As turbinas a gás modernas estão sujeitas a requisitos muito rigorosos de desempenho, operacionalidade e durabilidade. Para atender estes requisitos, que são conflitantes, e para assegurar um projeto adequadamente ponderado, simulações dos comportamentos dinâmico e transitório do motor são necessárias durante os projetos do motor e do sistema de controle, bem como durante os ensaios de desenvolvimento. Isto garante a prevenção de problemas e reduz custos de desenvolvimento. Modelos de simulação de desempenho representativos do motor, que levam em consideração os efeitos dinâmicos e transitórios, são utilizados desde o início do projeto, tanto do motor propriamente dito como do sistema de controle, para permitir a escolha da melhor configuração do motor e a lei de controle mais adequada. A compatibilidade entre as partes do motor pode ser verificada, mesmo antes da fabricação, evitando erros que podem custar caro. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de simulação de desempenho de turbinas a gás com capacidade para tratar a dinâmica não adiabática e a transferência de calor transitória do motor. Foram incluídos no modelo alguns aspectos conhecidos que afetam o comportamento dinâmico e transitório dos motores, tais como: transferência de calor gás-metal e variação na eficiência dos componentes devido à variação de folgas de topo. A capacidade de simulação da dinâmica não adiabática do modelo foi validada usando um método de diferenças finitas disponível na literatura. O modelo foi utilizado ainda para simular o desempenho dinâmico de uma turbina a gás com regenerador e foi observado que o volume e a transferência de calor no regenerador têm uma influência maior na dinâmica do motor que o atrito interno do regenerador. A capacidade de simulação de transitório não adiabático de turbinas a gás do modelo foi validada usando um modelo de simulação já consagrado da literatura. Os modelos foram utilizados na simulação do desempenho em regime transitório de um motor turbofan, de dois eixos e saída misturada, e os resultados obtidos apresentaram pouca diferença.

In this study the influence of physical properties on heat transfer between the fluid and solid phases for laminar and turbulent flow in a square cavity filled with porous material, heated by one side and cooled by the opposite one is investigated. In order to simulate flow and heat transfer between the phases models, one and two-energy-equation models are used. The transport equations are discretized using the control volume method and the system of algebraic equations is relaxed via the SIMPLE algorithm. Validations were perfomed first for the case of clean cavity, using Laminar and High Reynolds Turbulent model, and the results are in agreement with the existing literature. In the case of porous cavities, simulation runs were performed using the 1EEM and 2EEM. Overall, this study showed that as porosity increases, the value of the average Nusselt at hot wall, for the same Ram, decreases. It is also shown that the average Nusselt decreases, from a critical Rayleigh , as the ratio between the thermal conductivities of the phases increases. Comparisons were made between both energy models and 2EEM shown smaller results for average Nusselt as ks/kf increases. Also found that the critical Rayleigh depends directly on the ratio ks/kf, being larger as it also grows. Still object of this work, it has been discovered that as the porosity decreases and the ratio between thermal conductivities increases, the turbulence within cavity increases as well. In general, the results and analysis obtained by this work can be used in real engineering situations where the porous cavities may be used.

Em diversas áreas da engenharia são encontrados problemas que devem ser analisados sob enfoque térmico. Problemas em que o processo térmico influencia no desempenho, durabilidade e segurança merecem uma análise cuidadosa. O processo de soldagem a arco elétrico é um caso em que o ciclo térmico provoca o aparecimento de indesejáveis tensões residuais. A determinação deste ciclo térmico é o primeiro passo para uma análise termomecânica que permitirá o cálculo das tensões residuais. Este trabalho descreve a formulação de um elemento de transferência de calor 2D com distribuição parabólica de temperatura na espessura, incluindo um procedimento de estabilização. O elemento 2D descrito neste trabalho pode ser usado para realizar análises térmicas de maneira mais econômica do que elementos 3D, especialmente em placas, pois o número de graus de liberdade através da espessura será sempre três. Como aplicação do elemento, um modelo numérico de um processo de soldagem TIG foi desenvolvido baseado em resultados experimentais publicados. O tamanho e a distribuição da fonte de calor, propriedades térmicas dependentes da temperatura, perdas de calor nas superfícies por convecção e calor latente de fusão foram considerados no modelo. Em paralelo, o mesmo processo foi modelado usando o software ANSYS com elementos 3D (SOLID70) para possibilitar a comparação com os resultados numéricos do modelo 2D. Os resultados obtidos com os modelos 2D, 3D e os dados experimentais mostraram boa concordância.

