[pt] Neste trabalho foi analisado o escoamento de fluidos não Newtonianos através de canais axisimétricos convergentes divergentes. A solução da conservação de massa e de conservação de momento foi obtida numericamente via volumes finitos utilizando o programa de computador Fluent. A equação constitutiva de fluidos Newtonianos generalizados foi utilizada para modelar o comportamento não Newtoniano, utilizando a equação constitucional de Shunk-Scriven para cálculo da viscosidade, que assume como sendo a média geométrica ponderada pelo classificador de escoamento R entre a viscosidade de cisalhamento e a viscosidade de extensão. Os resultados de perda de pressão e vazão são comparados com os resultados calculados pela relação simplificada proposta por Souza Mendes e Naccache, 2002 entre a perda de carga e vazão de fluidos viscoelásticos fluindo através do meio poroso, para analisar a sua performance. / [en] In this work, the flow of non-Newtonian fluids through axisimmetric convergingdiverging channels is analyzed. The solution of mass and momentum conservation equations is obtained numerically via finite volume technique using the Fluent software. The Generalized Newtonian Fluid constitutive equation was used to model the non- Newtonian fluid behavior, using the Shunk-Scriven model for the viscosity, where a weighted geometric mean by the flow classifier R between shear and extensional viscosities is assumed. The results of pressure drop and flow rate are compared to the ones predicted by a previously proposed simplified relation (Souza Mendes and Naccache, 2002) between pressure drop and flow rate, for viscoelastic fluids flow through porous media, in order to analyze its performance.

[pt] In order to gain deeper understanding of the ow physics around low aspect ratio wings, the current dissertation presents a numerical study of the ow around a race-car rear wing, in particular, the PUC-Rio Formula-University car. To diminish the time it takes to prepare a numerical simulation, we evaluate the performance and accuracy of a particular utility available in Open-FOAM, namely, snappyHexMesh, which generates hexahedral unstructured grids. The effect of using such a grid in numerical simulations employing two different turbulence models (Spalart Allmaras and k - w SST) for several angles of attack is investigated. The methodology of the study comprised six steps: 3D scanning of the real geometry, geometry modeling, grid generation, ow computation, solution validation, ow visualization and analysis. The grid qualities were assessed using a simple two-dimensional case, which showed good agreement with experimental data with an absolute difference ranging between 0.39 per cent and 8 per cent. While comparing them with numerical validated data the difference ranged between 0.5 per cent and 3.6 per cent. By visualizing the velocity and pressure fields, it was confirmed that the methodology used in the current study is capable of capture the various physical phenomena present in the ow around a rear wing, which is characterized by horseshoe vortices at the end plates, local recirculation zones, tip vortices and their interaction with the boundary layer at the suction surface. The simulations showed that the size of the tip and horseshoe vortices increases with the angle of attack, as well as their in uence on the boundary-layer separation. Consequently, although the end plates are known to be useful in reduction of vortex, it was observed there is still a great waste of energy in their formation. / [en] A fim de obter uma compreensão mais profunda da física do escoamento em torno de asas de baixa relação de aspecto, a presente dissertação apresenta um estudo numérico do escoamento em torno da asa traseira de um carro de corrida, em particular, o carro de fórmula da PUC-Rio. Para diminuir o tempo que leva para preparar uma simulação numérica, avaliamos o desempenho e a precisão de um utilitário disponível no OpenFOAM chamado snappyHexMesh, o qual gera malhas não estruturadas usando em sua maioria elementos hexahédricos. O efeito do uso de tal malha nos resultados das simulações numéricas é investigado, empregando dois modelos de turbulência diferentes (Spalart Allmaras e k - omega SST) para vários ângulos de ataque. A metodologia do estudo foi composta por seis etapas: a digitalização da geometria, a modelagem da geometria, a geração da malha, o cálculo do escoamento, a avaliação da solução, a visualização e análise do escoamento. As qualidades da malha foram avaliados através de um caso bidimensional simples, que mostrou boa concordância com dados experimentais com uma diferença absoluta variando entre 0,39 por cento e 8 por cento. Em quanto que comparando-os com dados numéricos validados a diferença variou entre 0,5 por cento e 3,6 por cento. Visualizando os campos de velocidade e os campos de pressão, foi confirmado que a metodologia utilizada no estudo é capaz de capturar os diversos fenômenos físicos presentes no escoamento, o qual é caracterizado por vórtices de ferradura nas placas, zonas de recirculação locais, vórtices de ponta e sua interação com a camada limite na superfície de sucção. As simulações mostraram que o tamanho dos vórtices de ponta e dos vórtices de ferradura aumenta com o ângulo de ataque, bem como sua inuência sobre a separação da camada limite. Consequentemente, embora as placas sejam reconhecidamente úteis na diminuição dos efeitos de ponta, ainda há um grande desperdício de energia na formação de vórtices.

[pt] Além de uma crescente importância econômica da produço de petróleo contendo parafina dos recursos águas ultra-profundas, as preocupações coma deposição e gelificação de parafina desempenha uma funcão significativa nesta questão. óleos parafínicos gelificados frequentemente exibem comportamento reológico análoga para fuidos com tensão de cedência. Existe uma tensão crítica, abaixo do qual nenhum fluxo ocorre, mas acima doqual a viscosidade de uma sistema gelificada diminui drasticamente. Assim, para reinício de escoamento de óleo cru gelificado, uma pressão maior do que a pressão de funcionamento normal deve ser aplicada para exceder a tensão de cedência do fluido na parede, esta pressão mínima exegida deve ser determinada. Neste estudo para explorar o conceito de pressão mínima, fluidos com tensão de cedência foram investigados inteiramente. A investigação foi iniciada com o fluido de tensão de cedência simples e, em seguida, avanou com um tixotrpico usando reômetro e configuração experimental para escoamento de fluido em tubo. Em ambos, os casos a condio não deslizamento foi atingido, o comportamento de fluidos com tensão de cedência foi examinado em detalhe, os resultados de experimentos de reometria e transporte de fluido em tubos foram verificados. Com a colocação de todos juntos, a pressão mínima exigida ou em outra palavra a tensão crítica para partida de escoamento de fluidos com tensão de cedência foi descoberta. / [en] Besides an increasing economic importance of producing wax-containing crude oil from ultra deep water resources, concerns about wax deposition and gelation play a significant role in this area. Gelled waxy crude oils often exhibit rheological behavior analogous to yield stress fluids. There is a critical or range of stresses, below which no flow occurs, but above which the viscosity of a gelled system decreases drastically. Thus, in order to restart flow of a gelled crude, a pressure larger than the typical operating pressure should be applied to exceed the yield stress of the fluid at wall, this required minimum pressure should be determined. In this study to explore the minimum pressure notion, yield stress fluids were investigated comprehensively. The investigation was initiated with simpler yield stress fluid and then advanced with thixotropic one using rheometer and designed experimental setup for fluid flow into tube. In both cases no-slip condition was achieved, the behavior of yield stress fluids was screened in detail, the outcomes of fluid transport in tube and rheometric tests were combined and cross checked. Finally with putting all together, the required minimum pressure or in other words, the critical shear stress needed to startup the flow of yield stress fluids was discovered.

[pt] Uma análise numérica de escoamento anular vertical ascendente é realizada utilizando o Modelo de Dois Fluidos unidimensional. Para escoamentos verticais, na ausência de mecanismos estabilizadores, o sistema de equações resultante é incondicionalmente mal posto. Dessa forma, visando tornar o sistema de equações bem posto, adicionou-se às equações de quantidade de movimento um termo de pressão dinâmica. Dois modelos disponíveis na literatura são investigados. O primeiro só considera a pressão dinâmica na equação de quantidade de movimento do líquido, a qual é baseada em uma simples expressão para a velocidade da onda na interface. O segundo modelo inclui uma contribuição da pressão dinâmica em ambas equações de quantidade de movimento. No presente trabalho, um terceiro modelo é proposto, o qual é baseado no primeiro modelo, com uma avaliação mais realista da velocidade da onda na interface. O efeito estabilizante da pressão dinâmica é demonstrado através de um rigoroso teste de convergência de malha. As equações de conservação são discretizadas com o método de volumes finitos, com uma integração temporal de primeira ordem e uma discretização espacial TVD de segunda ordem. Tanto o segundo quanto o terceiro modelo considerados apresentaram solução independente da malha. Parâmetros do escoamento como gradiente de pressão, espessura do filme, e variáveis características da onda obtidos numericamente são comparados com dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando boa concordância. / [en] A numerical analysis of vertical ascending annular flow with the 1D Two-Fluid model is performed. It is well known that, in vertical flows, the resulting system of equations is unconditionally ill-posed in the absence of stabilizing mechanisms. Therefore, in the present work, to render the system of equations well-posed, modeling of dynamic pressure is included in the momentum equations. Two models available in the literature are examined. The first one only considers the dynamic pressure in the liquid momentum equation, which is based on a simple expression for the interface wave velocity. The second model includes a dynamic pressure contribution to both momentum equations. A third model is proposed based on the first, with a more realistic estimation of the interface wave velocity. A systematic grid convergence test is performed to demonstrate the stabilizing effect of the dynamic pressure. The conservation equations are discretized with the finite volume method, with a first order time integration, and a second order TVD spatial discretization. A grid-independent solution can be found when applying the second and third models considered. Flow parameters such as pressure drop, film thickness and wave characteristics numerically obtained are compared against available experimental data, presenting good agreement.

