A maioria dos líquidos encontrados na natureza são não newtonianos e o estudo do seu comportamento reológico tem uma importância significante em diferentes áreas da engenharia. Entre eles, existe uma classe de fluidos que exibem pequena deformação aparente quando sujeitos a um nível de tensões inferior a uma tensão limite de escoamento, referido como comportamento viscoplástico. Nesta classe de materiais, alguns apresentam também comportamento elástico quando submetidos a baixas taxas de cisalhamento. A presente Tese tem como objetivo o estudo numérico de escoamentos bidimensionais em regime permanente de fluidos elasto-viscoplásticos através de uma expansão-contração planar. O modelo mecânico é definido pelas equações de conservação de massa e de balanço de momentum acopladas ao modelo elasto-viscoplástico proposto nesta Tese. Esta modelagem é aproximada por um método de elementos finitos multi-campos estabilizado baseado na metodologia de Galerkin mínimos-quadrados que possui como variáveis primais os campos de tensão extra polimérica, velocidade e pressão. As condições de compatibilidade entre os sub-espaços de elementos finitos para tensão extra-velocidade e velocidade-pressão são violadas, permitindo assim a utilização de interpolações de igual ordem. O método estabilizado foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nesta Tese é adotada uma metodologia alternativa para a definição das zonas rígidas do escoamento como sendo a posição onde a taxa de cisalhamento é igual a um valor dado pela relação de parâmetros reológicos do fluido, especificamente a tensão limite de escoamento e a viscosidade newtoniana para baixas taxas de cisalhamento. Nas simulações numéricas realizadas, o tempo de relaxação adimensional, o número de salto, o coeficiente power-law, a vazão adimensional e a massa específica adimensional são variados de forma a avaliar de que modo influenciam na dinâmica de escoamentos elastoviscoplásticos. Os resultados obtidos estão qualitativamente de acordo com a literatura, atestando a estabilidade da formulação empregada. / Non-Newtonian fluids are the majority of liquids found in nature and the study of their rheological behavior has a significant importance on different areas of engineering. Among them, there is a class of materials that exhibits little apparent deformation when subjected to a stress level behind an yield stress, referenced as viscoplastic material. In this class of materials, some fluids also exhibit elastic behavior at low shear rates. The present work aimed to a numerical study of two-dimensional steady state laminar flows of elasto-viscoplastic fluids through a planar expansion-contraction cavity. The mechanical model was defined by the mass conservation and momentum balance equations coupled to the elasto-viscoplastic model porposed in this work. This modeling has been approximated by a stabilized multi-field finite element method based on the Galerkin least-squares methodology, having as primal variables the elastic extra-stress component, velocity and pressure fields. In this way, the compatibility conditions between the extra-stress-velocity and pressure-velocity (Babuška- Brezzi condition) finite element subspaces are violated, allowing to use equal-order finite element interpolations. The stabilized method has been implemented in the finite element code for non-Newtonian fluids under development at the Laboratory of Applied and Computational Fluid Mechanics (LAMAC) of the Federal University of Rio Grande do Sul. An alternative methodology is adopted to define the yield surface as the position where the strain rate is equal to a value given by the relation of the rheological parameters of the fluid, namely the yield stress and the viscosity at low shear rates. In the performed numerical simulations, the non-dimensional relaxation time, the jump number, the power-law coefficient, the non-dimensional flow rate, and the non-dimensional density are varied in order to evaluate their influence on the elasto-viscoplastic fluid dynamics. All results found are in qualitatively accordance with the affine literature, and attesting the good stability features of the formulation.

