En el presente trabajo se estudia la propagación de frentes químicos sujetos a la inestabilidad de Rayleigh- Taylor. El flujo convectivo es modelado utilizando la ecuación de Navier-Stokes. Los resultados serán comparados con los obtenidos con la ley de Darcy. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se presenta cuando dos uidos de distintas densidades separados por una delgada interfaz plana se vuelve inestable debido al gradiente de densidades que ocurre cuando el fluido más denso esta encima del menos denso y bajo la acción de la gravedad. Se consideran fluidos con las siguientes condiciones: inmiscibles, incompresibles e irrotacionales. Para describir el frente de propagación hemos utilizado la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky(K-S) acoplada con la ecuación de Navier-Stokes para la evolución del ujo de convección. La solución de la ecuación (K-S) ofrece una rica variedad de comportamiento espaciotemporal: frentes planos, frentes simétricos o asimétricos, frentes oscilantes y caóticos. El análisis de estabilidad lineal muestra regiones de bi-estabilidad para diferentes números de Rayleigh. / In the present work, the propagation of chemical fronts subject to Rayleigh-Taylor instability is studied. Convective ow is modeled using the Navier-Stokes equation. The results will be compared with those obtained with Darcy's law. Rayleigh-Taylor instability occurs when two fluids of different densities separated by a thin at interface becomes unstable due to the density gradient that occurs when the densest fluid is above the less dense and under the action of gravity. They are considered uid with the following conditions: immiscible, incompressible and irrotational. To describe the propagation front we used the Kuramoto-Sivashinsky equation (K-S) coupled with the Navier-Stokes equation for the evolution of the convection ow. The solution of the equation (K-S) offers a rich variety of space-time behavior: at fronts, symmetrical or asymmetric fronts, oscillating and chaotic fronts. The linear stability analysis shows regions of bi-stability for different Rayleigh numbers. / Tesis

Actualmente, la investigación en el sector energético se encuentra en continuo desarrollo. Asimismo, el número de ingenieros diseñadores de centrales hidroeléctricas aplicables a las condiciones del Perú está en aumento, lo cual se evidencia en la ampliación de nuevos proyectos hidroeléctricos. Sin embargo, solo se ha explotado un 5% del potencial hidroenergético en el país. Por ello, para contribuir con la investigación, la presente tesis propone 3 aspectos a considerar en el plan de diseño de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas de agua fluyente para una etapa de prefactibilidad: un análisis económico de los costos para la optimización del diámetro, un conjunto de simulaciones fluido-dinámicas mediante el uso del software ANSYS, y un predimensionamiento de las estructuras que componen la tubería forzada. El análisis económico de la tubería forzada se centra en definir el diámetro óptimo de diseño mediante dos métodos: el método tradicional (Mosonyi, 1965) y el nuevo método detallado que propone la presente tesis. El primero consiste en una comparación de costos anuales entre las partidas de mantenimiento y costo de energía no vendida. El segundo método consiste en la comparación de costos de inversión de diferentes variables entre los cuales se pueden encontrar los costos de equipamiento hidromecánico, concreto, transporte, excavación, montaje, bajo dimensionamiento y mantenimiento. Estos factores mantienen una relación directa con el diámetro que se le asigne a la conducción a presión por lo que se pueden estimar costos en función a dicho diámetro para establecer el diámetro óptimo. Con respecto a las simulaciones fluido-dinámicas, el software ANSYS permite estudiar los efectos que se presentan frente a disminución del diámetro que solo se había analizado mediante la teoría básica de la mecánica de fluidos. Mencionado estudio brinda una justificación más sólida al análisis económico ya que presente el mismo nivel de precisión que los modelos realizados a escala. En síntesis se podrá corroborar y dar mayor alcance a los criterios empleados en el análisis económico. Después de establecer el diámetro óptimo, se elaboran los diseños de las diferentes estructuras que componen la tubería forzada. Entre ellas se encuentran los machones verticales, bloques de apoyo, juntas de expansión, abrazaderas, anclajes y espesor de la tubería. Se exponen los criterios que se deben tener en cuenta para dimensionar cada una de las partes de la conducción a presión. El diseño es realizado a un nivel de pre-factibilidad, es decir, se omiten los cálculos correspondientes a la ingeniería de detalle, pero se establecen cálculos y consideraciones necesarios para establecer una geometría adecuada. / Tesis

