Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-06Bitstream added on 2014-06-13T18:34:54Z : No. of bitstreams: 1 ranieri_a_me_guara.pdf: 1386692 bytes, checksum: c47cd01ee98e83332bd255dbd49cadad (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Os principais objetivos deste trabalho foram desenvolver estruturas bainíticas e multifásicas através de diversas rotas de tratamentos térmicos, visando as melhores combinações de propriedades mecânicas, fornecendo subsídios científicos/tecnológicos para as indústrias brasileiras. Em certos componentes de veículos aeroespaciais tem sido usado aço de baixa liga e ultra-alta resistência temperados e revenidos com elevada resistência devida a estrutura martensítica mas com baixa tenacidade. Uma melhoria na tenacidade é conseguida com redução controlada de resistência através do revenimento. O novo conceito, para aços avançados que combinam alta resistência com boa tenacidade, está simbolizado pelas microestruturas bainíticas e multifásicas. Neste projeto foi feito um estudo do efeito das microestruturas nas propriedades mecânicas de um aço AISI 4340. Foram analisadas diversas microestruturas, desde aquelas inteiramente bainíticas até microestruturas multifásicas com teores variados de ferrita, bainita, martensita e austenita retida. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos por têmpera por resfriamento continuo e com as diversas rotas de transformação isotérmica. As combinações de propriedades mecânicas estão relacionadas com as frações volumétricas das fases e a bainita melhora significativamente a ductilidade do aço, mantendo a resistência elevada e melhorando a combinação resistência/ductilidade. O aço possui baixo coeficiente de encruamento e é possível conseguir resistências entre 1000 MPa e 1400 MPa com alongamento entre 13% e 25%, combinação esta superior aquelas encontradas para o mesmo aço quando temperado e revenido em óleo. / The main goals of this study were to develop bainitic and multiphasic structures through several routes of heat treatment, in order to reach the better combination of mechanical properties, providing scientific/technological subsidies to Brazilian industries. In some of aerospatial vehicles components have been used quenched and tempered ultra-high-strength low-alloy steel where the martensitic structure is responsible for the high-strength and low toughness levels. Toughness improvements can be achieved by strength reduction control during tempering. The new concept for advanced steels, that combine high-strength and good toughness, is correlated with the bainitic and multiphasic microstructures. In this work the effect of microstructures on the mechanical properties of AISI 4340 steel. Has been analysed several microstructures, from those totally bainitic until multiphasics microstructures with various ferrite, bainite, martensite and retained austenite content. The results were compared with those obtained by quenching through continuous cooling transformation and several routes of isothermal transformation. The combinations of mechanical properties are related with volume fraction of present phases and the bainite improved significantly the toughness steel., keeping the high strength and improving the strength/toughness combination. This steel has low coefficient of hardness and is possible to achieve strengths between 1000 MPa e 1400 MPa with percentual elongation between 13% e 25%, this combination is better than that found to the same steel when quenched and tempered in oil.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-01-30T16:10:29Z No. of bitstreams: 1 153126.pdf: 2931268 bytes, checksum: 851ee96dff7447de0e95556e2deec4f8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-30T16:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 153126.pdf: 2931268 bytes, checksum: 851ee96dff7447de0e95556e2deec4f8 (MD5) Previous issue date: 1980-04 / CNPq / Neste trabalho desenvolve-se um modelo de elementos finitos para o estudo dos problemas de: resposta transiente (linear e não-linear), vibrações livres (linear e não-linear) e estabilidade dinâmica de tubos conduzindo fluido. Utilizando-se a descrição lagrangiana atualizada do principio dos trabalhos virtuais deduz-se a forma incremental das equações do movimento. Linearizam-se essas equações em torno da configuração de equilíbrio e discute-se o problema de vibrações livres, mostrando-se que se o tubo tem extremidades fixas existe uma integral do movimento, e obtêm-se as expressões do hamiltoniano, do lagrangiano e do princípio de Hamilton aplicáveis a este sistema. Usando-se uma generalização do quociente de Rayleigh analisa-se qualitativamente o comportamento dos auto-valores, com a variação de velocidade de escoamento e obtém-se previsões teóricas sobre a estabilidade da posição de equilíbrio. Mostra-se que, se a velocidade de escoamento e uma função periódica do tempo ocorre instabilidade por ressonância paramétrica e determinam-se as fronteiras dessas regiões. Utilizando-se o programa automático de cálculo desenvolvido, obtêm-se mapas de estabilidade para tubos com diversas condições de apoio, comprova-se a existência do ciclo limite de flutter em um problema de vibrações não-lineares de um tubo em balanço, e comparam-se as soluções linear e não-linear em um problema de resposta dinâmica transiente. / In this work, a finite element model is developed to analyze: linear and non-linear transient response and free vibrations problems and dynamic stability of pipes conveying fluid. Making use of an updated lagrangian formulation for the principle of virtual work the incremental equations of motion are deduced. These equations are linearized about the equilibrium configuration and the free vibration problem is discussed, showing that an integral of motion exists when the pipes have fixed supports. Expressions for the hamiltonian, the lagrangian and the Hamilton's principle are then derived. A generalized Rayleigh quotient is used to study the influence of flow velocity on the eigenvalues behaviour, and theoretical estimates for the stability of the equilibrium position are obtained. It is shown that, for a periodic flow velocity, parametric resonance occurs and the boundaries of these instability regions are determined. A computer program was developed and used to get some numerical results namely: stability maps for pipes with different support conditions;existence of a limit cycle flutter in a non-linear problem vibration, for a cantilever pipe; comparison of linear and non-linear solutions for a transient dynamic response problem.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T20:17:28Z No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:39:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The development of the design of chemical processes has received increasing improvement, incorporating sophisticated mathematical models, which allowed better simulation of its real behavior. Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes and its perfect working and optimization are economically crucial factors. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. Due to the development of the Information Technology (IT), in the numerical methods and improvement in models of multiphase flows, the investigation of complex turbulent flow problems is possible. One way to investigate these problems is to use the Computational Fluid Dynamics (CFD) tecniques. Therefore, it was adopted for this study a CFD model, with the main objective of evaluating the transport phenomena for the isothermal (water-air) and non-isothermal (ethanol-water) flows through the CFD techniques to simulate a distillation sieve tray. The proposed models had the following characteristics in common in the modeling: heterogeneous, three-dimensional, shear stress transport as turbulence model, and Eulerian-Eulerian approach at 1 atm. The continuity and momentum conservation equations were used to describe the isotherm model and for non-isothermal model it was added the energy and chemical species conservations equations. The simulated sieve trays geometries were based on experimental work of Solari e Bell (1986), to which it were observed the influence of the inlet downcomer presence or not on sieve tray. The results for isotherm flow showed the velocity profiles, the volume fractions, and clear liquid height under the influence of the inlet downcomer. For the non-isotherm flow, the results showed moreover the hydraulic parameters, the temperature profiles and ethanol mass fractions for vapor flow rates. Thus, the simulations of the isothermal system indicated a strong influence of the liquid velocity profile for the domain with downcomer inlet. In the non-isothermal system it was possible to determine the separation efficiency, which varied with the vapor flow rates on the sieve tray. The proposed methodology in this work proved to be appropriate and the computational fluid dynamics techniques presented to be an important tool in the design and optimization of sieve trays. / O desenvolvimento de projetos de processos químicos tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporando modelos matemáticos mais sofisticados, os quais possibilitam uma maior aproximação do seu comportamento real. A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos e o seu perfeito funcionamento e otimização são fatores economicamente cruciais. Sua importância dá-se na capacidade de separar os componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Alguns modelos utilizados nesses dispositivos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Com o avanço da Tecnologia de Informação (TI), dos métodos numéricos e aperfeiçoamento em modelos de fluxos multifásicos, é possível a investigação de problemas complexos de escoamentos turbulentos. Uma das formas de investigar esses problemas é a aplicação das técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD). Dessa maneira, foi adotado para o presente trabalho um modelo de CFD, tendo como objetivo principal a avaliar os fenômenos de transportes para os escoamentos isotérmico (água-ar) e não isotérmico (etanol-água) através das técnicas de CFD na simulação de um prato perfurado de destilação. Os modelos propostos, possuem em geral, as seguintes características em comum: modelo heterogêneo, tridimensional, modelo de turbulência shear stress transport e abordagem Euleriana-Euleriana a 1 atm. As equações da continuidade e de conservação da quantidade de movimento foram empregadas no modelo isotérmico e para o modelo não isotérmico foram adicionadas as equações de conservações de energia e das espécies químicas. Os domínios computacionais foram baseados no trabalho de Solari e Bell (1986), onde foram observados a influência da presença ou não do downcomer de entrada no prato perfurado. Os resultados para o escoamento isotérmico mostraram os perfis de velocidades de líquido, as frações volumétricas e a altura de líquido claro sob a influência do downcomer de entrada. Para o escoamento não isotérmico, os resultados mostraram, além dos parâmetros hidráulicos, os perfis de temperatura e das frações mássicas de etanol para várias vazões de vapor. Assim, as simulações do sistema isotérmico indicaram uma forte influência do perfil de velocidade de líquido na entrada prato para o domínio com downcomer. No sistema não isotérmico foi possível determinar a eficiência de separação, a qual variou com a vazão de vapor no prato. A metodologia proposta neste trabalho foi adequada para aplicações em internos de coluna de destilação, mostrando-se uma ferramenta viável e importante no desenvolvimento e otimização de pratos perfurados.

Resumo: Os principais objetivos deste trabalho foram desenvolver estruturas bainíticas e multifásicas através de diversas rotas de tratamentos térmicos, visando as melhores combinações de propriedades mecânicas, fornecendo subsídios científicos/tecnológicos para as indústrias brasileiras. Em certos componentes de veículos aeroespaciais tem sido usado aço de baixa liga e ultra-alta resistência temperados e revenidos com elevada resistência devida a estrutura martensítica mas com baixa tenacidade. Uma melhoria na tenacidade é conseguida com redução controlada de resistência através do revenimento. O novo conceito, para aços avançados que combinam alta resistência com boa tenacidade, está simbolizado pelas microestruturas bainíticas e multifásicas. Neste projeto foi feito um estudo do efeito das microestruturas nas propriedades mecânicas de um aço AISI 4340. Foram analisadas diversas microestruturas, desde aquelas inteiramente bainíticas até microestruturas multifásicas com teores variados de ferrita, bainita, martensita e austenita retida. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos por têmpera por resfriamento continuo e com as diversas rotas de transformação isotérmica. As combinações de propriedades mecânicas estão relacionadas com as frações volumétricas das fases e a bainita melhora significativamente a ductilidade do aço, mantendo a resistência elevada e melhorando a combinação resistência/ductilidade. O aço possui baixo coeficiente de encruamento e é possível conseguir resistências entre 1000 MPa e 1400 MPa com alongamento entre 13% e 25%, combinação esta superior aquelas encontradas para o mesmo aço quando temperado e revenido em óleo. / Abstract: The main goals of this study were to develop bainitic and multiphasic structures through several routes of heat treatment, in order to reach the better combination of mechanical properties, providing scientific/technological subsidies to Brazilian industries. In some of aerospatial vehicles components have been used quenched and tempered ultra-high-strength low-alloy steel where the martensitic structure is responsible for the high-strength and low toughness levels. Toughness improvements can be achieved by strength reduction control during tempering. The new concept for advanced steels, that combine high-strength and good toughness, is correlated with the bainitic and multiphasic microstructures. In this work the effect of microstructures on the mechanical properties of AISI 4340 steel. Has been analysed several microstructures, from those totally bainitic until multiphasics microstructures with various ferrite, bainite, martensite and retained austenite content. The results were compared with those obtained by quenching through continuous cooling transformation and several routes of isothermal transformation. The combinations of mechanical properties are related with volume fraction of present phases and the bainite improved significantly the toughness steel., keeping the high strength and improving the strength/toughness combination. This steel has low coefficient of hardness and is possible to achieve strengths between 1000 MPa e 1400 MPa with percentual elongation between 13% e 25%, this combination is better than that found to the same steel when quenched and tempered in oil. / Orientador: Tomaz Manabu Hashimoto / Coorientador: Antonio Jorge Abdalla / Banca: Marcelo dos Santos Pereira / Banca: Jorge Otubo / Mestre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Since the industrial processes efficiency depends on the granular flow regime established under given operating conditions on the rotary drum, the ability to predict the particle motion inside this equipment, including the particle properties effect, is of primary importance. So, in this work an experimental and numerical study was carried out in order to investigate: the transition phenomenon between different flow regimes, the mixture and segregation phenomenon and the particle dynamic behavior inside an unbaffled rotary drum, under different operating conditions, using particles of different physical properties. A modification of the Blumberg and Schlünder model equation for rolling-cascading transition was proposed by the introduction of the particle shape effect, represented here by the sphericity. It was observed, for the first time, the hysteresis phenomenon in the transition between cataractingcentrifuging regimes which was shown to be dependent on the physical properties of the particles such as sphericity, density and particle-wall friction coefficient. A new expression relating the critical rotation speed for centrifuging as a function of the filling degree, which takes into consideration the particle properties and the hysteresis effects, was proposed. Regarding the segregation phenomenon, radial segregation due to particle diameter and density differences was observed in all systems studied after a few drum rotations. Size induced axial segregation (banding) was observed, as expected. However density differences alone did not induce axial segregation. As regards the numerical investigation, two different approaches were used for the granular flow prediction inside a rotary drum: Eulerian and Lagrangian. For the Eulerian approach, the results indicated that the kinetic model, which has been successfully applied in many dilute granular flow simulations, may also be applied in the dense granular flow treatment present in rotary drums. It was also observed that, the drag force can be neglected in the case of a rotating drum operated in the rolling regime where there is no fluid entering or leaving the system. Taking the computational efforts into account, this force can be set to zero in the entire calculation domain. For the Lagrangian model calibration, a sensitivity analysis of the numerical dynamic angle of repose due to variations in the friccional coefficient (μf) and the damping ratio (β), both varying from 0.149 to 0.701, was assessed using a Central Composite Design. The smallest deviation from the experimental data when using rice grains was obtained in the simulation whose parameters values were μf = 0.425 and β = 0.149 with an error of about 2.9%. As regards the glass beads, the smallest deviation between experiment and simulation was found using a friction coefficient μf = 0.701 and damping ratio β = 0.425 with an error of about 3.4%. For the case of the rotary drum using rice grains, which are characterized by irregular shapes, the calibrated model was affected by neither the filling degree nor the drum rotation speed. On the other hand, in the case of rounded particles (glass beads), the Lagrangian model parameters should be calibrated to specific conditions of rotation speed and filling degree and cannot be generalized. / A eficiência dos processos industriais desenvolvidos em um tambor rotatório depende da forma como as partículas ou grãos movimentam-se em seu interior. O entendimento dos principais mecanismos que regem estes movimentos e a capacidade de prevê-los através de técnicas de modelagem computacional tornam-se de importância primordial para questões de operação, projeto e otimização. Neste sentido, este trabalho teve como foco a aplicação de metodologias experimentais e numéricas com o intuito de estudar: 1) o fenômeno de transição entre os diferentes regimes de escoamento; 2) mistura e segregação; 3) dinâmica de partículas em um tambor rotatório sob diferentes condições operacionais utilizando partículas com diferentes propriedades físicas. Foi proposta uma nova expressão para a velocidade crítica de rotação para centrifugação função, além do grau de preenchimento do tambor, das propriedades físicas das partículas. Uma modificação no modelo desenvolvido por Blumberg e Schlünder (1996) para a transição rolamento-cascateamento através da inclusão do efeito da forma das partículas foi também introduzida. Observou-se, pela primeira vez na literatura, o fenômeno de histerese quando da transição entre os regimes catarateamento-centrifugação o qual se mostrou dependente das propriedades físicas dos materiais particulados tais como: esfericidade, massa específica e coeficiente de atrito partícula-parede. Foi possível a realização de uma investigação, tanto quantitativa quanto qualitativa, acerca dos efeitos das diferenças de diâmetro, massa específica e da condição inicial do material no interior do tambor rotatório sobre o fenômeno de segregação radial e axial (mistura binária). O fenômeno da segregação axial foi observado apenas quando da diferença de diâmetros entre as partículas. A diferença tão somente da massa específica, independente das condições de velocidade de rotação e grau de preenchimento, não causou segregação axial. No que diz respeito à abordagem numérica, duas diferentes aproximações para a previsão do escoamento granular no interior do tambor foram utilizadas: Euleriana e Lagrangeana. Comparações entre os perfis radiais de velocidade de sólidos experimentais e simulados através do modelo Euleriano mostraram que o modelo cinético-colisional, o qual tem sido aplicado com sucesso em muitas simulações de escoamento granulares diluídos pode, também, ser aplicado no tratamento de um escoamento granular denso presente em tambores rotatórios. Neste caso, observou-se também que a força de arrasto ou resistiva fluido-sólido pode ser negligenciada no caso de um tambor rotatório operando no regime de rolamento, onde não há entrada ou saída de fluido do sistema. No processo de calibração do modelo Lagrangeano através de um Planejamento Composto Central, os valores determinados dos parâmetros coeficiente de atrito (μp) e razão de amortecimento (ζ) para o arroz foram de, respectivamente, 0,425 e 0,149 (erro relativo de 2,9%), enquanto que para as esferas de vidro foram de 0,701 e 0,425 (erro relativo de 3,4%), respectivamente. Os parâmetros da modelagem Lagrangeana determinados para as partículas arredondadas (esferas de vidro) mostraram-se dependentes das condições operacionais. Já para as partículas irregulares (arroz), a calibração dos parâmetros através de um tambor em escala reduzida, mostrou-se adequada para o emprego na previsão do escoamento em tambores rotatórios em uma escala superior, podendo futuramente ser empregada em uma escala industrial. / Doutor em Engenharia Química

In the present work, the flow behavior of an oil-in-water emulsion around and inside the measurement chamber of an in-line optical sensor probe is studied. The emulsion consists of a metalworking fluid, with oil droplets diameter ranging from 100 nanometers to 100 micrometers. The design of the UV-Vis light spectrometer probe is in accordance with the concept proposed in the research project named EPM (Emulsion Process Monitor in Metalworking Processes), carried out within the scope of the BRAGECRIM program between the University of São Paulo and the University of Bremen. This study is based on the numerical simulation of the interactions between the emulsion and the measurement system using computational fluid dynamic techniques, and is aimed at evaluating the effects of the probe geometry, its position relative to the flow field, and fluid properties on the expected spectrometer readings. Such effects are correlated with changes in droplet concentration and or droplet size segregation inside the measurement chamber of the optical probe, which can cause changes in the scattered light intensity readings. Segregation effects due to flow disturbances around the probe can be neglected under normal measurement conditions, with the probe facing the slit area inlet against the flow stream. Based on the simulation results, even if the probe is misplaced, the effect on the measurements is still insignificant. In-situ measurements carried out in a laboratory set up installed in the injection tube of a drilling machine support the simulation results, since no segregation effect related to the measurement system was observed. In addition to the study, the possibility of bacteria attachment on the internal glass walls of the probe was evaluated and it was found that when the flow velocity is large enough to produce a wall shear stress of about 3-5 Pa the bacterial contamination may be avoided. Changes in the probe geometry are proposed in order to attain an isokinetic condition for the flow around and inside the probe, resulting in a higher wall shear stress for lower inlet flow velocities. An additional study was performed using a tracking particle model to understand the relevance of the individual particles behavior under different flow conditions. The results do not indicate any significant effect on the measurements inside the probe, although additional studies should be carried out in this topic by considering a population balance model for the oil droplets. / O presente trabalho tem como objetivo o estudo do comportamento do escoamento de uma emulsão do tipo óleo - em água que flui no interior de câmara/duto de medição e que tem como obstáculo em seu caminho uma sonda de um sensor óptico, sensor óptico este que deve avaliar em tempo real a estabilidade da emulsão onde está inserido. A emulsão é constituída por um fluido de corte para usinagem, com gotículas de óleo de diâmetro variando de 100 nanômetros para 100 micrometros. A sonda utilizada junto ao espectrômetro de luz UV- Vis está de acordo com o conceito proposto no projeto de pesquisa chamado EPM (Emulsion Process Monitor in Metalworking Fluid), realizado no âmbito do programa BRAGECRIM entre a Universidade de São Paulo e a Universidade de Bremen. Este estudo baseia-se na simulação numérica das interações entre a emulsão e o sistema de medição proposto, utilizando técnicas de Fluido Dinâmica Computacional (CFD), e tem por objetivo avaliar os efeitos da geometria da sonda, a sua posição em relação ao campo do escoamento, e propriedades do fluido, em especial as propriedades a serem medidas pelo espectrômetro. Tais efeitos estão correlacionadas com alterações na concentração de gotas e a segregação ou o tamanho das gotas dentro da câmara de medição da sonda óptica, o que pode causar mudanças nas leituras de intensidade de luz difusa. Efeitos de segregação devido a perturbações do escoamento em torno da sonda podem ser negligenciados, em condições normais de medição, com a sonda voltada para frente e sua área de entrada contra a corrente do escoamento. Com base nos resultados de simulação, mesmo que a sonda seja deslocada, o efeito sobre as medições ainda é insignificante. Medições foram efetuadas em laboratório e também foram realizadas medições in-situ utilizando um adaptador de medição acoplado diretamente no tubo de injeção de fluido de corte da máquina de perfuração, estes testes foram feitos para de validar os resultados obtidos por simulação, uma vez que não se observou qualquer efeito de segregação relacionada com o sistema de medição. Além disso, foi acrescentada ao estudo, a possibilidade de fixação de bactérias nas paredes de vidro internas da sonda e verificou-se que quando a velocidade de escoamento é suficientemente grande para produzir uma tensão de cisalhamento de cerca de 3-5 Pa a fixação de bacteriana pode ser evitado. Aproveitando os resultados do estudo para prevenção de contaminação por bactéria, mudanças na geometria da sonda foram propostas a fim de atingir uma condição isocinética para o escoamento ao redor e dentro da sonda, resultando em uma maior tensão de cisalhamento para baixas velocidades de fluxo de entrada. Por fim um estudo adicional foi realizado utilizando um modelo de rastreamento de partículas para compreender a relevância do comportamento individual de cada partícula no escoamento da emulsão. Os resultados não indicam qualquer efeito significativo sobre as medições no interior da sonda, embora estudos adicionais devem ser realizados neste tópico, considerando um modelo de balanço populacional para as gotículas de óleo.

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T00:06:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marini_Fabio_M.pdf: 5333553 bytes, checksum: 72ac631f4271ce7c21408f1eb72ddb1c (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Os leitos fluidizados são amplamente utilizados em muitas operações nas indústrias químicas, agrícolas, bioquímicas, de geração de energia e em especial petroquímicas. Com o aumento na disponibilidade de computadores, a aplicação de modelos matemáticos para predizer o comportamento de um leito fluidizado segue a mesma tendência, e vários modelos têm sido propostos. Neste trabalho foi abordada a modelagem matemática de simulação de um leito fluidizado. O modelo empregado é baseado na descrição euleriana (contínuo) de ambas as fases, e consiste num conjunto de equações de conservação de massa e momento para cada uma destas. Neste modelo estão contempladas a turbulência (modelo k-epsilon) e mistura multifásica. Para descrever o comportamento das muitas partículas em um contínuo foi utilizada a teoria cinética do escoamento granular, que vem se tornando uma aproximação típica para executar simulações eulerianas. A teoria cinética do escoamento granular é baseada na teoria cinética dos gases. Na teoria cinética do escoamento granular, as interações na fase particulada são levadas em conta, pela contribuição das colisões entre as partículas. Nesta teoria, as colisões são o principal mecanismo de transporte nas propriedades da fase particulada. A geometria e a malha numérica foram geradas utilizando o software ANSYS ICEM CFD. O conjunto de equações diferenciais parciais foi discretizado e resolvido utilizando o software ANSYS CFX 10. A KTGF foi implementada em subrotinas Fortran externas ao código comercial. Os resultados obtidos com as simulações foram por fim validados com os dados experimentais encontrados em SAMUELSBERG e HJERTAGER (1996) / Abstract: Fluidized beds are widely used in many operations in chemical, metallurgical, energy generation and specially in petrochemical industries. With the increase in the availability of computers, the application of mathematical models to predict the behavior of a fluidized bed follows the same trend, and several models have been proposed. In this work, it has been studied mathematical modelling for the fluidized bed simulation. The model utilized is based in the Eulerian (continuum) description for both phases, and is composed of a set of mass conservation and momentum equations, for each phase. In this model are contemplated turbulence (k-epsilon model) and multifasic mixture. To describe the behavior of the several particles in a continuum, it has been used the kinetic theory of granular flow, that is becoming a typical approach to perform eulerian simulations. The kinetic theory of granular flow is based in the kinetic theory of gases. In the kinetic theory of granular flow, the interactions in the particulate phase are taking in account, by the contribution of the colisions between the particles. In this theory, collisions are the main mecanism of transport in the properties of the particulate phase. The geometry and numerical mesh were generated usins ANSYS ICEM CFD software. The set of partial differential equations was discretized and solved using ANSYS CFX 10 software. The KTGF was implemented by Fortran subroutines apart from the commercial code. The results achieved with simulations were validated with experimental data found in SAMUELSBERG and HJERTAGER (1996) / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

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

Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T00:21:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Flora_BrunoFagundes_M.pdf: 2971179 bytes, checksum: 98fc79d21db40bfb0bbe58d6d20ec80e (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: É proposta uma metodologia de projeto e de calibração de um medidor de fração de vazio para escoamento de gás e líquido operando com o princípio de impedâncias elétricas baseado em simulação numérica. O desenvolvimento do sensor é feito utilizando-se de um software de volumes finitos para a otimização heurística da geometria dos eletrodos e também para a criação de uma curva de mapeamento do sinal para fração de vazio de acordo com as características elétricas do fluido em questão, ou seja, características capacitivas (óleo, gás), resistivas (água) ou ambas. Utilizando o conceito de similaridade entre modelo e protótipo foi possível reduzir os resultados computacionais a simples expressões algébricas que relacionam diretamente a fração de vazio com a voltagem do circuito e estender este resultado para tubulações de quaisquer diâmetros. Testes estáticos e dinâmicos são feitos com o propósito de validar o estudo computacional e verificar o desempenho do sensor operando com diferentes padrões de escoamento / Abstract: A methodology for design and calibration of a void fraction meter for gas and liquid flow operating on the principle of electrical impedance is developed based on numerical simulation. The sensor development is done using a finite volume software. The numerical analysis allowed a heuristic geometry optimization of the electrodes and also created a mapping curve for the void fraction signal according to the electrical characteristics of the fluid in consideration, ie, capacitive (oil, gas), resistive (water) or both. Using the concept of similarity between model and prototype it was possible to reduce the computational results to simple algebraic expressions that relate directly the void fraction with the voltage output and extend this result to pipes of any diameter. Static and dynamic tests were done in order to validate the computational study and verify the performance of the sensor operating with different flow patterns / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T04:18:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barros_TiagoRodriguesde_M.pdf: 8532346 bytes, checksum: 17a941d128ad1bcad0846f1722bc6270 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo a simulação numérica de um sensor de tomografia capacitiva elétrica, em função da permissividade elétrica relativa das fases presentes dentro da tubulação, com a finalidade de determinar a melhor geometria do sensor para a geração de imagem de escoamentos numa mistura bifásica ar-água, levando em consideração fluidos com efeito da condutividade nula. A simulação numérica do sensor de tomografia capacitiva é de crucial importância para o desenvolvimento de um tomógrafo capacitivo usado em aplicações específicas, como é o caso do monitoramento de escoamentos bifásicos. A tomografia capacitiva elétrica é uma tecnologia recente que vem se desenvolvendo desde o início de 1980, quando começou a ser utilizada para análise de processos industriais, principalmente em escoamentos multifásicos. Ela é utilizada para gerar uma imagem do interior da tubulação de acordo com a permissividade relativa das fases ali presentes, sendo atualmente o tipo de tomografia de processos mais utilizada. Após a determinação de algumas premissas do projeto como, o diâmetro da tubulação que foi simulada na horizontal, o comprimento dos eletrodos que seriam montados do lado externo da tubulação, as simulações bidimensionais foram realizadas para se obter o melhor espaçamento entre os doze eletrodos do sensor e a distância ideal da blindagem externa. Com as simulações tridimensionais, foi investigada a necessidade de utilização dos eletrodos de guarda, assim como, foi realizada a simulação da geometria final do sensor numa mudança dos componentes de ar para água no interior da tubulação. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram determinar a geometria mais adequada do sensor para a situação proposta, assim como, obter o valor das capacitâncias para diferentes condições de escoamento. Os resultados das simulações tridimensionais apontaram as principais limitações de uma análise bidimensional / Abstract: This study was aimed to realize numerical simulations of a capacitive electrical tomography sensor, depending on the relative permittivity of the phases inside the pipe, in order to determine the best geometry of the sensor to generate the image of the flow in the air-water two-phase flow, taking into account the effect of conductivity zero in the fluids. Numerical simulation of the ECT sensor is of crucial importance to develop a capacitive tomograph used in specific applications such as monitoring biphasic flow. Electrical capacitance tomography is a new technology that has been developed since early 1980, when it began to be used in industrial processes, mainly in multiphase flows. It is used to generate an image from inside the pipe according to the relative permittivity of the phases present there, and is currently the type of process tomography procedures most commonly used. After the determination of some assumptions of the project as the diameter of the pipe that was simulated in the horizontal, the length of the electrodes that must be assembled outside the pipe, the two-dimensional simulations were performed to obtain the best spacing between the twelve electrodes of the sensor and the ideal distance of the outer shield. With the three-dimensional simulations, we investigated the necessity of use guard electrodes, as well as, it was realized the simulation of the final geometry of the sensor components in a change of air to water inside the pipe. The results of this study allow us to determine the most suitable sensor geometry for the proposed situation, as well as obtaining the value of capacitance for different flow conditions. The results of three-dimensional simulations showed the main limitations of a two dimensional analysis / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica