A simulação numérica de escoamento tem se desenvolvido em diferentes aspectos para melhorar sua exatidão e se aproximar cada vez mais da representação de fenômenos reais. O desenvolvimento científico sobre escoamentos turbulentos multifásicos dependem da simulação numérica, onde o custo computacional destas ainda é um fator determinante, principalmente quando se visa resultados mais precisos. Uma das grandes dificuldades é que códigos numéricos de alta ordem, utilizados para simular escoamentos bifásicos, produzem erros de dispersão numérica presentes principalmente na interface, já que nesta posição se apresenta uma descontinuidade nas propriedades físicas dos fluidos envolvidos. O presente trabalho tem o objetivo de propor uma formulação de alta precisão para escoamentos bifásicos. Para isso, realiza-se modificações em um código já existente, denominado Incompact3d que possui a possibilidade de paralelização para até 100:000 núcleos computacionais, utilizando uma decomposição 2D. Entre estas modificações destacam-se a implementação de uma nova formulação do método Level Set, além de pequenas modificações nas equações de Navier-Stokes, como a adição do termo de gravidade, a segregação do termo de difusividade e a adição de um termo referente a força de tensão superficial. Ainda propõem-se uma nova consideração do termo de pressão, que é separado em pressão não hidrostática e pressão hidrostática. Diversos testes de verificação e validação foram realizados, apresentando a capacidade de se realizar simulações numéricas de alta ordem para escoamentos bifásicos. Com esta metodologia, foi identificar características de fenômenos turbulentos bifásicos. / Flow numerical simulation has been developed in di erent ways to improve its results accuracy and have a better approximation to real phenomenon. To scientific development turbulent two-phase flow depends of numerical simulation, where computational cost is an important factor, mainly when accurate results are required. High order two-phase flow codes issue is that they produce numerical dispersion errors that are amplified with the presence of interface, since in its position exist physical proprieties discontinuity. This research main objective is to propose a high precision formulation to two-phase flow. For that, we modified Incompact3d code that has a 2D decomposition making parallelized calculation up to 100:000 computational cores. Some modifications are the implementation of a new Level Set Method formulation; some minor Navier-Stokes equation modifications as the addition of gravity term; the segregation of di usive term; and the addition of surface tension forces. We also proposed a new pressure term consideration where we separate it in hydrostatic and non-hydrostatic pressure. Many verification and validation tests where developed presenting the ability to perform high order numerical simulations for two-phase flows. Also it was possible to identify multiphase turbulent structures in the phenomena simulated.

Correntes de densidade são fluxos gravitacionais gerados pela diferença de densidade entre dois fluidos. Correntes de turbidez fazem parte de uma sub-classificação das correntes de densidade, na qual o fluido mais denso tem, na sua composição, partículas em suspensão. Muitos trabalhos numéricos já estudaram a dinâmica das correntes de turbidez, mas, nenhum dos encontrados aplicou mudanças de relevo concomitantes com a simulação, causadas pela sedimentação das próprias partículas da corrente e nem alterou o relevo após a passagem de cada evento em um domínio tridimensional. O presente trabalho pretende analisar a alteração no relevo de fundo causada por uma corrente de turbidez. No código Incompact3d, as equações de Navier-Stokes, Continuidade e Transporte e Difusão são resolvidas em uma malha cartesiana tridimensional. A condição inicial adotada é a de Lock-Exchange. As simulações realizadas utilizaram Simulação Numérica Direta (DNS). O código utiliza um esquema compacto centrado de sexta ordem, em diferenças finitas, para o esquema espacial, e Adams-Bashfort de terceira ordem para o esquema temporal. A validação do código foi realizada comparando-se com trabalhos experimental e numéricos. A análise das diferentes proporções granulométricas mostrou que quanto maior é a quantidade de material grosso na condição inicial, maior será seu depósito para um dado tempo. Em consequência, mais relevante se torna a consideração da alteração do relevo de fundo. Além disso, quanto maior o fator de compactação do sedimento, maior será o erro de não considerar a atualização de fundo. Os resultados também apontaram que os erros médios ao não considerar a atualização do fundo são da ordem de 4% da massa de depósito em 20 tempos adimensionais, para os parâmetros utilizados. Ao se propagar uma corrente de turbidez sobre o depósito de outra, os erros se mostram menores. / Gravity currents are gravitational fluxes triggered by density di erence between two fluids. A sub-classification of those are turbidity currents, in which the denser fluid is composed by the lighter fluid plus suspended particles. Many papers had shown turbidity currents dynamics, although none of the papers