El abordaje experimental se presenta como la primera mejor opción para el estudio de fenómenos físicos complejos. Este es el caso de las vibraciones generadas por flujo bifásico gas-líquido en tubo, donde una mezcla inmiscible de dos fluidos fluye en diversas configuraciones espaciales a través de un tubo induciéndole vibraciones. En la práctica, ese fenómeno es parte intrínseca de muchos procesos en industrias como la nuclear, petróleo y gas, refrigeración y generación de potencia. Instalaciones experimentales debidamente diseñadas para el estudio de este fenómeno son necesarias. Así, se presenta el diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico gas-líquido orientado al estudio de vibraciones inducidas por flujo. Se discuten aspectos hidráulicos y estructurales. Se propone una novedosa metodología para la estimación de la presión de diseño, basada en un análisis fenomenológico. También se presentan criterios provenientes del código ASME B31 y de la práctica industrial para la evaluación de la integridad del tubo como elemento estructural. La metodología y los criterios citados fueron aplicados al caso de un tubo PVC Ø1” Sch.40 con agua y aire simulando las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Con los resultados obtenidos, los parámetros de selección de los equipos de bombeo y de aire comprimido fueron discutidos y un dimensionamiento fue realizado. La evaluación de costos arrojó un monto de S/. 120 371.2 para el valor total del proyecto, donde 12.8% representó la mano de obra para las etapas de diseño y construcción. El presente diseño garantiza la experimentación de flujo bifásico gaslíquido con confiabilidad y seguridad. Sus directrices podrían auxiliar en la concepción, diseño y construcción de bancos experimentales para el estudio de flujo bifásico en diversas condiciones. / Tesis

El presente trabajo de investigación está enfocado en realizar el estudio de las cargas fluctuantes generadas por el movimiento rotacional del conjunto eje-impulsor en un agitador vertical, a partir de los datos obtenidos del estudio fluido-dinámico en régimen transitorio del sistema utilizando simulación numérica. Este estudio se basa en la problemática del movimiento oscilatorio presente en el eje durante la operación del equipo. Para lograr este objetivo, se utilizó la metodología MRF (movil reference frame) utilizada en investigaciones precedentes de sistemas agitados. En primer lugar, los resultados obtenidos a partir del análisis numérico, utilizando el software ANSYS, fueron validados con las pruebas realizadas en el laboratorio. Estas pruebas fueron realizadas con un modelo a escala que cumple con todas las especificaciones técnicas de un análisis dimensional. Las variaciones presentes en el análisis son inferiores al 12% lo que comprueba el correcto trabajo realizado en el sistema numérico. Una vez realizada la validación y el estudio de las cargas dinámicas, se pueden obtener conclusiones que permiten cuantificar efectos pocas veces tomados en cuenta como el comportamiento de las cargas generadas en cada uno de los álabes, este efecto es bastante estable a lo largo del tiempo debido a que cada uno de los álabes aplica esfuerzos cortantes al fluido generando campos turbulentos a lo largo de su recorrido. Por lo tanto, la frecuencia de aplicación de las cargas coincide con la frecuencia del movimiento rotacional del eje. Una vez cuantificado este efecto, se determina que el álabe tiene un factor de seguridad cercano a la unidad cuando se lo verifica utilizando la teoría debido a la fatiga, lo cual exige un mayor análisis y cuidado durante su diseño. Además, se comprueba que el impulsor tiene una frecuencia cuyo valor es exactamente el triple de la frecuencia a la que gira el eje y el comportamiento de sus cargas está relacionado con su número de álabes. A su vez, mediante la verificación del cálculo de la falla debido a la fatiga se demuestra que el sistema está sobredimensionado excesivamente cuando se analiza el eje. / Tesis

En los últimos años en el territorio peruano, la importación de productos agropecuarios con valor agregado ha ido incrementando y de la misma forma la exportación de materia prima vegetal y esto genera que los productos importados resulten más caros que los productos exportados. Esto se debe a que en el Perú no se ha difundido tecnologías que permitan dar un valor agregado a los productos agrícolas. Una de las tecnologías que ha demostrado tener un buen rendimiento en la obtención de productos con valor agregado, es la llamada Extracción por fluido Supercrítico (SFE). La presente tesis es un aporte para el desarrollo de tecnología en extracción por fluido supercrítico, para esto se ha echo el diseño de la automatización de una planta piloto de extracción por fluido supercrítico utilizando CO2 como solvente. El CO2 es el elemento que debe llegar al estado supercrítico del cual se aprovechan las propiedades de disolvente y alta penetrabilidad, se ha trazado el circuito termodinámico en forma circular para conseguir reutilizar el CO2, el punto de operación del fluido en estado supercrítico se ha definido en 145 bares y 40 C. Con el ciclo termodinámico de nido se diseñó la parte eléctrica e de instrumentación considerando el diseño mecánico de los trabajos realizados en la Universidad Guelph de Canadá y la Pontificia Universidad Católica del Perú. La planta piloto está diseñada para operar de forma automática por medio del controlador industrial PLC-1200 de Siemens. el proceso inicia en el tanque que almacena CO2 líquido el cuál sirve de fuente para la bomba de presurización, luego a su salida existe un intercambiador de calor que incrementa la temperatura del CO2 para alcanzar el estado supercrítico, con esto se realiza extracción del extracto de la materia prima, luego atraviesa el tanque de separación donde se obtiene el extracto libre del solvente y finalmente se recupera el CO2 gaseoso mediante un condensador que lo lleva al estado líquido. Finalmente se ha diseñado una interfaz hombre maquina para que el personal especializado pueda definir los diferentes puntos de operación de forma segura, el diseño contempla la seguridad funcional del programa y del entorno. / Tesis

Surface tension driven convection affects the propagation of chemical reaction fronts in liquids. The changes in surface tension across the front generate this type of convection. The resulting fluid motion increases the speed and changes the shape of fronts as observed in the iodate-arsenous acid reaction. We calculate these effects using a thin front approximation, where the reaction front is modeled by an abrupt discontinuity between reacted and unreacted substances. We analyze the propagation of reaction fronts of small curvature. In this case the front propagation equation becomes the deterministic Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation with the addition of fluid flow. These results are compared to calculations based on a set of reaction-diffusion-convection equations. / Tesis

La presente tesis tuvo como objetivo estudiar frentes de reacción modelados mediante la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky sujetos a diferentes tipos de movimiento de fluido: flujo externo de Poiseuille, el cual es contrastado con el flujo de Couette, y flujo convectivo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. En el primer caso, los frentes se propagan a favor o en contra de un flujo estacionario bidimensional entre dos placas paralelas que se conoce como flujo de Poiseuille. Para pequeñas distancias entre las placas, encontramos frentes estacionarios que pueden ser planos, simétricos o asimétricos, dependiendo de la separación de las placas y de la velocidad promedio del fluido externo. Adicionalmente, descubrimos que los frentes simétricos estables que se propagan en sentido opuesto al flujo simétrico externo se vuelven asimétricos al incrementar la rapidez del flujo externo. En el caso del flujo externo de Couette, el flujo es producido por el movimiento de dos placas paralelas en sentidos opuestos. Hallamos que la estabilidad y la forma de los frentes estacionarios dependen de la velocidad relativa entre las placas y de su separación. Estos parámetros desempeñan un papel importante, puesto que pueden convertir frentes inestables en estables. En el último caso, las inestabilidades en el frente producidas cuando un fluido más denso se encuentra encima de un fluido menos denso se conocen como inestabilidades de Rayleigh-Taylor y son causadas por la diferencia de densidades a través del frente bajo la acción de la gravedad. El frente describe la interfaz delgada que separa los fluidos de diferente densidad dentro de dos placas paralelas verticales; mientras que la convección causada por las fuerzas de flotación a través de la interfaz delgada determina el flujo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Para el estudio de los efectos del flujo externo sobre los frentes de reacción, primero obtuvimos los frentes y luego realizaremos un análisis de estabilidad lineal para determinar la estabilidad de los frentes bajo los tres tipos de movimiento del fluido. La forma de los frentes y sus respectivas regiones de estabilidad fueron contrastadas con los frentes en ausencia de flujo externo. Los resultados de la investigación fueron publicados en tres revistas internacionales arbitradas e indexadas: Physical Review E (2012), Chaos (2014), y European Physics Journal (2014). Adicionalmente, la tesis presenta resultados para frentes oscilantes y sus transiciones al caos debido a la interacción del frente de reacción con los flujos externos antes mencionados. / Tesis

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Matemática, 2018. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP-DF). / Neste trabalho estudamos escoamentos de fluidos magnéticos em uma cavidade com paredes móveis. Propomos uma formulação vorticidade-função de corrente para resolver o escoamento e a equação de evolução da magnetização. As equações que regem o escoamento foram discretizadas utilizando o método de diferenças finitas. Identificamos os principais parâmetros físicos adimensionais do problema como o número de Reynolds, coeficiente de pressão magnético, tempo de relaxação magnética, magnetização de saturação e a intensidade adimensional do campo aplicado. O campo magnético é gerado por um fio condutor pelo qual passa uma corrente elétrica permanente. O fluido é considerado fracamente magnetizável e o campo magnético é localmente constante. Desta forma, o limite magnetostático das equações de Maxwell é satisfeito fracamente. Com esta geometria bem conhecida