Neste trabalho são estudados jatos impingentes, bidimensionais confinados incidindo sobre uma placa aquecida que pode estar ou não coberta por uma camada porosa. O problema foi considerado bidimensional e as simulações foram feitas para o escoamento tanto no regime laminar, quanto no regime turbulento. O meio poroso foi considerado rígido, homogêneo e isotrópico. Utilizou-se o conceito da dupla decomposição para a obtenção das equações macroscópicas que modelam o meio poroso. Estas equações foram discretizadas usando-se o método dos volumes finitos e o acoplamento pressão-velocidade foi resolvido usando o conhecido método SIMPLE. Foram investigadas, principalmente, a distribuição do Nusselt local na placa de incidência e a quantidade de calor retirada da placa, com ou sem a presença do meio poroso. Viu-se que, tanto para o regime laminar quanto para o turbulento, o uso do meio poroso possibilitou amenizar os elevados gradientes de temperatura, distribuir o fluxo de calor ao longo da placa e aumentar a transferência de calor.

O sangue é um fluido complexo cujas propriedades são significativamente afetadas pelo arranjo, orientação e deformabilidade dos glóbulos vermelhos. O estudo do escoamento sangüíneo é extremamente importante, visto que o desenvolvimento de muitas patologias cardiovasculares estão relacionadas com a variação de suas características frente à circulação sanguínea. Nesse sentido a hemodinâmica têm sido freqüentemente utilizada para obter melhor compreensão dos aspectos funcionais, diagnóstico e terapêuticos. Devido à complexidade da reologia do escoamento sanguíneo, não existe um modelo universal para representar a propriedade viscosa do sangue, entretanto encontramos diferentes classificações que descrevem o comportamento não-Newtoniano do sangue com base em diversas variáveis e graus de precisão. No presente estudo, o método de volumes finitos é utilizado para analisar o escoamento sanguíneo em uma bifurcação da carótida humana. Foi adotado um modelo tridimensional de fluido incompressível em regime permanente e transiente. A equação da quantidade de movimento foi resolvida empregando três funções de viscosidade não-newtonianas: Power-Law, Carreau e Casson, bem como o modelo newtoniano. Foram obtidos resultados para a distribuição da tensão de cisalhamento na parede e perfis de velocidade na direção axial e radial, utilizando o modelo newtoniano e os modelos de viscosidade não-Newtoniana. Posteriormente, o estudo analisou o escoamento sanguíneo sob regime pulsátil utilizando o modelo de Casson. A solução numérica foi obtida utilizando uma condição de velocidade dependente do tempo na entrada da artéria carótida com objetivo de incluir o efeito pulsátil ao escoamento. Os resultados demonstraram que é fundamental a utilização do modelo não-Newtoniano para analisar o escoamento sangüíneo em artérias com variações geométricas por apresentar regiões com baixos valores de velocidade e tensão de cisalhamento.

Foi aplicada a técnica de multigrid na implementação de dois programas computacionais visando a solução numérica de problemas em regime permanente de escoamentos laminares com geometrias simples e de um problema simples de transferência de calor em que o campo de velocidade é conhecido e constante, todos bidimensionais em coordenadas cartesianas. Os programas empregaram malhas computacionais estruturadas e ortogonais, estando os mesmos generalizados ao uso de malhas não-uniformes. As equações algébricas foram obtidas segundo uma formulação em volumes finitos, com as variáveis armazenadas no centro dos volumes elementares segundo um arranjo localizado e foram utilizados esquemas de interpolação distintos para cada classe de problema. O sistema de equações resultante foi relaxado através dos algoritmos Gauss-Seidel e TDMA - TriDiagonal Matrix Algorithm. O acoplamento pressão-velocidade foi feito segundo o método SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations. O algoritmo multigrid foi implementado na formulação correction storage em ambos os programas. A técnica foi demonstrada para alguns problemas bench-mark, com os resultados apresentando uma aceleração significativa do processo de convergência da solução numérica multigrid em relação às soluções em malha única, especialmente nas situações em que foram empregadas malhas bastante refinadas e foi exigida elevada precisão.

Este trabalho apresenta resultados numéricos para o escoamento incompressível axial laminar em feixes de barras. Para discretização das equações de transporte é empregado o método de volume-de-controle aplicado a um sistema de coordenadas generalizadas. Os resultados reproduzem primeiramente o escoamento em dutos de várias formas através do mapeamento do campo físico (X,Y) no domínio computacional (n). Soluções numéricas e analíticas são comparadas com a finalidade de se qualificar o programa computacional desenvolvido. Em seguida, são mostradas soluções para o escoamento em feixes de barras dispostos em arranjos triangular e quadrado. Também nestes casos os resultados apresentam concordância satisfatória com soluções analíticas existentes.

Neste trabalho é analisado o transporte de calor em meios porosos rígidos, homogêneos e saturados com um fluido incompressível e monofásico, para os regimes de escoamento laminar e turbulento. As equações de transporte de energia macroscópicas para o fluido e para a matriz porosa (sólido), são obtidas com o auxílio do conceito de dupla decomposição, donde surge o termo de 'dispersão térmica turbulenta'. A hipótese de Equilíbrio Térmico Local é utilizada para obter um modelo de uma-equação para o meio poroso. Os fluxos térmicos devido à tortuosidade e dispersão, que aparecem no processo de aplicação das médias temporal e volumétrica, são representados por um modelo de difusão proporcional ao gradiente da média intrínseca da temperatura média no tempo. Os tensores de condutividade térmica resultantes desse modelo são obtidos de dois modos: a) Para as componentes turbulentas, devidas às flutuações temporais da velocidade e temperatura, é utilizado o modelo de difusividade térmica turbulenta onde a viscosidade turbulenta macroscópica é obtida através do modelo k-e macroscópico, e b) Para as componentes de tortuosidade e dispersão, devidas aos desvios espaciais da velocidade e temperatura, são utilizados os resultados obtidos para os campos microscópicos de velocidade e temperatura em uma célula unitária com condições de contorno periódicas para o escoamento e um gradiente de temperatura imposto. O modelo macroscópico assim obtido, juntamente com as condições de contorno/interface apropriadas, é então utilizado na solução de problemas em meios híbridos, i.e., regiões compostas por meios sólidos e/ou porosos e/ou meio limpo (apenas fluido) num único domínio de cálculo.

Este trabalho investiga o tratamento numérico da interface entre uma região porosa e uma região limpa, levando em consideração a influência do coeficiente de salto da tensão cisalhante para a equação da quantidade de movimento, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. As equações que governam o escoamento são discretizadas pelo método de volumes finitos e o sistema de equações algébricas é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedure], sendo que para o acoplamento pressão-velocidade é utilizado o método SIMPLE. Inicialmente é analisado o escoamento laminar e, posteriormente o escoamento turbulento em canais parcialmente preenchido com um material poroso e, com um obstáculo poroso, utilizando para o caso turbulento o modelo k - e de Alto-Reynolds. Os resultados para o escoamento laminar em um canal parcialmente preenchido com material poroso sem a presença do termo não-linear de Forchheimer ou com a presença corroboram os resultados analíticos encontrados na literatura. Observa-se, ainda que, os resultados para escoamento em um canal parcialmente preenchido e com um obstáculo poroso, tanto laminar quanto turbulento, representaram satisfatoriamente os fenômenos físicos. A partir desses fatos conclui-se que a implementação numérica foi realizada de forma correta, sendo possível representar de forma adequada os efeitos do coeficiente, b , na vazão mássica global.

Neste trabalho são apresentadas soluções numéricas para o escoamento laminar e turbulento em um canal aletado com material poroso, para um escoamento de fluido monofásico em regime permanente, no qual a região porosa é modelada como sendo homogênea e isotrópica. A condição de periodicidade espacial ao longo do canal é empregada. As equações do movimento e continuidade de massa são integradas em um volume elementar representativo acarretando em um único conjunto de equações governantes válido para todo o domínio computacional. Estas equações são discretizadas pelo método de volume de controle e o sistema de equações resultante é resolvido pelo método SIP [Strongly Implicity Procedur

As velocidades de chamas laminares pré misturadas de etanol e ar para diferentes razões de equivalência e concentrações de água no combustível foram medidas na pressão atmosférica e temperatura de.423K. A concentração de água em volume no combustível variou entre 0,2% (etanol anidro) e 30% em volume, valor máximo no qual uma chama laminar pré-misturada se manteve estável, e a razão de equivalência variou em 0,1 no intervalo entre 0,9 e 1,3. Um queimador tipo Bunsen e a técnica óptica da quimiluminescência do radical OH foram utilizados para a obtenção do perfil da chama. A velocidade de chama laminar, SL, foi calculada utilizando o método da área da chama cônica, e os resultados experimentais foram comparados com os existentes na literatura e com os teóricos obtidos utilizando o modelo de cinética química para oxidação do etanol em altas temperaturas desenvolvido por Marinov utilizando software CHEMKIN-PRO. As simulações numéricas tiveram como dados de entrada as propriedades físicas do combustível no estado de vapor e do ar atmosférico, ambos a 423K e pressão atmosférica, e velocidade teórica da mistura ar e combustível no duto do queimador. Os resultados obtidos mostram se satisfatórios para a faixa de concentração de água de até 20% no combustível. A adição de água ao combustível produziu uma redução da velocidade propagação da chama em cerca de; 5,8% para a concentração de 5% de água no combustível, 9,0 para 10% de água no combustível, 15% para 15 de água no combustível e 21,7% para 20% de água no combustível.

L’exfoliation en phase liquide du graphite est un procédé simple susceptible de produire du graphène à faible coût. Ces dernières années, de nombreuses équipes ont exploité la cavitation acoustique et la cavitation hydrodynamique comme moyen d’exfoliation. La cavitation acoustique ne peut traiter qu’une quantité limitée de fluide et génère des défauts sur la structure du graphène,tandis que la cavitation hydrodynamique dans une solution en écoulement n’agit que localement pendant une durée très brève. Les équipes de recherche utilisant ce dernier procédé compensent cette brièveté en imposant à la solution chargée en graphite des différences de pression très fortes, et utilisent alors des infrastructures macroscopiques lourdes pour lesquelles il est difficile de distinguer le rôle du cisaillement de celui de la cavitation. Nous avons cherché à développer un nouveau procédé d’exfoliation basé sur l’utilisation de microsystèmes fluidiques capables de générer un écoulementcavitant avec un débit supérieur à 10 L/h pour une différence de pression modérée n’excédant pas 10 bar. Une nouvelle génération de laboratoires ‘sur puce’ a ainsi été imaginée et réalisée, permettant de traiter des solutions surfactées chargées en microparticules de graphite. Il est apparu que laconcentration solide et la durée de traitement sont des paramètres cruciaux pour l’efficacité du procédé. Par rapport à un écoulement monophasique laminaire microfluidique, l’écoulement cavitant produit plus de produits exfoliés et de graphène, avec un rendement de l’ordre de 6%. Ceci indique que l’implosion des bulles et la turbulence favorisent également les interactions entre particules. Ce procédé d’exfoliation microfluidique, qui ne nécessite une puissance que de quelques Watts, permet d’envisager à terme une production économe et écologique de graphène en suspension. / Liquid phase exfoliation of graphite is a simple and low-cost process, that is likely to produce graphene. The last few years, many researchers have used acoustic or hydrodynamic cavitation as an exfoliating tool. Acoustic cavitation is limited to low volumes and defects are present on the graphenesheets ; hydrodynamic cavitation inside a flowing solution acts briefly. So, people are using big reactors running with high pressure drops, and it is difficult from a fundamental point of view to know the physical role of shear rate versus cavitation, in the exfoliation process. We have tried to develop a new process funded on hydrodynamic cavitation ’on a chip’, with flow rates above 10 L/h and pressure drop below 10 bar. A new generation of ’labs on a chip’ has been designed and performed, processing with aqueous surfactant graphite solutions. The solid concentration and the duration of the process have proved to be key parameters. Cavitating microflows have exhibited a better efficiency (up to ~6%) than laminar liquid microflows, for the production of graphene flakes. Collapsing bubbles and turbulence are also likely to enhance particles interactions. Such a microfluidic process, which requires an hydraulic power of a few Watt, makes possible a further low-cost and green production of graphene sheets.

A presente tese se refere ao estudo do efeito de uma rugosidade tri-dimensional sobre a evolução de ondas Tollmien-Schlichting (T-S) em uma camada limite do tipo Blasius. Os experimentos foram realizados em condições controladas sobre um aerofólio cujo perfil permitiu a obtenção de uma extensa região de escoamento sem gradiente de pressão. As ondas T-S foram excitadas artificialmente utilizando-se uma fonte pneumática localizada a montante da rugosidade. A interação entre a onda T-S gerada e a rugosidade ocorreu a alguns comprimentos de onda a jusante da fonte. Foi utilizado nos experimentos uma rugosidade com altura oscilatória. A freqüência de oscilação da rugosidade foi aproximadamente 1500 vezes menor do que a freqüência das ondas T-S excitadas. Sendo assim, assumiu-se a rugosidade como sendo estacionária em relação as ondas geradas. A medição do comportamento das ondas de instabilidade bem como o campo de velocidade média do escoamento foram feitas utilizando-se a técnica de anemometria a fio quente. Os resultados obtidos mostram uma amplificação de perturbações em uma pequena faixa de números de onda transversal. Comparações entre os resultados experimentais e os obtidos a partir da teoria de instabilidade secundária da camada limite são apresentadas no trabalho. Essas comparações sugerem que nos experimentos ocorreu a amplificação das perturbações devido a instabilidade secundária do tipo K, ou fundamental. / The current thesis is devoted to a study of the effect of a shallow 3-D roughness element on the evolution of a 2-D Tollmien-Schlichting wave in a Blasius boundary layer. The experiments were carried out under controlled disturbance conditions on an airfoil section which could provide a long run with zero pressure gradient flow. A pneumatically driven slit source was used to introduce the T-S wave upstream of the lower branch of the neutral stability curve. A few wavelengths downstream, the T-S wave interacted with a cylindrical roughness element. The height of the roughness was slowly oscillating in time, which allowed a continuous measurement of the T-S wave response downstream of the roughness. The oscillation frequency was approximately 1500 times lower than the frequency of the Tollmien-Schlichting wave and therefore, behaved as a steady roughness with respect to the T-S wave. Hot wire anemometry was used to measure wall normal profiles of longitudinal velocity and spanwise scans close to the maximum of the eigenfunction of the T-S wave. The oscillation of the roughness and the synchronization of all equipments permitted the use of ensemble average techniques. The experimental results were compared with the boundary layer secondary instability theory. The analysis of the compared results suggests that the disturbances were amplified by a resonance mechanism known as K-type or fundamental.