found had applied changes in the simulated topography due to deposit during the own simulation, neither they had altered a 3D domain topography after each flux, applying the changes caused by the previous current. The present dissertation aims to analyse the turbidity current dynamics alteration caused by the influence of its own deposit, altering the topography during the very simulation. The analysis is conducted in a polidispersed turbidity current. The Incompact3d code solves Navier-Stokes, continuity and transport-di usion equation, in a tridimensional cartesian mesh. Lock-exchange was chosen to be the initial condition. Direct Numerical Simulations (DNS) are performed. Sixth order compact finite-di erence schemes are used on the spatial domain, while third order Adams-Bashfort is applied for the temporal evaluation. Comparisons with numerical and experimental papers were performed for code verification. Results showed the coarser the particles on the starting lock-exchange, the higher its deposit is, and the more the terrain will be altered. Nevertheless, the bigger the compacting factor, the bigger the error of not considering bathymetry alteration. Results also point that the average errors of not considering the update are in order of 4% on the mass deposit, after 20 dimensionless times, for the used parameters. When a current propagates over the deposit of a previous one, these errors are smaller.

Os dispositivos oscilantes por translação de ondas correspondem a um dos sistemas de maior potencial de geração de energia elétrica a partir das ondas do oceano, razão pela qual diversos engenheiros e pesquisadores dedicam-se ao desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia. O princípio de funcionamento destes conversores, cujos principais exemplos são o Oyster, o Waveroller e o Langlee, baseia-se no movimento oscilatório de um sistema placapistão, que promove a geração de eletricidade por meio de uma turbina. Os trabalhos existentes acerca destes dispositivos ainda não reúnem informações suficientes que possibilitem a estimativa do comportamento hidrodinâmico e da captação de energia dos mesmos em situações reais de funcionamento. Desta forma, o presente trabalho busca preencher estas lacunas por meio de modelagem numérica bidimensional, baseada em médias de Reynolds (RANS), de ondas regulares atuando sobre os respectivos dispositivos. As simulações são realizadas pelo código computacional livre e aberto OpenFOAM v 4.1 e sua extensão OLAFOAM, ambos fundamentados em volumes finitos e que utilizam a metodologia VOF para o tratamento da superfície livre, solucionando as equações de Navier-Stokes e da continuidade. A representação da dinâmica de corpo rígido dos dispositivos é tratada por uma metodologia que permite a deformação dos elementos de malha e o movimento do fundo do domínio, que oscila juntamente com as placas dos conversores no intuito de assegurar a convergência numérica. Tal metodologia é validada com base na comparação dos resultados numéricos com valores experimentais presentes na literatura. As simulações realizadas permitiram concluir que o método de fundo deformável se mostra adequado no estudo da hidrodinâmica e captação de energia destes conversores, sendo uma alternativa a outras metodologias existentes. Um aumento na largura das placas destes conversores relaciona-se a uma intensificação das velocidades angulares e numa maior captação de energia, sendo a largura ideal de placa aquela cuja dimensão é próxima a duas vezes a sua altura. Um aumento na espessura das placas ocasiona uma diminuição na oscilação e na captação energética dos dispositivos, sendo a espessura ideal com dimensão entre 10 % e 20 % da altura da placa. A captação de energia tende a diminuir com o aumento da profundidade, sendo que, para lâminas de água superiores a duas vezes a altura da placa do conversor, a influência da profundidade torna-se pouco significativa. O aumento do período de onda é responsável por intensificar a ação do campo de velocidades nas regiões próximas ao conversor, sendo o período de máxima captação de energia em torno de 11 s em escala real. Maiores alturas de onda são responsáveis por intensificar o movimento e a captação de energia dos conversores. / The oscillating wave surge converters represents one of the most effective systems to transform the energy of ocean waves into electric power, reason why many researchers and engineers are dedicated to the development and improvement of this technology. The main examples of those kind of converters are Oyster, Waveroller and Langlee, which energy production is related to a oscillating plate-piston mechanism, that drives a secondary hydraulic system, moving a turbine and generating electricity. Recent papers about this technology does not bring enough information to predict the hydrodynamic and the power capture in real operation cases. In order to fulfill those gaps, the present study is focused on bidimensional numerical modelling of regular ocean waves interaction over the converters, based on Reynolds Average Navier Stokes equations (RANS). The numerical simulations are performed by the opensource code OpenFOAM v 4.1 and its extension OLAFOAM, both