estudamos os efeitos de cada um dos termos da equação da magnetização no escoamento. Vimos que o termo convectivo da equação da magnetização transporta fluido magnético no escoamento causando mudanças na magnetização local do fluido no regime permanente. O termo da vorticidade intensifica os desvios angulares da magnetização e verificou-se que o termo precessional é um termo restaurador da magnetização. A fim de obter escoamentos com distribuições de velocidades e vorticidade mais intensas em toda a cavidade, estudamos várias configurações de paredes móveis na cavidade e observamos mudanças cada vez mais significativas no regime permanente quanto mais paredes se moviam. Observou-se que para altos valores do coeficiente de pressão magnética, os escoamentos na ausência do termo precessional, ou seja, para fluidos magnéticos simétricos, o regime das equações governantes não são mais permanentes estacionários, e sim periódicos. Além disso, o aumento do coeficiente de pressão magnética nos leva a regimes aperiódicos. Finalmente, simulações preliminares com campo homogêneo foram realizadas na tentativa de isolarmos os efeitos do termo de precessão na equação da magnetização e do termo de torque magnético no rotacional da equação de Navier-Stokes. / In this work we studied flows of magnetic fluids in a lid driven cavity. We proposed a vorticity-streamfunction formulation to solve the flow and an evolution equation for the magnetization. The equations governing the flow are solved using a finite differences scheme. We identified the main dimensionless physical parameters of the problem as the Reynolds number, magnetic pressure coefficient, magnetic relaxation time, saturation magnetization and the dimensionless intensity of the applied field. The magnetic field is generated by a conductive wire through which a permanent electric current passes. The fluid is considered weakly magnetizable and the magnetic field is locally constant. In this way, the magnetostatic limit of Maxwell's equations is satisfied weakly. With this well-known geometry we study the effects of each of the terms of the magnetization equation in the flow. We have seen that the convective term of the magnetization equation carries magnetic fluid in the flow causing changes in the local magnetization of the fluid in the steady state. The vorticity term intensifies the angular deviations of magnetization and it has been found that the precessional term is a magnetization restoring term. In order to obtain flows with more intense distributions of velocities and vorticity throughout the cavity, we studied several configurations of moving walls in the cavity and observed more and more significant changes in the permanent regime as more walls moved. It was observed that for high values of the magnetic pressure coefficient, flows in the absence of the precessional term, that is, for symmetrical magnetic fluids, the steady state regime of the flow is not stationary, but periodic. In addition, the increase in the magnetic pressure coefficient leads us to aperiodic regimes. Finally, preliminary simulations with homogeneous field were performed in an attempt to isolate the effects of the precession term on the magnetization equation and the magnetic torque term in the rotational of the Navier-Stokes equation.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). / Neste trabalho estudamos escoamentos parabólicos e elípticos de fluidos magnéticos a partir de simulações numéricas, utilizando o problema da camada limite laminar sobre placa plana e o problema de convecção termomagnética dentro de uma cavidade delgada como estudos de caso. Em cada caso, investigamos diferentes aspectos relativos a interação entre os campos das variáveis eletromagnéticas e hidrodinâmicas dos problemas abordados. No problema da camada limite, exploramos os efeitos do acoplamento entre o campo de vorticidade e magnetização. Inicialmente, atacamos o problema de maneira heurística via análise de escalas, com o objetivo de estimar a ordem de magnitude de cada termo presente nas equações governantes e simplificar o sistema de equações. As equações da camada limite e da magnetização são resolvidas numericamente a partir do método das diferenças finitas, utilizando um esquema de discretização apropriado para solução de problemas parabólicos do tipo Crank-Nicolson. Por fim, estudamos a influência dos parâmetros adimensionais sobre a força total exercida sobre a parede e sobre a espessura da camada limite, comparado os resultados numéricos com uma solução assintótica. No problema de convecção termomagnética interna, investigamos o processo convectivo induzido pela estratificação do campo de magnetização em função da distribuição de temperatura. Para solução numérica do sistema de equações, utilizamos uma formulação de acoplamento pressão-velocidade baseada no método de projeções de segunda ordem no tempo. As soluções encontradas são comparadas com benchmarks disponíveis na literatura e com resultados anteriores obtidos pelo grupo. Analisamos os efeitos das condições de contorno magnéticas sobre o número de Nusselt local e global para diferentes combinações entre números de