Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T06:27:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cutrim_NubiaCeliaBerge_M.pdf: 3687041 bytes, checksum: 975ed9a3f5e5a8994b9057e4f1ba91e6 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Neste trabalho procurou-se desenvolver experimentos virtuais didáticos para ensino de Mecânicas dos Fluidos com ênfase na utilização da equação de Bemoulli, a experiência de Reynolds e funcionamento de wn rotâmetro, permitindo a realização de experimentos computacionais, com base em experimentos teóricos já existentes. Utilizou-se softwares adequados e de comprovada credibilidade para o desenvolvimento dos experimentos virtuais. Os resultados obtidos foram analisados, testados e comparados com os resultados nwnericamente testados. Com a conclusão deste trabalho pretende-se uma melhor compreensão dos fundamentos relacionados às temáticas da disciplina mecânica dos fluidos e suas aplicações no ensino mediado pelas novas tecnologias / Abstract: In this work it looked for develop didatics virtual experiments to the Fluids Mecanics with emphasis on the utilization Bernoulli's equation, Reynolds' experience and the function of the rotameter, permiting the accomplisbment of computers experiment, allude to teorics experiments that already existo It used adequa te softwares and it has confirmed credit for the delopment of the virtual experiments. The results abtained were analized and comproved with the results numerical tested. With the conclusion of this work it wish the best compreension of the basis related by the tematic of the discipline fluids mecanics and their inclusion on the teaching mediated by the news tecnologies / Mestrado / Instrumentação e Controle Industrial / Mestre Profissional em Engenharia Mecanica

Orientador: Marko A. Rojas Medar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-07-23T21:34:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OrtegaTorres_ElvaEliana_D.pdf: 5966361 bytes, checksum: f08e9f1f1c04a07735054d7ca6ea4112 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: Não informado / Abstract: Not informed / Doutorado / Doutor em Matemática Aplicada

Circuitos de convecção natural ou sistemas de circulação natural são empregados em diversas áreas da engenharia. Reatores nucleares refrigerados a água utilizam circuitos de circulação natural como método passivo de seguranca. Em situações críticas, sem qualquer controle externo, o sistema permanece em segurança por suas próprias características de funcionamento (intrinsecamente seguro). O trabalho proposto consiste em estudar numericamente o circuito de circulação natural de água, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear em São Paulo, por meio do uso de modelos matemáticos, objetivando determinar o padrão do escoamento em condições sem mudança de fase líquido-vapor. A comparação dos resultados de temperatura obtidos por cada um dos modelos de turbulência aos pontos instrumentados no circuito experimental, na condição transitória, revelou desvios significativos nas respostas do modelo de zero equação. Desvios intermediário foram observados nos modelos de transporte da viscosidade turbulenta (EVTE), k - ω, SST e SSG e resultados melhores foram vericados nos modelos k - ε e DES (com significativa superioridade do primeiro modelo). / Natural circulation loops apply to many engineering applications such as: water heating solar energy system (thermo-siphons), thermal management of electrical components (voltage converter), geothermal energy, nuclear reactors, etc. In pressurized water nuclear reactors, known as PWR\'s, the natural circulation loops are employed to ensure passive safety. In critical situations, the heat transfer will occur only by natural convection, without any external control or mechanical devices. This feature is desired and has been considered in modern nuclear reactor projects. This work consists of a numerical study of the natural circulation loop, located at the Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear in São Paulo, Brazil, in order to establish the ow pattern in single phase conditions. The comparison of numerical results to experiments in transient condition revealed significant deviations for the Zero Equation turbulence model. Intermediate deviations for the Eddy Viscosity Turbulence Equation (EVTE), k - ω, SST e SSG models. And the best results are obtained by the k - ε e DES models (with better results for the k - ε model).

