Orientador: Celso Eduardo Tuna / Coorientador: Alex Mendonça Bimbato / Banca: José Alexandre Matelli / Banca: Wendell de Queiróz Lamas / Resumo: A busca por estudos visando às melhorias em projetos de engenharia relacionados às turbinas hidráulicas se tornam cada vez mais essenciais considerando a crescente demanda por fontes de energias renováveis como as usinas hidrelétricas. Por este motivo, cresce a necessidade de estudos sobre turbinas hidráulicas, por meio de inovações tecnológicas, que proporcionem a melhoria do rendimento das mesmas. Esse trabalho tem como objetivo aplicar modificações nas turbinas por meio de técnicas de projeto, como o biomimetismo, nas pás dos rotores de turbinas do tipo Bulbo e comparar o comportamento do escoamento sobre as pás e o rendimento dessas turbinas com aquelas projetadas sem a aplicação do biomimetismo. Para atingir esse objetivo a modelagem da turbulência se dá através da metodologia URANS (unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes) e o modelo de turbulência escolhido foi o k-ε, por ser ideal em escoamentos turbulentos, demandar um menor tempo de simulação computacional e apresentar maior semelhança com dados experimentais. Como resultado, observa-se que as mudanças realizadas na geometria das pás das turbinas, baseadas nos conceitos e técnicas de biomimetismo, proporcionaram aumento de desempenho nas turbinas bulbo, evidenciando-se assim a capacidade do biomimetismo de proporcionar melhorias em projetos de turbinas hidráulicas, que ainda é pouco difundida e estudada. Para a realização desse trabalho, usa-se o software comercial SolidWorks® para a criação da geometria e o ANSYS ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The search for studies aimed at improving engineering projects related to hydraulic turbines becomes increasingly essential considering the increasing demand for renewable energy sources such as hydroelectric plants. For this reason, the need is growing for studies about hydraulic turbines, by means of technological innovations, that provide the improvement in these turbines. The objective of this work is to apply modifications in turbines by means of design techniques, such as biomimicry, on the rotor blades of the Bulb type turbine, and to compare the flow behavior on the blades and the performance of these turbines with those projected without the application of the biomimetism. To accomplish this objective, turbulence modeling was performed using the URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) methodology and the turbulence model chosen was k-ε, because it is ideal in turbulent flows, requires a shorter computational simulation time and presents greater similarity with experimental data. As a result, changes in turbine blade geometry, based on biomimetic concepts and techniques, have resulted in significant performance gains in bulb turbines, thus demonstrating the ability of biomimetric to provide improvements in hydraulic turbine designs, which is still less widespread and studied. The commercial SolidWorks® software was used for the creation of geometry and the ANSYS Student® (version 19.1) for flow analysis using computational fluid dynamics (CFD) / Mestre

Este trabalho apresenta um estudo sobre a solução numérica da equação geral de advecção-difusão usando uma metodologia numérica conservativa. Para a discretização espacial, é usado o Método de Volumes Finitos devido à natureza conservativa da equação em questão. O método é configurado de modo a ter suas variáveis centradas em centro de célula e, para as variáveis, como a velocidade, centradas nas faces um método de interpolação de segunda ordem é utilizado para um ajuste numérico ao centro. Embora a implementação computacional tenha sido feita de forma paramétrica de maneira a acomodar outros esquemas numéricos, a discretização temporal dá ênfase ao Método de Crank-Nicolson. Tal método numérico, sendo ele implícito, dá origem a um sistema linear de equações que, aqui, é resolvido empregando-se o Método Multigrid-Multinível. A corretude do código implementado é verificada a partir de testes por soluções manufaturadas, de modo a checar se a ordem de convergência prevista em teoria é alcançada pelos métodos numéricos. Um jato laminar é simulado, com o acoplamento entre a equação de Navier-Stokes e a equação geral de advecção-difusão, em um domínio computacional tridimensional. O jato é uma forma de vericar se o algoritmo de geração de malhas adaptativas funciona corretamente. O módulo produzido neste trabalho é baseado no código computacional AMR3D-P desenvolvido pelos grupos de pesquisa do IME-USP e o MFLab/FEMEC-UFU (Laboratório de Dinâmica de Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia). A linguagem FORTRAN é utilizada para o desenvolvimento da metodologia numérica e as simulações foram executadas nos computadores do LabMAP(Laboratório da Matemática Aplicada do IME-USP) e do MFLab/FEMEC-UFU. / This work presents a study about the numerical solution of variable coecients advectiondi usion equation, or simply, general advection-diusion equation using a conservative numerical methodology. The Finite Volume Method is choosen as discretisation of the spatial domain because the conservative nature of the focused equation. This method is set up to have the scalar variable in a cell centered scheme and the vector quantities, such velocity, are face centered and they need a second order interpolation to get adjusted to the cell center. The computational code is parametric, in which, any implicit temporal discretisation can be choosen, but the emphasis relies on Crank-Nicolson method, a well-known second order method. The implicit nature of aforementioned method gives a linear system of equations which is solved here by the Multilevel-Multigrid method. The correctness of the computational code is checked by manufactured solution method used to inspect if the theoretical order of convergence is attained by the numerical methods. A laminar jet is simulated, coupling the Navier-Stokes equation and the general advection-diusion equation in a 3D computational domain. The jet is a good way to check the corectness of adaptative mesh renement algorithm. The module designed here is based in a previous implemented code AMR3D-P designed by IME-USP and MFLab/FEMEC-UFU (Fluid Dynamics Laboratory, Federal University of Uberlândia). The programming language used is FORTRAN and the simulations were run in LabMAP(Applied Mathematics Laboratoy at IME-USP) and MFLab/FEMEC-UFU computers.

Submitted by Josirene Barbosa (josirene.henrique@ufcg.edu.br) on 2018-01-22T14:06:12Z No. of bitstreams: 1 BRAUNER GONÇALVES COUTINHO - TESE PPGEP 2013.pdf: 5662839 bytes, checksum: 38e4233d72065d1a5e3baa86c6f3f108 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T14:06:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BRAUNER GONÇALVES COUTINHO - TESE PPGEP 2013.pdf: 5662839 bytes, checksum: 38e4233d72065d1a5e3baa86c6f3f108 (MD5) Previous issue date: 2013-08-29 / CNPq / O processo RTM é amplamente utilizado para a produção de materiais compósitos de alta qualidade. As simulações computacionais podem desempenhar um importante papel na otimização deste processo, reduzindo custos e tornando-o mais eficiente. Neste trabalho, foi desenvolvida uma modelagem matemática bidimensional transiente para a etapa de preenchimento do molde em processos RTM que prediz o escoamento de duas fases (ar-resina) em meios porosos. O conjunto de equações diferenciais parciais, escritas em coordenadas generalizadas, é discretizado utilizando o método de volumes finitos e resolvido por meio de uma abordagem totalmente implícita via método de Newton com um esquema de passo de tempo variável. Foi desenvolvido um simulador computacional com ferramentas de pré e pós-processamento para ajudar na definição de parâmetros de simulações e na visualização dos resultados obtidos. Para validar a metodologia matemática proposta, resultados numéricos de tempo de preenchimento, posição da frente de fluxo, pressão e vazão de injeção para escoamentos radiais e retilíneos foram comparados com resultados analíticos conhecidos. Como aplicação, o modelo foi usado para descrever o escoamento de óleo vegetal em uma pré-forma de fibra de vidro no interior de uma cavidade retangular e os resultados comparados com dados oriundos de estudos experimentais. Também foram simulados casos envolvendo fronteiras irregulares arbitrárias. O modelo proposto e o simulador mostraram-se consistentes produzindo resultados fisicamente coerentes para as variáveis do processo. / The RTM process is widely used for the production of high quality composite materials. Computer simulations can play an important role in the optimization of this process, reducing costs and increasing efficiency. In this work, it was developed a 2D transient mathematical model for the mold filling stage in RTM process which predicts the twophase flow (air-resin) through porous media. The set of partial differential equations, written in boundary fitted coordinates, is discretized using the finite volume method in a fully implicit approach and solved by using the Newton’s method. It was developed a computational simulator with pre- and post-processing tools to help the definition of simulations parameters and the visualization of the results. To validate the mathematical methodology, numerical results for filling time, flow front position, injection pressure and injection flow rate for rectilinear and radial flows were compared to analytical results from known models. The model was employed to describe the fluid flow of a vegetable oil in a glass fiber preform within a rectangular cavity and the results were compared to experimental data. Some cases involving arbitrary irregular boundaries were also simulated. The proposed model and the simulator generated physically consistent results of the process variables.

Resumo: A compreensão do escoamento em válvulas de compressores herméticos alternativos é de fundamental importância para introduzir modificações no projeto delas de maneira a aumentar a performance dos compressores, e por fim, dos ciclos de refrigeração. A válvula do compressor é um dispositivo ímpar, umas vez que seu funcionamento se dá pela ação da pressão exercida pelo escoamento, caracterizando um problema de forte interação fluido- estrutura. O uso da modelagem numérica através das ferramentas da mecânica dos fluidos computacional (CFD) tem se destacado como a alternativa mais dinâmica para o estudo do fenômeno. O trabalho desenvolvido foi voltado para o estudo numérico do escoamento através do difusor radial, o qual é um modelo simplificado da válvula, com o emprego do Método da Fronteira Imersa com Modelo Físico Virtual para a modelagem do disco superior do difusor (palheta). O ponto forte desta metodologia é que a representação de regiões sólidas é feita pelo cálculo de um campo de força, o qual é introduzido nas equações das células na vizinhança do sólido. Este procedimento dispensa o uso de malhas que se adaptam ao corpo, possibilitando o uso de malhas cartesianas convencionas para modelar geometrias complexas e móveis. A metodologia foi acoplada com a solução das equações governantes do escoamento em coordenadas cilíndricas através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, a metodologia foi validada, utilizando como dados de referência resultados provenientes de estudos numéricos e experimentais, e foi avaliada a influência dos parâmetros do procedimento na qualidade final dos resultados. Na segunda etapa foram desenvolvidos estudos preliminares referentes ao movimento do disco superior, com a imposição artificial dos processos de abertura e fechamento da válvula. Os resultados obtidos mostraram que a metodologia adotada ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The fully understanding of the flow through automatic valves of alternative hermetic compressors is essentiall to introduce modifications in its project aiming the improvement of the compressor performance and, also, the refrigeration cycle. The compressor valve is a singular device, once its operation is ruled by the flow pressure, characterizing a case with a strong fluid-structure interaction. The using of numerical tools trough the methods of computational fluid dynamics (CFD) has gained especial attention due to its flexibility to study the phenomenon. The present work was developed to study numerically the flow through the radial diffuser, which is a simplified model of the valve, with the employment of the Immersed Boundary Method with Virtual Physical Model to modeling the superior disk (valve reed). The main advantage of this methodology is that the modeling of solid boundaries is performed with the calculus of a force field, which is introduced in the cells equations nearby the solid. This procedure dispenses the using of body-fitted meshes, enabling the adoption of conventional Cartesian meshes to model complex and moving geometries. The methodology was coupled with the solution of the governing equations in cylindrical coordinates though the Finite Volume Method. Firstly, the methodology was validated, confronting the results obtained with data from numerical and experimental studies, where the influence of the main parameters in the quality of the final results was evaluated. In the second step were developed preliminary studies concerning the movement of the superior disk, whose opening and closing movements were artificially imposed. The results obtained showed that the adopted methodology is quit promising and flexible, and can be employed in more refined studies to the comprehension of the flow through the valve regarding the fluid-structure interaction that rules the problem / Orientador: José Luiz Gasche / Coorientador: Júlio Militzer / Banca: Cassio Roberto Macedo Maia / Banca: Elie Luis Martinez Padilla / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-11-13Bitstream added on 2014-06-13T19:29:59Z : No. of bitstreams: 1 vieira_dgsdr_me_ilha.pdf: 39977587 bytes, checksum: 474017fdd0731decbdde37dd533c1a9a (MD5) / Os métodos de fronteira imersa possibilitam a simulação numérica de escoamentos envolvendo contornos complexos e móveis utilizando-se uma malha euleriana fixa para representar o domínio fluido, associada a um conjunto de pontos lagrangianos para descrever interfaces, sem necessidade de remalhagem do domínio de cálculo. No presente trabalho, um método de fronteira imersa baseado no modelo físico virtual foi implementado em um código computacional já existente, com o objetivo de permitir a simulação do escoamento em torno de cilindros de base circular submetidos a oscilações forçadas ou induzidas pelo movimento do fluido. O programa computacional resolve as equações de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas através do método de volumes finitos, utilizando uma discretização implícita no tempo. Para testar as novas implementações, foram realizadas simulações para cilindros estacionários e em movimento oscilatório forçado, posicionados em meio infinito ou no interior de um canal. Além disso, foi resolvido um problema de interação fluido-estrutura, constituído por um cilindro móvel e indeformável posicionado dentro de um canal vertical, a jusante de uma obstrução, oscilando linearmente sob a ação de um escoamento pulsátil ascendente, tal como ocorre no funcionamento de alguns tipos de válvula automática. Em várias simulações, observou-se a reentrada de núcleos de vorticidade na saída do domínio de cálculo, interferindo na qualidade dos resultados obtidos. Uma função de amortecimento foi, então, introduzida nesta região, para evitar a ocorrência de instabilidades numéricas. Uma análise da performance global do programa de simulação indica que, embora já produza resultados satisfatórios, a modelagem empregada ainda necessita de aprimoramentos para corrigir algumas imperfeições. Além disso, o código computacional precisa... / Immersed boundary methods allow numerical simulation of flows around complex bodies by using a stationary Eulerian mesh to represent the fluid domain associated to a set of Lagrangian points to describe the interfaces without global remeshing of the domain. In the present work, an immersed boundary method based on virtual physical model has been implemented in a previously available computational code in order to simulate flows around circular cylinders submitted to forced or induced oscillations. The improved computational program deploys Navier-Stokes equations in Cartesian coordinates by using with finite volume method and implicit temporal time discretization. In order to test the new code several simulations have been performed for a confined flow around a fix circular cylinder as well as submitted to forced oscillation. Additionally, a problem of fluid-structure interaction formed by a rigid oscillating circular cylinder positioned in a vertical channel after an abrupt obstruction has been analyzed. The cylinder can freely oscillate in the streamwise direction due to action of an ascendant pulsating flow. This type of flow problem is very similar to those occurring in many types of automatic valves. In some simulations spurious backflow of vorticity nucleus at the computational domain outlet has been observed, interfering in the quality of results. Therefore, a convenient damping function has been introduced in that region to suppress such numerical instabilities. A general performance analysis of the program shows very satisfactory results, however suitable changes in the code should be considered to avoid some remaining instabilities as well as minimize the overall time required for the simulation runs

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / With the aim of develop a computational tool for thermodynamic optimization of heat exchangers, a computational code was implemented to solve the Navier-Stokes equations in an axisymmetric domain using the finite volume method and central differencing with Runge-Kutta explicit temporal advance and pressure-velocity coupling of fractional step type. This work presents results of the numeric simulation of the fully developed flow with heat transfer in a tube of circular section with ribs or obstacles, periodically spaced in the flow direction. The simulations were carried out in two regimes, laminar and turbulent, out of the completely rough region, and in four different geometries. In the cases with the high Reynolds number, the Smagorinsky subgrid model with damping function was used to include the effects of the quasi-two-dimensional scales not solved. In both cases, the primitive variables were decomposed to use periodic boundary conditions in the flow direction and non-slip boundary conditions in the walls. The results obtained in laminar regime are satisfactory. In the turbulent regime the results show the deficiency of the Smagorinsky subgrid model, when it is applied in two-dimensional domains. / Com o objetivo de desenvolver uma ferramenta computacional que permita a otimização termodinâmica de trocadores de calor, foi implementado um código computacional para resolver as equações de Navier-Stokes num domínio axissimétrico, usando o método dos volumes finitos e diferenças centradas, com esquema temporal explícito de Runge Kutta e acoplamento pressão-velocidade do tipo passo fracionário. Neste trabalho são apresentados resultados da simulação numérica de escoamentos completamente desenvolvidos e com troca de calor, em um tubo de seção circular com nervuras ou obstáculos periodicamente espaçados na direção do escoamento. As simulações foram feitas em dois regimes, laminar e turbulento, fora da região completamente rugosa, e para quatro geometrias diferentes. Nos casos com números de Reynolds mais elevados, foi empregado o modelo de turbulência sub-malha de Smagorinsky com função de amortecimento, para incluir os efeitos das escalas quase bidimensionais não-resolvidas. Em ambos os casos, as variáveis primitivas foram decompostas para empregar condições de contorno periódicas na direção do escoamento e de não-escorregamento nas paredes. Os resultados obtidos em regime laminar são satisfatórios e, em regime turbulento, mostram a deficiência do modelo sub-malha de Smagorinsky, quando aplicado em domínios bidimensionais. / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T02:03:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dionisio_RenatoPrado_M.pdf: 2692662 bytes, checksum: d52cd80b3a64bf352c034ca0e8b2835e (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Colunas de bolhas são equipamentos utilizados para realizar operações de transferência de massa e/ou calor entre uma fase gasosa e uma fase líquida, ou entre uma fase gasosa e uma fase sólida dissolvida ou suspensa na fase líquida com ou sem reação química. Elas são equipamentos de simples operação, mas que apresentam uma fluidodinâmica bastante complexa. Seu funcionamento básico é dado pela injeção de um gás (fase dispersa) na base da coluna em um meio líquido (fase contínua). Elas são empregadas nas mais diversas áreas industriais, como processos de química fina, reações de oxidação, reações de alquilação, síntese de Fischer-Tropsch, tratamento de efluentes, reações de fermentação e produção de proteínas, e mais recentemente, em cultura de células devido à sua simplicidade de construção e operação. Processos que utilizam esse tipo equipamento se aproveitam das vantagens que eles apresentam como o fato de não possuírem partes móveis e propiciarem uma grande área de contato entre as fases e conseqüentes taxas elevadas de transferência de massa e calor, o que favorece tanto as reações químicas quanto as biológicas. O objetivo deste trabalho foi analisar computacionalmente, através da fluidodinâmica computacional (CFD), a influência de parâmetros geométricos (diferentes tipos de distribuidor de fase gasosa e recirculação externa da fase líquida na coluna) na fluidodinâmica do sistema. Foram realizadas simulações tridimensionais de colunas de bolhas empregando o pacote computacional ANSYS/CFX 5.11 que utiliza o método dos volumes finitos na discretização das equações diferenciais que governam o escoamento em colunas de bolhas de escala de laboratório. Foi observado que a inclusão de distribuidores de fase gasosa na malha computacional acarretou em melhor predição dos perfis de fração volumétrica de gás nas colunas, resolvendo os problemas de aproximações geométricas arbitrárias sobre a forma de se distribuir o gás pela coluna em casos que a simples injeção uniforme apresenta problemas. A utilização dessa abordagem, no entanto, deve ser cuidadosamente considerada devido ao aumento do esforço computacional. Também foi observada uma mudança notável no comportamento do perfil de velocidade axial da fase líquida devido à utilização de uma recirculação externa à coluna (External Loop), acarretando um decréscimo no valor total de fração volumétrica de gás na coluna (Total gas hold-up). No equipamento com o "Externalloop", o perfil de velocidade axial do líquido é ascendente em todo o corpo principal da coluna, diferindo das colunas cilíndricas verticais que possuem fluxo ascendente no centro da coluna e descendente nas regiões próximas às paredes. Os resultados mostraram que a metodologia utilizada no trabalho é adequada e capaz de prever comportamentos importantes nos equipamentos bifásicos em questão / Abstract: Bubble columns are equipments used to perform mass and heat transfer operations between a gas and a liquid phase, or between a gas phase and a solid phase dissolved or suspended in the liquid phase with or without chemical reaction. They are of simple operation, but offer room for a quite complex multiphase flow. Its basic operation is given by the injection of a gas phase (dispersed phase) at the base of the column passing through a liquid medium (continuous phase). They are employed in a broad variety of industrial sectors, such as processes of fine chemicals, oxidation reactions, alkylation reactions, Fischer- Tropsch synthesis, effluents treatment, fermentation and production of proteins and more recently in cell culture because of its simplicity of construction and operation. Processes that use such equipment take advantage of the fact that they have no moving parts and offer a high contact area between phases and consequent elevated mass and heat transfer rates, which favours both chemical and biological reactions. 'The goal of this study is to use computational fluid dynamics (CFD) to examine the influence of geometric parameters (different types of gas spargers and a liquid phase external loop recirculation) and some approximations usually made in computational studies published in the literature. In this work three-dimensional simulations of bubble columns were performed using ANSYS/CFX 5.11 computational package, which handles the finite volume method for discretizing the differential equations representing the flow in order to study laboratory scale bubble columns. It was observed that the inclusion of gas spargers in the computational mesh of bubble column simulations improved the description of the gas volume fraction profiles in the columns and solved the problems of arbitrary decisions on how to distribute the entering gas in cases where the simple uniform injection present problems. Using this approach, however, should be considered with care due to additional computational effort needed to achieve the desired solution. There was also a remarkable change in the behavior of the liquid phase axial velocity profiles due to the use of an external loop to the column, causing a decrease in the value of the total amount of gas present in the column (Total gas holdup). In the external loop equipment, the liquid axial velocity profile is upward throughout the entire main column, differing from cylindrical vertical columns in which the liquid flow is upward at the center of the column and is downward in regions near the walls. The results showed that the methodology used in this work is adequate, and able to predict bubble column and other two-phase equipment behaviour / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Joerg Schleicher, Amelia Novais / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-06T03:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Munerato_FernandoPerin_M.pdf: 1553622 bytes, checksum: 5cb80dbf31a93da9d201b78855292dfc (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Este trabalho aborda a questão de como resolver a equação da onda imagem para o problema de remigração na profundidade através de métodos numéricos. O objetivo deste problema é a reconstrução de uma imagem das camadas geológicas do subsolo a partir de uma imagem previamente migrada com um modelo de velocidade, geralmente, incorreto. Nosso principal objetivo neste trabalho é a investigação de possíveis métodos que possam resolver os problemas que surgiram ao usarmos esquemas explícitos do método de diferenças _nitas na solução da equação da onda imagem em trabalhos anteriores, como, por exemplo, a dispersão numérica. Para isso, estudamos aqui o método de volumes _nitos, assim como esquemas implícitos do método de diferenças _nitas. O método de volumes _nitos possui como característica principal propagar as médias das células da malha ao invés de simplesmente os dados pontuais como é feito no método de diferenças _nitas. As outras tentativas para solucionar o problema da dispersão foram dois tipos de implementação de esquemas implícitos do método de diferenças _nitas, isto é, implementações implícitas de esquemas convencionais avaliados em pontos da malha e um esquema avaliado nos centros das células. A qualidade dos algoritmos estudados foi testada numericamente. Estes testes numéricos mostram que o método de volumes _nitos não é adequado para resolver o problema da dispersão, uma vez que a média calculada a cada passo aumenta o estiramento do pulso. Além disso, as implementações implícitas dos esquemas convencionais mostram o mesmo comportamento de dispersão que as implementações explícitas. Unicamente o esquema centrado foi capaz de melhorar a dispersão numérica em comparação com as implementações anteriores,porém somente para dados contendo exclusivamente baixas freqüências / Abstract: This work approaches the question of how to solve the image-wave equation for depth remigration by numerical methods. The objective is the reconstruction of an image of the geologic layers of the subsoil from a previously migrated image with a different velocity model. Our main objective in this work is the investigation of possible methods that can solve the problems that appeared when using explicit _nite-difference schemes for the solution of the image-wave equation in previous works, particularly numerical dispersion. For this purpose, we study the method of _nite volumes, as well as implicit _nite-difference schemes. The main characteristic of the _nite-volume method is to simply propagate the averages in the cells of the mesh instead of the discretized data themselves as it is done in the _nitedifference method. As another attempt to solve the problem of the dispersion, we study two types of implementation of implicit _nite-difference schemes, that is, implicit implementations of conventional schemes evaluated out the edge of the cell and a scheme evaluated in the center of the cell. The quality of the studied algoritms has been tested numerically. These numerical tests show that the method of _nite volumes is not adequate to solve the problem of dispersion, for the average calculated in each step additionally increases the pulse stretch. Moreover, the implicit implementations of the conventional schemes show the same dispersion behavior as the explicit implementations. Solely the centered scheme was capable to improve the numerical dispersion in comparison with the previous implementations, however only for data containing / Mestrado / Geofisica Computacional / Mestre em Matemática Aplicada

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Henry França Meier, Antonio Andre Chivanga Barros / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T17:36:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Noriler_Dirceu_D.pdf: 6369286 bytes, checksum: f7d7529d389ee08ae2c3e9ff05d27633 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Os mecanismos fenomenológicos que ocorrem em equipamentos industriais são muito importantes para o projeto e otimização de equipamentos e processos. Neste caminho, a destilação, a mais importante técnica de separação, é foco de diversos estudos que tem como objetivo compreender a fenomenologia deste sistema. Os modelos atuais para a representação de colunas de destilação baseiam-se no conceito de estágios de equilíbrio e de não equilíbrio que consideram a mistura perfeita em cada fase, onde não existem variações espaciais das propriedades conserváveis, somente variações temporais. No entanto, é conhecido que o padrão de escoamento tem uma grande importância sobre a eficiência de transferência de massa e energia. Neste sentido, houve muitas contribuições na aplicação das técnicas de CFD ao estudo dos padrões de escoamento em sistemas gás-sólido, como em leitos fluidizados, e em sistemas gás-líquido, como em coluna de bolhas. Assim, o principal objetivo deste trabalho é aplicar um modelo microscópico multifásico baseado na conservação de quantidade de movimento, calor e massa, num referencial euleriano-euleriano tridimensional e transiente, sob condições de turbulência, que possibilite a predição dos perfis de velocidade, fração volumétrica, pressão, temperatura e concentração em um prato perfurado de uma coluna de destilação. Um código comercial de CFD foi utilizado para a execução dos experimentos numéricos, com a construção de malhas numéricas e implementação de equações de fechamento obtidas na literatura através de sub-rotinas escritas em linguagem FORTRAN. O método numérico utilizado foi o método dos volumes finitos com malha co-localizada em um sistema de coordenadas generalizadas. Os principais resultados mostram os perfis de fração volumétrica, velocidade, temperatura e de concentração em função do tempo e da posição no prato e quando comparados com dados da literatura e com dados obtidos experimentalmente confirmam a capacidade do modelo predizer os principais aspectos fenomenológicos em pratos perfurados de destilação. A metodologia proposta neste trabalho mostrou-se adequada para reproduzir o comportamento fluidodinâmico em pratos perfurados de destilação e pode ser aplicada para projeto e otimização destes equipamentos / Abstract: A better understanding of the mechanisms that occur in large scale industrial processes is important in order to improve equipment design and process development. In this way, distillation is one of the most important separation techniques. Conventional models for distillation columns are based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts. Despite the relevant results obtained with equilibrium and nonequilibrium stage models, they neglect the fluid dynamic phenomena assuming perfect mixing of each phase in the plate. However, it has been recognized that the flow pattern on a distillation tray is of large importance on the mass and energy transfer efficiency, and this influence can only be analyzed by making a fluid dynamics study. Recent advances show that CFD techniques have allowed the study of fluid dynamic in processes and equipments. Contributions have been made in modeling and simulation of gas-solid flow, as for example in fluidized beds, and gas-liquid flow, as for example in bubble columns. The main objective of this work is to apply a CFD model under Eulerian-Eulerian framework for gas-liquid flows, capable to predict the momentum, mass and thermal phenomena of the multiphase flows. A three-dimensional and transient model with chemical species, energy and momentum conservation balances have been applied for predictions of volume fractions, velocities, pressure, temperature and concentrations fields, of two-phase flows on distillation sieve tray. The mathematical model was implemented in a CFD commercial code for numerical studies, with the construction of a particular numerical grid and using own sub-routines in FORTRAN language for the closures equations obtained from literature. The model was solved using the finite-volume method with collocated variables in a generalized co-ordinate system. The results show the volume fractions, velocities, temperature and concentrations profiles as a function of the time and the position in the distillation sieve tray. These were compared with literature data and our experimental data to confirm that the model is suitable to predict gas-liquid flows on a distillation sieve tray. The CFD tools presented and discussed in this work make possible to know better the turbulent gas-liquid flow in a sieve plate of distillation columns and they can be used to optimize design and the operating conditions of such processes / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Este trabalho apresenta um estudo sobre a solução numérica da equação geral de advecção-difusão usando uma metodologia numérica conservativa. Para a discretização espacial, é usado o Método de Volumes Finitos devido à natureza conservativa da equação em questão. O método é configurado de modo a ter suas variáveis centradas em centro de célula e, para as variáveis, como a velocidade, centradas nas faces um método de interpolação de segunda ordem é utilizado para um ajuste numérico ao centro. Embora a implementação computacional tenha sido feita de forma paramétrica de maneira a acomodar outros esquemas numéricos, a discretização temporal dá ênfase ao Método de Crank-Nicolson. Tal método numérico, sendo ele implícito, dá origem a um sistema linear de equações que, aqui, é resolvido empregando-se o Método Multigrid-Multinível. A corretude do código implementado é verificada a partir de testes por soluções manufaturadas, de modo a checar se a ordem de convergência prevista em teoria é alcançada pelos métodos numéricos. Um jato laminar é simulado, com o acoplamento entre a equação de Navier-Stokes e a equação geral de advecção-difusão, em um domínio computacional tridimensional. O jato é uma forma de vericar se o algoritmo de geração de malhas adaptativas funciona corretamente. O módulo produzido neste trabalho é baseado no código computacional AMR3D-P desenvolvido pelos grupos de pesquisa do IME-USP e o MFLab/FEMEC-UFU (Laboratório de Dinâmica de Fluidos da Universidade Federal de Uberlândia). A linguagem FORTRAN é utilizada para o desenvolvimento da metodologia numérica e as simulações foram executadas nos computadores do LabMAP(Laboratório da Matemática Aplicada do IME-USP) e do MFLab/FEMEC-UFU. / This work presents a study about the numerical solution of variable coecients advectiondi usion equation, or simply, general advection-diusion equation using a conservative numerical methodology. The Finite Volume Method is choosen as discretisation of the spatial domain because the conservative nature of the focused equation. This method is set up to have the scalar variable in a cell centered scheme and the vector quantities, such velocity, are face centered and they need a second order interpolation to get adjusted to the cell center. The computational code is parametric, in which, any implicit temporal discretisation can be choosen, but the emphasis relies on Crank-Nicolson method, a well-known second order method. The implicit nature of aforementioned method gives a linear system of equations which is solved here by the Multilevel-Multigrid method. The correctness of the computational code is checked by manufactured solution method used to inspect if the theoretical order of convergence is attained by the numerical methods. A laminar jet is simulated, coupling the Navier-Stokes equation and the general advection-diusion equation in a 3D computational domain. The jet is a good way to check the corectness of adaptative mesh renement algorithm. The module designed here is based in a previous implemented code AMR3D-P designed by IME-USP and MFLab/FEMEC-UFU (Fluid Dynamics Laboratory, Federal University of Uberlândia). The programming language used is FORTRAN and the simulations were run in LabMAP(Applied Mathematics Laboratoy at IME-USP) and MFLab/FEMEC-UFU computers.