Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Os reservatórios urbanos estão suscetíveis a uma variedade de interferências antropogênicas que acarretam grande variabilidade espacial e temporal. Contudo, possuem uma dinâmica própria na qual o hidroclima e micro e macro-eventos meteorológicos atuam sobre os processos físicos, químicos e biológicos resultando em respostas particulares de cada corpo de água. No presente estudo a existência de padrões espaciais e temporais na formação de florescimentos de algas, cianobactérias e macrófitas no reservatório Guarapiranga, São Paulo, SP, foi avaliada por meio de experimento de curta escala de tempo durante o evento da entrada de uma frente fria. Foram amostrados 64 pontos em todo o reservatório, e o estudo intensivo de florescimento algal e de cianobactérias em dois ciclos nictemerais, em um ponto selecionado no reservatório. Um modelo tridimensional de hidrodinâmica foi aplicado ao estudo compartimentalizado dos tempos de residência e imagens de satélite foram analisadas para determinação de padrões temporais e espaciais durante períodos de tempo mais amplos. Os resultados revelaram que os períodos mais favoráveis ao surgimento de florescimentos de cianobactérias são geralmente os meses mais quentes, de dezembro e janeiro, ou aqueles em que ocorrem estratificações mais fortes como no fim do inverno, em julho, e após as primeiras chuvas nos meses de setembro e outubro. Existem padrões espaciais recorrentes na formação dos florescimentos, controlados em grande parte pela ação do vento, que no reservatório Guarapiranga é predominantemente nas direções leste e sudeste empurrando os florescimentos na direção da foz dos tributários Embu Mirim e Embu Guaçu e ocasionalmente na direção da foz do rio Parelheiros. As simulações hidrodinâmicas evidenciam as forçantes que determinam os padrões observados e reforçam a importância de se discretizarem os tempos de residência de diferentes compartimentos do reservatório. As séries temporais amplas permitiram a determinação da qualidade da água em cada região e fornecem subsídios para o futuro manejo do reservatório. Como esse comportamento não se restringe ao reservatório Guarapiranga, o tipo de modelagem aqui utilizada pode ser útil para obter informações importantes no processo de planejamento e seleção de medidas para o gerenciamento de reservatórios urbanos tropicais polimíticos, em geral. / Urban reservoirs are susceptible to a variety of anthropogenic interferences, that leads to large spatial and temporal variability, however they have themselves a proper dynamics in which the hydroclimate and micro and macro meteorological events act upon physical, chemical and biological processes, resulting in a singular signature for each water body. In the present study the existence of spatial and temporal patterns for the formation of algal, cyanobacterial and macrophyte blooms in Guarapiranga Reservoir, São Paulo, SP, was evaluated by means of a short-time scale experiment during the event of a cold front passage. Sampling was carried out in 64 points in the whole reservoir and the intensive study of an algal and cyanobacterial during two nictemeral cycles, at a selected point in the reservoir. A tri-dimensional hydrodynamics model was applied to the study of discrete residence time of the main reservoir tributaries. Satellite images and long term data sets were analyzed aiming to determine spatial and temporal patterns at long time scale. The results obtained have shown that the most favorable periods for algal and cyanobacterial blooms are usually the hottest months, December and January, or those with stronger thermal stratification at the end of the winter in July and after the first rains in September and October months. There are recurrent spatial patterns in the formation of blooms, largely controlled by wind action, that in Guarapiranga Reservoir are predominantly from East and Southeast directions frequently pushing the blooms towards Embu Mirim and Embu Guaçu tributaries and occasionally towards Parelheiros River mouth. Hydrodynamic simulations evidenced the forcing functions that control the observed patterns and reinforced the importance of residence time discretization according to each main reservoir compartment. The temporal data series allowed to assess each compartment water quality and provided information for future reservoir management. Considering that the patterns found are not restricted to Guarapiranga Reservoir, the type of model here used could be useful to get relevant information to be used in the planning or selection of management actions for tropical polymictic urban reservoirs in general.

