O transiente hidráulico na adução de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH) é um importante tema de estudo para a correta escolha e dimensionamento das estruturas de amortecimento, que protegem o circuito adutor da variação abrupta da pressão interna causada pela variação na velocidade média do escoamento. Este trabalho propõe a utilização da hidrodinâmica computacional (CFD) para avaliar a oscilação de massa ou nível d\'água no interior da estrutura de proteção denominada Chaminé de Equilíbrio e comparar esses resultados com a solução teórica analítica, com os critérios de dimensionamento definidos em norma técnica e com os dados de medições experimentais. O problema foi modelado no software Ansys CFX que utiliza o método dos volumes finitos (MVF) para resolver os campos de velocidade e pressão do escoamento, tanto em regime permanente, quanto em regime transiente. Aplicando-se o modelo CFD proposto ao circuito hidráulico didático, os resultados foram validados com a formulação teórica e com as medições experimentais do nível d\'água na chaminé. O modelo foi aplicado num estudo de caso que consiste num circuito hidráulico de PCH. Os resultados da oscilação de massa no interior da chaminé para este estudo de caso confirmam o emprego da fluidodinâmica computacional para avaliar tais escoamentos em regime transitório. / The hydraulic transient in the circuit of Small Hydroelectric Power Plants (SHP) is an important study subject for the correct choice and design of damping structure which protects the conduit from an abrupt variation of the internal pressure caused by the changes in the average flow velocity. This work proposes the use of computational fluid dynamics (CFD) to evaluate the mass oscillation or water level inside the protection structure called Surge Tank and compares these results with theory, design criteria defined by the technical standard, and experimental data. The problem was modeling in Ansys CFX software that uses the finite volume method (FVM) to solve velocity and pressure flow fields, in both steady state and transient flow. The proposed model used in a hydraulic circuit led to results validation with experimental measurements of water level surge tank. For the proposed case study, the response of the numerical CFD simulation confirms the use of computational fluid dynamics to evaluate such transient flows.

O método de Floquet foi utilizado para estudar a transição da esteira de dois cilindros posicionados lado a lado. Quando os cilindros estão afastados, cada cilindro possui sua própria esteira e para espaçamentos grandes (T/D > 4) a principal influência do cilindro ao lado é a sincronização das esteiras em anti-fase. A esteira em anti-fase corresponde a um escoamento simétrico em relação à linha central, igualmente espaçada em relação aos dois cilindros. Para espaçamentos com T/D < 3, a esteira em fase visualizada por Williamson (1985) é observada. A análise de Floquet da esteira em anti-fase simétrica encontrou um modo que quebra a simetria e induz a transição para esteira em fase. Reduzindo o espaçamento diversos modos complexos apresentam multiplicadores de Floquet que crescem e se tornam dominantes para T/D = 2 coincidindo com o surgimento de esteira irregular. A aproximação dos cilindros também afeta o surgimento de tridimensionalidades no escoamento. Os modos A e B de Williamson (1996b) observados para o cilindro isolado ainda existem, mas observa-se uma supressão do modo B. Por outro lado, o modo A se torna instável para Re menores. A esteira em fase também apresenta os modos A e B, mas neste caso, o modo B se torna instável para Re menores que o observado por Williamson. / The Floquet method was used to study the transition in the wake of two side-by-side circular cylinders. When the cylinders are far apart, each cylinder presents its own wake and for large spacing (T/D > 4) the main influence from the neighboring cylinder is an anti-phase synchronization of the wakes. The antiphase wake corresponds to a symmetric flow in relation to the mid-line between cylinders. When T/D < 3 the in-phase wake described by Williamson (1985) is also observed. The Floquet analysis of the symmetric anti-phase wake found an unstable mode that breaks the symmetry and triggers the transition to in-phase vortex-shedding. As the spacing is further reduced, several complex modes have Floquet multipliers that grow with the decreasing spacing and when T/D = 2 they become dominant suggesting an important role on the irregular wake regime. The presence of the neighboring cylinder also affects the transition to three-dimensional wake. Modes A and B described by Williamson (1996b) for the isolated circular cylinder are still observed but mode B is suppressed as the spacing decreases. On the other hand, mode A becomes unstable for lower Re numbers. The in-phase wake also presents modes A and B but in this case, mode B becomes unstable for lower Re numbers when compared to the single circular cylinder.

Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluídos. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluídos, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor João Bernardo Lares Moreira de Campos

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Carlos Borrego

Dissertação apresentada para obtenção parcial do grau de Mestre em Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluidos, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências da Engenharia na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Tese de doutoramento. Ciências da Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

No presente estudo, são apresentadas soluções numéricas de problemas de Engenharia, na área de Dinâmica dos Fluidos Computacional, envolvendo fluidos viscosos, em escoamentos incompressíveis, isotérmicos e não isotérmicos, em regime laminar e turbulento, podendo envolver transporte de massa. Os principais objetivos deste trabalho são a formulação e a aplicação de uma estratégia de adaptação automática de malhas e a inclusão de modelos de viscosidade turbulenta, integrados com um algoritmo utilizado para simular escoamentos de fluidos viscosos bi e tridimensionais, no contexto de malhas não estruturadas. O estudo é dirigido no sentido de aumentar o conhecimento a respeito das estruturas de escoamentos turbulentos e de estudar os efeitos físicos no transporte de quantidades escalares propiciando, através de técnicas de adaptação automática de malhas, a obtenção de soluções numéricas precisas a um custo computacional otimizado. As equações de conservação de massa, de balanço de quantidade de movimento e de quantidade escalar filtradas são utilizadas para simular as grandes escalas de escoamentos turbulentos e, para representar as escalas submalha, são utilizados dois modelos de viscosidade turbulenta: o modelo de Smagorinsky clássico e o modelo dinâmico. Para obter soluções numéricas com precisão, é desenvolvida e implementada uma estratégia de adaptação automática de malhas, a qual é realizada simultaneamente e interativamente com a obtenção da solução. O estudo do comportamento da solução numérica é fundamentado em indicadores de erro, com o propósito de mapear as regiões onde certos fenômenos físicos do escoamento ocorrem com maior intensidade e de aplicar nestas regiões um esquema de adaptação de malhas. A adaptação é constituída por processos de refinamento/desrefinamento e por um processo de suavização laplaciana. Os procedimentos para a implementação dos modelos de viscosidade turbulenta e a estratégia de adaptação automática de malhas são incorporados ao código computacional de elementos finitos tridimensionais, o qual utiliza elementos tetraédricos lineares. Aplicações de escoamentos de fluidos viscosos, incompressíveis, isotérmicos e não isotérmicos em regime laminar e turbulento são simuladas e os resultados são apresentados e comparados com os obtidos numérica ou experimentalmente por outros autores.

Neste trabalho, o comportamento do escoamento de ar nos dutos de suprimento para os queimadores de uma caldeira multicombustível de alta potência (categoria A- NR-13) de queima frontal é investigado experimentalmente. Sondas de Pitot foram instaladas em diversas regiões ao longo do escoamento nos dutos de ar, para medição das pressões estática e de estagnação, de forma a caracterizar o campo de velocidade na caixa de ar. Medições do campo de pressão foram realizadas para várias condições operacionais e configuração de abertura das entradas de ar dos queimadores. Através da análise dos dados verificou-se que a velocidade do ar na alimentação dos queimadores é influenciada pela condição de queimador aceso ou apagado e também pelas configurações de combustíveis e pela vazão total, que é ditada pela carga da caldeira. Também foram feitas medidas das pressão estática nas câmaras de ar primário e secundário de cada queimador. Os resultados mostraram que estas pressões são menores nas linhas de queimadores inferiores aumentando na direção dos queimadores superiores. A comparação dos resultados experimentais obtidos com a caldeira apagada (sem geração de vapor) e com os dados dos experimentos realizados com caldeira acesa, não apresentaram discrepância qualitativa e nem quantitativa relevante, possibilitando estudar o comportamento do escoamento a frio. Os resultados experimentais também indicaram a existência de uma região em que o escoamento ascendente tem maior velocidade, pelo lado direito do plano médio vertical da caixa de ar. Como parte do objetivo desenvolve-se uma aplicação com as técnicas de planejamento fatorial 23 e análise da variança nas principais variáveis de controle do ar de alimentação para os queimadores da caldeira. Os resultados calculados através do modelo obtido pelo planejamento fatorial a partir dos testes com caldeira desligada apresentam boa concordância com os resultados experimentais tanto para operação com caldeira desligada quanto ligada quando todos os queimadores estão abertos. Os experimentos revelaram que os modelos obtidos a partir da análise fatorial podem ser utilizados para estimar o campo de velocidades na seção vertical da caixa de ar. / Combustion air flow in the windbox of an industrial multifuel front wall boiler was experimentally investigated. The velocity field was mapped by measuring the static and stagnation pressure fields along the flow by means of Pitot tubes. Experimental tests were conducted for a range of operating conditions and a set of configurations involving dumped and open burner passages. It was observed that combustion air flow is affected by the arrangement of open and closed burners, by the arrangement of fuel being burned in the burners array, and by the total air flow rate, which is dictated by the boiler. Measurements of the static pressure in the primary and secondary air chambers of each burner were also conducted. It was verified that pressure in these chambers increases as the air flow ascends towards the line of burners in the top of the vertical section of the windbox did not present relevant differences. Comparison of results obtained for the boiler operating with and without steam generation did not present significant qualitative nor quantitative discrepancies, allowing for the conclusion that measurements taken in “cold flow” operation mode are representative of the air flow in the windbox. The experimental results also indicated the occurrence of a preferencial ascending path, characterized by higher air flow velocity, inside the windbox. In order to identify the main control variables in the process, design of experiments techniques were additionally used to define experiments. Factorial 23 planning and variance analysis of the main control variables affecting the flow of combustion air to the burners yielded models to predict the pressure field in the vertical section of the windbox as function of the total air flow rate and the opening position of the primary and secondary air dampers at the burners inlet. Predicted results presented good agreement with experimental results for the boiler operating without steam production in operating conditions different of those for which the models were generated and for the boiler operating with steam generation and all burners operating with primary and secondary air dampers fully open.