Fluidos Não-newtonianos estão presentes em grande quantidade na natureza e em muitas aplicações industriais. Tais fluidos apresentam uma variedade de comportamentos específicos. Dentre eles podemos citar: elasticidade, plasticidade, viscosidade variando com a taxa de deformação, tixotropia. Esta tese de doutorado apresenta um recente modelo para Fluidos Estruturados Tixotrópicos (de Souza Mendes, 2009), no qual baseasse nas tradicionais equações de balanço de momentum e massa, em uma equação constitutiva de Maxwell-b modificada e uma equação de evolução para o nível de estrutura do material. Na equação constitutiva de Maxwell-b modificada, tempo de relaxação e viscosidade estrutural são funções da estrutura do material. A equação evolutiva para o parâmetro de estruturação prevê efeitos de tixotropia, dependentes do tempo de equilíbrio do material. As equações que constituem o modelo mecânico para Fluidos Estruturados Tixotrópicos são aproximadas numericamente através do Método de Elementos Finitos de Galerkin Mínimos-quadrados (GLS). Tal método adicionou termos dependentes de malha ao método clássico de Galerkin, de forma a aumentar a estabilidade da formulação original, proporcionando compatibilizar os sub-espaços de velocidade e pressão. São investigados escoamentos creeping flow de Fluidos Estruturados Tixotrópicos em dois problemas clássicos de engenharia: em torno de um cilindro confinado entre duas placas e em uma expansão planar abrupta. Parâmetros relevantes ao modelo são variados em faixas pertinentes ao problema físico simulado e os resultados demonstraram uma boa capacidade de previsão. / Non-Newtonian fluids are present in large quantities in nature and in many industrial applications. Such fluids exhibit a variety of specific behaviors. Among them we can mention: elasticity, plasticity, viscosity varying with the strain rate, thixotropy, etc. This thesis presents a new model for thixotropic Structured Fluids (de Souza Mendes, 2009), in which were a basis in traditional balance equations of mass and momentum, the constitutive equation of Maxwell-type and an evolution equation for the level structure of the material. In the modified constitutive equation of Maxwell-b, relaxation time and structural viscosity are functions of material structure. The structure parameter evolutive equation provides effects of thixotropy, dependent on the equilibration time of the material. The equations which constitute the mechanical model for Structured Thixotropic fluids are approximated numerically using the Galerkin Least-squares Finite Element Method (GLS). Such a method added mesh dependent terms to the classical method of Galerkin in order to increase the stability of the original formulation, providing compatibility between sub-spaces of velocity and pressure. Are investigated Structured Thixotropic Fluids creeping flow in two classical problems in engineering: around a cylinder confined between two plates and in a planar abrupt expansion. Relevant parameters to the model are varied in pertinent ranges to physical problem simulated and the results demonstrated a good predictive capability.

Orientador: Jose Luiz Boldrini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-08T04:50:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Assuncao_WelingtonVieira_M.pdf: 3067952 bytes, checksum: cb36bded30f5b1d27ff1b3f04844b178 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho estudaremos um sistema de equações diferenciais parciais parabólicas não lineares que correspondem a um modelo matemático do tipo campo de fases para problemas de solidificação e fusão de materiais puros, estudado em "K. H. Hoffman e L. Jiang, Optimal control of a phase field model for solidification, Numer. Funct. Anal. Optimization 13 (1 & 2), 1992, pp. 11-27". A análise de tal sistema será feita através da colocação do problema em um contexto de espaços funcionais adequados para que as soluções do problema original correspondam a pontos fixos de um certo operador não-linear compacto. Descreveremos resultados sobre existência, regularidade e unicidade de soluções para tal modelo. Estudaremos também um problema de controle ótimo associado ao sistema anterior, na qual obtêm-se existência de um controle ótimo e condições ótimas necessárias na qual tem que ser satisfeitas por cada controle ótimo. Além disso, estudaremos um modelo que é uma generalização do anterior, apresentado em "C. Morosanu e D. Motreanu, A generalized phase field system, Journal of Math. Analysis and Applic. 237, 1999, pp. 515-540". Para este modelo generalizado, consideraremos questões similares às do modelo anterior e utilizaremos as mesmas técnicas para obter resultados similares / Abstract: In this work we study a system of nonlinear partial differential equations of parabolic type corresponding to a mathematical model of phase field type for problems of solidification of pure materials. This model is studied in "K. H. Hoffman e L. Jiang, Optimal control of a phase field model for solidification, Numer. Funct. Anal. Optimization 13 (1 & 2), 1992, pp. 11-27". The analysis of such system is done by putting the problem in a context of appropriate functional spaces in such way that the solution of the original problem corresponds to fixed point of a certain compact nonlinear operator. We describe results on existence, regularity and uniqueness of solutions for such model problem. We also study an optimal control problem associated to the previous problem, for which it is possible to obtain the existence of an optimal control and the corresponding necessary optimality conditions. Moreover, we study a model that is a generalization of the previous one and is presented in "C. Morosanu e D. Motreanu, A generalized phase field system, Journal of Math. Analysis and Applic. 237, 1999, pp. 515-540". For this generalized model, we consider similar questions as in the previous model and use to same tools to study them and get similar results / Mestrado / Equações Diferenciais Parciais / Mestre em Matemática

