[pt] Este trabalho apresenta um estudo do escoamento num meio poroso com fronteira livre. Modela-se o escoamento através da Teoria Contínua de Misturas para um meio homogêneo, isotrópico, rígido, estacionário e saturado com fluido newtoniano incompressível, obtendo-se a equação diferencial que rege o fenômeno de percolação. Considera-se a geometria do meio poroso retangular e reformula-se o problema em desigualdade variacional Sobre domínio conhecido via transformada de Baiocchi, onde se elimina a necessidade de se saber a fronteira livre a priori. Discretiza-se o problema. pelo método de Galerkin e emprega-se o Métodos dos Elementos Finitos para aproximar o espaço de funções envolvido. Resolve-se o Problema Linear de Complementaridade utilizando um algoritmo baseado num Método de Continuação para Desigualdades Variacionais para encontrar a região de escoamento. / [en] In this work, the Steady flow of an incompressible Newtonian fluid in a homogeneous, isotropic, rigid and saturated media is modeled by using the Continuum Theory of Mixtures. Due to a Baiocchi transformation, the seepage problem for a rectangular porous media is rewritten as a variational inequality, for which the a priori knowledge of the free boundary is not necessary. A Galerkin procedure is employed for the discretization of the problem and the related function spaces are approximated by means of Finite Element Techniques. An algorithm based upon a Continuation Method for variational inequalities applied for the determination of the free boundary.

Une étude théorique et expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard pour un fluide non-Newtonien rhéofluidifiant a été effectuée. L’approche théorique consiste en une analyse linéaire et faiblement non linéaire de l’instabilité thermo-convective d’une couche horizontale d’un fluide non-Newtonien, d’étendue supposée infinie dans le plan horizontal, chauffée par le bas et refroidie par le haut. Le comportement rhéofluidifiant est décrit par le modèle de Carreau. Pour ce modèle, les conditions critiques d’instabilité du régime conductif sont les mêmes que pour un fluide Newtonien. L’objectif de l’analyse faiblement non linéaire consiste à déterminer d’une part la valeur critique du degré de rhéofluidification à partir duquel la bifurcation primaire devient sous critique et d’autre part l’influence de rhéofluidification sur la sélection du motif de convection au voisinage des conditions critiques, en tenant compte d’un éventuel glissement à la paroi, d’une conductivité thermique finie de celle-ci et de la thermodépendance de la viscosité. Les conséquences sur le champ de viscosité et l’évolution du nombre de Nusselt sont caractérisées. L’approche expérimentale consiste à visualiser par ombroscopie les motifs de convection qui se développent dans une cellule cylindrique. Deux rapports d’aspect ont été considérés : AR = 3 et AR = 4. Les fluides utilisés sont des solutions aqueuses de Xanthan à différentes concentrations. L’influence du degré de rhéofluidification combiné avec la thermodépendance de la viscosité sur le domaine de stabilité des rouleaux et des hexagones ainsi que sur la zone de transitions rouleaux hexagones est mise en évidence / Theoretical and experimental study of Rayleigh-Bénard convection in a non-Newtonian shear-thinning fluid was performed. The theoretical approach consists in a linear and a weakly nonlinear of thermo-convective instability in a horizontal layer of a non-Newtonian fluid, assumed infinite in extent, heated from below and cooled from above. The rheological behavior of the fluid is described by the Carreau model. For this rheological model, the critical threshold is the same as for a Newtonian fluid. The objective of the weakly non linear analysis is to determine on one hand the critical value of the shear-thinning degree above which the bifurcation becomes subcritical and on the other hand, the influence of shear-thinning effects on the pattern selection near the onset, taking into account the possibility of wall slip, a finite thermal conductivity of the walls as well as the thermo-dependency of the viscosity. The impact on the viscosity field and on the evolution of the Nusselt number are characterized. The experimental approach consists in visualizing the convection patterns using the shadowgraph method in a cylindrical cell. Two aspect ratios were considered : AR = 3 and AR = 4. The fluids used are aqueous solutions of xanthan-gum at different concentrations. The influence of shear-thinning effects combined with the thermo-dependency of the viscosity on the stability domain of rolls and hexagons as well as on the transition between rolls and hexagons is highlighted

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 1419023 bytes, checksum: 1bf50c9a366f8d01e4a2a3efdb0a5526 (MD5) Previous issue date: 2012-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this study the forced convection in the laminar flow in simultaneous developing is studied by applying the Generalized Integral Transform Technique to provide a hybrid analytical solution for the fields of velocity, pressure and temperature in circular ducts. The Continuity, Navier-Stokes, Poisson and Energy equations are formulated using primitive variables,knowing that the Poisson Equation was obtained from some mathematical manipulation made on the Navier-Stokes equations. The integral transformation is done in the Momentum equation in x, Poisson and energy equations, and the resulting equations are solved using the IMSL, DBVPFD subroutines and recovering the original potential for each profile studied. In this way it is possible to find a solution to the system by means of an expansion in terms of convenient eigenfunctions, to circular ducts, the eigenfunctions will be Bessel functions. In the following, some results from a practical point of view will be calculated and exhibited graphically such as: The Nusselt number, the f Re value, the study of the convergence profile of the velocity field, the mean velocity, the temperature, the mean temperature, pressure and the mean pressure in the middle of the duct will be analyzed. The results will be compared with the ones found in the literature to validate and adjust the model. / No presente trabalho a convecção forçada interna no escoamento laminar em desenvolvimento simultâneo é estudada aplicando a Técnica da Transformada Integral Generalizada para produzir um solução híbrida para os campos de velocidade, pressão e temperatura em dutos circulres. As equações da Continuidade, de Navier-Stokes, de Possion e da Energia são formuladas utilizando variáveis primitivas, sabendo-se que a equação de Poisson foi obtida a partir de algumas manipulações matemáticas feitas na equação de Navier-Stokes. A transformação integral é aplicada nas equações da quantidade de movimento na direção x, de Poisson e na equação da energia, e as equações resultantes são resolvidas com a subrotina numérica do IMSL, DBVPFD recuperando o potencial original para cada perfil em estudo. Assim é possível encontrar uma solução para o sistema de equações em termos de um expansão de autofunções, que para dutos circulares, as autofunções serão funções de Bessel. Em seguida resultados de interesse prático são calculados e exibidos graficamente como: número de Nusselt e f Re e estudos da convergência dos perfis de velocidade,velocidade média, temperatura, temperatura média, pressãoo e pressão média no centro do duto são analisados. Os resultados são comparados com os dados disponíveis na literatura para validação e ajustes do modelo.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 727146 bytes, checksum: 486fc97b94f3c34e9b689dd0ebc1b729 (MD5) Previous issue date: 2010-09-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this paper the Generalized Integral Transform Technique is employed to produce hybrid solutions for the velocity and pressure fields of a newtonian fluid in two dimensional flow. The problem is formulated by using primitive variables and the necessary mathematical manipulations were used to obtain the Poisson equation for the pressure field. The momentum equations in the axial direction of flow and Poisson are transformed to remove the transversal dependency. The resulting transformed fields are solved with the IMSL numerical subroutine, DBVPFD. The obtained results for the longitudinal velocity profile at the center of the channel are compared with the available data in the open literature for validation and model fitting. Even so, studies are carried out about the convergence of the solution for the velocity profile in the centerline as well as testing different values of the scale factor of axial coordinate for the choice of a factor which can fit perfectly for comparison with available data. Interest practical datas such as: friction factor and mean velocity are obtained along the duct for a entry condition into the parallel flow channel (v = 0). / No presente trabalho a Técnica da Transformada Integral Generalizada é empregada para produzir soluções híbridas para os campos de velocidade e pressão de um fluido newtoniano no escoamento bidimensional. O problema é formulado a partir da utilização das variáveis primitivas e as manipulações matemáticas necessárias foram usadas para a obtenção da equação de Poisson para o campo de pressão. As equações da quantidade de movimento na direção axial do escoamento e a de Poisson são transformadas para a retirada da dependência transversal. Os campos transformados resultantes são resolvidos com a subrotina numérica do IMSL, DBVPFD. Os resultados obtidos para o perfil de velocidade longitudinal no centro do canal são comparados com os dados disponíveis na literatura aberta para validação e ajustes do modelo. Ainda assim, são realizados estudos de convergência da solução para o perfil de velocidade no centro, bem como testes em diferentes valores do fator de contração de escala da coordenada axial para a escolha de um fator que melhor se ajuste a comparação com os dados disponíveis. Dados de interesses práticos, tais como: fator de atrito e velocidade média são obtidos ao longo do duto para uma condição de entrada no canal do escoamento paralelo (v = 0).

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:29:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-07-30Bitstream added on 2014-06-13T20:48:14Z : No. of bitstreams: 1 santos_fl_me_ilha.pdf: 5580224 bytes, checksum: 7664797be424662e0d0d1021e9ee4dc5 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Em função da concentração de material sólido, misturas resultantes de argila e água conferem, via de regra, propriedades não-Newtonianas. Essa concentração passa a variar com a granulometria e a composição do mineral do sedimento, bem como com a qualidade da água. Algumas tentativas foram feitas na busca de melhor explicar a reologia e a dinâmica global dessas misturas nessa última década, notadamente no contexto de lavas torrenciais e misturas hiperconcentradas. Essa dissertação de mestrado tem por objetivo desenvolver uma caracterização reológica de misturas sólido-líquido (água+argila caulinítica e água+areia fina+argila caulinítica) com diferentes concentrações em volume (Cv) para as quais são determinadas, a partir de ensaios de reometria de precisão, as propriedades tais como a viscosidade aparente, tensão crítica de cisalhamento e curva de tensão de cisalhamento x taxa de deformação. Verificou-se, em condições controladas, a influência da temperatura, pH e concentração em volume (Cv) sobre a curva reológica dessas misturas, além de eventuais fenômenos de tixotropia e modo de preparo. O modelo reológico melhor ajustado para as argilas foi o de Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), onde: τ é a tensão de cisalhamento; τc é a tensão crítica (ou rigidez inicial); k é um termo de consistência (viscosidade aparente); n é o índice de escoamento; e dy γ& = du é a taxa de deformação. Obtém-se também, a partir de uma análise quantitativa global, leis de evolução dos diversos parâmetros reológicos em função da concentração em volume. Após a etapa de caracterização física e reológica das misturas, realizaram-se, sob condições controladas, ensaios dinâmicos através de escoamentos de lamas em canal inclinado. Nesses ensaios foram medidos os parâmetros lâmina normal, vazões... ; n is flow index; and dy γ& = du is shear rate. It is also obtained, from a global quantitative analysis, evolution laws of the several rheologics parameters in function of the solid volume concentration. After the stage of rheological and physical characterization of mixing samples, dynamics experiments were made, under controlled conditions, than the flow of mud was observed in the open channel. These analyses were made in order to examine the behavior of parameters such as: normal depth, discharge and velocities. In fact, the experience showed that is possible to deduce wall friction laws from the rheological proprieties based on high mud concentrated suspensions and the dynamic of these muds.

O processamento térmico de alimentos visa garantir qualidade e inocuidade pela inativação de micro-organismos e enzimas. Geralmente ocorre sobreprocessamento, levando à perda de características nutricionais e sensoriais e à elevação de custos operacionais. Foi desenvolvida a modelagem matemática (modelos térmico, mássico, hidráulico e reativo) de um equipamento bitubular para o processamento térmico contínuo de um alimento líquido homogêneo em regime laminar difusivo, para determinação das distribuições de temperatura e letalidade. No modelo foram incorporados parâmetros para quantificar os efeitos das difusividades térmica e mássica efetivas na direção radial ao escoamento. O modelo contempla três seções: aquecimento; tubo de retenção e resfriamento, em que as seções de aquecimento e resfriamento são trocadores de calor modulares. Foram considerados os seguintes volumes de controle: alimento, tubo interno, fluido de utilidade, tubo externo, isolamento térmico e ar ambiente. Balanços diferenciais de energia e massa foram aplicados para modelar as trocas térmicas e a distribuição de micro-organismos, enzimas ou nutrientes. Condições de contorno foram aplicadas para manter a continuidade entre as seções e módulos. O modelo foi resolvido através do método de diferenças finitas, discretizando as componentes axiais e radiais. No estudo de caso foram feitas simulações para o processamento térmico de suco de amora, quantificando os efeitos dos parâmetros difusivos e das variáveis de processo sobre os atributos de qualidade nutricional (antocianina) e qualidade microbiológica (levedura). Na validação dos modelos térmico e mássico os efeitos de mistura e difusão na direção radial foram quantificados através do ajuste da condutividade térmica efetiva e número de Peclet modificado. Utilizou-se um pasteurizador em escala laboratorial e os fluidos: mistura glicerina/água 80% (newtoniano) e solução de CMC 1% (pseudoplástico) nas vazões de 10 a 50 L/h. Os resultados indicam que o modelo proposto representou satisfatoriamente as distribuições de temperaturas, letalidade e comportamento experimental com reduzida complexidade computacional. / The thermal processing ensures quality and safety by inactivation of micro-organisms and enzymes. Generally, over-processing occurs, resulting in sensorial and nutritional losses and operating costs increase. A mathematical model (thermal, mass, hydraulic and reactive) of a double-pipe pasteurizer has developed for the continuous thermal processing of a liquid food in laminar diffusive regime, to obtain the temperature and lethality distributions. Parameters to quantify the effects of thermal and mass effective diffusivities in the radial direction were incorporated in the model. The model comprises three zones: heating; holding tube and cooling, where the heating and cooling zones are modular double-pipe heat exchangers. The following control volumes were considered: food, inner tube, utility fluid, outer tube, thermal insulation and ambient air. Energy and mass differential balances were used for modeling the heat transfer and the destruction of micro-organisms, enzymes or nutrients. Boundary conditions were applied to maintain the continuity between zones and modules. The finite difference method was used to discretize the model in the axial and radial directions. A simulation study case for blueberry juice thermal processing was made, analyzing the effects of the diffusive parameters and processing variables of the thermal treatment in the nutritional quality (anthocyanin) and microbiological quality (yeasts) attributes. In the validations of the heat and mass models, the mixture and diffusive effects in the radial direction were quantified by adjusting the heat conductivity and the modified Peclet number. A laboratory scale pasteurizer was used with the following fluids: glycerin/water mixture 80% (newtonian) and CMC 1% solution (pseudoplastic) in flows rates between 10 and 50 L/h. The obtained results indicate that the proposed model successfully represented the temperature and lethality distributions and experimental behavior with reduced computational complexity.

It is well known that when a flexible or flexibly-mounted structure is placed perpendicular to the flow of a Newtonian fluid, it can oscillate due to the shedding of separated vortices at high Reynolds numbers. If the same flexible object is placed in non-Newtonian flows, however, the structure's response is still unknown. The main objective of this thesis is to introduce a new field of viscoelastic fluid-structure interactions by showing that the elastic instabilities that occur in the flow of viscoelastic fluids can drive the motion of a flexible structure placed in its path. Unlike Newtonian fluids, the flow of viscoelastic fluids can become unstable at infinitesimal Reynolds numbers due to the onset of a purely elastic flow instability. This instability occurs in the absence of nonlinear effects of fluid inertia and the Reynolds number of the flows studied here are in the order of 10-4. When such an elastic flow instability occurs in the vicinity of a flexible structure, the fluctuating fluid forces exerted on the structure grow large enough to cause a structural instability which in turn feeds back into the fluid resulting in a flow instability. Nonlinear periodic oscillations of the flexible structure are observed which have been found to be coupled to the time-dependent growth and decay of viscoelastic stresses in the wake of the structure. Presented in this thesis are the results of an investigation of the interaction occurring in the flow of a viscoelastic wormlike micelle solution past a flexible rectangular sheet. The structural geometries studied include: flexible sheet inclinations at 20°, 45° and 90° and flexible sheet widths of 5mm and 2.5mm. By varying the flow velocity, the response of the flexible sheet has been characterized in terms of amplitude and frequency of oscillations. Steady and dynamic shear rheology and filament stretching extensional rheology measurements are conducted in order to characterize the viscoelastic wormlike micelle solution. Bright field images show the deformation of the flexible sheet during an unstable oscillation while flow-induced birefringence images highlight the viscoleastic fluid stresses produced in the wake of the flexible sheet.

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Orientador : Geraldo de Freitas Maciel. / Banca: Podalyro Amaral de Souza / Banca: Adriano Souza / Resumo: Em função da concentração de material sólido, misturas resultantes de argila e água conferem, via de regra, propriedades não-Newtonianas. Essa concentração passa a variar com a granulometria e a composição do mineral do sedimento, bem como com a qualidade da água. Algumas tentativas foram feitas na busca de melhor explicar a reologia e a dinâmica global dessas misturas nessa última década, notadamente no contexto de lavas torrenciais e misturas hiperconcentradas. Essa dissertação de mestrado tem por objetivo desenvolver uma caracterização reológica de misturas sólido-líquido (água+argila caulinítica e água+areia fina+argila caulinítica) com diferentes concentrações em volume (Cv) para as quais são determinadas, a partir de ensaios de reometria de precisão, as propriedades tais como a viscosidade aparente, tensão crítica de cisalhamento e curva de tensão de cisalhamento x taxa de deformação. Verificou-se, em condições controladas, a influência da temperatura, pH e concentração em volume (Cv) sobre a curva reológica dessas misturas, além de eventuais fenômenos de tixotropia e modo de preparo. O modelo reológico melhor ajustado para as argilas foi o de Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), onde: τ é a tensão de cisalhamento; τc é a tensão crítica (ou rigidez inicial); k é um termo de consistência (viscosidade aparente); n é o índice de escoamento; e dy γ& = du é a taxa de deformação. Obtém-se também, a partir de uma análise quantitativa global, leis de evolução dos diversos parâmetros reológicos em função da concentração em volume. Após a etapa de caracterização física e reológica das misturas, realizaram-se, sob condições controladas, ensaios dinâmicos através de escoamentos de lamas em canal inclinado. Nesses ensaios foram medidos os parâmetros lâmina normal, vazões... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / According to solid concentration material, clay-water mixture can exhibit non- Newtonian properties. Mixture concentrations vary with the grain size distribution and the composition of the mineral sediment, as well as, with the water quality. In the last decade some attempts were realized to explain the rheology and the global dynamics of those mixtures, mainly in the context of mudflows and high mud concentrated suspensions. The purpose of this work is develop a rheological characterization of solid-liquid mixture (water + clay kaolinitic and water + fine sand + clay kaolinitic) with different solid volume concentrations (Cv) for which are determined, using a R/S Rheometer (Brookfield), rheological properties such as the apparent viscosity, yield stress and shear stress x shear rate curve. It was verified, under controlled conditions, the influence of the temperature, pH and solid volume concentration (Cv) on the rheological curve those mixtures, besides eventual tixotropy phenomenon and way of prepare. The rheological model adjusted for the clays was Herschel-Bulkley ( ( )n τ =τ c + k γ& ), where: τ is shear stress; τc is yield stress; k is a consistency term (apparent viscosity); n is flow index; and dy γ& = du is shear rate. It is also obtained, from a global quantitative analysis, evolution laws of the several rheologics parameters in function of the solid volume concentration. After the stage of rheological and physical characterization of mixing samples, dynamics experiments were made, under controlled conditions, than the flow of mud was observed in the open channel. These analyses were made in order to examine the behavior of parameters such as: normal depth, discharge and velocities. In fact, the experience showed that is possible to deduce wall friction laws from the rheological proprieties based on high mud concentrated suspensions and the dynamic of these muds. / Mestre

Cette thèse expérimentale et numérique s’intéresse à l’écoulement à inertie négligeable d’un fluide newtonien et d’un fluide à seuil autour d’une plaque ou d’un cylindre en présence d’une paroi. Les efforts générés et les structures d’écoulement ont été particulièrement étudiés. Pour le fluide à seuil, l’étude est centrée sur le domaine des effets de seuil grands par rapport aux effets visqueux. Pour l’approche expérimentale, un dispositif a été conçu permettant de mesurer simultanément les forces de traînée et de portance en fonction de la vitesse et de la distance obstacle/paroi. Les fluides étudiés sont un sirop de glucose Newtonien et un gel de Carbopol considéré comme un fluide à seuil modèle. Ces matériaux ont été finement caractérisés du point de vue rhéologique. Des simulations numériques utilisant le modèle viscoplastique anélastique d’Herschel-Bulkley régularisé par le modèle de Papanastasiou ont été réalisées. Les résultats obtenus avec le fluide newtonien ont permis de valider l’installation expérimentale et l’approche numérique. Les effets de la contrainte seuil, de la distance paroi/obstacle, de la rhéofluidification, de l’angle d’inclinaison de la plaque sur les coefficients de traînée et de portance ont été examinés en détail. Le régime de lubrification a été étudié pour le cylindre expérimentalement et théoriquement. La morphologie de l’écoulement (zones rigides) et les grandeurs locales ont été montrées. Des solutions analytiques de la traînée et de la portance ont été proposées. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ainsi qu’avec les solutions issues de la plasticité de la mécanique des sols sont analysées. Les écarts sont discutés en termes d’influence de l’élasticité et de plasticité du fluide à seuil. / This experimental and numerical thesis deals with the creeping flow of a Newtonian fluid and a yield stress fluid around a plate or a cylinder in the presence of a wall. The generated forces and the flow structures have been particularly studied. The study focuses for the yield stress fluid on large yield stress effects compared to the viscous effects. For the experimental approach, a device has been designed to measure simultaneously the drag and lift forces as a function of velocity and obstacle / wall distance. The fluids studied are a Newtonian glucose syrup and a Carbopol gel considered as a yield stress fluid model. These materials have been finely characterized from the rheological point of view. Numerical simulations using the Herschel-Bulkley anelastic viscoplastic model regularized by the Papanastasiou model were carried out. The results obtained with the Newtonian fluid allowed to validate the experimental set-up and the numerical approach. The effects of the yield stress, the wall / obstacle distance, the power law index and the inclined plate on the drag and lift coefficients were carefully examined. The lubrication regime has been studied for the cylinder both experimentally and theoretically. The morphology of the flow (rigid zones) and the local field quantities have been shown. Analytical solutions of drag and lift have been proposed. Comparisons between the experimental and numerical results as well as the solutions resulting from the plasticity of soil mechanics are analyzed. Deviations are discussed in terms of the elasticity and plasticity influence of the yield stress fluid.