Submitted by Eunice Novais (enovais@uepg.br) on 2018-06-28T18:19:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-28T18:19:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) Previous issue date: 2018-04-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O processo de dessalinização por ultrafiltração e osmose reversa tem como resíduo um concentrado salino. A caracterização deste rejeito e seu destino são objetos de estudos em pesquisas paralelas ao presente trabalho, o qual se integra à hipótese de polimento, tratamento, melhoria de qualidade e aproveitamento do rejeito com o emprego em Sistemas de Alagados Construídos – SAC – e posterior aplicação em irrigação. O SAC compreende um tanque de 100 litros, de conformação circular no qual se estabelece uma zona de raízes. Esta zona está sujeita à circulação do concentrado salino formando-se um circuito hidráulico de contato e transferência de massa. O entendimento do escoamento nesta região de transferência de massa, sua avaliação hidráulica e diagnóstico hidrodinâmico do tanque que foi utilizado são os objetos de estudo do presente trabalho que abrangeu a obtenção de dados de concentração de um traçador salino em tanque similar ao SAC, seu processamento computacional e sistematização para as avaliações requeridas. Foram obtidos dados de sinais elétricos a partir de eletrodos instalados no tanque de circulação e por meio da correlação sinal – condutividade – concentração foram definidos os meios de base para alimentação do processamento computacional que permitiu os resultados deste trabalho. Pôde-se averiguar diversas características nas configurações de escoamento testadas, entre elas o tempo de detenção real, ocorrências de curtos-circuitos, deposição densimétrica e a verificação da continuidade pela detecção de massa propagada. Com a hipótese da transferência de massa em função exponencial natural foram obtidas equações da concentração média para os diferentes níveis do tanque em função do tempo. Pode-se perceber nos gráficos obtidos no presente trabalho, a deposição densimétrica de traçador no fundo do tanque em todas as configurações testadas. Estes resultados são decorrentes de diferentes formas de operação hidráulica do SAC e permitiram concluir sobre os aspectos hidráulicos a serem considerados nas formas de operação, bem como nas interferências a serem implantadas na zona de raízes e na própria metodologia empregada neste sistema de averiguação de características hidráulicas e de transporte de massa. / Desalination process by ultra filtration and reverse osmosis generates a saline concentrate residue. In order to investigate a possible treatment for this residue and further use for irrigation, a parallel study is being conducted using wetlands. The wetland is built in a 100 L circular shaped tank, in which is established a root zone. The concentrate circulates in this zone creating a hydraulic circuit and a mass transfer zone. The investigation of the flow in this region, the wetland hydraulic evaluation and the hydrodynamic diagnosis of the tank that will be used are the objects of study in this dissertation. This research was conducted using a similar tank to the one that will be used for constructing the wetland. Data from a saline tracer that was released during the flow on this tank were taken in order to a computational processing and further diagnose. Data were obtained from electrical signals from electrodes installed in the circulation tank and using the signal conductivity-concentration correlation, the tools were defined for feeding the computational processing that allowed the results of this work. It was possible to verify the diverse flow characteristics on the flow configurations tested, such as the real detention time, the detection of short-circuit zones, densimetric deposition and the verification of the continuity by the propagated mass. It can be seen in the images obtained in the present work, the densimetric deposition of tracer on the bottom of the tank in all tested configurations. The results allowed to conclude on several aspects to be considered in the forms of operation, as well as in the interferences to be implanted in the zone of roots and in the own methodology used in this system of investigation of hydraulic characteristics and of mass transport. Key words: Hydrodynamic evaluation, Diffusion, Convection, Brine, Wetlands.