O presente trabalho apresenta a comparação numérica entre dois tipos de radiadores de calor para aplicações espaciais: o radiador plano (convencional) e o radiador aletado. Projetados para atuar no controle térmico passivo de satélites, estes dispositivos rejeitam o calor gerado pelos componentes eletrônicos e minimizam a absorção de calor proveniente de fontes externas (especialmente do Sol) com o objetivo de manter a temperatura dos componentes do satélite dentro de suas respectivas faixas de operação. Com esta finalidade, foram desenvolvidos dois algoritmos em FORTRAN para a solução do sistema de equações não lineares que governam o acoplamento condutivo-radiativo presente em cada radiador. Estas equações foram discretizadas bidimensionalmente pelo Método dos Volumes Finitos e o sistema resultante foi resolvido com a aplicação do Tri-Diagonal Matrix Algorithm combinado com um processo iterativo. Os resultados numéricos obtidos demonstram que o radiador aletado possui maior capacidade de rejeição de calor em comparação com o radiador plano para as configurações dimensionais adotadas. As simulações realizadas também mostram que a degradação das propriedades termoópticas acentua o aumento das temperaturas no radiador. Por fim, são apresentados os perfis de temperaturas de ambos os radiadores estudados em condições críticas de operação.

Veículos aeroespaciais, voando a grandes velocidades, estão sob o efeito de elevadas cargas térmicas decorrentes da transformação da energia cinética do escoamento em energia térmica, causando um fenômeno conhecido como aquecimento aerodinâmico. O objetivo desta dissertação é, através de uma abordagem analítica do problema, estimar os níveis de fluxo de calor ao qual o Veículo Hipersônico Aeroespacial 14-X S estará sujeito durante o voo atmosférico. O Veículo Hipersônico Aeroespacial 14-X S faz parte de um projeto estratégico do Comando da Aeronáutica que consiste de um demonstrador da tecnologia de um estato-reator a combustão supersônica (scramjet) que está sendo desenvolvido na Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica dos principais projetos em scramjet desenvolvidos até o momento, além das principais teorias para cálculo de fluxo de calor de veículos em voo. As cargas térmicas são obtidas através de duas modelagens distintas para o ar atmosférico, sendo a primeira como um gás perfeito e a segunda como um gás em equilíbrio termodinâmico. Depois, através do desenvolvimento de sub-rotinas computacionais desenvolvidas em linguagem MATLAB, os fluxos de calor são calculados para as diversas regiões do veículo e em diversas condições de voo simuladas, baseadas na trajetória do Veículo de Sondagem VSB 30. Os resultados foram comparados aos obtidos de projetos similares e também a uma análise preliminar na área de CFD (Computational Fluid Dynamics) apresentando uma relevante concordância.

Este estudo apresenta uma solução numérica para o problema da transferência de calor conjugada em escoamento de ar quente através de bocal metálico de-Laval refrigerado por água, em regime permanente, usando um único domínio para representar as regiões de gás, sólido e líquido. O modelo matemático compreende as equações de continuidade, de quantidade de movimento (RANS), de energia, de turbulência (k- ?) e de tratamento próximo à parede (EWT- ?). Para solução do problema é empregado o método de volumes finitos, com algoritmo segregado baseado em pressão e discretização espacial de segunda ordem. Para o escoamento de ar, o fluido é tratado como ar dissociado, em equilíbrio termodinâmico, sendo aplicado o modelo de gás perfeito. Para o escoamento de água, que ocorre em altas pressões, baixas temperaturas e baixas velocidades, o fluido é tratado como líquido comprimido, também em equilíbrio termodinâmico. No processo de verificação de malha, três diferentes resoluções são testadas. Para validação do modelo, utilizam-se dados experimentais obtidos em túnel de vento de alta entalpia, além de resultados de simulação obtidos na literatura para o mesmo problema, demonstrando que as soluções apresentadas neste estudo têm excelente concordância em ambos os casos. A análise do comportamento de pressão, velocidade, temperatura e densidade nos escoamentos de água e ar, assim como de fluxo de calor e temperatura na parede interna do bocal, demonstrou que o uso de domínio único permite resolver o problema da transferência de calor conjugada de forma rápida e precisa.

Métodos passivos para aumentar a taxa de transferência de calor em trocadores de calor, tais como o uso de concavidades de figura arredondada, estampadas nas paredes dos tubos, em trocadores de calor chamadas de dimples, vêm sendo extensivamente usados. Com o seu uso, há um aumento da turbulência no escoamento do fluido interno aos tubos com consequente incremento da troca de calor, sem que adição de material ou qualquer modificação relevante do processo de fabricação do trocador venham a ser necessários. A maioria dos estudos disponíveis na literatura, referentes a este método foram conduzidos em tubos ou feixe de tubos com dimples circulares. Dimples de perfil retangular, aplicado em trocadores de calor compactos para uso veicular, ou radiadores, foram menos estudados, sendo que os radiadores automotivos são um dos grandes beneficiários do uso de tais dimples. Isto porque, normalmente, tem em suas aplicações sérias limitações de espaço para sua instalação, exigindo assim que tenham grande capacidade de transferência de calor. Neste trabalho, uma amostra de radiador com tubos de seções retangulares com vértices arredondados, também chamados de tubos de perfil plano, com dimples retangulares e uma amostra de radiador com tubos de mesmo perfil sem dimples, ou lisos, tiveram suas taxas de dissipação de calor obtidas através de experimentos realizados em bancada de teste denominada calorímetro. Esses resultados foram correlacionados com os preditos por métodos encontrados em literatura recente. Essas correlações se situaram entre 97% e 107% para o fluido interno aos tubos, para o número de Reynolds (ReDht) com valores compreendidos entre 2100 e 9200. Para o fluido externo (escoamento externo pelas aletas), a correlação entre os resultados teóricos e experimentais se situou entre 90% e 100%, com Reynolds (ReLp) compreendidos entre 196 e 953, validando deste modo, os resultados encontrados nos experimentos, cuja estimativa de incerteza de medição foi de 2.6% a 10.7% com nível de confiança de 95%. Foi encontrado então que o uso de tubos com dimples promoveu um incremento no fator de ganho de taxa de transferência de calor ?, entre 1,37 e 2,28 quando comparados aos tubos sem dimples, o que significa que a relação entre o coeficiente de transferência de calor adimensional de Colburn dos tubos com dimples e sem dimples, jid /jis, foi maior que a relação entre o fator de atrito do fluido interno nos tubos com dimples e sem dimples, fid/ fis no radiador com dimples, a uma dada condição de potência fixa de bombeamento do fluido interno e de potência ideal de ventilador. Houve, portanto, um ganho em rejeição de calor com o uso de dimples de perfil retangular em tubos de perfil plano em trocadores de calor compactos. Este trabalho apresenta o estudo experimental e teórico, comparação e validação de tais resultados.

Mecanismos de aprimoramentos passivos elevam a taxa transferência de calor em trocadores de calor por meio de modificações na superfície de troca térmica. Estas modificações geram turbulência no escoamento sem a necessidade de utilizar dispositivos que consomem energia externa. Este efeito limita o crescimento da camada limite térmica perto da superfície de transferência de calor. Neste trabalho a melhoria da superfície de troca térmica é exercida utilizando as aletas triangulares com venezianas. Este tipo de aleta promove incremento na troca térmica sem a necessidade de adição de material extra na sua fabricação ou qualquer modificação extrema no projeto do trocador de calor. Em virtude disso, o uso de aletas com venezianas em trocadores de calor utilizados no setor automotivo tem se mostrado eficiente para projetos onde há limitações de espaço e demanda por maior troca térmica. O trocador de calor compacto estudado é um intercooler utilizado para arrefecer o ar de admissão em veículos turboalimentados. Para efeito comparativo, foram então construídos dois modelos de intercoolers com dimensões geométricas idênticas, e com a mesma quantidade de tubo e aletas. Assim, um modelo foi fabricado com aleta triangular e o outro com aleta triangular com venezianas. A avaliação dos dois modelos de intercoolers, foram realizadas através de análise teórica e experimental. Os ensaios foram conduzidos em um banco de ensaio denominado calorímetro. Por meio dele os intercoolers com aletas triangulares e com aletas triangulares com venezianas tiveram suas taxas de dissipação de calor obtidas assim como as suas vazões e quedas de pressões em ambos os escoamentos. Os resultados experimentais foram comparados com os resultados obtidos por meio de correlações analíticas provenientes do método da Efetividade-NUT. As diferenças entre os resultados experimental e o teórico calculado pelo método ? - NUT variou entre 0,22% e 5,42% no escoamento interno e 0,06% e 9,92% no escoamento externo. Portanto, as comparações entre os resultados experimental e o calculado pelo método ? - NUT para ambos os modelos de intercooler apresentaram-se satisfatórios cuja a estimativa de incerteza de medição situou-se entre 1,43% e 4,06% para um nível de confiança de 95%. Os resultados obtidos foram apresentados em fator j de Colburn de modo a fornecer uma representação da transferência de calor em termos de parâmetro adimensional em função do número de Reynolds. Foi constatado que o fator j de Colburn na superfície com aleta triangular com venezianas é 2 vezes maior que o da superfície com aleta triangular. Contudo, o fator de atrito da superfície com aleta triangular com venezianas é 5 vezes maior que a superfície com a aleta triangular. Portanto houve um ganho na dissipação do calor com um aumento significativo no fator de atrito. Com o objetivo de avaliar a viabilidade da aleta com venezianas foram feitas análises simultâneas entre o fator j de Colburn e o fator de átrio de Fanning por meio do critério de avaliação de desempenho. Com tais ganhos obtidos e análises realizadas pode-se afirmar que a técnica desenvolvida por este trabalho de tese apresenta-se muito adequada para o desenvolvimento de trocadores de calor automotivos.

Dissipadores de calor baseados em microcanais são apresentados como solução para a remoção de fluxos de calor elevados em espaços restritos, pois proporcionam elevados coeficientes de transferência de calor quando comparados a canais convencionais. Tais trocadores também proporcionam elevadas razões entre a área superficial em contato com o refrigerante por unidade de volume do dissipador. Além dos microcanais, a utilização de nanofluidos também se apresenta como tecnologia com potencial de incremento do coeficiente de transferência de calor. Os nanofluidos consistem na adição de nanopartículas a um fluido base visando alterar suas propriedades de transporte termodinâmicas. Neste contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar o coeficiente de transferência de calor para escoamentos monofásicos e ebulição convectiva de nanofluidos aquosos no interior de microcanais. Para isto, foram realizados experimentos em canais com diâmetro de 1,1 mm e comprimento de 200 mm para água deionizada, nanofluidos de alumina com diâmetros de 20-30 e 40-80 nm, nanofluidos de dióxido de silício com diâmetros de 15 e 80 nm, e nanofluidos de cobre com diâmetro de 25 nm. Estas soluções foram ensaiadas para concentrações volumétricas de nanopartículas de 0,001, 0,01 e 0,1, velocidades mássicas de 200, 400 e 600 kg/m2s e fluxos de calor de 20 a 350 kW/m2. A análise dos resultados revelou que a adição de nanopartículas a água deionizada proporciona o incremento do número de Nusselt para escoamentos monofásicos, principalmente na região inicial do tubo. Concluiu-se que os efeitos da adição de nanopartículas a um fluido base no coeficiente de transferência de calor durante a ebulição convectiva estão relacionados ao recobrimento da superfície com uma camada porosa. A deposição de nanopartículas com diâmetro inferior a 30 nm resultou na redução do coeficiente de transferência de calor e das instabilidades térmicas do escoamento em relação a água deionizada. O coeficiente de transferência de calor e as instabilidades térmicas não apresentaram variações significativas da deposição de nanopartículas com diâmetro superior a 40 nm. Por meio da análise da textura das superfícies recobertas e do critério de nucleação proposto por Kandlikar et al. (1997) concluiu-se que tal comportamento encontra-se associado aos efeitos do acabamento superficial na densidade de cavidades de nucleação ativas. / Microchannels based heat exchangers were introduced as a solution to high heat flux removal in restrict spaces due to their high heat transfer coefficients compared to heat exchangers based on conventional channels. The high ratio of surface are per volume is an additional advantage to microchannels in relation to conventional channels. Beside the microchannels technology, the nanofluids also present itself as a technique with potential to increase the heat transfer coefficient. Nanofluids consist of a solution containing nanoparticles dispersed in a base fluid with the goal to improve its thermodynamic and transport properties. In this context, the objective of the present study is to evaluate the heat transfer coefficient for single-phase flow and convective boiling of aqueous nanofluids inside microchannels. Experiments were performed for channels with internal diameter of 1.1mm and 200 mm long for DI-water, nanofluids containing alumina- (nanoparticles diameters of 20-30 and 40-80 nm), silicon dioxide (nanoparticles diameters of 15 and 80 nm), and copper (nanoparticles diameter of 25 nm). These solutions were evaluated for volumetric concentrations of 0.001, 0.01 and 0.1%, mass velocities of 200, 400 and 600 kg/m2s and heat fluxes from 20 to 350 kW/m2. The analysis of the results revealed that the addition of nanoparticles to DI-water causes an increment in the Nusselt number for single phase flows, especially at the inlet of the tube. The results for flow boiling indicated that the effects of adding nanoparticles to the base fluid are related to the deposition on the heating surface of a nanoparticles porous layer due to the boiling process. The deposition of nanoparticles smaller than 30 nm promoted a reduction of the heat transfer coefficient compared to DI-water on a clean surface, and thermal instabilities were minimized. For the deposition of nanoparticles larger than 40 nm these parameters did not presented significant variations in comparison to DI-water. A combined analysis of the surfaces finishing and the criterion of Kandlikar et al. (1997) for bubble nucleation revealed that such behaviors are correlated to the effects of the surface texture associated to the boiling process on the density of active nucleation cavities.

O presente trabalho tem como objetivo comparar um modelo de formação de cavacos obtido pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) com resultados experimentais obtidos em processos de fresamento ortogonal. A comparação se concentra na distribuição de temperatura na peça. O trabalho desenvolve um modelo para a formação de cavacos com a distribuição de temperatura na região de corte usando o software ABAQUS. Inicialmente, o modelo desenvolvido utiliza o Método Explícito de solução para a formação de cavacos durante uma interação da aresta da fresa de topo com a peça. Para a simulação da operação completa de fresamento ortogonal de uma peça com a extensão de 80 mm e espessura de 5 mm em aço AISI 4340 endurecido, o método implícito é utilizado. O material da peça é modelado como isotrópico-elasto-plástico segundo a proposta de Johnson-Cook. A comparação é realizada com velocidades de corte de 80, 100 e 150 m/mim e avanço por dente de 0,17 mm/rev para que as influências da velocidade na temperatura possam ser avaliadas. A partir da comparação desses resultados, é possível analisar a eficiência do modelo desenvolvido pelo MEF para simulação de processos de Usinagem em Altas Velocidades de Corte (HSC - High Speed Cutting). / The goal of this study is to compare a model of chip formation obtained by the Finite Element Method (FEM) with experimental results in orthogonal milling process. The comparison focuses on the temperature distribution in the workpiece. The present work develops a model for chip formation with the temperature distribution in the cutting zone using the software ABAQUS. The model starts using the explicit method of solution for the chip formation during one interaction between the insert and the workpiece. To simulate a complete operation of orthogonal milling on a workpiece 80 mm long and 5 mm thick made of AISI 4340 hardened steel, it was used the implicit method. The workpiece material is modeled as an isotropic-elastic-plastic according to the Johnson-Cook proposal. The comparison is made using cutting speeds of 80, 100 and 150 m/min and feed rate of 0.17 mm/rev to check the in uences of cutting speed on the temperature. From the comparison of these results, it is possible to assess the eciency of the model developed by FEM simulation when machining using High Speed Cutting (HSC) conditions.