A compreensão dos mecanismos de estabilidade de chamas é de extrema importância tanto para o projeto/dimensionamento de queimadores utilizados em fornos e fornalhas industriais, câmaras de combustão de turbinas a gás e flares; como para a substituição de combustíveis em queimadores existentes. Há um intervalo de condições (como velocidade de descarga do jato e concentração de combustível na mistura gasosa) na qual a combustão estável pode ser mantida, sendo limitada por dois fenômenos denominados como liftoff (descolamento da base da chama do bocal e posterior estabilização desta a certa distância do bocal) e blowout (desprendimento e extinção da chama). Por razões de segurança, operações próximas às condições em que o blowout pode ocorrer devem ser evitadas. Muitas teorias têm sido publicadas para descrever as características de liftoff e blowout de chamas de difusão turbulenta. Este trabalho apresenta algumas destas teorias, bem como as hipóteses assumidas e os processos físicos considerados responsáveis por estes fenômenos (liftoff e blowout). Correlações para a previsão da velocidade de blowout e resultados experimentais disponíveis na literatura também são apresentados. Uma nova correlação para a velocidade de blowout é proposta, a qual se baseia nos movimentos de grande escala observados em jatos turbulentos e no adimensional número de Damköhler (relação entre o tempo de cinética química e o tempo de mistura dos reagentes e destes com os produtos da reação). Comparações entre as previsões da correlação proposta com resultados experimentais e com previsões de outras correlações disponíveis na literatura foram realizadas, para diferentes combustíveis e diâmetros de bocais. A correlação proposta apresentou boa concordância com os resultados experimentais. A partir das análises desenvolvidas neste trabalho, verificou-se que a velocidade de blowout de chamas de difusão turbulenta é função das propriedades do combustível, das características do bocal, das condições do ambiente e do adimensional número de Damköhler. / The study of flame stability is very important to the design of burners used in industrial ovens and furnaces, combustion chambers of gas turbines and flares; and fuel substitution in burners. There is a range of conditions (for example gas velocity at the nozzle exit and jet fuel concentration in the gas mixture) at which stable combustion can be maintained, being limited by two phenomena called liftoff and blowout. Lift-off is the detachment of the flame from the fuel nozzle, and blowout its detachment and extinction. Operating conditions close to stability limits should be avoided for security reasons. Many theories have been published to describe the blowout and lifted characteristics of turbulent jet diffusion flames. This document presents some theories, as well as the assumptions and physical processes considered responsible for these phenomena (liftoff and blowout). Correlations for predicting the blowout velocity and experimental results available in the literature are also shown. A new correlation is proposed, which is based on large-scale motions observed in turbulent jets and the dimensionless Damköhler number (ratio of the characteristic chemical reaction time and the time associated with the mixing of reentrained hot products into fresh reactants). Comparisons between the predictions of the proposed correlation with experimental results and predictions of other correlations available in the literature were performed for different fuels and nozzle diameters. The proposed correlation showed good agreement with the experimental results. The analyses developed in this work allow us to conclude that the blowout velocity of the turbulent diffusion flame depends on the fuel properties, characteristics of the nozzle, the environmental conditions and the Damköhler number.

O enfoque deste trabalho é contribuir para a compreensão dos processos que definem a propagação de linhas de instabilidade tropicais da Amazônia. Foi feita a análise de 9 anos de imagens de satélite definindo casos de linha de instabilidade e relacionando sua ocorrência com as do seu ambiente. Foi ressaltado o papel dos jatos de baixos níveis na propagação das linhas de instabilidade e verificadas possíveis diferenças entre os sistemas que se propagam e os que não se propagam. A partir da análise observacional foram feitas simulações numéricas com o modelo BRAMS para explorar a sensibilidade da propagação das linhas de instabilidade às características cinemáticas do ambiente. Como resultado principal, obteve-se que a maioria dos casos observados foi de linhas que não se propagaram, permanecendo quase estacionárias nas proximidades da costa norte do Brasil. Do total de casos de LI identificadas nas imagens de satélite, apenas 20% foram de linhas se propagaram mais de 400 km. O perfil do vento para seu ambiente de formação e desenvolvimento possui características que reúnem um jato em baixos níveis, um jato em altos níveis e pouco cisalhamento na intensidade e na direção. O jato em baixos níveis foi predominante de leste com intensidade média de 9 ms-1 e ocorreu em torno de 800 hPa. Ele foi mais intenso e mais profundo para as linhas que se propagaram mais de 400 km e menos intenso e menos profundo para as linhas costeiras. Os anos de 2005 e 2006 tiveram um aumento considerável de casos, em especial para as linhas que se propagaram. 2005 foi um ano atípico, pois foi verificado um aumento na temperatura da superfície do mar do Atlântico tropical, o que permitiu especular que aumentos como o que foi verificado, em certas áreas do Oceano Atlântico, pode levar ao aprofundamento do JBN através da intensificação das ondas de leste e assim favorecer a formação de mais LI na costa norte do Brasil. O JBN tem papel importante no processo de desenvolvimento das torres de cúmulos que compõe as linhas de instabilidade. Não só são responsáveis pela organização do sistema em linha, mas influenciam diretamente nos processos internos das nuvens, como ventilação e entranhamento, a formação de correntes descendentes e a formação de frentes de rajada em superfície que, em última instância, definem as características de propagação. / The aim of this work is to contribute to the understanding the processes that define the propagation of Amazon Tropical Squall Lines (ASL). 9 years of satellite images were analyzed defining ASL cases and their relationship with environment characteristics. The low level jet (LLJ) in ASL propagation has emerged as an important feature and possible differences between the systems that propagated and systems that did not propagate were analyzed. The observational analyzes suggested a series of numerical simulations with BRAMS model to explore the sensitivity of propagating ASL with respect to the kinematic characteristics of environment. Main results show that the larger number of ASL cases was of non propagating coastal lines. From the total, only 20% of ASL propagated more than 400 km (SL2). The wind profile of ASL formation and development environment had a LLJ, an upper level jet and to small values of speed and directional shear. The LLJ was from east with intensity of about 9 ms-1 and it was occurred around 800 hPa. It was more intense and deeper for SL2 than CSL. The 2005 and 2006 years had an considerable increase of ASL cases, specially for propagated lines. The 2005 year was atypical, because had an increase of sea surface temperature of Tropical Atlantic Ocean, allowing to speculate that this kind of increase, in certain areas of the Ocean, can lead to the deepening of LLJ through of easterly wave intensification, and thus favoring the formation of more ASL in the North coast of Brazil. The LLJ has a important role in the development processes of cumulus towers that compose the ASL and not only it were responsible for organization of the system, but it directly influence the internal processes of clouds, like inflow into the cloud.

Neste trabalho é simulado numericamente o escoamento de um jato incidente em placa coberta com uma camada porosa. As equações macroscópicas para a conservação de massa e quantidade de movimento são obtidas baseadas no conceito de media volumétrica. Dois modelos macroscópicos são empregados para avaliar a transferência de calor, denominados: Modelo de uma equação de energia, baseado na consideração de Equilíbrio Térmico Local (LTE), e o modelo de duas equações de energia, em que são empregadas duas equações de energia, uma para o fluido e outra para a matriz porosa e é considerada a transferência de calor entre as fases também chamada de hipótese de Não Equilíbrio Térmico Local (LTNE). A técnica numérica empregada para a discretização das equações governantes foi o método de volume de controle com um sistema de coordenadas não ortogonal. O algoritmo SIMPLE foi utilizado para o acoplamento pressão-velocidade. Parâmetros como porosidade, espessura da camada porosa, permeabilidade do material e razão de condutividade térmica são variados com o intuito de avaliar seus efeitos no escoamento e transferência de calor. Os resultados indicam que para baixas porosidades, baixas permeabilidades, finas espessuras de camada porosa e altas razões de condutividade térmica, diferentes distribuições no número de Nusselt local na parede são calculados dependendo do modelo de energia aplicado. O uso do modelo de Não Equilíbrio Térmico local (LNTE) indica que é vantajoso utilizar uma camada porosa com alta condutividade térmica e alta porosidade junto à placa aquecida.

The primary means of preventing ice formation on wings and engine inlets for modern commercial transport aircraft is by extracting hot air from the compressor and blowing it on the inside surface of the leading edge through small holes drilled in the so-called piccolo tube system. A critical aspect in the design of such system is the prediction of heat transfer of the impinging jets from the piccolo tube. The correct evaluation of the heat transfer rate in such devices is of great interest to optimize both the anti-icing performance and the hot air bleeding from the high-pressure compressor. The history of research in the anti-icing area is rather narrow. A review of the literature reveals that only few experimental and theoretical/numerical studies have been carried out to study the heat transfer and flow in the internal hot-air region. There are some experimental and numerical studies that developed correlations for the average Nusselt number. However, most of the research was performed using a single jet or a group of jets impinging on a flat slat, which is different from the jet impingement on concave surfaces, as the inside surface of a wing. Therefore, the objective of the present work is use the commercial CFD software FLUENT to perform a parametric study of the jet impingement on concave surfaces. The main goal is determine the effect of the Reynolds number on the heat transfer process. At the end of the work, a correlation for the average Nusselt number which account for the Reynolds number is presented.

Neste trabalho apresenta-se uma metodologia para a estimativa dos efeitos de interferência aerodinâmica sobre empenagens devido a jatos turbulentos, subsônicos e aquecidos. Primeiramente emprega-se um método de diferenças finitas para resolver numericamente as equações de Reynolds com as aproximações de camada limite. As equações de reynolds são resolvidas simultaneamente com a equação diferencial parcial oriundado modelo (K) da energia cinética turbulenta desenvolvido por Prandtl. Desta forma são calculados o campo de velocidade e de temperatura resultante. Na segunda etapa modela-se o campo de velocidade radial induzido pelo jato através de uma distribuição linear de sumidouros. Esta distribuição é utilizada com o "Vortex Lattice Method" no cálculo da interferência aerodinâmica sobre uma empenagem horizontal. Finalmente, são obtidas as curvas de sustentação de uma empenagem horizontal em função das principais variáveis do escoamento do jato.

Um estudo experimental da interação de dois jatos de ar planos e paralelos, oriundos de bocais retangulares, foi efetuado com um sistema de Velocimetria Doppler, utilizando um laser de He-Ne. Os resultados obtidos apresentam uma boa concordância com trabalhos experimentais anteriores realizados por outros autores, isto é, os perfis de velocidade média exibiram as três regiões distintas conhecidas como região de recirculação, região de jatos duplos e região de jato único. Entretanto, tornou-se claro que alguns melhoramentos podem ser feitos no gerador de jatos, no sistema usado para o mapeamento do campo de fluxo e no Sistema de Velocimetria Doppler, cujo volume de prova deve ser feito tão pequeno quanto possível.

Neste trabalho apresenta-se resultados de uma pesquisa experimental realizada no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA, a qual, teve como objetivo principal desenvolver uma infra-estrutura laboratorial para simulação de ambiente de reentrada atmosférica e, em específico executar ensaios de materiais de proteção térmica, adequados a disponibilidade de recursos existentes. Em primeira instância são descritos os principais aspectos da reentrada, agrupando-os numa base de conhecimento necessária para iniciar pesquisas relacionadas à simulação experimental. Numa segunda instância, apresentam-se formas conhecidas de simulação de reentrada, descrevendo as principais características de um túnel de vento a plasma, do aparato experimental utilizado para geração dos jatos de plasma e dos métodos de diagnósticos para caracterização do jato produzido. Quanto ao aspecto prático, primeiro descreve-se características dos equipamentos que foram implementados na câmara de vácuo para ensaio de materiais, dos que já estavam disponíveis e dos que foram especialmente construídos para realização dos experimentos. A câmara com 3,2m3 de volume interno está equipada com sistema de bombeamento adequado para atingir a pressão residual de 10-4N/m2, medidores de vácuo, válvula automática para controle da pressão de processo e fluxímetros para 5 tipos de gases. Levantou-se a capacidade de bombeamento do sistema de vácuo, correlacionando fluxo de gás injetado e pressão, obtendo-se como resultados curvas completas de calibração da Estação Experimental, as quais definem os limites de parâmetros aerodinâmicos que podem ser simulados no sistema. Construiu-se e testou-se três tipos conceituais de geradores de jato de plasma, para ensaios térmicos de materiais: o reator do tipo catodo oco refrigerado a água, duas versões do reator do tipo descarga em regime de arco a baixa pressão, com catodo de mercúrio e condensador de vapor resfriado a nitrogênio líquido e duas versões de tocha de plasma. O reator do tipo descarga em de arco com catodo de mercúrio trata-se de uma concepção inovadora para geração do jato de plasma, através da qual, pode-se obter menor grau de contaminação do jato lançado na câmara de expansão. Foi construída uma fonte de potência elétrica capaz de gerar tensão de 1,6kV e corrente de 3A para produzir a descarga que forma o jato de plasma. Diversos ensaios foram efetuados visando caracterizar os parâmetros operacionais desses reatores bem como mostrar a viabilidade de se produzir na câmara de vácuo um jato de plasma com intensidade adequada para ser utilizado em ensaios térmicos de materiais. Analises de espectrometria de massa foram realizadas para caracterizar as espécies químicas do jato de plasma formado em Ar, N2, O2 e suas misturas. Finalmente ensaios térmicos preliminares confirmaram a aplicabilidade dos jatos de plasma gerados para o adequado teste de material, tendo sido produzidos jatos com potências da ordem de até 2,5MW/m2 em pressões entre 70 e 440N/m2 que correspondem a faixa entre 37 e 52km de atitude. A realização dos trabalhos permitiu ampliar conhecimento e experiência, indicando claramente a possibilidade de se atingir o objetivo principal da equipe de pesquisa que é a realização da proposta de planos para construção de um Túnel de Plasma Brasileiro.

O mecanismo de formação de estrelas de alta massa é um dos problemas fundamentais em Astrofísica e um dos menos compreendidos. Duas teorias predizem a formação destes objetos, que se formariam via i) colisão de estrelas de baixa massa, ou ii) acreção por disco circunstelar. Atualmente, ambas as teorias carecem de testes observacionais críticos. Não obstante, o número de estrelas de alta massa jovens já identificadas na Galáxia corresponde a uma fração muito menor do que o esperado pela função de massa inicial. Este trabalho apresenta um estudo observacional de candidatos a MYSOs, selecionados a partir do levantamento Red MSX Source. Observações de 376 objetos nos filtros estreitos do H2 em 2.12 mícrons e num contínuo adjacente foram realizadas para identificar jatos moleculares colimados e 296 delas são apresentadas nesse trabalho. As observações do hemisfério Norte foram realizadas com o telescópio CFHT (Havaí) enquanto os objetos do hemisfério Sul, foram observados com o telescópio SOAR (Chile). A análise dos mapas de emissão em H2 permitiu concluir que 150 dos 296 objetos (51%) estão associados a emissões extensas em H2, e 62 delas foram classificadas como emissões polares. A análise da razão de aspecto das estruturas identificadas mostra que as emissões associadas a fontes com maior luminosidade apresentam baixo grau de colimação, tal como sugere o cenário de geração dos jatos a partir de ventos emanados pela pressão de radiação do disco circunstelar. A baixa fração de emissões polares (apenas 21% da amostra) indica que o tempo de vida dessas estruturas devem ser curtos. As evidências observacionais encontradas nesse trabalho corroboram o cenário de acreção via disco circunstelar e invalidam o modelo formação via coalescência de estrelas de baixa massa, que requer ambientes relativamente densos e não é capaz de produzir jatos colimados. / Very few massive stars in early formation stages were clearly identified in our Galaxy. The formation process of these objects is still unclear and two theories predict the formation of massive stars: i) by merging of low mass stars or ii) by an accretion disk. There are no critical observational evidences to choose between them. The lack of observational evidences combined with the small number of known massive stars in formation in our Galaxy does not allow us to choose between these scenarios. We present a near-infrared survey of MYSOs candidates selected from the Red MSX Source survey. Such catalog is based on an accurate revision of distances and luminosities, overcoming the limitations and failures in previous searches of this kind. 376 targets were observed through the H2 narrow-band filter at 2.12 microns and in the continuum to identify collimated molecular jets. 296 targets were successfully processed using the THELI pipeline and are presented. Observations in the Northern Hemisphere were carried at the CFHT telescope (Hawaii) while the Southern targets were observed with the Soar Telescope (Chile). The results show that 150 of the 296 sources display extended H2 emission and 62 of them are polar. The analysis of the aspect ratio of the structures indicates that emissions associated with higher luminosity sources have low degree of collimation. This is in agreement with the scenario of the radiation pressure-driven outflows from the circunstellar discs. The low fraction of sources associated with polar jets (21%) indicates a short timescale of such structures. The observational evidences found on this work support the accretion scenario and show that coalescence of low-mass stars (which may require relatively dense environments and is not expected to produce jet-like structures) is not likely to explain most of the studied MYSOs candidates.

Devido à importância de cavidades de vapor em meios líquidos, para áreas como transferência de calor e de escoamento em tubos (nos quais elas podem causar sérios danos), o processo de formação e colapso de bolhas tem sido largamente estudado, e boa parte do que ocorre em escala micro já foi reportado. Nos últimos anos, novos estudos no campo têm demonstrado que cavidades de diâmetro não desprezível (chegando a dezenas de centímetros), podem ser geradas em condições controladas. O mecanismo dos experimentos de formação dessas cavidades se aproveita do fato de que substâncias puras (ou quase puras) podem ser mantidas como líquido em temperaturas bem acima das de mudança de fase, e a transição de fase propriamente dita necessita de um mecanismo facilitador ou um ponto de iniciação, de modo que um estado superaquecido pode ser mantido por muito tempo até que essa condição seja alcançada, gerando uma mudança de fase extremamente rápida, e muitas vezes explosiva. As chamadas macro cavidades, geradas por esse processo, possuem uma dinâmica geral de formação e colapso bem semelhante as que ocorrem em escala micro, porém uma série de outros aspectos podem ser observadas nas mesmas, tais como formação de jato central e de película de líquido ascendente junto a parede. Esses aspectos específicos do escoamento, embora descritos em trabalhos anteriores, ainda não foram completamente compreendidos, e se mostram como um desafio na reprodução dos experimentos e na quantificação de força útil gerada. Dessa forma, este estudo se propõem ao melhor entendimento desses detalhes específicos acerca das macro cavidades. Através de filmagens em alta velocidade dos experimentos, e da análise dos dados gerados por essas filmagens, foi realizada uma análise dos mecanismos envolvidos na formação dos jatos centrais e dos filmes ascendentes, comparando a forma como esses efeitos se dão para o caso de macro cavidades com o relatado na bibliografia para casos semelhantes. A fim de facilitar a compreensão da física por trás dos mecanismos de amplificação de ondas, um modelo simplificado da instabilidade de Rayleigh-Taylor aplicado ao fenômeno também foi abordado. / Because of the importance of vapor cavities in liquid, for areas such as heat transfer and pipe flow (in which they can cause serious damage), the process of formation and collapse of bubble has been largely studied, and much of what occurs on a micro scale has already been reported. In recent years new studies in the field have shown that cavities of non-negligible diameter (up to tens of centimeters) can be generated under controlled conditions. The mechanism for the experiments of cavity formation takes advantage of the fact that pure (or near pure) substances can be kept as liquid at temperatures well above the phase change, and the phase transition itself requires a facilitating mechanism or a starting point, such that an overheated state can be maintained for a long time until this condition is reached, generating an extremely rapid, and often explosive, phase change. The so-called macro cavities, generated by this process, have a general dynamics of formation and collapse very similar to those that occur in micro scale, but a number of other aspects can be observed in them, such as formation of central jet and a liquid climbing film close to the wall. These specific aspects of the flow, although described in previous work, have not yet been fully understood, and are shown as a challenge in the reproduction of experiments and in the quantification of useful force generated. Thus, this study proposes to better understand these specific details about the macro cavities. Through high speed filming of the experiments and analysis of the data generated by these films, an analysis was made of the mechanisms involved in the formation of the central jets and the climbing films, comparing the way these events occur in the case of macro cavities, with the reported in the bibliography for similar cases. In order to facilitate the understanding of the physics behind the mechanisms of wave amplification, a simplified model of Rayleigh-Taylor instability applied to the phenomenon was also addressed.

Submitted by Fabricia Fialho Reginato (fabriciar) on 2015-08-27T23:08:49Z No. of bitstreams: 1 MarcosWOYCIEKOSKI.pdf: 2220255 bytes, checksum: 001c865faf4b29be82c72c3341fa51a4 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-08-27T23:08:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarcosWOYCIEKOSKI.pdf: 2220255 bytes, checksum: 001c865faf4b29be82c72c3341fa51a4 (MD5) Previous issue date: 2012-03 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com a rápida evolução da tecnologia, os dispositivos eletrônicos tornaram-se compactos e com o alto poder de processamento, aumentando a geração de calor. Mas devido à baixa eficiência de ventiladores e dissipadores utilizados atualmente, há a necessidade de desenvolver novas formas de resfriamento. O uso de jatos sintéticos no resfriamento de dispositivos eletrônicos ainda é incipiente. Estudos monstram que este método pode ser uma alternativa eficaz. Assim, neste trabalho foi desenvolvido um estudo experimental com jatos sintéticos onde foram analisadas diferentes configurações de jatos com orifício retangular. Um alto-falante foi utilizado como diafragma e excitado através de um gerador de sinais senoidais para produzir o jato. A frequência de ressonância era desconhecida e foi necessário analisá-la antes de iniciar o experimento. O sistema foi montado em um suporte móvel para que fosse possível variar a posição vertical do gerador de jatos. Foram analisadas as dimensões do orifício para diferentes diâmetros hidráulicos (4 – 8 mm) e razões de aspecto (2 – 4), como também a profundidade da cavidade (2 – 8 mm). Também se analisou a transferência de calor através do impacto de jatos sobre uma placa aquecida. Dentre os estudos, verificaram-se outros parâmetros como o número de Reynolds e o número de Strouhal a fim de calcular a frequência mais adequada para a produção de vórtices. Os resultados demonstraram que para orifícios retangulares, as configurações com diâmetro hidráulico maior e razão de aspecto menor, são as melhores opções para resfriamento dos dispositivos eletrônicos. / With the rapid evolution of technology, electronics have become more compact and with higher processing power, increasing heat generation. Thus, there is a need to develop new forms of cooling, due to the low efficiency of cooling fans and heatsinks used currently. Using synthetic jets for cooling electronic device is still incipient but studies show that this method is an effective alternative. Thus, this work was developed an experimental study with synthetic jets where different configurations were tested with rectangular orifice. A loudspeaker was used as diaphragm and it was excited by a sinusoidal signal generator to produce the jet. The previously unknown ressonant frequency was determined experimentaly as part of this study. The system was mounted on a vertical traverse to allow changes in the vertical position of the synthetic jet generator. Orifice dimensions were analyzed covering variations in hydraulic diameter (4-8 mm) and aspect ratio (2-4), as well as the depth of the cavity (2-8 mm). Also the heat transfer was examined through the jet impingement on a hot plate. Other parameters such as Reynolds and Strouhal number were also examined in order to calculate the best frequency for jet performance. Results show that for rectangular orifice, geometries with larger hydraulic diameter and aspect ratio smaller are the best options for electronic cooling devices.