed and the column operates in the heterogeneous regime. There still is the influence of the system's geometry and fluids physical properties involved in the process. For correctly applying the CFD technique, aiming industrial applications, it is necessary to consider the breakup and coalescence phenomena. Nevertheless, there is a lack of experimental data available in this operational regimen to test the feasible application of the mathematical models used in simulations. In this work it is presented a numeric and experimental study of two bubble columns operating in the heterogeneous regime. In the first case, analyses of different drag models, besides the employ of the interfacial forces of lift and turbulent dispersion were performed. Different turbulence models were also verified, taking the gas holdup in different axial positions and gas velocity from literature. In the second case, measurements of mean axial liquid velocities and their fluctuations were performed with the PIV technique. Turbulence intensity, Reynolds stress tensors and turbulent kinetics energy analyses were performed in order to obtain information about the turbulence for three different gas superficial velocities. For the numerical analyses a tridimensional, turbulent and transient mathematical model to represent the flow in the two columns was applied. This model treats both phases, gas and liquid, with an Eulerian approach. Different bubbles size distributions were used by population balance considering the breakup and coalescence phenomena. Gas holdup, gas velocity and mean axial liquid velocity radial profiles were confronted to the published and acquired experimental data respectively. The mathematical model predicted a developed flow similar to those found in the proposed columns / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-09T09:36:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vegini_AtilanoAntonio_D.pdf: 28017713 bytes, checksum: b5c4951104b5d515ebe084a6388a6ea2 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho é apresentado o código computacional CYCLO, programa desenvolvido especificamente para predizer o escoamento multifásico em ciclones. Os ciclones são equipamentos utilizados na indústria, principalmente, para a separação de material particulado de correntes gasosas. Desde o início da industrialização até a atualidade, os ciclones são investigados cientificamente na tentativa de elucidar o real funcionamento deste complexo sistema de escoamento que ocorre no interior destes equipamentos. Com o avanço computacional, as modernas técnicas da fluidodinâmica computacional (CFD), têm se mostrado capaz de auxiliar nas investigações científicas sobre os ciclones. O código CYCLO, é um destes programas baseado nas técnicas da fluidodinâmica computacional (CFD). Consiste de um modelo multifásico num referencial euleriano, e composto de equações diferenciais parciais que são resolvidas numericamente através da aplicação do método dos volumes finitos, com acoplamento pressão-velocidade e malha numérica deslocada. A hipótese de simetria no eixo é assumida, tornando possível a utilização de um modelo 3DSimétrico em coordenadas cilíndricas. O código CYCLO torna possível à utilização de até três fases sólidas, cada uma caracterizada por seu tamanho de partícula, massa específica e fração volumétrica. O escoamento da fase sólida é considerado invíscido e a transferência de quantidade de movimento interfase predito pela adoção de um modelo de força de arraste. Para representar o comportamento anisotrópico dos tensores de Reynolds na fase gasosa, é utilizado um modelo de turbulência híbrido composto por uma combinação do modelo k-e padrão para os componentes radiais e axiais do tensor de Reynolds, e, para os componentes tangenciais por intermédio da teoria do comprimento de mistura de Prandtl. Os objetivos deste trabalho vão desde a verificação e validação do código CYCLO com seu modelo multifásico euleriano-euleriano e todas suas hipóteses simplificadoras, até a apresentação de aplicações práticas do uso das técnicas de CFD. Para a verificação e validação do código, os resultados obtidos numericamente são comparados com valores experimentais para o escoamento monofásico e para o escoamento multifásico. Como exemplo de aplicação prática das técnicas de CFD, é apresentado a utilização do código na análise e projeto de ciclones industriais / Abstract: In this work it is presented the computational code CYCLO, which is a program developed specifically to predict the dynamic behavior of the gas-solid flow in cyclones. The cyclones have been used extensively in many industries for a long time for separating the particles from gaseous streams. Since the beginning of the industrialization until the present time, the cyclones are investigated scientifically in order to elucidate the real functioning of this complex flow behavior inside of these equipments. With the computational advance, the modern techniques of the computational fluid dynamics (CFD), has been capable to assist in the scientific inquiries concerning cyclones. The CYCLO code is one of these programs based on computational fluid dynamics (CFD) techniques. The program consists of a multiphase flow model based on the Eulerian-Eulerian approach and it is composed of several partial differential equations, which are solved using the finite volume method with pressure-velocity coupling and staggered grids. The axial symmetry hypothesis is assumed, which makes possible to apply the 3D symmetric model in cylindrical coordinate. The CYCLO code makes possible the use of up to three solid phases, each one represented by a particle diameter, density and specific volumetric fraction. The solid-phase flow is considered inviscid and drag forces between phases are responsible for the gas-solid interaction. To represent an anisotropic behavior of the Reynolds stress in the gas phase, it is used a hybrid model composed of the combination of the (k-e) standard model for the radial and axial components and Prandt¿s longitudinal mixing model for the tangential components. The purpose of the present study is to verify and validate the model used by the CYCLO code and to show practical applications of the use of CFD techniques. In order to verify and validate the code, numerical results were compared with experimental data for gas and gas-solid flows. As practical examples of application of CFD techniques, the code was used to the analysis and design of industrial cyclones / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Andre Luiz Jardini Munhoz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T19:20:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bineli_AulusRobertoRomao_M.pdf: 24103427 bytes, checksum: e0dc4ef614d43eab9b12a55f01124378 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Em tratamentos térmicos de têmpera há uma grande dificuldade em entender os diferentes perfis de resfriamento que ocorrem na superfície e no interior dos materiais, e que definem o controle da estrutura formada e das propriedades finais desejadas. A formação de diferentes tipos de estruturas no mesmo material pode ocorrer devido ao resfriamento não uniforme provocado pelas condições fluidodinâmicas do tanque e do fluido refrigerante, os quais determinam as taxas de resfriamento e o valor do coeficiente de transferência de calor. Além disso, há muito pouco na literatura sobre os critérios para a construção de tanques de têmpera. Portanto este trabalho investiga por meio da Fluidodinâmica Computacional (CFD), utilizando o software ANSYS CFX® 11, duas configurações de um sistema de agitação submerso em tanque de têmpera e o impacto das condições fluidodinâmicas e das propriedades físicas do fluido sobre a uniformidade do resfriamento e no coeficiente de transferência de calor na interface do bloco de aço. Como conseqüência as simulações permitem a verificação de alternativas de como o processo pode ser melhorado a partir deste tipo de análise. O processo físico estudado consiste no resfriamento de um bloco de aço nas dimensões 2,3m x 1,2m x 0,86m imerso em tanque com água de dimensões 8,7m x 2,8m x 4,0 m com um sistema de agitação de jato submerso distribuídos em vários bicos reguladores de saída de água. Foram realizadas duas simulações, a primeira envolvendo o sistema de agitação localizado sob o bloco. Na segunda, entretanto, foi acrescentado um sistema de agitação localizada nas laterais do material na tentativa de homogeneizar o fluxo do fluido entorno do bloco, consequentemente sobre a uniformidade do resfriamento. Os resultados deste trabalho indicam que o sistema foi suscetível a variação das propriedades físicas do fluido e do fluxo sobre o material o que levou a grandes variações na curva de resfriamento para o primeiro caso. Contudo, a implementação do sistema lateral de agitação promoveu uma melhora significativa na uniformidade da têmpera, além disso, o modelo foi capaz de predizer as curvas de resfriamento, os coeficientes de transferência de calor na interface do material, e os fluxos do fluido no tanque. A análise discutida fornece informações de como o software pode melhorar o controle do processo de resfriamento por estudos sobre a uniformidade da têmpera, o que pode auxiliar os engenheiros na concepção e desenvolvimento de novos projetos de tanque levando-se em consideração a forma e o tipo do sistema de agitação, bem como a geometria do tanque e do material, e o fluido utilizado no processo. Esta abordagem pode produzir melhorias significativas na qualidade do material enquanto simultaneamente prevê condições para redução de distorções do material durante o tratamento térmico. / Abstract: In the quenching heat treatment is a great difficulty to understand the different cooling profiles occurring at the surface and subsurface of the material, that define the structure formed and the final properties desired. The formation of different types of structures in the material can occurs due to uneven cooling caused by fluid dynamic conditions of the tank, which determine the cooling rates and the heat transfer coefficient. Moreover, there is very little literature concerning the criteria for the construction of quenching tanks. Therefore in this work was analyzed by means of Computational Fluid Dynamics (CFD), two configurations of submerged agitation system and the impact of fluid dynamic conditions and the physical properties of the fluid on the cooling uniformity and the heat transfer coefficient at the interface of the steel block. The simulations performed allow the verification of alternatives of how the process can be improved from this type of analysis. The physical process studied consist in the cooling of a steel block with dimensions 2.3m x 1.2m x 0.86m immersed in water tank with dimensions 8.7m x 2.8m x 4.0m with submerged agitation system. There were two simulations, the first involving the agitation system located under the block. In the second, however, was added agitation system located next the sides of the material in an attempt to homogenize the fluid flow around the block, consequently on the uniformity of cooling. The results indicate that the system was susceptible to variations in the fluid properties and fluid flow on the material which led to large variations in the cooling curve for the first case. The implementation of the sideway agitation system led to a significant improvement in uniformity of quenching, in addition, the model was able to predict the cooling curves, the heat transfer coefficient at the interface of the material, and fluid flow in the tank. The analysis provides information about how software can improve the control of the cooling process by studies of quench uniformity, which can help engineers in the design and development of new tank taking into account the type of agitation system, tank geometry and material, and the fluid used in the process. This approach can produce significant improvements in the quality of the material while simultaneously provide conditions to reduce distortions in the material during heat treating. / Mestrado / Mestre em Engenharia Química

Orientadore: Jose Roberto Nunhez, Efraim Cekinski / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T21:24:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaquimJunior_CelsoFernandes_M.pdf: 1822240 bytes, checksum: 1c74330095d87b01b823d7d17fbc50c9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Nos processos convencionais de agitação e mistura um acionamento, através de um eixo-árvore, rotaciona um ou mais impelidores no interior de um fluido, normalmente contido em um vaso de processo. Os processos de mistura que usam dispositivos estáticos no interior de dutos de escoamento são uma opção aos processos convencionais, tendo crescente aplicação e interesse, visto utilizar-se de parte da energia cedida para o bombeamento dos fluidos, permitindo a mistura em um processo contínuo, minimizando o uso de equipamentos e instalações industriais. Contudo, sua aplicação ainda é restrita a alguns processos específicos por questões tecnológicas e, principalmente, pelo pouco conhecimento de técnicos e engenheiros dos fenômenos físicos que regem sua aplicabilidade. A inexistência de tecnologia e conhecimento nacional nesta área impõe a dependência frente a empresas estrangeiras, encarecendo e dificultando sua aplicação. Na última década, técnicas computacionais tem sido utilizadas para o projeto e otimização desses dispositivos, conhecidos como misturadores estáticos, com destaque para a fluidodinâmica computacional ¿ CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabalho tem como objetivo, através da aplicação de técnicas de CFD, permitir um melhor entendimento dos fenômenos que regem o escoamento de fluidos no interior de misturadores estáticos, especificamente desenhados para esta análise, permitindo sugerir e estudar seus desenhos, propondo soluções e modificações a fim de melhorar a mistura e minimizar o gasto de energia no processo. A ferramenta de CFD utilizada foi o pacote computacional CFX. Os resultados obtidos permitiram uma boa compreensão dos fenômenos envolvidos e foram coerentes com os dados experimentais disponíveis na literatura. Foram criados dois novos conceitos geométricos de misturadores estáticos, denominados de EDA e ALETAS, cujas performances permitem seu emprego em condições reais de aplicação na indústria. / Abstract: On conventional mixing processes, a shaft rotates one or more impellers in a fluid generally inside a process vessel. The mixing processes that use static mixers on tube fluid flow are an option to conventional processes which application and interest is continuously growing, minimizing the use of equipment industrial devices. However its application is restricted to some specific processes because of technological reasons and mainly due to the lack or absence of acknowledgement of technicians and engineers about the physical phenomena involved on static mixing application. The absence of national technology on this field, demands foreign companies¿ technological dependence, making more difficult more and turning expensive the applications. On the last decade, computational techniques have been used for the design and optimization of these equipments, known as static mixers, specially the computational fluid dynamics ¿ CFD. This research has the goal, by using CFD techniques, to allow a better understanding of the phenomena that determine the fluid flow in static mixers specifically designed for this analysis, permitting to study and suggest modifications and solutions to increase mixing and minimize power consumption on the process. The CFD tool used was the CFX package. The results obtained permitted a good comprehension of the phenomena involved and were in accordance with experimental data available on literature review. Two new geometric concepts of static mixers were created, named EDA and ALETAS, whose performances allow their use on industrial applications. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química