Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2015. / Submitted by Guimaraes Jacqueline (jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2015-11-11T11:45:23Z No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2016-01-25T13:58:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-25T13:58:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Canais compostos são caracterizados pela presença de uma região mais larga por onde o escoamento escoa com certa facilidade e regiões mais estreitas onde os efeitos viscosos predominam. Sendo que o uso destas estruturas é abrangente na indústria, principalmente em trocadores de calor, interior de reatores nucleares e em canais de irrigação. A precisão das relações que determinam a transferência de calor em trocadores de calor ou reatores nucleares passa por uma análise dinâmica destes equipamentos, visto que suas características geométricas podem ser responsáveis pela formação de estruturas coerentes dentro do escoamento principal. As estruturas coerentes têm essencial influência nos processos de mistura, (transferência de calor, dispersão de poluentes entre outros processos difusivos), arrasto, emissão de ruídos e no campo da interação fluido-estrutura. O propósito deste trabalho é investigar o aparecimento de estruturas de grande escala em canais compostos, utilizando ferramentas de análise do domínio tempo e frequência. Para o canal estudado as principais características geométricas são: seu comprimento, L, a profundidade, P e a largura, D. Durante os experimentos foram analisados 12 tipos de seções diferentes. Utilizando como técnica experimental a anemometria de fio quente. Sendo que para todas as medições o número de Reynolds manteve-se constante no valor de . As caracterizações dinâmicas das flutuações de velocidade, bem como as investigações das estruturas coerentes presentes no escoamento, foram feitas a partir do emprego da PSD (Power Spectro Density), e a análise da Transformada de Ondaletas. As análises revelaram que nas seções de maior comprimento, estudadas por ambos os métodos, houve o aparecimento de estruturas de grande escala. Os resultados também mostraram que as relações adimensionais P/D e L/D têm grande influência no aparecimento dessas estruturas. A transformada de ondaletas é uma ferramenta aliada na análise dos dados transientes do escoamento, sendo que através dessa ferramenta foi possível avaliar os processos intermitentes das séries temporais de velocidade. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Channels compounds are characterized by the presence of a wide regions through which fluid flows relatively easily and narrower regions where viscous effects are dominat. Since the use of these structures considered comprehensive in the industry, especially in heat exchangers, reactors inside and even in irrigation canals and water supply. The accuracy of the relationships which determine the heat transfer in heat exchangers or reactors undergoes a dynamic analysis of these devices, since their geometric features may be responsible for the formation of coherent structures in the main flow. The coherent structures have essential influence on the mixing, (heat exchange, dispersion of pollutants and other diffusive processes), drag, noise emissions and in the field of fluid-structure interaction. The purpose of this study is to investigate the appearance of large-scale structures in compound channels using the time and frequency domain analysis tools. For the studied channel the main geometrical characteristics are: length, L, depth, and the width P, D. During the experiments 12 types of different sections were analyzed, using the experimental procedure as hot wire anemometer. Since the measurements for all the Reynolds number was kept constant in value 7.98x104. The dynamic characterizations of speed fluctuations, as well as investigations of coherent structures in flow, were made from the PSD of employment (Spectro Power Density), and the analysis of Wavelet Transform. The analysis showed that the longer length sections studied by both methods leads to the the emergence of large-scale structures. The results also showed that the dimensionless relations P/D and L/D have great influence on the appearance of these structures. The wavelet transform is an ally tool in the analysis of transient flow data, and through this tool it was possible to evaluate the possible intermittent processes in series speed.

Assim como um peixe pode aproveitar a energia dos vórtices formados por uma rocha em uma corredeira para economizar energia e produzir impulso, este trabalho tem por objetivo mostrar que os vórtices de von Kármán ou esteira de vórtices, desprendidos de um corpo cilíndrico colocado em um escoamento contínuo, com uma placa de um determinado comprimento, posicionada atrás desse corpo cilíndrico e com movimentos livres na horizontal, pode vibrar e produzir movimentos rotacionais, e por fim, uma frequência, com o objetivo de se aproveitar esse movimento para geração de energia. Para tanto, utilizou-se software CFD (Computational Fluid Dynamic), para observar e quantificar os movimentos produzidos pela placa. Observou-se também, entre três comprimentos de placa, com três velocidades diferentes, três números de Reynolds diferentes e com escoamentos laminar e turbulento, como as placas se comportam e qual delas produz movimento com maior frequência. Buscou-se também verificar a eficiência do movimento para números de Strouhal menores e iguais a 0,21. / Just as a fish can harness the energy of the vortices formed by a rock in the rapids to save energy and produce impulse this paper aims to show that the von Kármán vortex or wake vortex, detached from a cylindrical body placed in a flow continuous with a plate of a certain length, positioned behind this cylindrical body and freely moving horizontally, may vibrate and produce rotational movements, and finally, a frequency, in order to take advantage of this movement to generate power. Therefore, we used CFD software (Computational Fluid Dynamic), to observe and quantify the movements produced by the board. It was also observed between three plate lengths with three different velocities, three different Reynolds numbers and laminar and turbulent flow as the plates behave and which one produces motion with higher frequency. It sought to verify the efficiency of movement to lower Strouhal numbers and equal to 0.21.

Assim como um peixe pode aproveitar a energia dos vórtices formados por uma rocha em uma corredeira para economizar energia e produzir impulso, este trabalho tem por objetivo mostrar que os vórtices de von Kármán ou esteira de vórtices, desprendidos de um corpo cilíndrico colocado em um escoamento contínuo, com uma placa de um determinado comprimento, posicionada atrás desse corpo cilíndrico e com movimentos livres na horizontal, pode vibrar e produzir movimentos rotacionais, e por fim, uma frequência, com o objetivo de se aproveitar esse movimento para geração de energia. Para tanto, utilizou-se software CFD (Computational Fluid Dynamic), para observar e quantificar os movimentos produzidos pela placa. Observou-se também, entre três comprimentos de placa, com três velocidades diferentes, três números de Reynolds diferentes e com escoamentos laminar e turbulento, como as placas se comportam e qual delas produz movimento com maior frequência. Buscou-se também verificar a eficiência do movimento para números de Strouhal menores e iguais a 0,21. / Just as a fish can harness the energy of the vortices formed by a rock in the rapids to save energy and produce impulse this paper aims to show that the von Kármán vortex or wake vortex, detached from a cylindrical body placed in a flow continuous with a plate of a certain length, positioned behind this cylindrical body and freely moving horizontally, may vibrate and produce rotational movements, and finally, a frequency, in order to take advantage of this movement to generate power. Therefore, we used CFD software (Computational Fluid Dynamic), to observe and quantify the movements produced by the board. It was also observed between three plate lengths with three different velocities, three different Reynolds numbers and laminar and turbulent flow as the plates behave and which one produces motion with higher frequency. It sought to verify the efficiency of movement to lower Strouhal numbers and equal to 0.21.

Animais que nadam ou voam apresentam uma coordenação de movimentos similar que garante uma interação ótima de seus corpos com o escoamento gerando máxima eficiência propulsiva devido a interação dos vórtices liberados. O grupamento adimensional da mecânica dos fluidos que avalia esta coordenação é o número de Strouhal. Este estudo visa verificar se seres humanos seriam capazes de utilizar desta coordenação para nadar de forma mais rápida e eficiente. Para isso, foram analisadas as influencias antropométricas, de habilidade, desempenho, sexo e idade na possível utilização desta coordenação. Foram filmados 144 participantes de ambos os sexos, entre 12 e 53 anos e diferentes níveis de habilidade, enquanto nadavam crawl em máxima velocidade de forma livre, com limitação de velocidade e apenas com ação de pernas. Estes dados permitiram avaliar as condições do escoamento, o arrasto, o índice de coordenação, o número de Strouhal e a coordenação entre membros dos participantes. Embora as diferenças entre sexos e idades já reportadas na literatura a respeito do índice de coordenação e do arrasto tenham sido confirmadas, estas características parecem não afetar a coordenação entre membros e o número de Strouhal de forma a não influenciar o possível mecanismo propulsivo relacionado à interação dos vórtices. Nadadores mais habilidosos parecem tentar coordenar seus nados em um valor de Strouhal de aproximadamente 0,5, com um número fixo de pernadas dentro dos ciclos de braçadas e com movimentos de braços e pernas sincronizados. Esta coordenação constante parece privilegiar a ocorrência da finalização de uma pernada durante uma fase propulsiva crítica da braçada sustentando a possibilidade da interação das ações propulsivas. Quando submetidos a uma condição com limitação de velocidade os nadadores mais habilidosos buscaram alterar suas técnicas. Eles apresentaram maior amplitude de pernada, porém não foi possível determinar se isso ocorreu devido ao maior arrasto ou a uma tentativa de aumentar o número de Strouhal. O mesmo aumento da amplitude de pernada também foi observado para as condições com apenas propulsão de pernas, no entanto, para este caso, nadadores de todos os níveis identificaram a necessidade de alterar suas técnicas de pernadas. Estes resultados parecem sugerir que o aproveitamento da interação com vórtices não ocorreria em baixas velocidades e que apenas os nadadores mais habilidosos identificam a coordenação necessária para cada situação. Desta forma, o desempenho e experiência do nadador parecem constituir restritores para o aproveitamento da interação com vórtices. No entanto a partir de um determinado valor de número de Froude (velocidade normalizada pela raiz quadrada do produto entre estatura e a aceleração da gravidade), apenas a habilidade do nadador parece interferir nesta coordenação. O arrasto e as características antropométricas parecem não influenciar o número de Strouhal ou a coordenação entre membros / Flying and swimming animals presents a similar movement coordination that insure a optimal interaction between their bodies and the flow. This coordination generate high propulsive efficiency due to the interaction between shedding vortex. The dimensionless group used in fluid mechanics to evaluate this phenomenon is Strouhal number. This study aims to verify if the human beings are able to use this coordination to swim in a faster and more efficient way. For this purpose we analyzed the influence of anthropometric characteristics, ability, performance, sex and age in the possible use of the coordination mentioned above. 144 subjects of both sex, age between 12 and 53 years, and different ability levels were filmed while they swan front crawl in maximal velocity in three different conditions: free swimming, with velocity limitation and using legs action only. These data allowed evaluating the flow conditions, the drag force, the index of coordination, the Strouhal number and the coordination between limbs. Although differences between sex and age related to Index of coordination and drag reported previously have been confirmed, these characteristics seem not to affect the coordination between limbs and Strouhal number, in such a way, that the possible vortex interaction\'s propulsive mechanism would not be affected by sex and age. The most skilled swimmers seem to try to coordinate their movements to reach a Strouhal number about 0,5; with a fixed number of kick beats per stroke; and with a synchronized coordination between arms and legs. This coordination seems to lead to an occurrence of the ending of the kick beat in a critical propulsive phase of the stroke, which supports the possibility that there is an interaction between the propulsive actions of arms and legs. When the swimmers are exposed to a condition with velocity limitation, the most skilled of them tried to change their techniques. They raised their kick amplitude, however, it was not possible to determine if this raise happened due to the either higher drag force or to an attempt to raise the Strouhal number. The same kick amplitude raise was also observed on the legs propulsion condition, however, in this case, all swimmers were able to identify the need of change their techniques. These results suggest that the use of the interaction between vortex would not occur in low velocities, moreover, only the most skilled swimmers are able to identify the best coordination for each condition. In this way, the swimmer\'s performance and experience seem to be constraint for the use of the interaction between vortex. Nonetheless, since a Froude (V.(gl)-0.5) threshold was reached, only the swimmer\'s ability seems to affect this coordination. The drag and anthropometric characteristics seem not to affect Strouhal number or the limbs\' coordination

Animais que nadam ou voam apresentam uma coordenação de movimentos similar que garante uma interação ótima de seus corpos com o escoamento gerando máxima eficiência propulsiva devido a interação dos vórtices liberados. O grupamento adimensional da mecânica dos fluidos que avalia esta coordenação é o número de Strouhal. Este estudo visa verificar se seres humanos seriam capazes de utilizar desta coordenação para nadar de forma mais rápida e eficiente. Para isso, foram analisadas as influencias antropométricas, de habilidade, desempenho, sexo e idade na possível utilização desta coordenação. Foram filmados 144 participantes de ambos os sexos, entre 12 e 53 anos e diferentes níveis de habilidade, enquanto nadavam crawl em máxima velocidade de forma livre, com limitação de velocidade e apenas com ação de pernas. Estes dados permitiram avaliar as condições do escoamento, o arrasto, o índice de coordenação, o número de Strouhal e a coordenação entre membros dos participantes. Embora as diferenças entre sexos e idades já reportadas na literatura a respeito do índice de coordenação e do arrasto tenham sido confirmadas, estas características parecem não afetar a coordenação entre membros e o número de Strouhal de forma a não influenciar o possível mecanismo propulsivo relacionado à interação dos vórtices. Nadadores mais habilidosos parecem tentar coordenar seus nados em um valor de Strouhal de aproximadamente 0,5, com um número fixo de pernadas dentro dos ciclos de braçadas e com movimentos de braços e pernas sincronizados. Esta coordenação constante parece privilegiar a ocorrência da finalização de uma pernada durante uma fase propulsiva crítica da braçada sustentando a possibilidade da interação das ações propulsivas. Quando submetidos a uma condição com limitação de velocidade os nadadores mais habilidosos buscaram alterar suas técnicas. Eles apresentaram maior amplitude de pernada, porém não foi possível determinar se isso ocorreu devido ao maior arrasto ou a uma tentativa de aumentar o número de Strouhal. O mesmo aumento da amplitude de pernada também foi observado para as condições com apenas propulsão de pernas, no entanto, para este caso, nadadores de todos os níveis identificaram a necessidade de alterar suas técnicas de pernadas. Estes resultados parecem sugerir que o aproveitamento da interação com vórtices não ocorreria em baixas velocidades e que apenas os nadadores mais habilidosos identificam a coordenação necessária para cada situação. Desta forma, o desempenho e experiência do nadador parecem constituir restritores para o aproveitamento da interação com vórtices. No entanto a partir de um determinado valor de número de Froude (velocidade normalizada pela raiz quadrada do produto entre estatura e a aceleração da gravidade), apenas a habilidade do nadador parece interferir nesta coordenação. O arrasto e as características antropométricas parecem não influenciar o número de Strouhal ou a coordenação entre membros / Flying and swimming animals presents a similar movement coordination that insure a optimal interaction between their bodies and the flow. This coordination generate high propulsive efficiency due to the interaction between shedding vortex. The dimensionless group used in fluid mechanics to evaluate this phenomenon is Strouhal number. This study aims to verify if the human beings are able to use this coordination to swim in a faster and more efficient way. For this purpose we analyzed the influence of anthropometric characteristics, ability, performance, sex and age in the possible use of the coordination mentioned above. 144 subjects of both sex, age between 12 and 53 years, and different ability levels were filmed while they swan front crawl in maximal velocity in three different conditions: free swimming, with velocity limitation and using legs action only. These data allowed evaluating the flow conditions, the drag force, the index of coordination, the Strouhal number and the coordination between limbs. Although differences between sex and age related to Index of coordination and drag reported previously have been confirmed, these characteristics seem not to affect the coordination between limbs and Strouhal number, in such a way, that the possible vortex interaction\'s propulsive mechanism would not be affected by sex and age. The most skilled swimmers seem to try to coordinate their movements to reach a Strouhal number about 0,5; with a fixed number of kick beats per stroke; and with a synchronized coordination between arms and legs. This coordination seems to lead to an occurrence of the ending of the kick beat in a critical propulsive phase of the stroke, which supports the possibility that there is an interaction between the propulsive actions of arms and legs. When the swimmers are exposed to a condition with velocity limitation, the most skilled of them tried to change their techniques. They raised their kick amplitude, however, it was not possible to determine if this raise happened due to the either higher drag force or to an attempt to raise the Strouhal number. The same kick amplitude raise was also observed on the legs propulsion condition, however, in this case, all swimmers were able to identify the need of change their techniques. These results suggest that the use of the interaction between vortex would not occur in low velocities, moreover, only the most skilled swimmers are able to identify the best coordination for each condition. In this way, the swimmer\'s performance and experience seem to be constraint for the use of the interaction between vortex. Nonetheless, since a Froude (V.(gl)-0.5) threshold was reached, only the swimmer\'s ability seems to affect this coordination. The drag and anthropometric characteristics seem not to affect Strouhal number or the limbs\' coordination

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-03-20T19:50:03Z No. of bitstreams: 1 000002F2.pdf: 1101205 bytes, checksum: 35ea0ac880e5841836ff1b5e64d2f9ff (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-20T19:50:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000002F2.pdf: 1101205 bytes, checksum: 35ea0ac880e5841836ff1b5e64d2f9ff (MD5) Previous issue date: 2012-11-27 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Componentes eletrônicos estão cada vez mais potentes, necessitando de dissipações térmicas maiores. Os ventiladores atuais, conhecidos comercialmente como "coolers", estão se tornando ineficientes para esta evolução por dependerem de uma maior vazão para atender a demanda de calor dissipado, o que também causa aumento no seu ruído. Como uma alternativa para aprimorar a troca de calor, estudam-se (micro) jatos sintéticos. Estes são produzidos através de uma cavidade selada por uma membrana oscilatória e uma placa com um orifício. A movimentação periódica da membrana produz um jato com valor positivo de quantidade de movimento, que pode ser direcionado para o resfriamento de um dispositivo eletrônico.Para análise térmica, um modelo numérico do dispositivo de refrigeração foi construído em ANSYS CFX 12.0. Variações nos números de Reynolds e Strouhal dos jatos sintéticos e posição da região aquecida na superfície de interesse foram realizadas e seu efeito no desempenho térmico analisado. Os resultados foram comparados a um escoamento convencional de mesma geometria em regime permanente e submetido à mesma vazão mássica média induzida por cada jato sintético. Para a configuração testada, observou-se que os (micro) jatos sintéticos podem fornecer um fluxo de ar mais direcionado para os "hotspots" com maior necessidade de resfriamento. Os resultados encontrados indicam um aumento de número de Nusselt até 122% em jatos sintéticos comparados aos escoamentos contínuos. Logo, confirmam o maior desempenho térmico do jato sintético em relação ao método convencional equivalente e justificam a necessidade de investigações adicionais nesta área. Isto indica que os jatos sintéticos podem ser personalizados ou direcionados especificamente para atender a demanda de resfriamento do problema de interesse. / The rising power consumption of electronic components requires higher and higher thermal dissipation. Current fan systems, commercially known as "coolers", are becoming ineffective to cope with this demand since their performance is dependent on the volumetric flow rate of the driving fan, which becomes more wasteful and noisy. An alternative to improve the heat exchange of current systems is the application of (micro) synthetic jets. These are produced by the oscillations in a cavity bounded by a membrane and a plate with an orifice. Membrane actuation produces a net forward momentum jet through the orifice, which can be applied to cool an electronic device. For this analysis, a numerical model of the cooling device was built on ANSYS CFX 12.0. Variations in jet Reynolds and Strouhal numbers and positioning of the heated region of interest were made and their effect on thermal performance analyzed. Results were compared to a conventional flow with the same geometry but subjected to a single-fan providing steady flow with the same average mass flow rate induced by each synthetic jet. For the configurations tested, it was found that (micro) synthetic jets may provide more directed air flow for "hotspots" with the greatest need of cooling. The results indicate a thermal performance up to 122% higher compared to their equivalent conventional cooling case. This confirmation of the higher thermal performance of synthetic jets relative to a convencional method and justifies the need for the current and additional investigations in this area. Results also indicate that synthetic jets can be customized and specifically directed to meet the cooling demand of the problem in question.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2016-02-04T15:21:28Z No. of bitstreams: 1 Marino Trisch_.pdf: 3535397 bytes, checksum: 4cc7a6dc219d9c91a6de57725e4515d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-04T15:21:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marino Trisch_.pdf: 3535397 bytes, checksum: 4cc7a6dc219d9c91a6de57725e4515d1 (MD5) Previous issue date: 2015-06-22 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo experimental relacionado ao resfriamento de dispositivos eletrônicos utilizando jatos sintéticos direcionados de modo que o jato flua tangencialmente à superfície aquecida, utilizando para isso uma bancada experimental especialmente desenvolvida. Para o desenvolvimento deste trabalho foram analisados outros estudos relacionados ao assunto, simulados e experimentais, utilizando neste caso um alto-falante como membrana montada em conjunto com a estrutura da bancada para formar a câmara e consequentemente o gerador de jatos sintéticos. O jato sintético gerado irá resfriar um elemento de aquecimento que simula o funcionamento de um dispositivo eletrônico, posicionado tangencialmente em diversas posições de distância em relação à saída do jato. Os procedimentos de teste de resfriamento foram realizados na bancada experimental em diversos modos de funcionamento do elemento de aquecimento, utilizando temperatura média de 80 °C semelhante à temperatura máxima de trabalho de dispositivos eletrônicos. Para a geração do jato sintético foram aplicados sinais senoidais em frequências de pulsação entre 20 e 120 Hz e com amplitude de aproximadamente 7,52 V_p, que resulta em 20 Wrms de potência no gerador de jatos sintéticos. Nos testes utilizando potência fixa do elemento de aquecimento, a temperatura no elemento de aquecimento é monitorada. Em outro modo de teste, foi mantida uma temperatura constante e monitorada a potência máxima correspondente dissipada no elemento de aquecimento. Por fim, também foi realizado comparativo entre resfriamento eletrônico utilizando jatos sintéticos e método tradicional com a utilização de ventiladores, onde são utilizados três diferentes tamanhos de coolers acoplados à bancada experimental e arrefecendo o mesmo elemento de aquecimento, verificando e comparando velocidades e rendimento entre os métodos de resfriamento. / This paper presents an experimental study related to the cooling of electronic devices using synthetic jets directed so that the jet flows tangentially to the heated surface. A custom-built experimental test bench especially developed based on other studies related to the subject. In this case, a speaker was used as a membrane and installed in a cavity in the test bench to form the synthetic jet generator. The synthetic jet cools a heating element that simulates the operation of an electronic device, positioned tangentially at various distance in relation to the exit plane of the synthetic jet. Cooling test procedures were performed in the custom-built experimental test bench in various operation modes of the heating element, using an average temperature of 80 ° C which is similar to the operating temperature of electronic devices. To generate the synthetic jet, sinusoidal input signals were applied with frequencies between 20 and 120 Hz and with amplitude of approximately 7.52 Vp which resulted in 20 Wrms power consumed by generator. In tests using a fixed power dissipated by the heating element, the temperature drop is monitored in the heating element. In the other test mode, the temperature on the heating element was set at a constant value the maximum power dissipated in the heating element was measured. Finally, comparisons were also performed between the cooling performance of synthetic jets and the conventional method with the use of three different coolers sizes. The same tests were performed on the same heating element and the corresponding velocities and cooling performance between the two methods were compared.