Prandtl e Rayleigh. / In this work we study the parabolic and elliptical flows of magnetic fluids via numerical simulations, using the laminar boundary layer on flat plate and the problem of thermomagnetic convection inside a thin cavity as case studies. In each case, we investigate different aspects related to the dynamics of magnetic fluids. In the boundary layer problem, we explore the coupling effects between the vortex field and the magnetization field. We first tackle the problem heuristically via scaling analysis, in order to estimate the order of magnitude of each term present in the governing equations and to simplify the system of equations. The boundary layer and magnetization equations are solved numerically from the finite difference method using an appropriate Crank-Nicolson discretization scheme to solve parabolic problems. Finally, we study the influence of the dimensionless parameters on the total force exerted on the wall and on the thickness of the boundary layer, comparing the numerical results with an asymptotic solution. In the internal thermomagnetic convection problem, we investigated the convective process induced by the stratification of the magnetization field as a function of the temperature distribution. For the numerical solution of the system of equations, we use a pressurevelocity coupling formulation based on a second order projection method. The solutions found are compared with benchmarks available in the literature and with previous results obtained by the group. We analyzed the effects of magnetic boundary conditions on local and global Nusselt numbers for different combinations of Prandtl, Rayleigh numbers and aspect ratios.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. / Nos últimos tempos o Brasil vem desenvolvendo um crescimento significativo em diferentes campos da indústria. Isto tem gerado a necessidade de novas e diferentes obras civis as quais trazem importantes desafios para a engenharia brasileira. Centrais nucleares, oleodutos, gasodutos, adutoras de barragens e outras construções de grande porte são alguns dos projetos que requerem a utilização de sistemas hidráulicos de diferentes tamanhos, materiais e dispositivos que variam de acordo com os requisitos e utilidades. A análise de escoamentos em regime transiente é um dos principais itens no planejamento de projetos de sistemas de transportes de fluidos (líquido e/ou gás). O aumento das pressões nas tubulações pode gerar risco no funcionamento normal das mesmas, gerando danos parciais ou totais (onde se inclui o colapso do sistema), trazendo graves consequências como: contaminação do ambiente, perdas econômicas ou ainda a perda de vidas humanas (explosão de sistemas com líquido inflamável). A abordagem consiste em estudar o fenômeno transiente em dutos forçados através da análise das ondas de pressão do fluido utilizando o Método das Características onde a solução se procedeu mediante o método das diferenças finitas. Tais métodos foram desenvolvidos no programa computacional TRANSPETRO-1D (Nascimento, 2002) no qual se fizeram algumas implementações de acordo as investigações realizadas. Para este trabalho, foram executadas simulações com o intervalo de valores de cada uma das principais propriedades mecânicas e físicas do duto e do fluido, juntamente com as condições de contorno envolvidas no sistema, tais como válvulas, inclinação do duto, chaminé de equilíbrio, entre outras. Os resultados obtidos mostraram boa concordância com as formulações analíticas e dados experimentais encontrados na literatura. / In recent times, Brazil has experienced significant growth in different industrial fields. This has created the need for new and different civil works presenting important challenges to the Brazilian engineering. Nuclear power plants, pipelines, gas pipelines, hydroelectric power plants and other major buildings are some of the projects that require the use of hydraulic systems of different sizes, materials and devices that vary according to the requirements and utilities. The flow analysis in transient regime is one of the main items in the planning of fluid transport systems projects (liquid and / or gas). Increased pressure in the pipes can generate risk in the normal functioning, generating partial or total damage (system breakdown). This can result in serious consequences such as economic loss, environmental pollution, or the loss of human lives (explosion systems with flammable liquid). The present numerical study of transient phenomenon in forced ducts. The study fluid pressure waves by characteristics method. The numerical solution was carried out by the finite difference method. Such methods have been developed in the computer program TRANSPETRO-1D (Nascimento, 2002) according to investigations some implementations were made in this. The present work, simulations were performed with the range of values of each of the main mechanical and physical properties of the fluid and duct and together with the boundary conditions involved in the system such as valves, tilt duct, surge tank, among others. The results supported the analytical formulations and experimental data in the literature.