Este trabalho possui como objetivo a realização da simulação numérica do escoamento no interior de um modelo físico da estação de refino secundário Rurhstal-Heraeus (RH). Buscase estabelecer uma metodologia que, utilizando as ferramentas da fluidodinâmica computacional, reproduza as principais características de tal escoamento, especialmente a taxa de circulação e a distribuição de gás na perna de subida. A literatura sobre a modelagem do RH, tanto experimental quanto matemática, é revisada e comentada, com destaque para os principais desafios na simulação dos escoamentos multifásicos. Na simulação do escoamento, foi avaliada a influência de três aspectos da modelagem numérica: modelo de turbulência (modelos k-ε e k-ω), coeficiente de arrastos (modelos de Ishii-Zuber e Grace) e forças de nãoarrasto (massa virtual, sustentação e dispersão turbulenta). O escoamento é solucionado para diversas combinações de tais modelos e seus resultados são comparados com dados da literatura. Dessa comparação concluiu-se que a solução numérica é altamente dependente do modelo de turbulência - foram verificadas grandes alterações na distribuição de gás na perna de subida. O emprego do modelo k-ε mostrou proporcionou maior concordância com o experimento. Em contraste, as alterações na solução numérica em função de diferenças no coeficiente de arrasto e presença de forças de não-arrasto foram pouco significativas. Em todos os casos simulados, a taxa de circulação calculada numericamente diferiu dos dados experimentais. Observou-se o fenômeno de saturação de tal taxa, mas, no entanto, acredita-se que o mecanismo visto na solução numérica e no experimental possuam naturezas distintas. / The purpose of the present work is to evaluate the numerical simulation of the flow in a physical model of secondary refining station Rurhstal-Heraeus (RH). Employing computational fluid dynamics tools, a set of methods is sought in order to reproduce the main features of such flow, focusing mainly the circulation rate and the gas holdup in the upleg. Both physical and mathematical modeling literature are reviewed and commented, highlighting the main challenges of multiphase flow modeling. The effects of three aspects of numerical simulation are weighted: turbulence modeling (k-ε and k-ω models), drag force coefficient (Ishii-Zuber and Grace models) and non-drag forces (virtual mass, lift and turbulent dispersion). The flow is solved using several combinations of those models and the results are subjected to comparison with experimental data. From this comparison, it is verified a major dependence between the numerical solution and the turbulence model adopted - remarkable differences were observed on the gas holdup in the upleg. The employment of k-ε model shown better agreement with experimental data. The influence of different drag coefficients and action of non-drag forces was by far less important. In every numerically solved flow condition, the circulation rate was in disagreement with the experimental data. The saturation behavior has been observed in the numerical solution, although in a diverse fashion of the physical model.

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

A presente dissertação tem por objetivo apresentar um estudo numérico comparativo do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço. Para isso, reproduzem-se, numericamente, dois modelos físicos de distribuidores extraídos da literatura, que são empregados em duas etapas: (1) estudo de parâmetros de simulação (esquemas de advecção-difusão, modelos de turbulência, dispersão da turbulência); (2) estudo de metodologias numéricas empregadas para análise de escoamento e grau de limpeza do aço (métodos para obtenção de curvas de distribuição de tempos de residência, simulação de inclusões não-metálicas, e a comparação das mesmas). O processamento numérico das simulações foi realizado em um código comercial que emprega a dinâmica dos fluidos computacional. Através da comparação entre os resultados numéricos e os dados da literatura foi possível determinar o melhor ajuste para cada grupo de casos estudados. Com respeito às conclusões alcançadas pela etapa (2) do trabalho, em um momento inicial, compararam-se os métodos numéricos utilizados para obter curvas de distribuição de tempos de residência. Em geral, a nova metodologia numérica desenvolvida e a tradicional apresentaram comportamentos semelhantes; porém, evidenciou-se uma grande diminuição no tempo de processamento com o emprego da nova metodologia. Em um segundo momento, analisou-se a influência das características de escoamento sobre as trajetórias de partículas que simularam as inclusões não-metálicas. Verificou-se que as trajetórias das partículas foram diretamente relacionadas com a direção e as magnitudes dos perfis de velocidade. De acordo com cada caso, alcançaram-se diferentes frações de remoção de partículas em função das características dos modificadores de escoamento. Por fim, observou-se que os valores de tempo mínimo de residência, e também, a relação entre volume pistonado e volume morto, foram diretamente relacionados com as frações de partículas removidas. / The aim of this work is to present a numerical comparative study of the flow and behaviour non-metallic inclusions in steel tundishes. To reproduce numerically two physical models of tundishes based on the literature those are used in two steps: (1) study of simulation parameters (advection-diffusion schemes, turbulence models, turbulent dispersion); (2) study of numerical methodologies used to analyze the flow and degree of steel cleanliness (methods to obtain residence time distribution curves, simulation of non-metallic inclusions, and their comparison). The numerical process of simulations was made in a computational fluid dynamics commercial code. Trough the comparison of among the numerical results and the literature data it was possible to determine the best fit for each cases group. As far as the conclusions obtained in step (2) of the work, in the beginning moment, the methods to obtain residence time distribution curves are compared. In general the new numerical methodology developed and the traditional one showed it similar behaviour; but it was noted large reduction in processing time with the use of the new method. In a second moment it was analyzed the influence of flow characteristics on the particles tracking that simulated the non-metallic inclusions. It was observed the particle tracking are directly related with the direction and magnitude of velocity profiles. According to each case there were obtained different particle removal fractions on a count of the flow modifiers characteristics. Finally it was observed that values of the minimum residence time and the relation between plug and dead volume were directly related with the particle removal fractions.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2002-06-28Bitstream added on 2014-06-13T18:26:21Z : No. of bitstreams: 1 andolfato_rp_me_ilha_prot.pdf: 2110690 bytes, checksum: 5773b9ee0b8601d059a1527b05ed1288 (MD5) / O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo e o desenvolvimento das técnicas de produção de blocos de concreto para alvenaria estrutural na escala reduzida de (1:4). Os blocos em escala reduzida foram produzidos para apresentarem o mesmo comportamento em termos de resistência à compressão e deformabilidade que os seus pares em escala real. Para as duas escalas em estudo, (1:1) e (1:4), foram produzidos blocos com quatro traços diferentes entre si. Além dos blocos, também foram construídos e ensaiados à compressão prismas de três fiadas, nas duas escalas, de modo a determinar as correlações entre as resistências e deformações nas duas escalas. Para a consecução do objetivo acima, foram desenvolvidos ensaios de compressão axial em unidades e prismas de três blocos, nas escalas (1:1) e (1:4). Os parâmetros observados, medidos e comparados foram as resistências à compressão, os módulos de deformação, as curvas tensão-deformação e as formas de ruptura apresentadas pelos corpos-de-prova. Como resultado final, chegou-se a uma série de procedimentos que, quando observados, permitem a reprodução de blocos de concreto para alvenaria estrutural na escala (1:4), mantendo praticamente as mesmas características de resistência à compressão e deformabilidade, tanto para as unidades quanto para os prismas estudados. / The present work had as main objective to study and the development of production techniques of the small-scale concrete blocks for structural masonry in the (1:4) reduced scale. The blocks in the small-scale were produced to present the same behavior in terms of compression strength and deformability as their equivalents in the full scale. For both studied scales, (1:1) and (1:4), blocks were produced in four different mixtures. Additionally to the blocks, it was built and tested three courses prisms, in both scales, in the way to establish the correlations between the compression strength and the deformations. To match the above objective, axial compression tests were developed in units and prisms, on the scales (1:1) and (1:4). The observed, measured and compared parameters were the compression strength, the strains, the stress-strain curves and the rupture forms presented by the specimens. As a final result, it was established a series of procedures that, when observed, allows the reproduction of the concrete blocks for structural masonry in the scale (1:4), keeping practically the same characteristics of compression strength and deformability, either for the units or for the prisms.

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

A presente dissertação tem por objetivo apresentar um estudo numérico comparativo do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço. Para isso, reproduzem-se, numericamente, dois modelos físicos de distribuidores extraídos da literatura, que são empregados em duas etapas: (1) estudo de parâmetros de simulação (esquemas de advecção-difusão, modelos de turbulência, dispersão da turbulência); (2) estudo de metodologias numéricas empregadas para análise de escoamento e grau de limpeza do aço (métodos para obtenção de curvas de distribuição de tempos de residência, simulação de inclusões não-metálicas, e a comparação das mesmas). O processamento numérico das simulações foi realizado em um código comercial que emprega a dinâmica dos fluidos computacional. Através da comparação entre os resultados numéricos e os dados da literatura foi possível determinar o melhor ajuste para cada grupo de casos estudados. Com respeito às conclusões alcançadas pela etapa (2) do trabalho, em um momento inicial, compararam-se os métodos numéricos utilizados para obter curvas de distribuição de tempos de residência. Em geral, a nova metodologia numérica desenvolvida e a tradicional apresentaram comportamentos semelhantes; porém, evidenciou-se uma grande diminuição no tempo de processamento com o emprego da nova metodologia. Em um segundo momento, analisou-se a influência das características de escoamento sobre as trajetórias de partículas que simularam as inclusões não-metálicas. Verificou-se que as trajetórias das partículas foram diretamente relacionadas com a direção e as magnitudes dos perfis de velocidade. De acordo com cada caso, alcançaram-se diferentes frações de remoção de partículas em função das características dos modificadores de escoamento. Por fim, observou-se que os valores de tempo mínimo de residência, e também, a relação entre volume pistonado e volume morto, foram diretamente relacionados com as frações de partículas removidas. / The aim of this work is to present a numerical comparative study of the flow and behaviour non-metallic inclusions in steel tundishes. To reproduce numerically two physical models of tundishes based on the literature those are used in two steps: (1) study of simulation parameters (advection-diffusion schemes, turbulence models, turbulent dispersion); (2) study of numerical methodologies used to analyze the flow and degree of steel cleanliness (methods to obtain residence time distribution curves, simulation of non-metallic inclusions, and their comparison). The numerical process of simulations was made in a computational fluid dynamics commercial code. Trough the comparison of among the numerical results and the literature data it was possible to determine the best fit for each cases group. As far as the conclusions obtained in step (2) of the work, in the beginning moment, the methods to obtain residence time distribution curves are compared. In general the new numerical methodology developed and the traditional one showed it similar behaviour; but it was noted large reduction in processing time with the use of the new method. In a second moment it was analyzed the influence of flow characteristics on the particles tracking that simulated the non-metallic inclusions. It was observed the particle tracking are directly related with the direction and magnitude of velocity profiles. According to each case there were obtained different particle removal fractions on a count of the flow modifiers characteristics. Finally it was observed that values of the minimum residence time and the relation between plug and dead volume were directly related with the particle removal fractions.

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

A presente dissertação tem por objetivo apresentar um estudo numérico comparativo do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço. Para isso, reproduzem-se, numericamente, dois modelos físicos de distribuidores extraídos da literatura, que são empregados em duas etapas: (1) estudo de parâmetros de simulação (esquemas de advecção-difusão, modelos de turbulência, dispersão da turbulência); (2) estudo de metodologias numéricas empregadas para análise de escoamento e grau de limpeza do aço (métodos para obtenção de curvas de distribuição de tempos de residência, simulação de inclusões não-metálicas, e a comparação das mesmas). O processamento numérico das simulações foi realizado em um código comercial que emprega a dinâmica dos fluidos computacional. Através da comparação entre os resultados numéricos e os dados da literatura foi possível determinar o melhor ajuste para cada grupo de casos estudados. Com respeito às conclusões alcançadas pela etapa (2) do trabalho, em um momento inicial, compararam-se os métodos numéricos utilizados para obter curvas de distribuição de tempos de residência. Em geral, a nova metodologia numérica desenvolvida e a tradicional apresentaram comportamentos semelhantes; porém, evidenciou-se uma grande diminuição no tempo de processamento com o emprego da nova metodologia. Em um segundo momento, analisou-se a influência das características de escoamento sobre as trajetórias de partículas que simularam as inclusões não-metálicas. Verificou-se que as trajetórias das partículas foram diretamente relacionadas com a direção e as magnitudes dos perfis de velocidade. De acordo com cada caso, alcançaram-se diferentes frações de remoção de partículas em função das características dos modificadores de escoamento. Por fim, observou-se que os valores de tempo mínimo de residência, e também, a relação entre volume pistonado e volume morto, foram diretamente relacionados com as frações de partículas removidas. / The aim of this work is to present a numerical comparative study of the flow and behaviour non-metallic inclusions in steel tundishes. To reproduce numerically two physical models of tundishes based on the literature those are used in two steps: (1) study of simulation parameters (advection-diffusion schemes, turbulence models, turbulent dispersion); (2) study of numerical methodologies used to analyze the flow and degree of steel cleanliness (methods to obtain residence time distribution curves, simulation of non-metallic inclusions, and their comparison). The numerical process of simulations was made in a computational fluid dynamics commercial code. Trough the comparison of among the numerical results and the literature data it was possible to determine the best fit for each cases group. As far as the conclusions obtained in step (2) of the work, in the beginning moment, the methods to obtain residence time distribution curves are compared. In general the new numerical methodology developed and the traditional one showed it similar behaviour; but it was noted large reduction in processing time with the use of the new method. In a second moment it was analyzed the influence of flow characteristics on the particles tracking that simulated the non-metallic inclusions. It was observed the particle tracking are directly related with the direction and magnitude of velocity profiles. According to each case there were obtained different particle removal fractions on a count of the flow modifiers characteristics. Finally it was observed that values of the minimum residence time and the relation between plug and dead volume were directly related with the particle removal fractions.

O presente trabalho se propõe a analisar o método para avaliação da iluminação natural, utilizando os modelos físicos reduzidos como ferramenta, com o intuito de avaliar os aspectos quantitativos e qualitativos da luz. Foi realizado um diagnóstico deste método mostrando suas qualidades e limitações. O uso de modelos físicos reduzidos é um dos métodos mais antigos de avaliação da iluminação natural. Este é um instrumento preciso, caso o modelo seja executado de forma correta, considerando-se que a propagação da luz segue os mesmos princípios tanto em um modelo físico reduzido, como em um edifício em escala real. Através deste instrumento, torna-se possível testar as diversas soluções em busca da eficiência energética e do conforto visual. Para verificar o grau de confiabilidade dos resultados através da aplicação deste método foi feita uma comparação entre medições da iluminância em um modelo físico reduzido e medições realizadas em um ambiente real correspondente. Com o objetivo de demonstrar os procedimentos necessários para o uso de modelos físicos reduzidos no estudo da iluminação natural, foram feitas medições em dois modelos com estratégias de iluminação diferenciadas. Um deles possui iluminação natural unilateral, ao passo que, o segundo possui as características da abertura unilateral semelhante ao primeiro, porém, com a inclusão de uma prateleira de luz. Já o ambiente real foi selecionado devido à simplicidade de sua geometria e a facilidade de acesso para a realização das medições. As conclusões demonstram que para alcançar resultados confiáveis é necessário construir os modelos com precisão, sendo recomendável medir a iluminância dos mesmos sob diversas condições de céu, para que desta forma seja possível avaliar o desempenho médio da iluminação natural por um longo período. / The present work considers the analysis of scale models for daylighting evaluation, aiming at investigating quantitative and qualitative aspects of light. A diagnosis of scale modeling was carried out, showing its strengths and limitations. Scale modelling is one of the oldest methods for daylighting evaluation. It is also a precise instrument, when properly constructed, considering that light propagation follows the same principle in a scale model as it does in a full-scale room. Through this method, it is possible to test different solutions towards energy efficiency and visual comfort. To verify the trustworthiness of scale modeling, a comparison between illuminance measurements in a scale model against a corresponding full-scale room was carried out. Two scale models with different daylighting systems were built to demonstrate the necessary procedures in utilizing scale models for daylighting studies: one of them had embedded a sidelighting system, and the other one, which held similar characteristics, comprised also a lightshelf. Nevertheless, the full-scale room was selected taking into consideration the simplicity of its geometry and the easiness of the access for the measurement procedures. The conclusions demonstrate that in order to reach trustworthy results, it is necessary to construct scale models in a precise way. Furthermore, its recommended to measure the illuminance under diverse sky conditions, enabling the evaluation of average daylighting performance within long terms.