O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

Difusores de ar é um tema de particular interesse na indústria dos sistemas de ar condicionado e climatização. O difusor swirl (ou tangencial) é um tipo de difusor já utilizado em alguns ambientes climatizados. O seu comportamento é mais conhecido em aplicações no campo da combustão, mas, em aplicações de sistemas de ar condicionado o Número de Reynolds é bem menor, não há a combustão e as condições de contorno são diferentes. Além disso, têm-se poucos estudos voltados para estes difusores num domínio 3D. Com esta motivação, o presente trabalho apresenta as simulações de um difusor tangencial em vazões típicas de aplicações de conforto térmico personalizado, utilizando a modelo de turbulência Reynolds Stress em um domínio 3D. Algumas simulações em um domínio 2D são realizadas a fim de se obter algumas características essenciais do escoamento, como abertura e comprimento do jato. Porém, comparados ao experimento, os resultados 2D precisam ser melhorados. Esquemas de discretização de maior ordem são utilizados para se avaliar o desempenho. Nas simulações no domínio 3D, verifica-se que um resultado melhor é alcançado quando se refina a malha na região central do jato, logo abaixo do difusor. Dois métodos de especificação da condição de contorno de entrada são estudados: o primeiro consiste em utilizar os dados experimentais obtidos na saída do difusor para simular o escoamento sem a geometria do difusor e o segundo simula o difusor completo, aplicando a magnitude da velocidade perpendicularmente à superfície de entrada com base na vazão calculada pelos dados do experimento do PIV (Particle Image Velocimetry). Os resultados numéricos são comparados com o experimento. Verifica-se que o método de simulação sem o difusor apresenta resultados mais precisos com relação ao experimento e apresenta maiores vantagens na simulação numérica. / Air diffusers are a topic of particular interest in the industry of acclimatization and air conditioning systems. The swirl (or tangential) diffuser is a type of device already used in some air conditioned environments. Their behavior is best known in combustion applications, but in air conditioning systems applications, the Reynolds number is much lower, there is no combustion and the boundary conditions are different. In addition, there have been few studies on these diffusers in 3D domain. With this motivation, this work presents simulations of a tangential flow diffuser for applications of thermal comfort. The numerical study uses the Reynolds stress turbulence model in a 3D domain. Some simulations in a 2D domain are performed in order to obtain some essential features of the flow, as the width and length of the jet. However, compared to the experiment, the 2D results need to be improved. Higher order discretization schemes are used to evaluate performance. In 3D domain simulations, it is verified that a better result is achieved when the mesh is refined in the jets central region, just below the diffuser. Two methods of the inlet boundary conditions are studied: the first consists of using the experimental data obtained at the exit of the diffuser to simulate the flow without the geometry of the diffuser and the second method simulates the diffuser completely, applying the velocity magnitude perpendicular to the inlet surface based on the calculated flow rate with experimental data of PIV (Particle Image Velocimetry). The numerical results are compared with experiment. It is noted that a simulation method without the geometry of the diffuser provides more accurate results with the experiment and has major advantages in the numerical simulation.