El presente trabajo de tesis consiste en el diseño del control de nivel de un sistema hidráulico de dos tanques acoplados empleando control adaptativo por modelo de referencia. Se usó la planta piloto que se encuentra en el Laboratorio de Control Avanzado para el modelamiento del proceso a controlar. El modelo dinámico de la planta se linealizó para obtener las funciones de transferencia de cada tanque y el efecto del acoplamiento entre ellos. Luego se diseñó un control por desacoplo, a través del cual se busca reducir la interacción entre ambos tanques, para que el sistema multivariable se convirtiera dos sistemas de una entrada y una salida, para cada uno de los cuales se diseñará un controlador. El controlador se sirve de un modelo de referencia con las características deseadas, el cual se diseña a partir del lazo cerrado de un controlador PI con la función de transferencia de un tanque desacoplado. El sistema de adaptación se diseña a partir de la regla MIT (Massachusetts Institute of Technology), que usa una función de costo con el error entre el modelo y la planta para obtener los parámetros de la ley de control para cada tanque. En las pruebas con el modelo de la planta no lineal implementado en Simulink, se pudo comprobar que cuando la altura de uno de los tanques varía al seguir el nivel de referencia, la perturbación ocasionada en el otro tanque era corregida rápidamente por el controlador, por lo que se pudo mantener un nivel de referencia deseado en cada tanque independientemente del otro. Finalmente se elaboró una propuesta para la implementación del control adaptativo por modelo de referencia diseñado.

[pt] Aneurisma arterial é definido como uma dilatação excessiva do diâmetro normal de uma artéria. O aneurisma da aorta ascendente é geralmente assintomático, portanto, é frequentemente identificado acidentalmente durante exames de imagem de rotina. Após a identificação do aneurisma, caso não haja indicação cirúrgica, o paciente deve ser acompanhado de maneira adequada, pois a ruptura arterial pode ser fatal. A influência do fluxo sanguíneo no remodelamento aórtico é uma importante área de investigação. O objetivo deste estudo é identificar padrões hemodinâmicos em aneurismas de aorta ascendente que possam estar relacionados com o aumento do aneurisma. Cada paciente do estudo foi avaliado em dois momentos distintos. Um modelo tridimensional do aneurisma de aorta ascendente foi gerado para cada paciente a partir de exames de angiotomografia de aorta. O padrão de fluxo foi determinado numericamente com a utilização de um software comercial. Foi demonstrado que o ângulo entre a entrada do fluxo principal e o tronco braquiocefálico pode induzir a uma incidência de um jato incidente na parede da aorta, ocasionado áreas de recirculação na região posterior do jato, além de altos valores de pressão e tensão cisalhante. Os presentes achados hemodinâmicos podem estar relacionados com o remodelamento da aorta ascendente. / [en] Arterial aneurysmal is defined as an excessive dilation of the normal diameter of an artery. Ascending aortic aneurysm is generally asymptomatic, so it is often accidentally identified during routine imaging examinations. After the aneurysm has been identified, if there is no surgical indication, the patient should be followed adequately, since arterial rupture can be fatal. The influence of blood flow on aortic remodeling is an important area of investigation. The aim of this study is to identify hemodynamic patterns in ascending aortic aneurysms that may be related to aneurysm enlargement. Each patient in the study was evaluated at two different times. A three-dimensional model of the ascending aortic aneurysm was generated for each patient from aortic angiotomography examinations. The flow field was numerically determined with a commercial software. It has been shown that the angle between the entrance of the main flow and the brachiocephalic trunk can induce an incident jet on the aortic wall, causing areas of recirculation in the posterior region of the jet, besides high values of pressure and wall shear stress. The present hemodynamics findings may be related to remodeling of the ascending aorta.

El presente trabajo de tesis es motivado por la necesidad de contribuir con la mejora y optimización de nuevos diseños, en la fabricación de tanques agitadores, que permitan minimizar el tiempo de operación, incrementar la eficiencia de mezcla y disminuir los costos de fabricación. El lector encontrará dentro de este trabajo una breve explicación de las generalidades técnicas en tanques agitadores, números adimensionales utilizados en mezcla, ecuaciones matemáticas que gobiernan el comportamiento de los fluidos, estadísticas de mallado, así como la descripción de los principales modelos de turbulencia en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Una gran parte del tiempo de este proyecto se dedicó a proponer un procedimiento para simular y mostrar el comportamiento del flujo dentro de un tanque agitador vertical con superficie libre; para ello se utilizó el software Ansys versión 14.0 (herramienta computacional de simulación de CFD) considerando la interacción impulsor-deflector, flujo turbulento, fluido newtoniano, simulación bifásica, régimen estacionario y un impulsor PTB (turbina de paletas rectas inclinadas 45°) de cuatro álabes. Luego, los resultados obtenidos de la simulación, tomando como principal variable los modelos de turbulencia k-Epsilon, k-Omega o Shear Stress Transport (SST), fueron comparados, en base a la curva de potencia (Re vs Np) para este el tipo impulsores, con los resultados experimentales proporcionados por la empresa, fabricante de agitadores, Chemineer. El modelo de turbulencia SST resulto ser el más adecuado para este tipo de caso de estudio por presentar un error menor al 8% en la comparación con las curvas de potencia; con lo cual, podemos concluir que el presente trabajo nos propone un procedimiento válido para simular y mostrar el comportamiento del flujo que se produce en un tanque agitador vertical de impulsor PTB con superficie libre y régimen estacionario mediante el software Ansys versión 14.0.

El presente documento detalla la variación de las condiciones de trabajo que se obtiene al modificar la geometría de las vías de agua de las brocas de perforación diamantinas, las cuales son utilizadas como herramientas de corte durante los procesos de perforación. En la primera etapa de la investigación, el análisis de la problemática se realiza mediante simulaciones numéricas, siendo el alcance la comparación de las características fluido-dinámicas del flujo de enfriamiento tanto de las brocas con vías de agua estándar (radiales), como de las brocas con las vías de agua modificada (con un ángulo de inclinación). Posteriormente, con el objetivo de probar el desempeño de las brocas y el desgaste que se presenta en cada geometría, se realizaron ensayos experimentales (ensayos de perforación) en las instalaciones de la empresa Boyles Bros Diamantina. En esta etapa, es importante mencionar que la empresa dispuso de una máquina de perforación y de un área de sus instalaciones para el desarrollo de las pruebas experimentales. Finalmente, según los resultados obtenidos, se logra verificar que la modificación de la geometría de vías de agua influye en el desempeño de la broca de perforación de manera positiva. En el caso de la simulación numérica se observa un desarrollo del fluido más eficiente, con vectores de velocidad de mayor magnitud y con zonas de intensidad de turbulencia más uniformes, lo cual se traduce en una mejor capacidad de enfriamiento de la broca de perforación. En cuanto a los resultados de los ensayos experimentales, se observó una reducción aproximada del desgaste de la corona de 54 % durante los primeros 25 metros de perforación, así como un menor desgaste del casquillo de acero producto de una mejor evacuación de detritos (conglomerado de partículas rocosas y partículas de la matriz de la broca). Estos resultados demuestran que el diseño propuesto de vías de agua inclinadas es una alternativa viable con grandes beneficios, pues proporciona una mayor eficiencia en la capacidad de enfriamiento, y reduce tanto el calentamiento de la broca como la ductilidad de la matriz metálica, lo que en consecuencia permite disminuir las posibilidades de desgaste prematuro de la matriz y del casquillo de acero, lográndose mayores metrajes de perforación.

El objetivo principal de la presente tesis es presentar un procedimiento que permita calcular las deformaciones y tensiones residuales que se producen en las tuberías en el proceso de soldadura. Este análisis se realiza mediante simulación numérica, basada en el método de los elementos finitos y para ello se utilizan las herramientas del software ANSYS. El procedimiento considera los parámetros del proceso de soldadura, las dimensiones de las tuberías y de la junta, las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del material, dependientes de la temperatura y las condiciones de contorno, tanto térmicas como estructurales. Se aplicó la técnica del birth and death o técnica del elemento quieto para modelar la deposición del material de aporte. Asimismo, se empleó el modelo del doble elipsoide de Goldak para simular el efecto de la fuente de calor. En primer lugar, se resuelve el problema térmico y se obtiene un campo de temperaturas para cada paso de tiempo. Los resultados obtenidos son los datos de entrada para la solución del problema estructural, es decir, para determinar las tensiones residuales y deformaciones, ya que éstas se producen debido a los cambios de temperatura durante la soldadura. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con datos de resultados experimentales disponibles en la literatura para validar el procedimiento. Se observa que los resultados obtenidos por simulación tienen una correlación cercana con los resultados experimentales. Finalmente, se aplicó el procedimiento a un caso de estudio, la soldadura en un gasoducto. Se obtuvieron resultados de temperaturas, de tensiones residuales axiales y circunferenciales y de deformaciones axiales. Los resultados de las tensiones residuales se compararon con los valores estimados según la norma API 579 / ASME FITNESS FOR SERVICE y demuestran que el procedimiento desarrollado en la presente tesis puede ser utilizado como una herramienta alternativa en el diseño y el control de la integridad de uniones soldadas en gasoductos basados en normas.

Los tanques agitadores son ampliamente utilizados en diferentes industrias, en donde la eficiencia de las operaciones de mezclado tiene un impacto tanto en los costos como en la calidad del proceso, si a esto se le añade que para poder mantener la competitividad en el mercado, el tiempo de desarrollo del producto debe ser el menor posible y a un bajo costo, por ese motivo es necesario optar por nuevas formas para realizar nuevos diseños. En muchas empresas fabricantes de gran envergadura, el uso software de optimización se está convirtiendo en una herramienta ideal para conseguir estos objetivos. En este trabajo se utilizó las herramientas computacionales ANSYS CFX, MECHANICAL y DESIGN EXPLORATION para realizar una metodología que permita realizar la simulación numérica tanto a nivel de fluidos y estructural como para realizar la optimización de un modelo de tanque agitador. Para la elaboración de este procedimiento se optó por variar en un rango determinado ciertos parámetros geométricos y de funcionamiento. En el estudio fluido dinámico se trabajó tres fluidos: agua, metanol y aire, en donde los dos primeros se modelaron como “multicomponentes” es decir como fluidos miscibles, mientras que la interacción con el aire se modelo como “superficie libre”. Para esto, se utilizó el modelo de turbulencia SST (Shear Stress Transport), el cual demostró en un estudio anterior ser el que más se ajusta al ser contrastado con resultados experimentales, además se empleó los modelos de “marco de referencia móvil (MRF)” y de “Frozen Rotor” para tratar la interacción entre las partes móviles (rotor) y partes estáticas (tanque y deflectores). Para el análisis estructural se utilizó la metodología de interacción fluido-estructura (FSI) del tipo “unidireccional (one-way)” para determinar los esfuerzos y deformaciones en cada diseño. Finalmente, se utilizó el método de la superficie de respuesta (RSM) como base para la optimización, donde se utilizó un algoritmo estocástico (MOGA) como buscador de soluciones óptimas en el modelo del tanque agitador parametrizado, el cual consta de tres variables de entrada (ángulo de alabe, altura de impulsor y velocidad de rotación) y dos funciones objetivos: maximizar grado de mezcla y minimizar la potencia consumida. El presente estudio demuestra que la velocidad y el ángulo son los parámetros más incidentes en las funciones objetivas mencionadas anteriormente y que al variar estos parámetros se pueden obtener mejoras significativas en los resultados. En este estudio en particular se encontró que el ángulo de 60 grados y una altura de 300mm con respecto al tanque, mejora en un 8% y 36% el consumo de potencia y grado de mezcla respectivamente, para las configuraciones del tanque dadas.