based on finite volume discretization and VOF method for free surface representation, which solves the Navier-Stokes and continuity equations. The rigid body dynamics is represented by a methodology that uses the mesh morphing method combined with an oscillating bottom, which moves according to the plate movement, in order to ensure numerical convergence. The present method is validated by the comparison of the numerical model results with previous experimental studies. The numerical results led to the conclusion that the oscillating bottom method seems to be adequate to perform a study based on the hydrodynamic and power capture of the oscillating wave surge converters, representing an alternative method to modelling the dynamic of those devices. An increase in plate width are related to an increase on the device oscillation and its power capture. The ideal width is approximately twice the plate height. Thicker plates causes lower angular velocities, as a result, lower electric generation. The more efficient thickness is around 10 % to 20 % of plate height. The power capture decreases according to an increase on water depth, and the depths with values around twice of the plate height does not seem to modify the device hydrodynamics. Higher wave periods causes an intensification of the velocity field near the converter. The pitching period, which is related to the maximum power captured, is near to 11 s in real scale. The highest wave heights are responsible to increase the converter oscillation and electricity generation.

O monitoramento de emulsões utilizadas na indústria metalmecânica compõe uma importante atividade para o controle da qualidade das peças trabalhadas, proporcionando também o aumento da vida útil de ferramentas e maquinários utilizados neste setor através da lubrificação e refrigeração da região de corte. Em grande parte dos casos, estas emulsões são preparadas pela diluição de um fluido de corte em meio aquoso, constituindo assim um conjunto de gotículas estabilizadas em um meio contínuo devido à presença de compostos emulsificantes, estando constantemente sujeitas a ciclos de aquecimento e resfriamento durante os processos de usinagem. Apesar do acompanhamento deste material ser realizado através de análises periódicas usuais, não há um método eficiente estabelecido para verificar sua qualidade em tempo real e em linha de processo. Neste contexto, torna-se possível aplicar técnicas relacionadas à espectroscopia UV-Vis para se obterem informações sobre a estabilidade destes sistemas, correlacionando intensidades de espalhamento de luz com as dimensões das gotas presentes no meio. Dessa forma, tornou-se possível o estudo da desestabilização térmica de emulsões de um fluido de corte comercial, a qual mostrou-se, através do acompanhamento do cálculo do expoente do comprimento de onda, dependente do tempo de exposição ao aquecimento e de sua temperatura média temporal, não sendo influenciada pela perda de meio contínuo por processos evaporativos ou sua posterior reposição. Também se verificou que parâmetros típicos do processo de preparo de emulsões, como a temperatura do meio dispersante e o tempo de repouso do fluido de corte sobre a superfície do mesmo, apresentam fundamental importância para a definição do tamanho médio de gota inicial destes sistemas, o que forneceu evidência da possibilidade de se relacionar a área sob espectros de extinção de luz com tamanhos médios de gota. / The monitoring of emulsions used in the metal-mechanical industry comprise an important activity to the quality control of the products manufectured, also providing an increase in the working life of the tools and machinery employed in this sector through the lubrication and refrigeration of the cutting zone. In the majority of cases, these emulsions are prepared diluting a metalworking fluid in an aqueous media, constituting a collection of particles stabilized by emulsifiers and undergoing heating and cooling cycles during metalworking processes. Currently, monitoring routines are based on regular analyses of samples taken from the process fluid, and an effective in-line method is not available to monitor emulsion quality in real time. In this context, it is possible to apply techniques related to UV-Vis spectrocopy in order to obtain information concerning the stability of those systems, correlating light scattering intensities to the droplet dimensions. In this study, it was possible to investigate the thermal destabilisation of a commercial metalworking fluid emulsion, which showed, through the evaluation of the wavelength exponent, to be dependant on the exposure time to heating and its time-averaged temperature. It was also noted that the loss of continuous phase by evaporation and its reposition do not affect the emulsion stability. Moreover, it was observed that important emulsion preparation parameters, such as continuous phase temperature and the time span between the addition of the metalworking fluid on the water surface and the stirring, have fundamental roles in defining the initial average droplet size, which made possible to correlate the area under the light extinction spectra with average droplet sizes.

