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A computer program based on the discrete-element method has been developed to compute friction factors and Nusselt Numbers for fully-developed turbulent flows with randomly-rough surfaces. Formulations of the discrete-element model for fully-developed turbulent flows inside circular pipes and between infinite parallel plates with the necessary adaptations for randomly-rough surfaces are provided. Utilizing the output of a three-dimensional profilometer, proper description of the randomly-rough surface is necessary for use within the discrete-element model. Proper description of the randomly-rough surface is achieved by the McClain (2002) method of characterization. Predictions from the discrete-element model computer program are compared with the classical, laminar and turbulent, smooth-wall results. In addition to the smooth-wall evaluations, predictions are compared with experimental results for turbulent internal flows with deterministic surface roughness. Predictions from the model demonstrated excellent agreement in all cases. Friction factor and Nusselt Number predictions for fully-developed flows over randomly-rough surfaces are also presented. With the friction factor and Nusselt Number data, velocity profiles for flows over randomly-rough, deterministically-rough and smooth surfaces are provided for comparison.

O procedimento de dimensionamento de uma linha lateral de microirrigação necessita avaliar com precisão as perdas de carga distribuídas na tubulação e as perdas de carga localizadas nas inserções dos emissores com os tubos. Estas perdas localizadas podem ser significativas quando comparadas com as perdas de carga totais, devido ao grande número de emissores instalados ao longo da linha lateral. Este trabalho reporta os resultados de um experimento sobre perda de carga distribuída, fator de atrito e perda de carga localizada em conexões de emissores &#34;on-line&#34; em tubos de polietileno de pequeno diâmetro. Foram utilizados cinco tubos com diâmetros internos de 10,0 mm, 13,0 mm, 16,3 mm, 17,4 mm e 19,7 mm. O experimento foi conduzido para números de Reynolds no intervalo de 5000 a 68000, obtidos pela variação da vazão nos tubos, a uma temperatura média da água de 20 &#177; 2 &#176;C. Os resultados foram analisados e concluiu-se que o fator de atrito f da equação de Darcy-Weisbach pode ser estimado com c = 0,300 e m = 0,25. A equação de Blasius com c = 0,316 e m = 0,25 mostrou-se conservadora na estimativa do fator de atrito, porém esse fato não constitui limitação para sua utilização em projetos de microirrigação. As análises mostraram que as duas equações proporcionam estimativas de f com pequeno desvio médio (5,1%). Para um dado conjunto tubo-conexão o coeficiente de carga cinética (KL) foi praticamente independente do número de Reynolds, para R>20000, sugerindo que cada conjunto tubo-conexão pode ser caracterizado por um valor médio de KL. Para desenvolver um procedimento de estimativa de KL, a geometria da conexão entre o emissor e o tubo foi caracterizada por um índice de obstrução IO, que depende da razão (r) entre a área da seção transversal do tubo, onde o conector está localizado, e a área da seção transversal do tubo fora do conector. Uma função potência foi ajustada aos pares experimentais (IO, KL). A seleção do modelo é consistente com o fenômeno físico uma vez que KL = 0 para r = 1 (nenhuma obstrução dentro do tubo). Para 5000<R68000 a relação foi KL = 1,23 (IO)0,51 com R2 = 0,9556 e erro padrão do ajuste igual a 0,04245. As diferenças entre os valores de KL estimados e observados são normalmente distribuídas. / Microirrigation lateral design procedure needs to accuratel evaluation of both the pipe head losses and the local losses that are due to the protrusion of emitter barbs into the flow. These local losses, in fact (in relation to the high number of emitters located along the line) can become significant compared to the overall energy loss. On this paper, the results of an experimental study on the pipe head losses, friction factor and head local losses for small-diameters polyethylene pipes are reported. The experiment was carried out using a range of Reynolds number between 5000 to 68000, obtained by varying discharge at 20 &#177; 2 &#176;C water temperature, with a internal diameter pipes of 10,0 mm, 13,0 mm, 16,3 mm, 17,4 mm and 19,7 mm. According to the results analysis and experimental conditions the friction factor (f) of the Darcy-Weisbach equation can be estimated with c = 0,300 and m = 0,25. The Blasius equation (c = 0,316 and m = 0,25) gives a conservative estimative of f, although this fact is non restrictive for microirrigationsystem design. The analysis shows that both the Blasius and the adjusted equation parameters allow accurate friction factor estimate, characterized by low mean error (5,1%). For a given pipeconnection system, the fraction KL of kinetic head was practically independent of the Reynolds number, for R>20000, which suggested that each system can be characterized by the mean value of KL. To derive an estimating procedure of KL, the geometry of the connection between the emitter and the pipe was characterized by the obstruction index IO, which is dependent on the ratio (r) between the pipe cross-section area corresponding to the section in which the emitter is located, and the pipe cross-section area. A power relationship was then fitted to the experimental IO, KL data pairs. The selection form of thr relationship is consistent with the physical phenomenon since it estimates KL = 0 for r = 1 (no obstruction into the pipe). For 5000<R<68000 the relationship was KL = 1,23 (IO)0,51 with R2 = 0,9556 and standard fit error equal to 0,04245. The differences between KL observed values and the calculated ones are normally distributed.