Este trabalho foi desenvolvido dentro do contexto da hidrodinâmica da plataforma continental, com o objetivo de estudar a variabilidade subinercial das correntes no extremo norte na Plataforma Continental Sudeste brasileira. A região de estudo está localizada nas proximidades de Cabo Frio (RJ) e Arraial do Cabo (RJ) (aproximadamente 23º S / 42º W). Apesar de ser uma região bastante conhecida e estudada, em função do fenômeno da ressurgência costeira que ocorre em suas proximidades, pouco se conhece sobre a circulação subinercial nessa localidade. Devido à importância das correntes subinerciais, por serem responsáveis pelo transporte de substâncias dissolvidas ou em suspensão nas águas, tais como sedimentos, nutrientes e poluição, este trabalho tenta contribuir com um maior conhecimento desses campos de corrente, a partir da análise, no domínio do tempo e da frequência, de séries temporais de intensidade e direção das correntes e do vento local. Foram utilizados dados coletados no Projeto DEPROAS (Dinâmica do Ecossistema de Plataforma da Região Oeste do Atlântico Sul) a partir de correntógrafos e ADCP fundeados, numa radial em frente a Cabo Frio, sobre as isóbatas de 50, 100 e 200 m, bem como de uma bóia e de uma estação meteorológicas. Trabalhamos com as séries temporais do inverno de 2001 e do inverno e verão de 2003. A partir desse estudo foi possível verificar que a variabilidade subinercial domina o fluxo das correntes na região, principalmente na direção paralela à batimetria. Como no restante da PCSE, verificou-se um balanço geostrófico na direção normal à topografia, responsável por um fluxo paralelo às isóbatas, em especial na PCM e nas profundidades intermediárias afastadas das camadas limite. Foi observado que a corrente costeira, forçada por processos baroclínicos e pelo vento, típica da parte central da PCSE, atinge o extremo norte da plataforma continental, induzindo um fluxo mais frequente com sentido SE, nas camadas intermediária e de fundo, principalmente no inverno. Verificou-se também que os ventos locais têm baixa correlação com as correntes, exceto nos níveis superficiais, evidenciando a importância das forçantes remotas na dinâmica da região, somado à influência da atividade vortical ciclônica gerada na região pela Corrente do Brasil, com influência até a PCM. Evidências de eventos de ressurgência/subsidência apareceram ao longo de todos os períodos estudados, com ocorrência preferencial a W desta localidade. / This work was developed within the context of the continental shelf hydrodynamics, with the aim of studying the subtidal variability of the currents in the far north of the South Brazil Bight (SBB). The area of the study is located in the vicinity of Cabo Frio (RJ) and Arraial do Cabo (RJ) (approximately 23º S / 42º W). Despite being a well known and studied region, due to the coastal upwelling phenomenon that occurs in its vicinity, little is known about the subtidal variability in this location. Given the importance of the subtidal currents, that are responsible for the transport of substances dissolved or suspended in water, such as sediments, nutrients and pollution, this work tries to contribute to a better understanding of these current~ fields, by the analysis in the time and frequency domain, from time series of the currents and local wind intensity and direction. We used data collected in DEPROAS Project (Western South Atlantict Platform Ecosystem Dynamics) from current meters and an ADCP moored in front of Cabo Frio, on the isobaths of 50, 100 and 200 m, and from a buoy and a weather station. We worked with time series of 2001 winter and 2003 winter and summer. From this study it was found that the subtidal variability dominates the flow in the region, mainly in the parallel direction of the bathymetry. As in the rest of the SBB, there was a geostrophic balance in the normal direction of the topography, which accounts for a flow parallel to isobaths, particularly in the middle shelf and in intermediate depths of the remote boundary layer. It was observed that the coastal current forced by baroclinic processes and by the wind, typical of the central part of the SBB reaches the northern edge of the SBB, leading to a more frequent flow in the southeast direction, in the intermediate layers and the bottom, especially in the winter. It was also found that the local winds have low correlation with the currents, except on the superficial layers, indicating the importance of remote forcing in the dynamics of the region, coupled with the influence of cyclonic vortical activity in the region, generated by the Brazil Current, reaching the middle shelf. Upwelling and downwelling evidences were observed in all time series, with the preferential location occurring west of Cabo Frio.