Este trabalho tem como propósito investigar através do método Design Construtal a influência do espaçamento (S0) entre cilindros de seção transversal elíptica na maximização da densidade de transferência de calor em um escoamento externo sob efeito de convecção forçada. A razão de aspecto (r) entre os eixos vertical e horizontal dos cilindros elípticos também é um parâmetro avaliado. O estudo proposto é assumido bidimensional, incompressível, laminar e permanente. O regime de escoamento é dirigido por uma diferença de pressão ΔP, que se mantém através do domínio e é governada pelo número de Bejan (Be). Foram avaliados escoamentos com quatro diferentes números de Bejan, Be = 102, 103, 5.103, 104. O fluido que escoa através do domínio possui as propriedades termofisicas definidas pelo número de Prandtl, Pr = 0,72. O método Design Construtal, associado à busca exaustiva, foi empregado para determinar as restrições, graus de liberdade e o objetivo na avaliação geométrica do sistema A solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas baseadas no método de volumes finitos, através do código comercial de dinâmica dos fluidos computacional FLUENT®. As geometrias e malha do domínio computacional foram desenvolvidas no pacote GAMBIT®. Como resultados, obteve-se que os casos ótimos apresentaram resultados consideravelmente melhores do que as demais configurações, onde se obteve ganhos de desempenho na densidade de transferência de calor de 50% a 97% em relação às configurações de menor desempenho estudadas. Além disso, foi possível verificar que o sistema adapta sua geometria ótima para cada condição de escoamento, a fim de proporcionar a melhor arquitetura de fluxo para atender ao objetivo térmico de maximizar a transferência de calor em um menor espaço físico, atendendo os princípios da Teoria Construtal. / This work investigates, through the Construtal Design method, the influence of the spacing (S0) between cylinders with elliptic cross in the maximization of the heat transfer density in an external flow with forced convection. The aspect ratio (r) between the vertical and horizontal axes of the elliptical cylinders is also evaluated. The proposed study is assumed twodimensional, incompressible, laminar and permanent. The flow regime is directed by a pressure difference ΔP, which is governed by the Bejan number (Be). The flows were evaluated for different values of the Bejan number, Be = 102, 103, 5.103, 104. The fluid flowing through the domain has its thermophysical properties defined by Prandtl number, Pr = 0.72. The Construtal Design method, associated with the exhaustive search, was used to determine the restrictions, degrees of freedom and objective in the geometric evaluation of the system. The numerical solution of the mass conservation, momentum and energy equations is solved based on the finite volume method, using the commercial fluid dynamics software FLUENT ®. The geometries and mesh of the computational domain were developed in the GAMBIT® package. The results show that the optimal cases performs considerably better than the other configurations, with an increase in the heat transfer density of 50% to 97% in comparison to the performance of lower level cases studied. In addition, it was possible to verify that the system adapts its optimal geometry to every flow condition in order to provide a better flow architecture that meets the thermal objective of maximizing a heat transfer in a smaller physical space in agreement with the principles of the Constructal Theory.

O coletor solar de tubos evacuados une uma alta absortividade de radiação solar a um ótimo grau de isolamento térmico. Estas características, aliadas a um custo relativamente baixo, fazem deste tipo de coletor o mais utilizado no mundo. Por isso, diversos tipos de abordagens estão sendo adotadas para descrever seu comportamento térmico. Nesta linha, este trabalho foi desenvolvido através de abordagem experimental e teórica, sendo a última subdividida em numérica por CFD e analítica. A abordagem experimental contou com a construção de uma bancada para medida de temperatura e radiação, em um coletor de 24 tubos evacuados acoplados em um reservatório de 178 L. A abordagem por CFD utilizou um modelo tridimensional transiente. Com o modelo numérico validado, utilizando resultados experimentais, simularam-se diferentes condições de operação, em termos de ângulo de inclinação, fluxo de calor sobre o coletor, tamanho do reservatório e temperatura de entrada da água. Em relação à abordagem analítica, esta é dividida em: modelo de irradiância, modelo do tubo e modelo do reservatório. O modelo de irradiância determina a distribuição da radiação solar ao longo da circunferência do tubo. Parte desta radiação é absorvida pelo coletor e transferida para água. Esta quantidade é determinada com o modelo do tubo, que é baseado no método de resistências térmicas. O modelo do reservatório descreve o comportamento térmico da água em seu interior, tanto em aquecimento quanto em resfriamento, analisando a interação energética com o coletor e com o meio externo. O desenvolvimento do modelo do tubo passa pela avaliação da vazão mássica entre o tubo e o reservatório, além disso, o coeficiente de transferência de calor por convecção no interior do tubo deve ser determinado. Tais variáveis são determinadas a partir de uma correlação para o número de Reynolds, a qual foi obtida com resultados da avaliação por CFD e é função dos números de Nusselt, Grashof e Prandtl. A correlação proposta apresentou bom ajuste com os resultados numéricos. Com a bancada de ensaio experimental foram feitas medidas de temperatura da água no reservatório ao longo de alguns dias. Para as mesmas condições do experimento, a temperatura média da água no reservatório foi estimada com resultados da integração dos modelos de irradiância, do tubo e do reservatório. A diferença entre os resultados experimental e teórico foi de 4,8% para a energia acumulada. / The evacuated tube solar collector combines high solar radiation absorptivity to a great thermal insulation degree. These characteristics, combined with a relatively low cost, make this type of collector the most used in the world. Therefore, various types of approaches are being adopted to describe its thermal behavior. In this way, this work was developed through experimental and theoretical approaches, the latter being subdivided into numeric, by CFD, and analytical analysis. For the experimental approach a test bench was built. The tests was carried on a solar collector with 24 evacuated tubes coupled to a 178 L tank, measuring temperature and solar radiation. The CFD approach used a transient three-dimensional model. After the numerical model validation using experimental data, simulations was carried over different operating conditions in terms of angle, heat flux on the collector, tank size and water inlet temperature. The analytical approach is divided into: irradiance model, tube model and tank model. The irradiance model determines the irradiance distribution of solar radiation along the circumference of the tube. Part of this radiation is absorbed by the collector and transferred to water, this amount is determined with the tube model, using the thermal resistance method. The tank model describes the thermal behavior of inside water, both in heating and in cooling, analyzing energy interaction with the collector and the external environment. The development of the tube model involves the assessment of the mass flow rate between the tube and the tank, furthermore the convection heat transfer coefficient inside the tube must be determined. These variables are determined from a correlation for the Reynolds number, which was obtained with evaluation results by CFD. Proposed Reynolds number is a function of the Nusselt, Prandtl and Grashof numbers. The correlation presented a good agreement with the numerical results. Using the experimental test bench the water temperature was measured into the tank over a few days. For the same experiment conditions, the average temperature of the water into the tank was estimated by results of integration of irradiance, tube and tank models. The difference between the experimental and theoretical results was 4.8% for the accumulated energy.

Orientador: João Batista Campos Silva / Banca: Cassio Roberto Macedo Maia / Banca: Elcio Nogueira / Resumo: Neste trabalho, desenvolveu-se, implementou e testou-se um modelo numérico para simular escoamentos incompressíveis de fluidos viscosos em regime transiente, usando o Método de Elementos Finitos baseado em Volumes de Controle (CVFEM) para a discretização espacial e o Método de Passo Fracionado (time-splitting) para a discretização temporal, levando em consideração as características parabólicas, elípticas e hiperbólicas das equações de Navier-Stokes. Para a implementação computacional do método numérico, foi desenvolvido um código em linguagem fortran para simulação dos escoamentos. Depois da obtenção do código computacional e verificada a estabilidade e convergência da técnica de passo fracionado, foram feitas aplicações para simulação de casos de escoamentos internos em cavidades. Também insvestigou-se o modelo de viscosidade turbulenta de Smagorinsky com o CVFEM em passo fracionado, através da metodologia de Simulação de Grandes Escalas (LES - Large Eddy Simulation). / Abstract: In this work, the main purpose has been the development, implementation and test of a numeric model to simulate unsteady, incompressible, viscous fluid flows. The Finite Element Method based on Volumes of Control (CVFEM) has been used for the space discretization and the Fractional Step Method (time-splitting) for the time discretization, taking in consideration the parabolic, elliptic and hyperbolic characteristics of Navier-Stokes equation. For the computational implementation of the numeric method, it was developed a computational code in fortran language. After obtaining the computational code and verified the stability and convergence of the technique of fractional step, simulations for the lid-driven cavity flow have been done for low Reynolds number. The turbulence effect has been considered by the model of turbulent viscosity of Smagorinsky with CVFEM in fractional step, through the methodology of Large Eddy Simulation. / Mestre

Estudos sobre a instabilidade aeroelástica em estruturas de pontes suspensas têm adquirido relevante destaque no âmbito das pesquisas em engenharia do vento nos últimos anos, haja vista que as definições resultantes dessa análise apresentam informações essenciais ao projeto, cálculo e concepção desse tipo de estrutura. Considerando que os escoamentos ao redor de pontes suspensas apresentam características turbulentas, o conhecimento acerca desse fenômeno torna-se fundamental para a análise da interação vento-ponte, estabelecendo a turbulência como uma importante e complexa vertente dentro dessa pesquisa. Nesse contexto, o presente trabalho visa contribuir com o tema através da análise numérica da ação do vento na seção transversal do tabuleiro de pontes suspensas, verificando seu comportamento quando estiverem submetidas à ação dos esforços provenientes do vento na interação de um escoamento turbulento com o tabuleiro da ponte. No trabalho foi investigada a atuação dos esforços aerodinâmicos na estrutura da ponte, ensejando na obtenção dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto, sustentação e momento. Também foi analisado o comportamento do tabuleiro para o surgimento das vibrações induzidas por vórtices, permitindo o cálculo da frequência de desprendimento de vórtices e determinação do número de Strouhal. No que tange aos esforços aeroelásticos para o estudo específico do drapejamento (flutter), foram avaliadas as amplitudes de deslocamentos torcionais para o cálculo e obtenção da velocidade crítica do vento que acarreta o fenômeno do flutter. Juntamente com as análises aerodinâmicas e aeroelásticas da seção transversal da ponte, diferentes modelos de turbulência foram aplicados nas simulações para se estabelecer uma análise comparativa entre os escoamentos. As simulações computacionais desenvolvidas e apresentadas neste trabalho foram realizadas com auxílio de um programa de CFD (Computational Fluid Dynamics). Os modelos de ponte utilizados no trabalho foram o da ponte suspensa Great Belt East, localizada na Dinamarca e da ponte estaiada Sunshine Skyway, localizada nos Estados Unidos. Para validação da técnica computacional, os resultados das simulações foram comparados com dados numéricos e experimentais disponíveis na literatura. / Researches about aeroelastic instability in long span suspension bridges have been consistently the focus in wind engineering field in recent years, therefore the definitions from that study present essential information to design and construction of this type of road structure. Considering that fluid flows around bridges show some turbulent features, the knowledge about turbulence become critical for this wind-bridge interaction analysis, establishing the turbulence modeling study as an important and complex part within that research. According to this context, the meaning of this research was to contribute with numerical analysis of wind effects on a suspension bridge deck, verifying its behavior when this model is subjected to the action of wind loads from a turbulent fluid flow. The bridge aerodynamic behaviour was investigated and aerodynamic coefficients of drag, lift and moment were calculated. Flow induced vibrations were also analyzed for the bridge deck model, allowing it to obtain the vortex shedding frequency and Strouhal number. With regard to aeroelasticity and focusing on flutter study, the amplitudes of torsional displacements were evaluated as well as the analysis of critical wind velocity that causes flutter instabilities. Along with aerodynamic and aeroelastic analysis of the bridge deck cross sectional, fluid flow features were studied and compared applying several turbulence models to simulations. The numerical approach developed and shown in this work was performed by CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The bridge deck models used at this dissertation were the Great Belt East suspension bridge, located in Denmark and the Sunshine Skyway cable stayed bridge, located in USA. In order to validate the computational technique, simulation results from this research were compared with numerical and experimental test data available in papers and literature.

Estudamos a dinâmica de formação de bolhas em fluidos viscosos. Desenvolvemos novas técnicas experimentais para aprofundar o estudo do sistema de um bico borbulhador no fundo de um cilindro preenchido por uma solução de água e glicerina. Neste sistema, controlamos o fluxo de ar por meio de um fluxímetro de massa e uma válvula solenoide. Medimos simultaneamente: o tempo entre duas bolhas sucessivas usando um laser focalizado em um foto- diodo, cuja luz é espalhada com a passagem das bolhas; as ondas de pressão que o borbulhamento causa no sistema de injeção usando microfones colocados entre a válvula solenoide e o bico; e a geometria das bolhas em formação, através da análise de imagens coletadas por uma câmera de alta velocidade. Motivados pelos resultados deste sistema, construímos um modelo para a dinâmica de formação de bolhas, baseado em primeiros princípios, que descreve a rota de adição de períodos observada no experimento. Investigamos também um novo sistema experimental, que tem dois bicos borbulhadores dentro do mesmo tubo. Usamos as mesmas técnicas experimentais desenvolvidas para o experimento de um bico. Identificamos que os borbulhamentos sincronizam apesar de seus sistemas de injeção de ar serem independentes, concluímos, portanto, que o acoplamento deve-se à circulação que o líquido introduz. Estudamos a sincronização por meio da construção de diagramas de bifurcação e espaços de parâmetros mostrando as regiões de sincronização. Adaptamos também o modelo de um bico para descrever este sistema. Descobrimos que a interação entre as duas dinâmicas de formação de bolhas é maior conforme aumentamos a altura da coluna líquida. / We studied the bubble formation dynamics in viscous fluids. We developed new experimental techniques to provide a better understanding of the system with one bubbling nozzle on the bottom of a cylinder filled with a water and glycerol solution. In this system, we control the air flow with a mass flowme- ter and a solenoid valve. We have measured simultaneously: the time between successive bubbles, using a laser focused in a photo-diode that has his light scattered when one bubble passes between them; the pressure waves that the bubbling causes in the air injecting system using microphones placed between the solenoid valve and the nozzle; and the geometry of the growing bubbles, through the analysis of the images collected by a high speed camera. The re- sults from this system motivated us to make a model for the bubbles formation dynamics that describes the period-adding route observed in the experiment and is based on first principles. We also investigated a new experimental system, that has two bubbling nozzles inside the same cylinder. We used the same experimetal techniques developed to the one nozzle experiment. We identified that the bubbling on the nozzles synchronizes due the coupling introduced by the liquid circulation, as the air injecting systems are independent. We studied the synchronization by constructing bifurcation diagrams and parameter spaces that show the syn- chronized regions. We also adapted the one nozzle bubbling model to decribe this system. We discovered that the interaction between the two bubble forma- tion dynamics is stronger when we increase the liquid height.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.