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.

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.

Orientador: Miton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-03T12:23:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kasper_FabioRobertoSulzbacher_M.pdf: 4085192 bytes, checksum: 2cf3144aebecff7376c131b0335500eb (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: A performance dos motores à combustão interna e suas emissões são governadas por processos fluido dinâmicos não-estacionários. Um bom entendimento destes processos é fundamental para melhorar as características de um motor, e as técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD) são capazes de reproduzir informações detalhadas a respeito deste escoamento. Entretanto, simulações numéricas de motores ocorrem raramente, e um dos principais empecilhos destas simulações é justamente a dificuldade de abordar este problema, pois se esbarra com a complexidade geométrica do movimento do pistão e das válvulas, além das diversas interações fenomenológicas nos termofluidos presentes no cilindro. O objeto de estudo deste trabalho é a câmara de combustão de um motor FIAT Palio 1.0, com duas válvulas por cilindro e quatro estágios. O pacote computacional utilizado é o CFX-TASCflowTM, um código que se baseia no método dos volumes finitos, porém com abordagem em elementos finitos. Idealiza-se uma câmara de combustão bidimensional, e sua geometria é composta de um cilindro e duas válvulas, as quais, através de sub-rotinas personalizadas, movimentam-se em função do tempo. Para a turbulência, utiliza-se o modelo k-é padrão. Objetiva-se neste trabalho estudar a combustão de diferentes combustíveis nesta câmara de combustão. Os combustíveis avaliados são o metano e o heptano, em que dois mecanismos de reação, um de simples e outro de dupla etapa, são avaliados para o metano, e um mecanismo com quatro etapas de reação é avaliado para o heptano, perfazendo assim três estudos de caso. Apresentam-se resultados qualitativos da fluido dinâmica do motor trabalhando a frio, isto é, sem reação, em que gráficos vetoriais e iso-superfícies de temperatura e pressão são exibidos ao longo dos vários estágios do motor, além de resultados quantitativos, referentes aos três estudos de caso, na forma de gráficos de temperatura, pressão e concentração medidos na base do pistão. Os principais resultados demonstram que a metodologia empregada, baseada nas técnicas de CFD, mostra-se apta a reproduzir o comportamento fenomenológico desta câmara de combustão. E verifica-se ainda, poucas diferenças entre os mecanismos de reação e os combustíveis avaliados a partir do modelo de combustão utilizado neste trabalho / Abstract: Internal combustion engine performance and exhaust emissions are governed by unsteady fluid dynamic processes. A clear understanding of these processes is fundamental to improving engine characteristics. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are able to produce detailed information throughout the flow. However, numerical simulations of internal combustion engines occur rarely and one of its main issues is the difficulty to approach this problem. There is a complex geometric issue about the piston and valves movement and there are several interactions between the fluids within the combustion chamber. The target case of this work is the four-stroke combustion chamber of a FIAT Palio 1.0 containing two valves for each cylinder. The computational code used is CFX- TASCflowTM which is a finite volume code based on a finite element approach. A two-dimensional combustion chamber has been built and its geometry is composed by a cylinder and two valves which, through customized subroutines, there is motion in function of time. The standard form of k - E: is used as the turbulence model. The objective of this work is to study several fuel combustion in this chamber. The chosen fuels are methane and heptane, where two reaction mechanisms, one single-step and another two-steps, are evaluated for methane, and a four-step overall mechanism is evaluated for the heptane, i.e. three study cases. First is presented the qualitative results of the engine fluid dynamics having no reaction, where vector plots and temperature and pressure isosurfaces are shown over the engine strokes. The quantitative results referring the three study cases are presented through temperature, pressure and concentration plots measured in the piston base. The main results demonstrate that the methodology used, based on the CFD techniques, reveals the aplicability of its modeling and the combustion chamber behavior. Also is verified few differences between the reaction mechanisms and the fuels evaluated from the combustion model used in this work / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

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.