Introdução: A obstrução nasal é um sintoma presente em várias doenças nasais. Este projeto propõe desenvolver uma metodologia para o cálculo da resistência nasal ao fluxo aerífero por meio de fluidodinâmica computacional e comparar os resultados dessa técnica com os da rinomanometria. Métodos: a resistência nasal ao fluxo aerífero foi medida por rinomanometria, experimentalmente e por fluidodinâmica computacional. A influência da segmentação da tomografia computadorizada nas variáveis de fluidodinâmica computacional foi investigada. O modelo computacional de escoamento laminar foi comparado ao modelo de turbulência k-w padrão. Foram analisadas a acurácia, correlação e concordância entre a resistência nasal calculada por fluidodinâmica computacional com aquela obtida por experimento e rinomanometria. Resultados: A resistência nasal provida por fluidodinâmica computacional pode variar até 50% de acordo com os critérios de segmentação da tomografia computadorizada. O modelo de turbulência k-w padrão apresentou acurácia de 93,1%, demonstrando melhor desempenho que o modelo laminar para prever a resistência da cavidade nasal. A correlação entre a vazão em 75Pa obtida por rinomanometria e fluidodinâmica computacional foi alta para ambas as cavidades, Pearson r = 0,75 p < 0,001. Não houve concordância entre a resistência nasal fornecida pelos dois métodos. A resistência nasal por fluidodinâmica computacional é, em média, 65% da resistência por rinomanometria. Conclusão: os critérios para segmentação da cavidade nasal interferem na resistência calculada por fluidodinâmica computacional. A metodologia de fluidodinâmica computacional para calcular a resistência nasal foi validada experimentalmente. O modelo de escoamento turbulento é melhor que o modelo laminar para calcular a resistência nasal. A resistência nasal calculada por fluidodinâmica computacional apresentou alta correlação com a medida por rinomanometria anterior ativa, mas o nível de concordância entre os métodos não permite comparação direta entre os valores obtidos por cada um / Introduction: Nasal obstruction is a symptom present in various nasal diseases. This project proposes to develop a methodology for the calculation of nasal resistance to airflow through computational fluid dynamics and, to compare the results of this technique with those of rhinomanometry. Methods: nasal airflow resistance was measured by rhinomanometry, experimentally and computational fluid dynamics. We investigated the influence of computed tomography segmentation on the computational fluid dynamics variables. The computational model of laminar flow was compared to the kw turbulence model. The accuracy, correlation and agreement between the nasal resistance calculated by computational fluid dynamics was analyzed comparing it with nasal resistance obtained through experiment and rhinomanometry. Results: The nasal resistance provided by computational fluid dynamics can vary up to 50% according to the computed tomography segmentation criteria. The k-w turbulence model showed accuracy of 93.1%, presenting a better performance than the laminar model to predict nasal cavity resistance. The correlation between the flow in 75Pa obtained by rhinomanometry and computational fluid dynamics was high for both cavities, Pearson r >= 0.75 p < 0.001. There was no agreement between nasal resistance provided by the two methods. Nasal resistance due to computational fluid dynamics is, on average, 65% of rhinomanometric resistance. Conclusion: the criteria used for nasal cavity segmentation interfere with the resistance calculated by computational fluid dynamics. The methodology of computational fluid dynamics to calculate nasal resistance was validated experimentally. The turbulent flow model is better than the laminar model to calculate nasal resistance. The nasal resistance calculated by computational fluid dynamics showed a high correlation with the measurement by active rhinomanometry, but the level of agreement between the methods does not allow a direct comparison between the values obtained by each one

Este trabalho tem por objetivo estudar através de simulações numéricas a interação fluido-estrutura de um escoamento ao redor de um cilindro livre para vibrar na direção transversal do escoamento, com o objetivo de compreender melhor o fenômeno muito recorrente em estruturas oceânicas, principalmente os dutos de extração de petróleo, chamados risers. A condição a ser estudada é a de escoamento com número de Reynolds igual a 10000, em um cilindro com parâmetro de massa igual a 3,3 e de amortecimento igual a 0,0026. Nestas condições, diversos modelos serão criados para representar toda a faixa de velocidades reduzidas em que ocorre o fenômeno de sincronização. Estes parâmetros foram escolhidos devido à presença de dados experimentais para o comparativo entre as simulações e os dados experimentais, que será apresentado ao final do trabalho. Resultados como a média do coeficiente de arrasto e o RMS do coeficiente de sustentação