Tese de mestr.. Métodos Computacionais em Ciência e Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2000

Dissertação apresentada para obtenção parcial do grau de Mestre em Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluídos, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação na FEUP do Professor Doutor João Bernardo Lares Moreira de Campos, e no ISEP da Professora Doutora Albina Maria de Sá Ribeiro

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Manifiesta como aprender y reconocer las principales variables que intervienen en la selección de un equipo de bombeo, así como conocer las herramientas (programas) que ayudan a la selección de los equipos, también detalla las generalidades de la selección de electrobombas y como son utilizadas en los calderos. La mala elección del equipo puede derivar en cavitaciones, un exceso o insuficiente caudal a la caldera ocasionara un mal funcionamiento de esta. Al igual que si no calculamos la presión necesaria. / Trabajo de suficiencia profesional

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Matemáticas Aplicadas. Ingeniero Civil Matemático / El convertidor teniente es un horno usado en el proceso de purificación del cobre, cuyo funcionamiento se basa en la inyección de aire enriquecido con oxígeno (a través de toberas) en un baño de material fundido, produciendo reacciones indispensables para su depuración y generando energía, la que es aprovechada para mantener los niveles de temperatura adecuados al interior del convertidor. Debido a la inyección de aire se produce un fenómeno de acoplamiento entre el chorro de burbujas y la oscilación presente en la superficie del baño, produciendo un fenómeno de resonancia el cual genera ondas de gran amplitud en la superficie, las que producen desgaste sobre las paredes internas del convertidor. Este desgaste acorta los tiempos de producción, ya que es necesario recubrir con nuevos ladrillos el interior del convertidor.\\ En esta tesis se proponen dos estrategias de control para prevenir y minimizar el oleaje en la superficie. En primer lugar se desarrolla un control retroalimentado con comportamiento robusto. Esta robustez permite el control usando modelos inciertos del sistema original, sin perder rendimiento ni estabilidad.\\ En segundo lugar se propone un control pasivo por medio de un segundo chorro de aire (una segunda tobera) el cual disminuye los modos de oscilación de gran amplitud, disminuyendo la energía de las oscilaciones sobre la superficie. Para ello se modela la interacción que hay entre la excitación de las ondas superficiales y la presencia de inyección de chorros de aire en el baño. Modelando un segundo chorro de burbujas es posible replicar datos experimentales en los que se logra estabilizar el oleaje por medio de una segunda tobera. / Este trabajo ha sido financiado por Codelco a través de la beca PiensaCobre

El estudio presentado trata sobre la modelización del flujo en ventiladores axiales analizando la influencia de ciertos parámetros de diseño, en especial del ángulo de calado de los álabes.Para ello se ha realizado un estudio experimental en un ventilador axial. Una primera fase de este estudio ha consistido en la determinación de las curvas características del ventilador, analizando el efecto sobre ellas de la variación del ángulo de calado, de la solidez y de la velocidad de rotación. A partir de los datos proporcionados por esta fase, se seleccionaron una serie de posiciones del ángulo de calado, y para cada unode ellos, ciertos caudales de funcionamiento próximos al punto de máximo rendimiento. Para todos estos caudales se obtuvieron los campos develocidades a la salida del rodete, para lo cual se desarrolló una metodología experimental basada en la anemometría térmica, que incluyó tanto el diseño, la construcción y la calibración de sondas triples de hilo caliente, como el desarrollo de las técnicas de adquisición y tratamiento necesarias.Además de obtener experimentalmente las características del flujo en un ventilador axial, se ha abordado la modelización numérica del mismo. Se hace un repaso de los distintos modelos de flujo y métodos de resolución utilizados habitualmente en turbomáquinas y se ha elegido una formulación cuasi-tridimensional, calculando el flujo, por un lado, en superficies álabe a álabe, y por otro, en una sección meridional, imponiendo la condición de equilibrio radial a la salida de los álabes. Para el cálculo del flujo deálabe a álabe se ha acoplado un modelo no viscoso, resolviendo las ecuaciones de Euler mediante un método "time-marching" y unadiscretización por volúmenes finitos, con el cálculo de la capa límite por un método integral acoplado al cálculo no viscoso mediante el concepto de la velocidad de transpiración.La modelización numérica realizada se adapta de forma satisfactoria a la estructura de flujo obtenida experimentalmente en las zonas medias e inferiores del canal; el comportamiento global del ventilador es modelizado correctamente, aunque las predicciones teóricas son algo superiores a las evidencias experimentales.

