Neste trabalho foi realizada uma investigação da pós-descarga de nitrogênio utilizando técnicas de espectroscopia de emissão. A pressão foi variada de 2 a 8 Torr, o fluxo de 300 a 950 sccm e a corrente da descarga de 20 a 45 mA. A temperatura do gás foi determinada através do espectro do Primeiro Sistema Positivo do Nitrogênio e variou de 300 a 700 K. A velocidade de escoamento do gás variou de 400 a 2400 cm/s e a temperatura vibracional variou de 2000 a 12000 K. A densidade do átomo de nitrogênio no estado fundamental N(4S0) foi determinada através da influência da predissociação inversa no espectro do Primeiro Sistema Positivo. A perturbação no espectro do Segundo Sistema Positivo, pela predissociação inversa, foi empregada para medir a densidade do estado metaestável N(2D0). Em nossas condições experimentais a densidade do átomo no estado metaestável variou de 3% a 6% da densidade do átomo no estado fundamental. Esta elevada densidade deve ser levada em conta no modelamento da pós-descarga.

Emulsões são sistemas complexos e termodinamicamente instáveis e o objetivo de todo formulador de emulsões é estabelecer critérios técnicos na escolha dos componentes da mistura para atingir a estabilidade cinética. Nesse sentido, a reologia vem se apresentando como uma ferramenta promissora, pois permite avaliar o comportamento de fluídos e, assim, predizer muitas características de sistemas, como: estabilidade, aspectos sensoriais, parâmetros de processamento, entre outros. Esta dissertação de mestrado tem como objetivo estudar a estabilidade de emulsões aditadas com três diferentes emulsionantes - catiônico (cloreto de diestearildiamônio), não-iônico (estearato de glicerina+estearato de PEG-100) e aniônico (cetilfosfato de potássio) - em uma mesma fórmula-base, condicionadas em diferentes tempos e temperaturas. A avaliação das amostras é realizada por meio de análises reológicas e de determinação de tamanhos de partículas (gotículas) e de pH. Os dados dessas análises são correlacionados com resultados de ensaios sensoriais. Os resultados obtidos mostram que os aspectos químicos dos emulsionantes e suas concentrações contribuem diferentemente na estabilidade da emulsão, sendo que a emulsão mais estável foi a obtida pelo uso de 3%, em massa, do emulsionante catiônico. A correlação dos dados oriundos das análises reológicas, com os obtidos nos ensaios sensoriais, mostra boa concordância, permitindo concluir que o uso da reologia na predição de estabilidade de emulsões é confiável, diminuindo custos e tempo de desenvolvimento de produtos.

A turbina de Tesla originalmente construída por Nikola Tesla em 1913 é uma turbina sem lâminas, passiva e de impulsão. Essas características chamaram a atenção para a sua potencial aplicação em ciclos térmicos que funcionem no espaço aumentando sua eficiência.o O primeiro estudo desta turbina realizado dentro do projeto TERRA foi realizado pelo autor desta dissertação como projeto de Iniciação Científica no ano de 2008. E desde então o projeto TERRA vem estudando novas técnicas de desenvolvimento de turbinas de Tesla. Em 2012 iniciou um estudo do comportamento de uma turbina de Tesla operando em um ciclo térmico fechado. Os resultados deste estudo são apresentados e discutidos nesta dissertação. Ainda em 2012 foi desenvolvido um novo modelo de turbina de Tesla pelo autor. Esse modelo foi denominado de Turbina Passiva Multi Fluidos - TPMF. Um pedido de patente foi depositado junto ao INPI para esse novo modelo de turbina. Esse novo modelo também é apresentado e discutido nessa dissertação.

Esta Tese tem como foco a manufatura sustentável de produtos e processos. Considera, neste sentido, que muitas são as informações e critérios que devem ser levados em consideração para que a produção de bens de consumo alcance o princípio da manufatura sustentável. A contribuição desta tese é o desenvolvimento de um Método de Avaliação do Índice de Sustentabilidade (MAIS), utilizado para medir o grau de sustentabilidade sob os aspectos tecnológicos, econômicos, ambientais e sociais, de produtos e processos em sistema produtivos de bens de consumo. O Método (MAIS) é baseado no conhecimento apresentado na literatura contemporânea sobre o tema que se deseja avaliar e compara com o conhecimento elicitado de pesquisadores e especialistas sobre esta temática, utilizando a técnica de Mapas Conceituais. Contempla, ainda, experimentos laboratoriais baseados nas variáveis consideradas mais importantes para a avaliação do Método de Avaliação do Índice de Sustentabilidade (MAIS), bem como a determinação dos pesos de cada indicador individual, do grau de intensidade de cada indicador para posterior normalização de seus valores e geração do Índice de Sustentabilidade (IS), como resultado. Para a aplicação e avaliação do Método (MAIS) proposto utiliza-se a temática de utilização do fluido de corte na manufatura sustentável. O Método de Avaliação do Índice de Sustentabilidade (MAIS) desenvolvido apresenta-se como uma ferramenta metodológica versátil em relação as variáveis que se deseja analisar e pode ser utilizado pelos tomadores de decisão dos mais diversos setores industriais, na obtenção do grau de sustentabilidade de produtos e processos de sistemas produtivos. Fornece ainda, informações sobre quais as variáveis devem ser analisadas e melhoradas para o alcance da manufatura sustentável.

Large Eddy Simulations (LES) are performed to study flows with adverse pressure gradients (APG) produced by different two-dimensional bumps profiles installed on the bottom wall of a flat channel with parallel plates. An initial study considers a bump profile for which previous direct numerical simulation (DNS) results are available at the Reynolds number Re? = 617, based on the channel inlet friction velocity. The results obtained showed that LES is an adequate methodology for that type of simulation, being capable of reproducing accurately DNS results in terms of mean flow variables, Reynolds stresses profiles and turbulent stresses balances, with refinement levels much coarser than those from DNS. Particularly, LES results reproduce the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses in the adverse pressure gradient regions of both bottom and top walls of the channel which are observed in DNS results and linked to instability modes of the near wall streaks. LES is used to study the same bump profile at higher Reynolds numbers, Re? = 950 and Re? = 2000, and the results obtained are very similar to those at Re? = 617, including the steep increase in wall friction coefficients and strong peaks in Reynolds stresses at the APG region for both attached and mildly separated flows. Additional bump profiles are generated by modifying the rear portion of the initial bump configuration, which is elongated in order to produce a longer adverse pressure gradient (APG) region and promote smoother curvature changes as compared to the original profile. As in previous cases, a steep increment in Reynolds stresses values is observed at the APG region along with an augmentation of skin friction values. LES results indicate that the near wall streaks instability observed in previous DNS is characteristic of adverse pressure gradient regions located downstream of an initial favorable pressure gradient (FPG). All configurations studied with LES are also analyzed by Reynolds-average Navier-Stokes(RANS) computations with various turbulence closures. In all cases analyzed with LES it is observed that in the initial FPG region the streamwise component of the Reynolds stresses is increased while the other turbulent stresses are strongly reduced which creates a pattern analogous to the pre-transitional stages of a laminar boundary layer, which becomes unstable in the APG region. This strong non-equilibrium conditions present a great challenge for RANS models which is approximately captured by models sensitized for laminar-turbulent transition prediction.

Generalizamos o modelo de percolação por invasão de maneira que vários sítios possam ser simultaneamente invadidos. Propomos dois tipos de generalização: na primeira, o fluxo de fluido invasor e controlado através do perímetro do aglomerado, enquanto que na segunda modificação, o crescimento e governado pela relação de escala entre a massa e o raio de giração dos aglomerados. Estudamos cuidadosamente tanto o perfil de aceitação quanto as dimensões fractais (\'D IND.F\') dos aglomerados assim crescidos. No modelo baseado nas relações de escala, \'D IND.F\' pode ser tratado como um mero parâmetro real que pode assumir qualquer valor no intervalo (0, ?). Nos intervalos (0, \'91 SOB.48\') e (2, ?), o sistema e frustrado. Para \'D IND.F\' > 2, o modelo exibe um fenômeno interessante: em algumas etapas ocorrem explosões no crescimento da massa dos aglomerados (bursts). Na região [\'91 SOB.48\',2], os aglomerados obedecem exatamente e em qualquer escala a relação M ~ RgDF entre a massa m e o raio de giração \'RG\'. Acreditamos que estes fractais cuja estrutura completamente e estabilizada possam ser muito úteis no tratamento de problemas de diluição da mecânica estatística. / We generalize the standard site invasion percolation model to permit simultaneous invasion of several sites. We propose two kinds of generalizations: one in which the invasion flux is controlled by the perimeter size and another where the scaling properties command the growth process. The acceptance profile as well as the fractal dimension \'D IND.F\' are carefully studied. In the model based on scaling relation, \'D IND.F\' can be treated as a mere real parameter in the range (0, ?). In the intervals (0, \'91 SOB.48\') and (2, ?) the system is frustrated. For \'D IND.F\' > 2 the model exhibits also an interesting burst phenomenon that is explained in the text. In the region [\'91 SOB.48\',2], the clusters obey exactly and in any scale the relation M ~ RgDF between the mass M and gyration radius Rg. These stable random fractals may be very useful in the study of dilute systems.

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. / Tesis

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. / Tesis

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos. / Tesis

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. / Tesis