Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-07-12Bitstream added on 2014-06-13T21:07:55Z : No. of bitstreams: 1 reis_lcbs_dr_guara.pdf: 2077045 bytes, checksum: c684f59e0c480f38a02a67965262fcda (MD5) / Nesta tese realizou-se uma análise do escoamento turbulento de gás natural e combustão turbulenta subseqüente, em um queimador industrial com chamas por difusão de um forno de reaquecimento de placas, através de modelagem em computação fluidodinâmica (CFD) em regime permanente para várias condições de carga térmica normais de operação. O forno é equipado com queimadores projetados para a utilização de gás natural e gás de coqueria, alternativamente, através dos mesmos orifícios. O trabalho foi focado em um dos queimadores laterais da zona de preaquecimento do forno de reaquecimento, projetado para formação de movimento rotacional do ar primário de combustão. Valores de vazão volumétrica e de pressão calculados numericamente a montante do queimador para o gás natural, ar primário e secundário de combustão foram validados por medições experimentais. Os resultados da modelagem numérica foram analisados para diferentes modelos de turbulência em termos de perda de carga e perfil de velocidade. Os modelos de turbulência “k-.”, entre eles o “standard”, o RNG e o “Realizable” foram utilizados, e também o Reynolds Stress Model (RSM). Coeficientes de descarga de orifício para o gás natural foram calculados com os valores das propriedades do fluido, resultado da simulação numérica e comparados com método empírico de determinação deste parâmetro. O modelo de combustão turbulenta utilizado foi o Eddy Dissipation Model (EDM). A análise da combustão e da aerodinâmica foi apresentada através dos perfis de temperatura, pressão e velocidade. As temperaturas calculadas pela simulação numérica em região interna do forno, do piso refratário, da parede do queimador e da superfície inferior da placa, foram comparadas com os valores da medição experimental... / This work presents numerical modeling of a turbulent natural gas flow through a non-premixed industrial burner of a slab reheating furnace, in steady state condition for several burner thermal loads. The furnace is equipped with diffusion side burners capable of utilizing natural gas or coke oven gas alternatively through the same nozzles. The study is focused on one of the burners of the preheating zone, designed with swirl device in the primary air nozzle. Computational Fluid Dynamics simulation has been used to predict the burner orifice turbulent flow. Flow rate and pressure at burner upstream were validated by experimental measurements. The outcomes of the numerical modeling are analyzed for the different turbulence models in terms of pressure drop and velocity profiles. The standard, RNG, and Realizable k-. models and Reynolds Stress Model (RSM) were been used. Orifice discharge coefficients for natural gas nozzle were calculated using the fluid properties from numerical simulation and compared with empirical formulation to determine this parameter. The turbulent combustion model used was the Eddy-Dissipation Model. The combustion and aerodynamic analysis was presented through the profiles of temperature, pressure and velocity. The temperatures calculated through the numerical simulation inside the furnace, at the refractory floor, at the burner wall and in the lower surface of the slab were compared to the values of experimental measurements. The main purpose of the numerical investigation is to determine the turbulence model that more consistently reproduces the experimental results of the flow through an industrial non-premixed burner orifice. The comparisons between simulations suggest that all the models tested satisfactorily represent the experimental conditions... (Complete abstract click eletronic access below)

Made available in DSpace on 2014-12-02T11:16:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-01-30Bitstream added on 2014-12-02T11:21:42Z : No. of bitstreams: 1 000750012.pdf: 56043843 bytes, checksum: 65a9d8f4fcf1fadbce747e43b1d073c2 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A utilização de fluido de corte geralmente é considerada uma solução para o aumento da produtividade por atuar na redução do desgaste da ferramenta. Contudo, os custos do sistema, manutenção, descarte e os danos à saúde e ao meio ambiente demandam uma evolução tecnológica sustentável. Alguns métodos de refrigeração, como a usinagem criogênica, o uso da mínima quantidade de lubrificante ou mesmo o corte a seco têm sido estudados, mas o desempenho destes métodos é restrito a condições específicas de usinagem. Esta pesquisa trata da concepção, do desenvolvimento e da análise de um método de um método de refrigeração ambientalmente correto, sem prejuízos à saúde, de simples integração em diversos equipamentos, sem alterar a estrutura das ferramentas de corte e tão ou mais eficiente que a aplicação de fluido de corte. Um porta-ferramentas foi adaptado com um canal interno de refrigeração por onde o refrigerante R141-b fluia e evaparava ao remover calor da ferramenta durante o torneamento, sendo em seguida condensado sem liberação para a atmosfera, criando um circuito fechado. Os resultados do método proposto foram comparados à aplicação convencional de fluído de corte e ao corte a seco no torneamento de aço ABNT 1045, utilizando ferramenta de corte de metal duro sem revestimento, bem como no torneamento do aço austenítico de difícil usinabilidade SAE XEV-F, utilizando-se ferramentas revistidas. Os testes mostraram que o novo sistema proporcionou vidas de ferramentas similares ou superiores às obtidas com fluido de corte e superiores ao corte a seco, sugerindo que a redução na temperatura da ferramenta foi capaz de atenuar os mecanismos de desgaste e as alterações na dureza e resistência do metal duro. No torneamento do aço inoxidável o fluído de corte propiciou a refrigeração e lubrificação do processo, superando o método concebido, já que a baixa condutividade térmica e desgaste... / The use of cutting fluid are generally considered a solution for the increase of productivity, reducing the cutting tool wear. However, the costs of the system, maintenance and disposal of the fluid, besides the damage to health and to the environment, make necessary the development of a sustainable technological evolution. Sme alternatives such as cryogenic machinig, the use of minimum quantity of lubrificant or even the dry cutting have been studied, but the performance of these methods is restricted to specific conditions. This work presents the conception, development and analysis of an environmental ly friendly method of cooling without health hazards, with integration, into several equipments, without changing the structure of the cutting tools and equally or even more efficient than the application of cutting fluid. A toolholder was desined with an internal cooling circuit in which cooling fluid R141-b flows and evaporates when removing the heat from the cutting tool, and then condensed, creating a closed circuit without release to the atmosphere. The results of using the proposed system were compared to conventional application of cutting fluid and dry cutting in turning of AISI 1045, using uncoated carbide, cutting tools, as well as in the turning of difficult to cut austenitic steel SAE XEC-F, using coated cutting tools. The tests indicated that the proposed system provided a tool life similar to cutting fluid application, suggesting that the reduction in temperature of the cutting tool was able to attenuate the wear mechanisms and the changes in hardness and toughness of the comented carbide. During the turning of stainless steel, the cutting fluid led to cooling and lubrification, exceeding the conceived method, since the low thermal conductivity and high abrasion are common when machining this material

Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-06-13Bitstream added on 2015-03-03T12:07:25Z : No. of bitstreams: 1 000806018.pdf: 1172709 bytes, checksum: ae7423fd7d8252011eeb2753eec904c3 (MD5) / O uso do material cerâmico avançado na engenharia moderna têm sido essencial, principalmente nas áreas aeroespacial, biomédica, eletrônica, ótica e automotiva. As principais razões pela sua utilização provêm de sua composição inorgânica e não metálica que oferece grande resistência ao desgaste, assim como resistência em altas temperaturas, baixa densidade e propriedades eletromagnéticas diferenciadas. Pesquisas recentes mostraram que o processo de retificação é o mais apropriado para que se obtenham superfícies de baixa rugosidade com viabilidade financeira para materiais cerâmicos. Ao se retificar estes materiais, há a necessidade de utilização de grande quantidade de fluido de corte e grandes gastos na aquisição de novas ferramentas. A utilização destes fluidos em grandes quantidades tem se tornado um problema para a indústria mecânica atual, devido à preocupação mundial ao que se diz respeito à preservação do meio ambiente e saúde dos trabalhadores, por se tratar de substâncias tóxicas. Referente a esses estudos, surge uma metodologia denominada mínima quantidade de lubrificante (MQL), uma técnica que procura reduzir substancialmente a quantidade de fluido de corte utilizada no processo de retificação e melhora seu desempenho em comparação ao processo convencional de aplicação de fluido. Assim, a pesquisa analisou o comportamento da retificação de cerâmica juntamente com a técnica de mínima quantidade de lubrificante com adição de água utilizando rebolo diamantado com ligante resino cerâmico/metálico, obtendo resultados em relação à utilização do método de MQL com adição de água. O rebolo utilizado sofreu pouco desgaste em todos os métodos de lubri-refrigeração pesquisados, mostrando assim ser um rebolo ideal para a retificação de cerâmica avançada. Em usinagens mais severas (avanço de 0,75 mm/min) a utilização de MQL com diluição em água apresenta rugosidade... / The use of advanced ceramic materils in modern engineering have been essential, especially in aerospace, biomedical, electronics, optical and automotive industries. The main reasons for their use are derived from a non-metallic and inorganic composition that offers greater wear resistance as well as high temperature strength, low density and differentiated electromagnetic properties. Recent research has shown that the grinding process is the most appropriate in order to obtain surfaces with low roughness finacial viability for ceramic materials. When rectify these materials, there is the need to use large amounts of cutting fluid and large expenditures in retooling. The use of these fluids in large quantities has become a problem for the machanical industry today, due to the worldwide concern with regard to the preservation of the environment and workers' health, because it is toxic. Referring to these studies, there is a method called minimum quantify of lubricant (MQL), a technique that seeks to substatially reduce the amount of cutting fluid used in the grinding process and improves performance compared to the conventional process fluid application. Thus, the research analyzed the behavior of advanced ceramic grinding along with the technique of minimum quantify lubrificant with added water using metal bond diamond wheel, obtaining important results regarding the use of the method of MQL with added water. The grinding wheel used suffered little wear on all methods of lubrification and cooling surveyed, thus showing to ben an ideal wheel for grinding of advanced ceramics. In more severe machining operations (feed 0.75 mm/ min) using MQL dilution with water roughness features very close to the conventional method. Therefore the application of MQL with water emulsion was feasible in some machining conditions, and can thus obtain large cost savings when applied on a large scale

A paralelização de aplicaçõpes envolvendo a solução de problemas definidos sob o escopo da Dinâmica dos Fluidos Computacional normalmente é obtida via paralelismo de dados, onde o domínio da aplicação é dividido entre os diversos processadores, bem como a manutenção do balancecamento durante a execução é um problema complexo e diversas heurísticas têm sido desenvolvidas. Aplicações onde a simulação é dividida em diversas fases sobre partes diferentes do domínio acrescentam uma dificuldade maior ao particionamento, ao se buscar a distirbuição equlibrada das cargas em todas as fases. este trabalho descreve a implementação de mecanismos de particionamento e balanceamento de carga em problemas multi-fase sobre clusters de PCs. Inicialmente é apresentada a aplicação desenvolvida, um modelo de circulação e transporte de susbtâncias sobre corpos hídricos 2D e 3 D, que pode ser utilizado para modelar qualquer corpo hídrico a partir da descrição de sua geometria, batimetria e condições de contorno. Todo o desenvolvimento e testes do modelo foi feito utilizando como caso de estudo o domínio do Lago Guaíba, em Porto Alegre. Após, são descritas as principais heurísticas de particionamento de domínio de aplicações multi-fase em clusters, bem como mecanismos para balanceamento de carga para este tipo de aplicação. Ao final, é apresentada a solução proposta e desenvolvida, bem como os resultados obtidos com a mesma.

Debido a su antigüedad el embalse Rapel ofrece una oportunidad única de ver el estado de avance del depósito de sedimentos en un embalse. Mediante la realización de mediciones de batimetría por parte de ENDESA y este estudio se es capaz de caracterizar la ubicación y estimar el volumen aproximado de sedimento acumulado en el embalse desde el término del llenado en 1971 hasta 39 años después. Además se analizan dos maneras de estimar el aporte de sedimentos afluentes al embalse, mediante un modelo numérico (MOSSEM) y la utilización de dos fórmulas empíricas. Es posible ver mediante las mediciones que se desarrolla un delta de sedimentos que abarca desde la junta de los ríos Cachapoal y Tinguirirca hasta el sector de Punta Verde. Este delta ha ido avanzado en el tiempo en extensión, afectando el volumen de regulación del embalse. Es posible suponer que en el delta se concentra la mayor parte del sedimento grueso que ha ingresado al embalse, mientras que los sedimentos finos serían transportados hasta el muro, donde existe un importante aumento de la altura de embanque desde la operación hasta la fecha. Sin embargo es necesario corroborar esta hipotesis extrayendo muestras del lecho a lo largo del embalse. En el trabajo se analiza el uso de un modelo numérico (MOSSEM) para simular el avance del delta. Para una correcta modelación del embalse es necesario realizar consideraciones que permitan representar la geometría y características propias del embalse Rapel, en especial lo que concierne a la condición de borde de aguas arriba. Utilizando los datos recopilados de caudales y geometría aguas arriba del embalse se realiza una estimación del gasto sólido de fondo para los ríos Cachapoal y Tinguiririca mediante las relaciones de Meyer Peter & Müller y Wilcock & Crowe. Existe una importante variabilidad en los resultados obtenidos para distintas secciones en un mismo río y según la relación de gasto sólido utilizada. Es necesario comprender los fenómenos involucrados para elegir de manera correcta las secciones representativas del río que entreguen la mejor aproximación del gasto sólido que potencialmente puede entrar al embalse. La relación de Meyer Peter & Müller es las que se aproxima de mejor manera al volumen de sedimentos medidos en el embalse, sin embargo no se recomienda su aplicación por no representar la física involucrada en el transporte de sedimentos en ríos de granulometría extendida.

O principal objetivo dessa dissertação consiste nas simulações numéricas de um escoamento de um fluido viscoplástico usando o método de elementos finitos. A modelagem mecânica empregada está baseada nas equações conservativas de massa e momentum acopladas ao modelo constitutivo recentemente proposto por Souza Mendes e Dutra – aqui chamado de SMD. A modelagem mecânica foi aproximada via método de Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), que é construído para superar a falha numérica do método clássico de Galerkin para formulações mistas sem danificar a sua consistência. Primeiro, a fim de checar o código computacional, um escoamento em uma cavidade forçada. Em seguida, dois escoamentos de fluidos viscoplásticos foram considerados: um fluido SMD escoando através de uma expansão seguida de uma contração abrupta e outro em torno de um cilindro circular. Os resultados numéricos gerados forneceram informações físicas dos fenômenos de viscoplasticidade estudados e se mostraram de acordo com a literatura. / The main objective of this paper consists of numerical simulations of viscoplastic fluid flows using the finite element method. The mechanical modeling employed is based on the mass and momentum conservative equations coupled with the constitutive model recently proposed by Souza Mendes and Dutra - herein only named by SMD. The mechanical modeling was approximated via the Galerkin Least-Squares method (GLS) which is built to overcome the numerical shortcoming of the classical Galerkin method for mixed formulations without damaging its consistency. First, in order to check the computational code, a Newtonian leaky cavity flow. Next, two viscoplastic fluid flows has been considered: a SMD fluid flow through a sudden expansion followed by a contraction geometry and around a circular cylinder. The generated numerical results gave some physical information on the viscoplastic phenomena studied and are in accordance with the literature.

Este trabalho foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e teve apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES e de Furnas Centrais Elétricas S.A., promotora do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) intitulado "Análise da Macroturbulência em Dissipadores por Ressalto Hidráulico", no qual o presente encontra-se inserido. A dissipação da energia acumulada resultante de barramentos de cursos d'águas, na maioria das vezes com o propósito de geração de energia, é, geralmente, proporcionada a partir da formação de um ressalto hidráulico na base da estrutura, com a implantação de bacias de dissipação e a formação do ressalto hidráulico. O ressalto é caracterizado como um fenômeno bruscamente variado em que ocorre a rápida passagem de um regime de escoamento rápido para um regime lento, com a formação de intensa turbulência e grande incorporação de ar. Os danos causados às estruturas de dissipação de energia após anos de operação, principalmente em função de esforços resultantes de cavitação, ressonância e fadiga, implicam na necessidade de uma avaliação mais aprofundada do fenômeno, principalmente com a caracterização de parâmetros inerentes ao escoamento macroturbulento formado, como, por exemplo, o campo de pressões sobre a estrutura. Dessa forma, pode-se obter subsídios para um projeto deste tipo de estrutura cada vez mais seguro, otimizado e, por conseguinte, cada vez mais viável economicamente. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para a previsão das grandezas atuantes sobre as bacias de dissipação por ressalto hidráulico, principalmente no tocante ao comportamento das pressões médias sobre a estrutura, das flutuações de pressão e das pressões extremas resultantes do escoamento, com a peculiaridade de tratar-se de ressaltos ditos submergidos, cujo número de trabalhos ainda é reduzido. Foram utilizados dados de modelo físico, concebido sob semelhança de Froude, comparados com dados obtidos com medições em escala real. Em linhas gerais a metodologia proposta, que consiste da utilização de adimensionalização dos parâmetros estudados ao longo do ressalto, mostrou se bastante eficaz na determinação dos esforços atuantes sobre a estrutura, bem como na comparação com o empreendimento na escala real. Verifica-se uma intensa influência da submergência nos parâmetros avaliados, de forma que se entende que sua influência deve ser considerada no projeto deste tipo de estrutura. / The present work was developed in the Programa de Pós Graduação em Recursos Hidrícos e Saneamento Ambiental of the Instituto de Pesquisas Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, with support of CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior and Furnas Centrais Elétricas S.A. as part of a Research and Development (P&D) project entitled "Macroturbulence Analysis of Hydraulic Jump Stilling Basins". The dissipation of accumulated energy in the form of water head in dams (most often with the purpose of generating energy) is usually provided by the hydraulic jump formation at the base of the structure with the implantation of stilling basins. The hydraulic jump is an abrupt phenomena caused by a change from super-critical to sub-critical flow creating intense turbulence and air entrainment. The damages caused to energy dissipation structures through the years due to cavitation, resonance and fatigue indicate a need to thoroughly evaluate this phenomena, mainly by characterizing its macroturbulent flow parameters such us the pressure field. This way, it is possible to have safer, optimized and economically viable structures. This work presents a reliable methodology to establish the parameters of hydraulic jump stilling basins, mainly regarding the mean pressure, pressure fluctuations and extreme pressures of the flow in submerged hydraulic jumps. The bibliography found on this subject is reduced. Data from physical models using Froude similarity principle were compared with real scale measurements. The proposed methodology which consisted of using non-dimensional parameters along the hydraulic jump was very efficient to determine the active forces over the structure as well as comparing the structure in real scale. There is a high influence of the submergence in the evaluated parameters and this should be considered in designing this type of structures.

Neste trabalho apresenta-se um algoritmo para a simulação de problemas tridimensionais de interação fluido-estrutura utilizando a técnica de elementos finitos. Um esquema de Taylor-Galerkin de dois passos e elementos tetraédricos lineares são empregados para o fluido, que pode ser compressível ou incompressível. É adotada uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), compatível com o movimento da interface fluidoestrutura. Um método ftacionado de correção de velocidade é utilizado para os fluidos incompressíveis. A estrutura é analisada usando elementos triangulares com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamentos e três componentes de rotação). Os efeitos da não-linearidade geométrica são incluídos. O método de Newmark é empregado para integrar no tempo as equações dinâmicas de equilíbrio, usando-se uma descrição lagrangeana atualizada. O sistema de equações alge'bricas é solucionado através do método dos gradientes conjugados e o sistema não-linear, resultante de deslocamentos e rotacões finitas da estrutura, é solucionado com um esquema incremental-iterativo. O código é otimizado para aproveitar as vantagens do processamento vetorial.

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Neste trabalho desenvolve-se um estudo numérico do fluxo de ar em torno da geometria de um pára-quedas tradicional simplificado, para alguns valores de Reynolds. O método baseia-se na solução das equações incompressíveis de Navier- Stokes discretizadas pelo método de diferenças finitas e integradas pelo método de Runge-Kutta. Utiliza-se o método dos contornos virtuais para representar a geometria numa malha cartesiana e o método de otimização não-linear dos poliedros flexíveis para otimização do coeficiente de arraste calculado através do código de dinâmica de fluidos computacional; esteé um método de busca multivariável, onde o pior vértice de um poliedro com n + 1 vérticesé substituído por um novo.