El flujo a través de las tubomáquinas en general y de las bombas centrífugas en particular, presenta componentes no estacionarias, inducidas por distintos tipos de mecanismos, que dan lugar a la excitación de ruido y vibraciones. En el caso de las bombas centrífugas más habituales (con voluta y sin difusor de aletas) destaca el ruido generado a la llamada frecuencia de paso de álabes, como consecuencia de la interacción fluidodinámica entre los álabes y canales del rodete y la voluta, especialmente en la zona de la lengüeta. La magnitud de esta excitación, que es muy dependiente de la geometría y del caudal bombeado, puede resultar excesiva bajo ciertas condiciones de operación, por lo que se trata de un fenómeno de interés tanto científico como tecnológico. La investigación que se presenta ha tenido como propósito general el desarrollo y aplicación de una metodología adecuada para la caracterización de la generación del ruido tonal a la frecuencia de paso de álabes en el interior de una bomba dada, de forma que se pueda identificar y cuantificar la contribución de la interacción fluidodinámica rodete-voluta. Esta investigación se ha desglosado en varias líneas de actuación complementarias, que se indican a continuación. Por un lado se planteó la elaboración de un modelo acústico simple para el cálculo del campo sonoro en el interior de las bombas ante la presencia de una o más fuentes acústicas ideales (monopolos o dipolos). Este modelo acústico permite la modificación arbitraria de la posición de los focos, su potencia sonora (a la frecuencia de paso de álabe) y la fase temporal de emisión de los mismos, admitiendo en todos los casos propagación en modo de onda plana a lo largo de los canales del rodete, de la voluta, del difusor de salida y de las conducciones. Tras contemplar dos modelos diferentes, con distintos grados de complejidad, se optó finalmente por un modelo basado en la descomposición de la voluta en pequeños tramos o elementos, cada uno de ellos equivalentes a un sistema acústico lineal de tres puertos. Por otro lado se llevaron a cabo ensayos en laboratorio sobre una bomba centrífuga con una velocidad específica de 0.47 y un intersticio rodete-voluta del 11.4%, instrumentada con transductores de presión piezoeléctricos, con el objeto de medir la amplitud y la fase de las fluctuaciones de presión a la frecuencia de paso de álabes sobre un amplio número de posiciones a lo largo de la voluta y de los conductos de la bomba. Estas medidas se realizaron para 17 puntos de funcionamiento de la bomba, desde caudal nulo hasta un 160% del caudal nominal, a fin de mostrar el efecto del caudal sobre la magnitud y características del campo de fluctuaciones. Con la misma instrumentación también se realizaron ensayos de caracterización de las propiedades de reflexión sonora de la bomba desde su puerto de impulsión, cuyos resultados se emplearon para contrastar las predicciones de los dos modelos acústicos propuestos y seleccionar el más adecuado. A continuación se procedió a desarrollar un programa general de cálculo que, incorporando un procedimiento para el modelo acústico de la bomba finalmente seleccionado, permite la variación iterativa de las propiedades básicas de las fuentes sonoras ideales, hasta llegar a identificar al grupo de fuentes que proporcionan el mejor ajuste posible entre el campo sonoro predicho y el conjunto de datos experimentales sobre fluctuaciones de presión. En cada caso la bondad del ajuste se ha evalúa por minimización de errores cuadráticos, mediante un coeficiente de determinación definido expresamente para esta aplicación. Este programa general de cálculo se ha aplicado sistemáticamente sobre la bomba de ensayo para cada punto de operación, considerando distintos tipos y números de fuentes ideales. Los resultados indican que la emisión sonora a la frecuencia de paso de álabe se puede aproximar razonablemente a la de dos únicas fuentes ideales situadas en la zona más estrecha de la voluta, confirmando pues que el origen de la emisión estriba en la interacción fluidodinámica rodete-lengüeta. En el caso del rango del caudal nominal así como para caudales elevados, esas dos fuentes ideales son dos dipolos acoplados como un cuadripolo longitudinal, que emite sonido en fase con la pulsación hidráulica (pseudoruido) asociada al paso de los álabes frente a la zona de los dipolos. En cambio, en el caso de caudales menores del nominal esas dos fuentes ideales son monopolos acoplados como un dipolo, que emite sonido con una fase dependiente del vórtice de recirculación de la zona de salida de los canales del rodete. Como era de esperar, tanto a carga parcial como en sobrecarga la magnitud de emisión tiende a aumentar con el alejamiento respecto al caudal nominal de la bomba.

No es frecuente encontrar un campo donde dos ramas principales de la Física estén involucradas. La Magnetohidrodinámica es uno de tales campos debido a que involucra a la Mecánica de Fluidos y al Electromagnetismo. Aun cuando puede parecer que esas dos ramas de la Física tienen poco en común, comparten similitudes en las ecuaciones que gobiernan los fenómenos involucrados en ellas. Las ecuaciones de Navier-Stokes y las ecuaciones de Maxwell, ambas en la raíz de la Magnetohidrodinámica, tienen una condición de divergencia nula y es esta condición de divergencia nula sobre la velocidad del fluido y el campo magnético lo que origina algunos de los problemas numéricos que surgen en la modelación de los fenómenos donde el flujo de fluidos y los campos magnéticos están acoplados.El principal objetivo de este trabajo es desarrollar un algoritmo eficiente para la resolución mediante elementos finitos de las ecuaciones de la Magnetohidrodinámica de fluidos incompresibles.Para lograr esta meta, los conceptos básicos y las características de la Magnetohidrodinámica se presentan en una breve introducción informal.A continuación, se da una revisión completa de las ecuaciones de gobierno de la Magnetohidrodinámica, comenzando con las ecuaciones de Navier-Stokes y las ecuaciones de Maxwell. Se discute la aproximación que da origen a las ecuaciones de la Magnetohidrodinámica y finalmente se presentan las ecuaciones de la Magnetohidrodinámica.Una vez que las ecuaciones de gobierno de la Magnetohidrodinámica han sido definidas, se presentan los esquemas numéricos desarrollados, empezando con la linealización de las ecuaciones originales, la formulación estabilizada y finalmente el esquema numérico propuesto. En esta etapa se presenta una prueba de convergencia.Finalmente, se presentan los ejemplos numéricos desarrollados durante este trabajo.Estos ejemplos pueden dividirse en dos grupos: ejemplos numéricos de comparación y ejemplos de internes tecnológico. Dentro del primer grupo están incluidas simulaciones del flujo de Hartmann y del flujo sobre un escalón. El segundo grupo incluye simulaciones del flujo en una tobera de inyección de colada continua y el proceso Czochralski de crecimiento de cristales. / It is not frequent to find a field where two major branches of Physics are involved. Magnetohydrodynamics is one of such fields because it involves Fluid Mechanics and Electromagnetism. Although those two branches of Physics can seem to have little in common, they share similarities in the equations that govern the phenomena involved. The Navier-Stokes equations and the Maxwell equations, both at the root of Magnetohydrodynamics, have a divergence free condition and it is this divergence free condition over the velocity of the fluid and the magnetic field what gives origin to some of the numerical problems that appear when approximating the equations that model the phenomena where fluids flow and magnetic fields are coupled.The main objective of this work is to develop an efficient finite element algorithm for the incompressible Magnetohydrodynamics equations.In order to achieve this goal the basic concepts and characteristics of Magnetohydrodynamics are presented in a brief and informal introduction.Next, a full review of the governing equations of Magnetohydrodynamics is given, staring from the Navier-Stokes equations and the Maxwell equations. The MHD approximation is discussed at this stage and the proper Magnetohydrodynamics equations for incompressible fluid are reviewed.Once the governing equations have been defined, the numerical schemes developed are presented, starting with the linearization of the original equations, the stabilization formulations and finally the numerical scheme proposed. A convergence test is shown at this stage.Finally, the numerical examples performed while this work was developed are presented. These examples can be divided in two groups: numerical benchmarks and numerical examples of technological interest. In the first group, the numerical simulations for the Hartmann flow and the flow over a step are included. The second group includes the simulation of the clogging in a continuous casting nozzle and Czochralski crystal growth process.