O dimensionamento hidráulico de sistemas de irrigação requer a quantificação da perda distribuída de carga ao longo da tubulação, sendo que este parâmetro depende de características do escoamento e da tubulação. A rugosidade da superfície interna de tubos e um parâmetro importante nas estimativas de perda de carga, entretanto os valores tabelados de rugosidade foram obtidos ha muito tempo e podem não refletir com precisão a rugosidade da parede interna dos tubos comerciais atuais. Alterações no material e nos processos de fabricação dos tubos, associados a ausência de dados atualizados de rugosidade, podem implicar em estimativas incorretas de perda de carga. Supõe-se que a rugosidade média da superfície de tubos comerciais utilizados em irrigação pode ser determinada em laboratório utilizando rugosimetro de bancada, desde que os parâmetros de amplitude das irregularidades da superfície do tubo sejam conhecidos. O presente estudo visou estabelecer os parâmetros e procedimentos para a representação da rugosidade da superfície de tubos plásticos para irrigação mediante utilização de um rugosimetro de bancada. A avaliação consistiu da determinação dos parâmetros de rugosidade Ra, Rc, Rq, Ry, Rt e Pcu em 25 corpos de prova por diâmetro para PVC e 20 corpos de prova por diâmetro de polietileno estudado, com medições feitas na direção longitudinal e transversal do tubo, totalizando 400 medições de perfil. Foram realizadas estimativas de perda de carga pela equação de Darcy-Weisbach, com fator de atrito (f) calculado a partir da equação de Swamee. A rugosidade da superfície interna de tubos de PVC e PEBDL utilizados em irrigação foi determinada satisfatoriamente utilizando rugosimetro de bancada. Evidenciou-se diferença significativa dos parâmetros de rugosidade (Ra, Rq, Rc e Ry) entre os diâmetros nominais dos tubos de PEBDL, e portanto, entende-se que a adoção de valores de rugosidade específicos para cada diâmetro contribui para a qualidade das estimativas de perda de carga. Os parâmetros Rc e Ra destacaram-se como a melhor opção para representar a rugosidade de tubos de PVC e PEBDL, respectivamente. A rugosidade média para tubos de PVC e PEBDL foi de 4,431 ?m e 3,143 ?m, respectivamente. / The friction head loss along pipelines is required to the hydraulic design of irrigation systems and that parameter relies on the flow conditions and pipe\'s characteristics. The internal surface roughness of pipes is an essential parameter to estimate head losses. However, the reference values of roughness were obtained long ago and may not represent properly the surface roughness of the current materials. Changes in material and manufacturing processes of pipes combined to outdated data may result in wrong values of head loss. Rugosimeters are measuring instruments that can be used to determine the surface roughness of irrigation pipes, but there is a challenge to select the proper parameter to represent the roughness of each surface. The best choice depends on several aspects and must be studied according to each situation. This study aims to define a protocol for determining the internal surface roughness of polyethylene and PVC pipes based on the use of a rugosimeter. Since several output parameters can be used to represent the roughness, the best parameters to represent the roughness of each material must be specified. The following output parameters were studied Ra, Rc, Rq, Ry, Rt e Pcu. Twenty-five samples of PVC and twenty samples of polyethylene were assessed, both in longitudinal and transversal directions, thus 400 measurements were accomplished. The Darcy-Weisbach equation was employed to estimate friction head loss and the Swamee equation to the friction head loss coefficient (f). The internal surface roughness of PVC and polyethylene pipes was properly determined by the rugosimeter. The rugosimeter\'s output parameters (Ra, Rq, Rc and Ry) varied according to the diameter of polyethylene pipes, hence a single value of roughness should not be used for different diameters of polyethylene pipes. The Rc and Ra were the best parameters to represent the roughness of PVC and polyethylene pipes, respectively. The mean roughness of the PVC and polyethylene pipes were 4.431 and 3.143 ?m, respectively.