Este trabalho visa a determinação numérico-experimental de propriedades hidrodinâmicos em um cilindro de seção circular parcialmente submerso. A solução numérica do problema foi desenvolvida através do método dos painéis, o qual foi programado no pacote MATLAB®, sendo que o modelo do cilindro é excitado segundo os parâmetros de onda registrados a partir do ensaio de arrasto do cilindro, possibilitando a determinação da massa adicional e amortecimento hidrodinâmico. O desenvolvimento experimental foi efetivado através de ensaios em tanque de testes, com o uso de um carro de arrasto, tendo sido utilizado um sistema PIV (Particle Imagem Velocimetry) para mapear a não ocorrência da formação de vórtices na superfície submersa do cilindro. O cilindro foi fixado na base do carro, através de uma haste, na posição vertical, permanecendo parcialmente submerso nos ensaios de movimento oscilatório, com frequência e deslocamento longitudinal definidos. Nos ensaios, o conjunto de sensores no sistema detectou as variáveis de aceleração e carregamento na haste de sustentação do cilindro, deslocamento do carro e altura de onda, este último, realizado por dois wave probes simetricamente distanciados da posição inicial do cilindro. Os ensaios possibilitaram a obtenção da massa adicional e dos parâmetros necessários à solução numérica. O desenvolvimento da solução numérica hidrodinâmica via simulação em programa comercial foi realizado no pacote ANSYS® AQWATM, onde o cilindro foi modelado parcialmente submerso, sendo excitado pela frequência e velocidade de onda, os quais foram obtidos nos ensaios experimentais. Os resultados numéricos da programação e da simulação mostraram boa correspondência com os resultados experimentais. / This study involves the experimental and numerical determination of the hydrodynamic properties of a partially submerged cylinder with circular cross section. The numerical solution to the problem was developed using the panel method, which was programmed in the MATLAB® package, and the cylinder model was excited according to the wave parameters recorded during the cylinder drag test, enabling the determination of added mass and hydrodynamic damping. The experimental part of this study involved using a drag car in a test tank, with a PIV (Particle Image Velocimetry) system to map the non-occurrence of vortex formation on the submerged surface of the cylinder. The cylinder was attached vertically to the bottom of the car base by a rod, remaining partially submerged in the oscillatory motion tests, with defined frequency and longitudinal displacement. In the tests, the system’s sensor array detected the variables of acceleration and loading on the cylinder support rod, the car’s displacement and wave height, the latter measured by two wave probes placed at symmetrical distances from the cylinder’s initial position. The experimental tests made it possible to determine the added mass and the parameters required for the numerical solution. The development of the numerical solution of the hydrodynamic problem via simulation with commercial software was performed using the ANSYS® AQWATM package, in which the modeled cylinder was partially submerged and was excited by the wave frequency and velocity that were determined in the experimental tests. The numerical results of the programming and simulation showed a good correspondence with the experimental results.

Os dispositivos oscilantes por translação de ondas correspondem a um dos sistemas de maior potencial de geração de energia elétrica a partir das ondas do oceano, razão pela qual diversos engenheiros e pesquisadores dedicam-se ao desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia. O princípio de funcionamento destes conversores, cujos principais exemplos são o Oyster, o Waveroller e o Langlee, baseia-se no movimento oscilatório de um sistema placapistão, que promove a geração de eletricidade por meio de uma turbina. Os trabalhos existentes acerca destes dispositivos ainda não reúnem informações suficientes que possibilitem a estimativa do comportamento hidrodinâmico e da captação de energia dos mesmos em situações reais de funcionamento. Desta forma, o presente trabalho busca preencher estas lacunas por meio de modelagem numérica bidimensional, baseada em médias de Reynolds (RANS), de ondas regulares atuando sobre os respectivos dispositivos. As simulações são realizadas pelo código computacional livre e aberto OpenFOAM v 4.1 e sua extensão OLAFOAM, ambos fundamentados em volumes finitos e que utilizam a metodologia VOF para o tratamento da superfície livre, solucionando as equações de Navier-Stokes e da continuidade. A representação da dinâmica de corpo rígido dos dispositivos é tratada por uma metodologia que permite a deformação dos elementos de malha e o movimento do fundo do domínio, que oscila juntamente com as placas dos conversores no intuito de assegurar a convergência numérica. Tal metodologia é validada com base na comparação dos resultados numéricos com valores experimentais presentes na literatura. As simulações realizadas permitiram concluir que o método de fundo deformável se mostra adequado no estudo da hidrodinâmica e captação de energia destes conversores, sendo uma alternativa a outras metodologias existentes. Um aumento na largura das placas destes conversores relaciona-se a uma intensificação das velocidades angulares e numa maior captação de energia, sendo a largura ideal de placa aquela cuja dimensão é próxima a duas vezes a sua altura. Um aumento na espessura das placas ocasiona uma diminuição na oscilação e na captação energética dos dispositivos, sendo a espessura ideal com dimensão entre 10 % e 20 % da altura da placa. A captação de energia tende a diminuir com o aumento da profundidade, sendo que, para lâminas de água superiores a duas vezes a altura da placa do conversor, a influência da profundidade torna-se pouco significativa. O aumento do período de onda é responsável por intensificar a ação do campo de velocidades nas regiões próximas ao conversor, sendo o período de máxima captação de energia em torno de 11 s em escala real. Maiores alturas de onda são responsáveis por intensificar o movimento e a captação de energia dos conversores. / The oscillating wave surge converters represents one of the most effective systems to transform the energy of ocean waves into electric power, reason why many researchers and engineers are dedicated to the development and improvement of this technology. The main examples of those kind of converters are Oyster, Waveroller and Langlee, which energy production is related to a oscillating plate-piston mechanism, that drives a secondary hydraulic system, moving a turbine and generating electricity. Recent papers about this technology does not bring enough information to predict the hydrodynamic and the power capture in real operation cases. In order to fulfill those gaps, the present study is focused on bidimensional numerical modelling of regular ocean waves interaction over the converters, based on Reynolds Average Navier Stokes equations (RANS). The numerical simulations are performed by the opensource code OpenFOAM v 4.1 and its extension OLAFOAM, both based on finite volume discretization and VOF method for free surface representation, which solves the Navier-Stokes and continuity equations. The rigid body dynamics is represented by a methodology that uses the mesh morphing method combined with an oscillating bottom, which moves according to the plate movement, in order to ensure numerical convergence. The present method is validated by the comparison of the numerical model results with previous experimental studies. The numerical results led to the conclusion that the oscillating bottom method seems to be adequate to perform a study based on the hydrodynamic and power capture of the oscillating wave surge converters, representing an alternative method to modelling the dynamic of those devices. An increase in plate width are related to an increase on the device oscillation and its power capture. The ideal width is approximately twice the plate height. Thicker plates causes lower angular velocities, as a result, lower electric generation. The more efficient thickness is around 10 % to 20 % of plate height. The power capture decreases according to an increase on water depth, and the depths with values around twice of the plate height does not seem to modify the device hydrodynamics. Higher wave periods causes an intensification of the velocity field near the converter. The pitching period, which is related to the maximum power captured, is near to 11 s in real scale. The highest wave heights are responsible to increase the converter oscillation and electricity generation.

Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Os mecanismos de instabilidade hidrodinâmica têm um papel importante no processo da transição do escoamento de laminar para turbulento. A análise da instabilidade hidrodinâmica em uma cavidade com tampa deslizante foi realizada através da decomposição em modos globais (biglobal) para avaliar o efeito da compressibilidade neste fenômeno. O escoamento base foi obtido através de simulação numérica direta (DNS). Para tal, foi desenvolvido um código DNS compressível com discretização espacial por diferenças finitas compactas de alta resolução espectral e capacidade de processamento paralelo, com um método de decomposição de domínio que mantém a precisão das diferenças finitas compactas. O escoamento base é usado para montar o problema de autovalor oriundo das equações de Navier-Stokes linearizadas para a perturbação, discretizadas por diferenças finitas explícitas. O uso de diferenças finitas em conjunto com a implementação em matrizes esparsas reduz sensivelmente o uso de memória. Através do algoritmo de Arnoldi, a ordem do problema de autovalor é reduzida e os autovalores de interesse são recuperados. Os resultados indicam o efeito estabilizante da compressibilidade nos modos dominantes da cavidade e revelam modos inerentes ao escoamento compressível, para os quais a compressibilidade tem efeito desestabilizante. Dentre estes modos compressíveis, estão presentes modos de propagação sonora em dutos e modos relacionados à geração de som na cavidade. / Hydrodynamic instability mechanisms play an important role in laminar to turbulent transition. Hydrodynamic instability analysis of a lid-driven cavity flow was performed by global mode decomposition (biglobal) to evaluate compressibility effects on this phenomenon. The basic flow was calculated by direct numerical simulation (DNS). A compressible DNS code was developed with spectral-like compact finite difference spatial discretization. The code allows parallel processing with a domain decomposition method that preserves the compact finite difference accuracy. The basic flow is used to form the eigenvalue problem associated to the linear Navier- Stokes equations for the perturbation, which were discretized by an explicit finite difference scheme. The combination of sparse matrix techniques and finite difference discretization leads to a significant memory reduction. The order of the eigenvalue problem was reduced using the Arnoldi algorithm and the eigenvalues of interest were calculated. Results show the stabilizing effect of compressibility on the leading modes and reveal some modes intrinsic to compressible flow, for which compressibility has a destabilizing effect. Among these compressible modes, there are some related to sound propagation in ducts and to sound generation inside the cavity.

Este trabalho foi desenvolvido dentro do contexto da hidrodinâmica da plataforma continental, com o objetivo de estudar a variabilidade subinercial das correntes no extremo norte na Plataforma Continental Sudeste brasileira. A região de estudo está localizada nas proximidades de Cabo Frio (RJ) e Arraial do Cabo (RJ) (aproximadamente 23º S / 42º W). Apesar de ser uma região bastante conhecida e estudada, em função do fenômeno da ressurgência costeira que ocorre em suas proximidades, pouco se conhece sobre a circulação subinercial nessa localidade. Devido à importância das correntes subinerciais, por serem responsáveis pelo transporte de substâncias dissolvidas ou em suspensão nas águas, tais como sedimentos, nutrientes e poluição, este trabalho tenta contribuir com um maior conhecimento desses campos de corrente, a partir da análise, no domínio do tempo e da frequência, de séries temporais de intensidade e direção das correntes e do vento local. Foram utilizados dados coletados no Projeto DEPROAS (Dinâmica do Ecossistema de Plataforma da Região Oeste do Atlântico Sul) a partir de correntógrafos e ADCP fundeados, numa radial em frente a Cabo Frio, sobre as isóbatas de 50, 100 e 200 m, bem como de uma bóia e de uma estação meteorológicas. Trabalhamos com as séries temporais do inverno de 2001 e do inverno e verão de 2003. A partir desse estudo foi possível verificar que a variabilidade subinercial domina o fluxo das correntes na região, principalmente na direção paralela à batimetria. Como no restante da PCSE, verificou-se um balanço geostrófico na direção normal à topografia, responsável por um fluxo paralelo às isóbatas, em especial na PCM e nas profundidades intermediárias afastadas das camadas limite. Foi observado que a corrente costeira, forçada por processos baroclínicos e pelo vento, típica da parte central da PCSE, atinge o extremo norte da plataforma continental, induzindo um fluxo mais frequente com sentido SE, nas camadas intermediária e de fundo, principalmente no inverno. Verificou-se também que os ventos locais têm baixa correlação com as correntes, exceto nos níveis superficiais, evidenciando a importância das forçantes remotas na dinâmica da região, somado à influência da atividade vortical ciclônica gerada na região pela Corrente do Brasil, com influência até a PCM. Evidências de eventos de ressurgência/subsidência apareceram ao longo de todos os períodos estudados, com ocorrência preferencial a W desta localidade. / This work was developed within the context of the continental shelf hydrodynamics, with the aim of studying the subtidal variability of the currents in the far north of the South Brazil Bight (SBB). The area of the study is located in the vicinity of Cabo Frio (RJ) and Arraial do Cabo (RJ) (approximately 23º S / 42º W). Despite being a well known and studied region, due to the coastal upwelling phenomenon that occurs in its vicinity, little is known about the subtidal variability in this location. Given the importance of the subtidal currents, that are responsible for the transport of substances dissolved or suspended in water, such as sediments, nutrients and pollution, this work tries to contribute to a better understanding of these current~ fields, by the analysis in the time and frequency domain, from time series of the currents and local wind intensity and direction. We used data collected in DEPROAS Project (Western South Atlantict Platform Ecosystem Dynamics) from current meters and an ADCP moored in front of Cabo Frio, on the isobaths of 50, 100 and 200 m, and from a buoy and a weather station. We worked with time series of 2001 winter and 2003 winter and summer. From this study it was found that the subtidal variability dominates the flow in the region, mainly in the parallel direction of the bathymetry. As in the rest of the SBB, there was a geostrophic balance in the normal direction of the topography, which accounts for a flow parallel to isobaths, particularly in the middle shelf and in intermediate depths of the remote boundary layer. It was observed that the coastal current forced by baroclinic processes and by the wind, typical of the central part of the SBB reaches the northern edge of the SBB, leading to a more frequent flow in the southeast direction, in the intermediate layers and the bottom, especially in the winter. It was also found that the local winds have low correlation with the currents, except on the superficial layers, indicating the importance of remote forcing in the dynamics of the region, coupled with the influence of cyclonic vortical activity in the region, generated by the Brazil Current, reaching the middle shelf. Upwelling and downwelling evidences were observed in all time series, with the preferential location occurring west of Cabo Frio.

Orientador: Wei-liang Qian / Banca: Marcelo Batista Hott / Banca: Julio Marny Hoff da Silva / Banca: Sandra dos Santos Padula / Banca: Otávio Socolowski Junior / Resumo: Os fenômenos físicos envolvidos em colisões relativísticas de íons pesados foram estudados utilizando o código hidrodinâmico NeXSPheRIO, com condições iniciais flutuantes evento a evento, caracterizado por tubos de fluxo longitudinais de altas energias. Foram realizadas análises para o espectro de hádrons em função dos momentos transversais pelos cálculos das distribuições de partículas em sete janelas de centralidade de colisão, de acordo com dados publicados pela Colaboração STAR. A coletividade da matéria nuclear formada durante as colisões foi investigada em termos de correlações azimutais entre hádrons. Verificou-se que as estruturas da correlação dependem do momento transversal e da centralidade. Tais estruturas são atribuídas à interação entre um fundo dependente da centralidade e as flutuações de evento a evento na multiplicidade. Como resultado, as correlações observadas são apresentadas por um duplo pico na região do away-side que mudam continuamente para um pico único sob certas circunstâncias. Em termos do modelo do tubo periférico, o fundo é dominado pelo fluxo elíptico que aumenta com a descentralização. Pelos cálculos numéricos, a anisotropia do sistema é estudada quanto aos coeficientes de fluxo harmônico até a quarta ordem, de acordo com os dados da colaboração PHENIX. A anisotropia do fundo contribui para as correlações entre hádrons e pôde ser avaliada pelo método ZYAM. Após sua subtração na produção do sinal de correlação próprio, a estrutura de correlação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The physical phenomena involved in relativistic heavy-ion collisions were studied using a hydrodynamic code, NeXSPheRIO, with event-by-event fluctuating initial conditions featured by high-energy longitudinal flux tubes. Analyses were carried out for hadron spectrum as a function of the transverse momentum by the calculations of particle distributions in seven collision centrality windows, according to the data published by the STAR Collaboration. Also, the collectivity of the nuclear matter formed during the collisions was investigated in terms of dihadron azimuthal correlations. The correlation structures were found to be dependent on the transverse momentum and centrality. They are attributed to the interplay between the centrality dependent background and the eventby-event multiplicity fluctuations. As a result, the observed correlations are featured by a double-peak in the away-side region that continuously change to a single peak under certain circumstances. In terms of the peripheral tube model, the background is dominated by the elliptic flow which increases with decreasing centrality. By numerical calculations, the anisotropy of the system is studied regarding the harmonic flow coefficients up to fourth order, in accordance with the existing RHIC data. The background anisotropy contributes to the dihadron correlations, and can be evaluated by the ZYAM method. After it is subtracted from the proper correlation yields, the resultant correlation structure is a function ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor