Sistemas pneumáticos de irradiação são instalações utilizadas em reatores nucleares de pesquisa. Sua função principal é de prover um meio rápido de envio de materiais para irradiação em posições localizadas nas proximidades do núcleo do reator. Durante sua utilização, cápsulas contendo os materiais de estudo são enviadas por meio de tubulações utilizando um fluido propulsor gasoso. Ao chegar à posição desejada, a cápsula sofre a exposição à radiação proveniente do reator possibilitando as transformações do material alocado em seu interior, porém como consequência da exposição também ocorre seu aquecimento térmico. Este trabalho estudou de forma numérica, utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) e experimental, por meio de uma bancada de ensaios, o escoamento e transferência de calor durante o processo de irradiação. Os resultados encontrados demonstraram um aquecimento significativo para tempos de irradiação na ordem de 1 minuto considerando uma taxa de geração de calor constante, provocando a elevação da temperatura da cápsula a valores críticos para materiais de fabricação das cápsulas comumente utilizados como o polietileno de alta densidade (PEAD). Além disso, foram levantados os campos de velocidade, pressão e temperatura para o fluido propulsor e água de resfriamento no interior do tubo de irradiação que abriga a cápsula durante sua irradiação e avaliadas as respostas para diferentes modelos de turbulência nas simulações numéricas. Em função dos resultados obtidos concluiu-se que o estudo desenvolvido possibilitou exemplificar o processo de aquecimento das cápsulas e fornecer informações sobre as características do escoamento no interior do tubo de irradiação que abriga as cápsulas durante o processo de exposição. A utilização de diferentes modelos de turbulência nas simulações gerou resultados similares para o caso de estudo, porém pequenas variações em regiões de escoamento próximo à parede e em zonas de recirculação foram encontradas. / Pneumatic irradiation system facilities are used in nuclear research reactors. Its main function is to provide a fast means of sending materials to irradiation positions located near the reactor core. Capsules containing the sample materials are sent through pipes using a gaseous fluid propellant. Upon reaching the desired position, the capsule undergoes exposure to radiation from the reactor enabling the transformation of the material allocated inside, but as a consequence of exposure, its thermal heating also occurs. This study investigated numerically, using computational fluid dynamics (CFD), and experimentally the flow and heat transfer during the irradiation process. The results showed a significant heating for irradiation times on the order of 1 minute, considering a constant heat generation rate, thus causing increase in the capsule temperature up to critical values, for the materials that are commonly used for their manufacture. In particular, this is the case of the high density polyethylene (HDPE). Furthermore, the velocity, pressure and temperature fields were obtained for the propellant fluid and cooling water inside the irradiation tube house during its irradiation and the response of different turbulence modeling in the numerical simulations were analyzed. Based on the results obtained, it was possible to conclude that the developed study exemplified the heating process of the capsules and provided information about the characteristics of the flow inside the irradiation tube that houses the capsules during the exposure process. The use of different turbulence models in the simulations generated similar results for the study, however small variations in regions of flow near to the wall and inside recirculation zones were found.

Neste trabalho é proposta uma metodologia numérica como ferramenta para avaliação de ambientes térmicos com manequins. A simulação de CFD do ambiente térmico em simulador comercial é integrada à simulação do sistema térmico do corpo humano realizada em código acadêmico. As soluções dos fluxos de calor e temperaturas nas peles são retroalimentadas e a transferência de informações é realizada via arquivo. A geometria do ambiente térmico é simplificada para minimizar os efeitos de problemas com a malha computacional na simulação de CFD, permitindo uma melhor análise do método interativo proposto. O manequim é separado em 15 segmentos cilíndricos representando cabeça, pescoço, tronco, braços, antebraços, mãos, coxas, pernas e pés. Cada segmento é subdividido em quatro quadrantes, totalizando 60 zonas, para capturar assimetrias térmicas e aerodinâmicas. Foi conduzido estudo de validação geométrica de manequim virtual pela comparação de resultados dos coeficientes térmicos obtidos com CFD e resultados obtidos de ensaios experimentais da literatura. A qualidade da malha e o tratamento de parede são discutidos. Os resultados tornam evidente que uma geometria simplificada do manequim é suficiente para estudos e avaliações de ambiente térmico e de conforto térmico quando se utiliza técnicas numéricas de CFD. Os resultados a partir da integração dos simuladores mostram que o método numérico pode ser instável nos segmentos com baixo metabolismo e baixa vazão de sangue, como nos pés e mãos. Pretende-se introduzir na metodologia proposta algum mecanismo que identifique automaticamente este fenômeno, para evitar a divergência do método e tornar a ferramenta mais robusta. / In this work is proposed a new numerical methodology as a tool for thermal comfort evaluation. This method promotes the interaction of the thermal environment simulation and the thermal system of the human body simulation. The commercial CFD simulator FLUENT R and an academician code for human body simulation are used. The solutions are fed back and the transfer is made by file. The geometry of the room is simplified to minimize the effects of problems with the computational mesh in the CFD simulation, allowing a better analysis of the proposed interactive method. The dummy is separated into 15 cylindrical segments representing head, neck, trunk, arms, forearms, hands, thighs, legs and feet. Each segment is subdivided into four quadrants, totaling 60 zones, to capture asymmetries in the heat flux field and temperature field. Was conducted a geometric validation of virtual dummy by comparing results of heat transfer coefficients from literature and CFD simulation. The mesh quality and near wall treatment are discussed. The results show that a simplified geometry of the dummy is sufficient for thermal environment studies and evaluations in CFD simulations. The results from coupled simulations show that the numerical method can be unstable in the segments with low metabolism and low blood flow, as the feet and hands. So, its intended to introduce mechanisms in the methodology to automatically identify this phenomenon and to avoid the divergence of the method to make more robust this methodology.

A demanda por produtos industrializados que apresentem máxima preservação de suas características naturais têm crescido e feito as indústrias alimentícias re-analisarem seus processos para atingirem essa necessidade do mercado. A abordagem convencional conservadora, utilizada para o dimensionamento do processamento térmico de alimentos, pode levar ao sobre-processamento especialmente no regime laminar, devido às significativas distribuições de temperatura e tempos de residência existentes. Um modelo matemático, composto por equações diferenciais de massa e energia foi elaborado, considerando o processamento térmico de um fluido não-newtoniano, sob regime laminar, escoando em um trocador de calor bitubular. No modelo, se levou em conta as dispersões efetivas de massa e energia associadas com o escoamento laminar não ideal, as trocas de calor com o ambiente, a letalidade que ocorre no aquecimento e resfriamento e o perfil de velocidade. O modelo foi testado por meio de simulações do estudo de caso do processamento térmico de suco de graviola (fluido pseudoplástico) considerando a destruição de bolores e leveduras. Objetivou-se nas simulações avaliar o efeito de distintas considerações do modelo nas variáveis consideradas. Os resultados indicaram que as etapas de aquecimento e resfriamento contribuíram de forma significativa na letalidade do processo, assim como as considerações quanto às dispersões de massa e energia. Como exemplo, as letalidades, considerando a abordagem convencional (tubo de retenção isotérmico com velocidade máxima) e o modelo completo (com todas as considerações) apresentaram valores de 1,46 e 5,74, respectivamente. A flexibilidade do modelo elaborado, assim como os tempos computacionais pequenos necessários para obter os resultados são as principais vantagens do uso do mesmo. Acredita-se que o modelo elaborado pode contribuir de forma importante para o correto dimensionamento e avaliação de processos térmicos em indústrias de alimentos, permitindo que a demanda dos consumidores seja atendida. / The demand for industrialized food with maximum retention of sensorial and nutritional attributes has grown and made the food industries rethink operational conditions to meet this market expectation. The classic conservative approach, used for the design of thermal food processing can lead to over-processing specially in laminar regime, due to the existing significant temperature and residence time distributions. A mathematical model, comprising differential equations for mass and heat transfer was elaborated, considering the thermal processing of a non-Newtonian liquid, under laminar flow in a double-pipe heat exchanger. In the model, it was taken into account the effective mass and energy dispersions associated with the non-ideal laminar flow, the heat exchange with the ambient, the contribution from heating and cooling sections in the lethality and the velocity profile. The model was tested through simulations of a study case of soursop juice processing (pseudoplastic fluid) regarding the destruction of yeast and molds. The objective of the simulations was to evaluate the effect of distinct model assumptions on the variables. The results indicated that the heating and cooling sections and the assumptions regarding the effective mass and energy dispersions had an important contribution to the processing lethality. As an example, the lethality, regarding the conventional approach (isothermal holding tube at the maximum velocity) and the complete model (with all the assumptions) were 1.46 and 5.74, respectively. The model flexibility and the small computational time needed for the results to the obtained are the main advantages of its use. It is expected that the developed model can be an important contribution to the correct design and evaluation of thermal processing in food industries, allowing the consumer demands to the reached.

O presente trabalho tem por objetivo avaliar os efeitos de não-equilíbrio químico sobre a solução das equações de camada limite na região de estagnação de veículos hipersônicos. Foram obtidas soluções para altitudes entre 33 km e 63 km e velocidades entre 1,9 km/s e 7,5 km/s considerando-se três situações distintas: equilíbrio químico, escoamento congelado e não-equilíbrio químico. A solução das equações de camada limite laminar foi obtida usando-se o conceito de solução similar. Foi adotado um mecanismo de reações químicas que considera os fenômenos de dissociação e recombinação e a coexistência de até cinco espécies químicas no ar (N2, O2, NO, O e N). A partir dos perfis de velocidade, temperatura e de composição química no interior da camada limite, concluiu-se que os efeitos de não-equilíbrio químico são significativos para escoamentos com Mach acima de 10. Observou-se também que a partir deste ponto ocorre uma elevação do fluxo de calor no ponto de estagnação em relação àquele previsto pelos cálculos sob a hipótese de equilíbrio químico. Para M entre 10 e 17, os resultados obtidos sob a hipótese de não-equilíbrio químico são semelhantes aqueles obtidos sob a hipótese de escoamento congelado. Em função das hipóteses e da metodologia de solução adotadas, a solução do problema sob a hipótese de não-equilíbrio químico foi restrita a M = 17. Para a condição de escoamento congelado, entretanto, tal limitação não se aplicou e o procedimento de solução foi estendido até M = 23. Os resultados obtidos para o fluxo de calor no ponto de estagnação foram comparados aos de Fay e Riddell (1958) e de De Filippis e Serpico (2000). Uma boa concordância entre os resultados deste trabalho e os de De Filippis e Serpico foi observada.

This work focuses on the study of flow and heat transfer in a parallel plate channel with solid and porous baffles, in both laminar and turbulent regimes by using numerical simulations. The main concern is to validate results by using a unique set of equations (for porous, solid and clear domain) for channels with solid baffles, after that change solid to porous baffles and study the effects on flow and heat transfer. Porous medium is treated as rigid, homogeneous and isotropic. The macroscopic transport equations are written for an elementary representative volume, yielding a set of equation valid for the entire computational domain. These equations are discretized using the control volume method, and the resulting system of algebraic equations is solved by the SIP algorithm utilizing the SIMPLE method for the pressure-velocity coupling. Initially, the laminar flow regime is analyzed, followed by turbulent flow simulations, utilizing both Low and High Reynolds turbulence models. Three different baffles heights were chosen for laminar and turbulent flow, aiming for further comparisons to literature data. Derivations are carried out under the recently established double-decomposition concept. Results show good qualitative agreement with literature data, for both laminar and turbulent cases, and good quantitative agreement with literature data, for laminar and some turbulent results.

O desenvolvimento desta tese teve como propósito implementar uma ferramenta numérica para simulação, estudos e análise do acoplamento térmico em sistemas trocadores de calor. Avaliação dos parâmetros é aplicável para processos de aquecimento, arrefecimento ou resfriamento de fluidos em dutos de equipamentos termofluido-mecânicos. Nas superfícies destes dutos ocorre o acoplamento da condução com a radiação, convecção externa e interna. A condução estudada é 2-D, na direção axial e na seção transversal do duto com paredes consideradas de espessura fina. O modelo da convecção interna utiliza formulações e métodos de solução para a condição de temperaturas não-impostas no perímetro da seção transversal de dutos retangulares com escoamento laminar e desenvolvido. Os coeficientes locais de convecção interna são obtidos pelo cálculo de derivadas, após obtenção do campo de temperatura 3-D do fluido. A convecção externa é modelada utilizando correlações estabelecidas na literatura para obter o número de Nusselt e o coeficiente de convecção externa. O estudo da radiação consiste basicamente na obtenção das equações integrais de radiosidade na banda de interesse do espectro eletromagnético. Portanto, o modelo contempla o acoplamento 3-D de modos múltiplos da transferência de calor em dutos retangulares com escoamento laminar e viscoso. A camada limite hidrodinâmica e térmica são completamente desenvolvidas. Um modelo físico-matemático e computacional é elaborado para representar o dispositivo proposto e analisar a interação entre os modos da transferência de calor. Nas paredes do duto são realizados os balanços de energia, surgindo as relações de dependência destes modos entre si. O acoplamento das equações diferenciais da condução, radiação, convecção interna e externa ocorre nestes balanços térmicos, em cada uma das paredes, gerando um sistema de equações não-lineares. Além das equações para o balanço de energia, as equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia governando o escoamento são discretizadas pelo método de diferenças finitas e, obtém-se a partir destas, resultados numéricos que correspondem aos campos de velocidade e temperatura. A representação do domínio computacional é feita por malhas estruturadas. A solução é obtida para a condição de regime permanente. O efeito da dissipação viscosa na equação da energia é contabilizado, onde se confirma sua importância quando comparando soluções para Nu=f (Z*) com e sem termos viscosos na referida equação. Convergência e estabilidade da solução são demonstradas utilizando a malha com número adequado de nós (pontos) e queda dos resíduos numéricos em pelo menos cinco ordens de grandeza. Para o escoamento interno (ar, água ou óleo) e material das paredes em aço inox, aço-carbono, alumínio ou cobre, são avaliados na direção axial do duto, dentre outros, o coeficiente de convecção (h), o número de Nusselt (Nu) e os gradientes de temperatura (média global e média das paredes), além do campo 3-D de temperatura e da geração de entropia. A metodologia proposta é validada com base na termodinâmica e princípios de conservação da energia no acoplamento entre os vários modos da transferência de calor nas paredes do duto. Esta validação é amparada também por meio da comparação dos resultados com a literatura, bem como apresentando analises baseadas no significado físico dos parâmetros obtidos.

Em sistemas de resfriamento de componentes eletrônicos um dos meios mais utilizados é o dissipador de calor aletado resfriado a ar, devido ao baixo custo, alta confiabilidade e eficiência. A diminuição na capacidade de dissipar calor devido à redução na área de troca de calor é uma das restrições no processo evolutivo de componentes eletrônicos compactos. Por esta razão, pesquisas vêm sendo realizadas com a finalidade de melhorar a efetividade dos dissipadores aumentando a transferência de calor. O objetivo do presente trabalho é analisar a transferência de calor conjugada (condução e convecção) em dissipadores aletados com jato de ar impingente turbulento e, desta forma, verificar a influência da altura das aletas, do número de Reynolds e da potência de bombeamento no desempenho térmico dos dissipadores. Para tanto, duas configurações geométricas, baseadas em trabalhos experimentais, são usadas: aletas em forma de placas (seção transversal retangular) e pinos (seção transversal quadrada). As equações do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência k-e) são resolvidas numericamente empregando o método de volumes finitos e uma aproximação segregada para acoplamento pressão-velocidade. Um estudo de refinamento de malha não-uniforme (tetraédrica e poliédrica) é empregado para garantir independência da malha nos resultados. Para validação do procedimento numérico foram utilizados dados experimentais. Os resultados mostram que os valores numéricos da resistência térmica do dissipador diminuem com o aumento da altura das aletas, do número de Reynolds e da potência de bombeamento. Isto ocasiona a redução da temperatura média da superfície de aquecimento do dissipador. Entretanto, o aumento excessivo da altura das aletas, da potência de bombeamento e do número de Reynolds não proporciona grandes melhorias no desempenho térmico.

An aeronautical engine is a complex machine composed of different components operating at different temperatures that in conjunction with the nacelle creates a crowded region with the coupled heat transfer mechanisms to be covered by the nacelle cooling/ventilation system. The final configuration of this system is defined through a demanding refinement of the preliminary design. For this reason the preliminary design is considered the key point and as a rule it can be based on the use of similar design scaling or by the use of numerical approaches. The numerical approaches available are the use of a one-dimensional heat transfer analysis or a complete heat transfer analysis via Computational Fluid Dynamics, or CFD. The short lead time usually available to get the nacelle ready leads the using of a more simplified analysis. Even though this simplified analysis is a lesser laborious activity than a more complete heat transfer analysis, it is still a relatively complicated task. Thus this work aims at presenting a simple methodology for supporting the preliminary design of nacelle cooling/ventilation which is basically relies on confirming if such system is really necessary taking into consideration the temperature distribution in the region between the engine/nacelle and the specified limits. In this case, the proposed methodology presented in this work is concerning to the natural convection analysis in a bidimensional engine/nacelle model by the use of CFD. In view of the fact that there is no specific literature reference available about such methodology or the natural convection analysis in an analogous model configuration or even experimental tests results, it was decided to utilize the studies about natural convection in concentric cylinders in the model validation process and to show the suitability of the proposed methodology, it was directly compared to the natural convection analysis in a simplified tridimensional engine/nacelle model by the use of CFD tool which would be performed by the manufacturer.

O presente trabalho estuda o problema da distribuição de temperaturas nos elementos de um canhão de elétrons de 5 A e 50 kV (primeiro e segundo anodos, catodo, flanges e isoladores externos de cerâmica) tendo como condição de contorno a temperatura do filamento aquecedor que se encontra a 2300 graus centigrados no interior do catodo cônico e que mantém a temperatura da faixa emissora de elétrons em 1000 graus centígrados. As medidas experimentais, efetuadas a partir de um conjunto de termopares instalados em vários pontos do canhão, são comparadas com resultados obtidos via simulação numérica usando um programa computacional de elementos finitos. A otimização mecânica nas peças do canhão e o desenvolvimento de dispositivos como o sistema de aquecimento da faixa emissora de elétrons por filamento, métodos para determinação da temperatura de um filamento de tungstênio e a construção de uma sonda térmica para medidas de velocidade e cálculo do coeficiente de convecção do ar em regiões turbulentas próximas da parede externa do canhão também integram este trabalho. A presente tese reveste-se de caráter inédito, pois constitui um estudo detalhado das características térmicas de um canhão injetor de elétrons do tipo magnetrônico em que os resultados experimentais e simulados apresentam excelente concordância.

Neste trabalho apresentaremos o estudo da distribuição de temperatura ao longo do corpo da estrutura aceleradora de um acelerador linear de elétrons durante a sua operação. Uma alta potência de microondas (8MW) é injetada no interior da estrutura, que está mantido em vácuo, para gerar o campo elétrico que acelera os elétrons. Desta potência injetada parte é absorvida pelas paredes internas da estrutura, provocando o aquecimento desta e alterando assim as suas dimensões. A sintonia entre os elétrons e o campo elétrico gerado pelo sinal de microondas está diretamente ligada às dimensões da estrutura, logo a temperatura no interior deste deve ter um rígido controle para que as suas dimensões se mantenham constantes e conseqüentemente sejam evitados os desvios no valor da freqüência de oscilação do modo acelerador. Devido a complexidade da geometria da estrutura aceleradora e da grande quantidade de fontes existentes, será utilizado o código numérico "FLUX 2D" para a execução do cálculo da distribuição de temperatura no corpo da estrutura aceleradora, sendo que, para obtermos mais confiança no código utilizado, foi feita a verificação de sua aplicabilidade ao nosso problema usando um protótipo da estrutura em escala reduzida. Este estudo da distribuição de temperatura visa obter os dados necessários para que seja possível fazer o cálculo do sistema de refrigeração e controle que deverá manter o interior da estrutura aceleradora numa temperatura constante, definida e uniforme ao longo de todo o seu eixo longitudinal.