também serão comparados com dados experimentais disponíveis na literatura e uma análise dos perfis de escoamento na região da esteira é feita para a identificação de padrões recorrentes nestes tipos de caso. / The objective of this work is to study through numerical simulations the fluid-structure interaction in a cylinder, which is free to oscillate in the cross flow direction, aiming to better comprehend the phenomena that frequently appears in offshore structures, mainly in pipelines for oil extraction, called risers, The studied condition is a flow with Reynolds 10000 around a cylinder with mass ratio of 3.3 and damping factor of 0.0026. Under these conditions, multiples models are created to represent the reduced velocities range where the synchronization phenomena happen. Those parameters were chosen due to the availability of experimental data in the literature, which allows the comparison between the simulations and experiments that is presented in the end of the work. Results such as the drag coefficient mean and the lift coefficient RMS are also compared with the experimental data available in the literature and an analysis of the flow in the wake region is done with the intention of identifying the patterns found in this type of case.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o escoamento de ar em dutos com múltiplas saídas que são identificados como caixas sopradoras, quando instalados em máquinas desaguadoras de celulose. Estas caixas auxiliam o processo de secagem conduzindo ar aquecido até um conjunto de orifícios que produzem jatos que são impingidos sobre as folhas de celulose fabricadas. É realizada revisão bibliográfica abordando processos e equipamentos de secagem, com foco no escoamento de ar, métodos para solução numérica de escoamentos, seus modelos e parâmetros, e abordagem semi-empírica para fluxos de ar na saída de dutos. O escoamento do ar no interior da caixa sopradora e nos jatos de saída são estudados através de simulação numérica, e de modelo semi-empírico. São propostas duas alternativas de geometria para estes dutos de modo que se garanta a maior uniformidade possível na vazão e na velocidade média do ar que saí através dos orifícios Na primeira alternativa considera-se que a seção transversal da caixa sopradora se mantém constante. Na segunda se considera que a seção transversal seja reduzida de modo uniforme ao longo da caixa sopradora. Um estudo experimental sobre o comportamento do escoamento de ar para caixas sopradoras em escala reduzida apresenta resultados que possibilitam validar um conjunto de valores numéricos obtidos na simulação e também estabelecer características para o escoamento de modo a atender o processo de secagem. Para cada alternativa são adotadas duas condições de vazão de ar. Os resultados obtidos pela da simulação numérica e modelagem semi-empírica validam um perfil geométrico adequado para que a caixa sopradora produza um conjunto de jatos nas suas saídas com valores de velocidade média. Um dos principais resultados foi obtido para a caixa com 275 orificios, na qual as velocidades médias estiveram dentro do intervalo de 32,5 m/s e 33,1 m/s, que representou um ótimo resultado em termos de balanceamento e uniformidade das vazões de ar. / This study presents an analysis about airflow in ducts with multiple outlets that are identified as blow boxes, when installed in pulp dewatering machines. These boxes work in the drying process leading heated air to a set of nozzles that produce air jets that are impinged against the pulp sheet. It is performed literature review about drying processes and equipment, with a focus on air flow, methods for numerical solution of airflows, their models and parameters, and semi-empirical approach about airflow at the outlets of the duct. The airflow inside the blow box and the output jets are studied by numerical simulation, and semi-empirical model. It is proposed two alternative geometries for these ducts in order to guarantee the greatest possible uniformity in flow rate, and in the average velocity of air jets. In the first alternative is considered that the cross section of the blow box remains constant. In the second one it is considered that the cross section is reduced uniformly along the blow box. An experimental study about the behavior of the airflow in blow boxes, using scaled models, presents results that can validate a set of numerical values obtained in the simulation and also establish characteristics for the drying process. For each alternative two conditions of airflow are adopted. The results obtained through numerical simulation and semi-empirical modeling validates an appropriate geometrical profile for the blow box in order to set the values of average speed within the range required by the drying process. One of the principal results, obtained for the case of boxes with 275 holes, was the average speed within the range of 32,5 m/s and 33,1 m/s, this range represents a great result in tterms of balance and uniformity of air flow.

Em função de recentes desenvolvimentos no processo de cálculo de sistemas térmicos de proteção contra gelo em aerofólios, foi identificada a importância da camada limite transicional para a correta previsão do coeficiente de troca de calor externo. O presente trabalho discute os métodos utilizados na modelagem numérica de turbulência e transição, testa a capacidade de um modelo k-epsilon de baixo Reynolds avaliar corretamente a transição para o escoamento em uma placa plana bidimensional e mostra que o acoplamento de uma função de transporte de intermitência ao modelo de turbulência de duas equações é uma alternativa eficiente para se aumentar a qualidade da previsão da transição calculada. A filtragem pela variável de intermitência atua corrigindo os níveis de turbulência fornecidos pelo modelo de duas equações durante a transição. Entre os atrativos da função de transporte de intermitência estão a simplicidade das condições de contorno e o fato de serem expansíveis para escoamentos tridimensionais. Uma equação de transporte de intermitência é implementada e acoplada com um modelo de duas equações do programa Fluent. O modelo é testado para três níveis de turbulência do escoamento livre. Os resultados obtidos são comparados com experimentos e com aqueles fornecidos pelo modelo original sem modificações. As distribuições do coeficiente de atrito e de fator de forma ao longo da placa com a função de intermitência mostram boa concordância com os valores verificados experimentalmente, apresentando significativa melhora em relação àqueles obtidos com o modelo \\ke\\ baixo Reynolds. / As a result of recent developments in the field of thermal anti-ice protection in airfoils, was ideintified the relevance of accurately modeling the transitional boundary layer in order to predict the external heat transfer coefficient. The present work reviews the existing alternatives to turbulence and transition modeling, tests the ability of a low-Reynolds \\ke\\ model in the evaluation of transition for a bidimensional flat plate and shows that the coupling of an intemittency transport function with a two equation turbulence model improves the prediction of transition. The filtering with the intermittency function acts correcting the turbulence intensity levels provided by the two equation model during transition. The simple boundary conditions and the expandability to tridimensional flows are other important characteristics of the intermittency functions. An intermittency transport equation is implemented and tested with a two equation turbulence model of the software Fluent. The model is tested for three freestream turbulence levels and the results are compared with experiments and with those obtained with the original model without modifications. The heat transfer coefficient and boundary layer shape factor evolution calculated with the coupled intermittency transport function show good agreement with experiments, improving the quality of the results of the original model.

Dispositivos de reação miniaturizados tendem a ganhar espaço na indústria de processos químicos por elevarem o transporte de massa e de calor e a segurança dos processos. Para compreender o papel de cada elemento constituinte de um microrreator sobre seu campo de velocidades e fenômenos de mistura, foram simulados um conjunto de dois canais, uma junção em T, 30 canais em formato de serpentina e um microchip completo através da fluidodinâmica computacional. A seção transversal destes microdispositivos têm dimensões entre 100 e 300 µm, enquanto o comprimento dos canais varia de 3000 a 25190 µm. Os modelos computacionais foram discretizados por malhas hexaédricas e os campos de velocidade em estado estacionário foram calculados para vazões de alimentação entre 12,5 e 2000 µL min-1, considerando regime laminar. A mistura foi avaliada pela injeção de traçadores não-reativos e distribuição das respectivas frações mássicas. As simulações foram validadas usando microvelocimetria por imagens de partículas. Os campos de velocidade possuem magnitudes significativas apesar das dimensões reduzidas e baixas vazões de operação dos sistemas. As imagens experimentais do escoamento evidenciaram o formato parabólico do campo de velocidades e o deslocamento de seu ponto máximo nas regiões curvas causado pela força centrífuga, como estimado pelo modelo computacional. Tal força, em conjunto com as forças viscosas na parede, gera fluxos secundários no escoamento. A distribuição de traçadores não-reativos evidenciou a importância dos fluxos secundários para promover mistura na direção ortogonal ao escoamento principal, ocorrendo sob o regime estacionário nas vazões analisadas. O estudo aqui realizado evidencia o emprego da fluidodinâmica computacional como ferramenta para melhor compreensão da fluidodinâmica e como apoio ao projeto de microdispositivos. / Miniaturized reaction vessels are drawing attention of chemical industries because they promote better mass and heat transfer and also enhance process safety. To understand the relevance of each element of a microreactor on the velocity field of the equipment and the corresponding mixing processes, several microdevices were simulated using computational fluid dynamics: an assembly of two channels, a T-junction, 30 channels in a serpentine assembly and a full microreactor. The cross section of the devices is 100 - 300 µm wide and the length of the channels varies between 3000 and 25190 µm. Computational domains were discretized using hexahedral meshes and steady-state velocity fields were computed considering laminar flow for flow rates between 12,5 and 2000 µL min-1. Mixing was evaluated by injecting inert tracers and monitoring their distribution. Simulations were validated against experimental micro particle image velocimetry data. Velocities throughout the devices are relatively high despite the small dimensions of the cross sections and small flow rates. Experimental images of the flow elucidated the parabolic shape of the velocity profile and its distortion on curved segments caused by centrifugal forces, matching predictions of the computational model. Tracer maps indicated secondary flows play an important role in mixing stream perpendicular to the main flow direction. This study emphasizes the use of computational fluid dynamics as a tool for understating flow throughout microdevices and supporting their design.

A equação de Poisson-Boltzmann tem uma vasta gama de aplicações, desde a ciência coloidal e microfluídica até bioquímica e biofísica. O potencial elétrico na dupla camada elétrica leva a um potencial de força, em termos das equações de Navier-Stokes que é então usado para simular o fluxo resultante. Em escoamentos bifásicos uma simplificação desta equação é usada para se obter o campo de pressão. O presente trabalho tem como principal objetivo estudar o problema de Poisson-Boltzmann com coeficiente constante e propor uma solução através da implementação do método das interfaces imersas utilizando diferenças finitas de altas ordens de precisão numérica. / The Poisson-Boltzmann equation has a wide range of applications, from colloidal and microfluidic science to biochemistry and biophysics. The electrical potential in electric double layer leads to a force potential in terms of the Navier-Stokes equations that is then used to simulate the resulting flow. In biphasic flows a simplification of this equation is used to obtain the pressure field. The present study has as main objective to study the problem of Poisson-Boltzmann with constant coefficient and propose a solution through implementation of the immersed interfaces method using high order finite difference scheme sand thus get high order numerical accuracy.

Circuitos de convecção natural ou sistemas de circulação natural são empregados em diversas áreas da engenharia. Reatores nucleares refrigerados a água utilizam circuitos de circulação natural como método passivo de seguranca. Em situações críticas, sem qualquer controle externo, o sistema permanece em segurança por suas próprias características de funcionamento (intrinsecamente seguro). O trabalho proposto consiste em estudar numericamente o circuito de circulação natural de água, localizado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear em São Paulo, por meio do uso de modelos matemáticos, objetivando determinar o padrão do escoamento em condições sem mudança de fase líquido-vapor. A comparação dos resultados de temperatura obtidos por cada um dos modelos de turbulência aos pontos instrumentados no circuito experimental, na condição transitória, revelou desvios significativos nas respostas do modelo de zero equação. Desvios intermediário foram observados nos modelos de transporte da viscosidade turbulenta (EVTE), k - &omega;, SST e SSG e resultados melhores foram vericados nos modelos k - &epsilon; e DES (com significativa superioridade do primeiro modelo). / Natural circulation loops apply to many engineering applications such as: water heating solar energy system (thermo-siphons), thermal management of electrical components (voltage converter), geothermal energy, nuclear reactors, etc. In pressurized water nuclear reactors, known as PWR\'s, the natural circulation loops are employed to ensure passive safety. In critical situations, the heat transfer will occur only by natural convection, without any external control or mechanical devices. This feature is desired and has been considered in modern nuclear reactor projects. This work consists of a numerical study of the natural circulation loop, located at the Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares / Comissão Nacional de Energia Nuclear in São Paulo, Brazil, in order to establish the ow pattern in single phase conditions. The comparison of numerical results to experiments in transient condition revealed significant deviations for the Zero Equation turbulence model. Intermediate deviations for the Eddy Viscosity Turbulence Equation (EVTE), k - &omega;, SST e SSG models. And the best results are obtained by the k - &epsilon; e DES models (with better results for the k - &epsilon; model).