Esta tese apresenta um desenvolvimento do fator de atrito (f) para escoamentos incompressíveis. O desenvolvimento é baseado no modelo clássico de Colebrook-White e no recente modelo da Entropia Máxima. Este desenvolvimento pode ser considerado como um modelo conceitual, porém não completamente, por causa do relacionamento entre o número de Reynolds (Re) e o parâmetro de entropia (M) determinado através de ajustes numéricos realizados com bons dados experimentais. Quatro algoritmos de cálculo foram criados para simplificar a aplicação do modelo, evidenciando sua eficácia e a eficiência. / This thesis presents a development of friction factor (f) for incompressible pipe flow calculation. The development is based on the classical Colebrook-White model and on the recent maximum entropy model. The development cam be considered as a conceptual one, but not completely, because the relationship that links the Reynolds number (Re) to the entropy parameter (M) was determined by numerical fitting on accurate but experimental data. Four calculation algorithms were produced to simplify the model applications, evidencing efficiency and effectiveness.

Submitted by Nara Lays Domingues Viana Oliveira (naradv) on 2015-06-23T18:20:38Z No. of bitstreams: 1 DANIELDEITOS.pdf: 2301580 bytes, checksum: 0e88198dccb50c04a43cba524f61d255 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-23T18:20:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DANIELDEITOS.pdf: 2301580 bytes, checksum: 0e88198dccb50c04a43cba524f61d255 (MD5) Previous issue date: 2012-06 / Banco Santander / Banespa / Este trabalho apresenta uma análise do desempenho hidráulico do lado do escoamento do ar de uma nova geometria de tubos para evaporadores de túneis de congelamento. Estes evaporadores são trocadores de calor de tubo-aletados e fluxo cruzado. A nova geometria dos tubos consiste em um perfil tipo gota, que é testada e comparada com tubos circulares, já estudados e com resultados disponíveis na literatura. O objetivo do trabalho é determinar experimentalmente valores para perda de carga para as duas geometrias, comparar os resultados e apontar a geometria que apresenta as melhores características de perda de carga. É apresentada uma ampla revisão feita na literatura disponível sobre estudos realizados com relação ao efeito de diversos parâmetros no desempenho destes trocadores de calor, entre eles a geometria dos tubos, e os resultados indicam que tubos elípticos e achatados apresentam melhor desempenho térmico e menor perda de carga quando comparados com os tradicionais tubos circulares. O procedimento de cálculo para perda de carga para trocadores de calor tubo-aletados, também é apresentado. Para os evaporadores testados, foram mantidos constante o espaçamento entre tubos e o espaçamento entre aletas, variando apenas a geometria do tubo. As aletas usadas foram do tipo plana. Os testes foram realizados em túnel de vento construído em conformidade com a norma ANSI/ASHRAE 51-1999. Um ventilador gera um fluxo de ar que passa pela serpentina aletada e uma placa de bocais. Para diferentes velocidades de ar são obtidas a perda de carga no trocador de calor, as temperaturas médias de entrada e saída para o ar, a velocidade e a vazão de ar. Os resultados da perda de carga em função da velocidade do ar mostram que os tubos tipo gota tem desempenho hidráulico superior aos tubos circulares. Foi obtida uma redução média da perda de carga de 26% e do fator de atrito de 16%, comparando o tubo tipo gota com o tubo circular, para os ensaios realizados com regimes de escoamento que vão do laminar ao de transição. Uma análise da potência de ventilação mostrou novamente uma vantagem dos tubos tipo gota e na análise de uma situação real para um modelo de túnel de congelamento, os tubos tipo gota apresentaram uma redução da potência de ventilação total de 12,87%, quando comparado com os tubos circulares. Os modelos são ferramentas importantes para o projeto de trocadores de calor, assim foram analisadas diferentes correlações para predição do coeficiente de atrito do escoamento do ar através das aletas e comparadas com os dados experimentais. Verificou-se que a correlação de Gray e Webb (1986) foi a que melhor se ajustou, com um erro médio de 15% e a dispersão entre os valores medidos e calculados de 31% para tubos circulares e de 50% para o tipo gota. / This study presents an analysis of hydraulic performance of the air side for a new tube geometry of evaporators used in freezing tunnel. These evaporators are heat exchangers with finned tubes and air in cross flow. The new geometry consists in a wing profile tube that is tested and compared to circular tubes, which are already studied and with available results in literature. The objective of this work is determining experimentally the pressure drop for both geometries, comparing the results and pointing out the geometry that shows the best features for pressure drop. A comprehensive literature review is also presented and it focuses on studies concerning the effects of several parameters in these heat exchangers performance, including tube geometry. Several results have shown that elliptical tubes have better thermal performance and lower pressure drop when compared to the conventional circular tube. A review of the procedures calculation for fin-tube heat exchangers pressure drop is shown. For the evaporators tested, the spacing between tubes and fins, was kept constant by varying only the tube geometry and the fins were flat. The tests were carried out in a wind tunnel, built in accordance with ANSI/ASHRAE 51-1999. A fan generates an air flow that passes through the finned coil and a nozzle plate. For different air velocities and the pressure drop in the heat exchanger, input and output average air temperature, the velocity and flow of the air were registered. The results showed the dependence on the air velocity and that wing profile tubes have better hydraulic performance than circular tubes. An average reduction of 26% for pressure drop and 16% for friction factor for wing tubes were obtained in comparison to circular tubes, in tests in the regimes from laminar to transition flow. An analysis of ventilation power showed the advantage of wing tubes, and the evaluation of a real situation, on a freezing tunnel, the wing tubes show an average reduction of 12,87 % for total ventilation power when compared with circular tubes. The theoretical models are important tools for designing the evaporator, and in this study some correlations were evaluated to prediction of the air flow friction factor and were compared to experimental results. The Gray and Webb correlation (1986) presented the best fit, with 15% of average error and the dispersion between the measured and calculate values was 31% for circular tubes and 50% for wing tubes.

Esta tese apresenta um desenvolvimento do fator de atrito (f) para escoamentos incompressíveis. O desenvolvimento é baseado no modelo clássico de Colebrook-White e no recente modelo da Entropia Máxima. Este desenvolvimento pode ser considerado como um modelo conceitual, porém não completamente, por causa do relacionamento entre o número de Reynolds (Re) e o parâmetro de entropia (M) determinado através de ajustes numéricos realizados com bons dados experimentais. Quatro algoritmos de cálculo foram criados para simplificar a aplicação do modelo, evidenciando sua eficácia e a eficiência. / This thesis presents a development of friction factor (f) for incompressible pipe flow calculation. The development is based on the classical Colebrook-White model and on the recent maximum entropy model. The development cam be considered as a conceptual one, but not completely, because the relationship that links the Reynolds number (Re) to the entropy parameter (M) was determined by numerical fitting on accurate but experimental data. Four calculation algorithms were produced to simplify the model applications, evidencing efficiency and effectiveness.

The overarching goal of this work is to address the design of next-generation, high torque density electrical machines through numerical optimization using an integrated thermal-electromagnetic design tool that accounts for advanced cooling technology. A parametric thermal model of electric machines was constructed and implemented using a finite difference approach incorporating an automated, self segmenting mesh generation. A novel advanced cooling technology is proposed to improve thermal transport in the machine by removing heat directly from the windings via heat exchangers located between the winding bundles. Direct winding heat exchange (DWHX) requires high convective transport and low pressure loss. The heat transfer to pressure drop tradeoff was addressed by developing empirically derived Nusselt number and friction factor correlations for micro-hydrofoil enhanced meso-channels. The parametric thermal model, advanced cooling technique, Nusselt number and friction factor correlations were combined with a parametric electromagnetic model for electric machines. The integrated thermal-electromagnetic model was then used in conjunction with particle swarm optimization to determine optimal conceptual designs. The Nusselt number correlation achieves an R² value of 0.99 with 95% of the data falling within ± 2.5% similarly the friction factor correlation achieves an R² value of 0.92 with 95% of the data falling within ± 10.2%. The integrated thermal-electromagnetic design tool, incorporating DWHX, generated an optimized 20 kW permanent magnet electric machine design achieving a torque density of 23.2 N-m/L based on total system volume.

O dimensionamento hidráulico de sistemas de irrigação requer a quantificação da perda distribuída de carga ao longo da tubulação, sendo que este parâmetro depende de características do escoamento e da tubulação. A rugosidade da superfície interna de tubos e um parâmetro importante nas estimativas de perda de carga, entretanto os valores tabelados de rugosidade foram obtidos ha muito tempo e podem não refletir com precisão a rugosidade da parede interna dos tubos comerciais atuais. Alterações no material e nos processos de fabricação dos tubos, associados a ausência de dados atualizados de rugosidade, podem implicar em estimativas incorretas de perda de carga. Supõe-se que a rugosidade média da superfície de tubos comerciais utilizados em irrigação pode ser determinada em laboratório utilizando rugosimetro de bancada, desde que os parâmetros de amplitude das irregularidades da superfície do tubo sejam conhecidos. O presente estudo visou estabelecer os parâmetros e procedimentos para a representação da rugosidade da superfície de tubos plásticos para irrigação mediante utilização de um rugosimetro de bancada. A avaliação consistiu da determinação dos parâmetros de rugosidade Ra, Rc, Rq, Ry, Rt e Pcu em 25 corpos de prova por diâmetro para PVC e 20 corpos de prova por diâmetro de polietileno estudado, com medições feitas na direção longitudinal e transversal do tubo, totalizando 400 medições de perfil. Foram realizadas estimativas de perda de carga pela equação de Darcy-Weisbach, com fator de atrito (f) calculado a partir da equação de Swamee. A rugosidade da superfície interna de tubos de PVC e PEBDL utilizados em irrigação foi determinada satisfatoriamente utilizando rugosimetro de bancada. Evidenciou-se diferença significativa dos parâmetros de rugosidade (Ra, Rq, Rc e Ry) entre os diâmetros nominais dos tubos de PEBDL, e portanto, entende-se que a adoção de valores de rugosidade específicos para cada diâmetro contribui para a qualidade das estimativas de perda de carga. Os parâmetros Rc e Ra destacaram-se como a melhor opção para representar a rugosidade de tubos de PVC e PEBDL, respectivamente. A rugosidade média para tubos de PVC e PEBDL foi de 4,431 ?m e 3,143 ?m, respectivamente. / The friction head loss along pipelines is required to the hydraulic design of irrigation systems and that parameter relies on the flow conditions and pipe\'s characteristics. The internal surface roughness of pipes is an essential parameter to estimate head losses. However, the reference values of roughness were obtained long ago and may not represent properly the surface roughness of the current materials. Changes in material and manufacturing processes of pipes combined to outdated data may result in wrong values of head loss. Rugosimeters are measuring instruments that can be used to determine the surface roughness of irrigation pipes, but there is a challenge to select the proper parameter to represent the roughness of each surface. The best choice depends on several aspects and must be studied according to each situation. This study aims to define a protocol for determining the internal surface roughness of polyethylene and PVC pipes based on the use of a rugosimeter. Since several output parameters can be used to represent the roughness, the best parameters to represent the roughness of each material must be specified. The following output parameters were studied Ra, Rc, Rq, Ry, Rt e Pcu. Twenty-five samples of PVC and twenty samples of polyethylene were assessed, both in longitudinal and transversal directions, thus 400 measurements were accomplished. The Darcy-Weisbach equation was employed to estimate friction head loss and the Swamee equation to the friction head loss coefficient (f). The internal surface roughness of PVC and polyethylene pipes was properly determined by the rugosimeter. The rugosimeter\'s output parameters (Ra, Rq, Rc and Ry) varied according to the diameter of polyethylene pipes, hence a single value of roughness should not be used for different diameters of polyethylene pipes. The Rc and Ra were the best parameters to represent the roughness of PVC and polyethylene pipes, respectively. The mean roughness of the PVC and polyethylene pipes were 4.431 and 3.143 ?m, respectively.

Atualmente, com base na anÃlise computacional, avaliaÃÃes mais precisas vÃm sendo possÃveis em estudos de dimensionamento de redes de abastecimento de Ãgua. O transiente hidrÃulico à um fenÃmeno que pode afetar toda rede de escoamento forÃado. A compreensÃo deste fenÃmeno e a constante busca de soluÃÃes para evitar seus efeitos danosos acarretam avanÃos tecnolÃgicos significativos, principalmente atravÃs da aplicaÃÃo dos mÃtodos computacionais. O presente trabalho consiste em utilizar o MÃtodo Transiente Inverso (MTI) com um algoritmo genÃtico para a calibraÃÃo das rugosidades absolutas das tubulaÃÃes de duas redes de distribuiÃÃo de Ãgua utilizando quatro tipos de manobras diferentes, atravÃs de parÃmetros genÃticos. O estudo foi feito em duas redes fictÃcias, mas com caracterÃsticas fÃsicas de redes reais. Foi analisado a influencia de manobras de vÃlvulas na identificaÃÃo das rugosidades em tubulaÃÃes de redes de distribuiÃÃo de Ãgua. As simulaÃÃes foram feitas variando dois tipos de seleÃÃo: com elitismo e sem elitismo, considerando os indicadores de eficiÃncia: Erro MÃdio Relativo (EMR), Erro Relativo (ER) e FunÃÃo Objetivo (FO), onde os resultados da Rede A se mostraram melhores para o Erro Relativo (ER) com elitismo nas quatro manobras. Na rede B, o melhor indicador de eficiÃncia para a calibraÃÃo das quatro manobras foi o Erro MÃdio Relativo (EMR) com elitismo e que os indicadores Erro Relativo (ER) e FunÃÃo Objetiva (FO) variam conforme a manobra analisada. / Currently, based on computational analysis, more accurate assessments have been possible in studies of design of water supply networks. The hydraulic transient is a phenomenon that can affect all forced drainage system. Understanding this phenomenon and the constant search for solutions to avoid its harmful effects cause significant technological advances, principally through the application of computational methods. The present work is to use the Transient Inverse Method (TIM) with a genetic algorithm to calibrate the absolute roughness of pipes of two water distribution networks using four different types of maneuvers through genetic parameters. The study was done in two fictitious networks, but with physical characteristics of real networks. We analyzed the influence of valves maneuvers in the identification of roughness in pipes of water distribution networks. The simulations were made by varying two types of selection: elitism with and without elitism, considering the efficiency indicators: Average Relative Error (EMR), Relative Error (RE) and Objective Function (OF), where the results of the Network proved best for the relative error (RE) with elitism in four maneuvers. In network B, the best indicator of efficiency for the calibration of the four maneuvers was the mean relative error (EMR) with elitism and the indicators Relative Error (RE) and Objective Function (OF) vary according to the analyzed maneuver.