Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 00621.pdf: 16649575 bytes, checksum: 34a61ca5ff67945244a79765b98ddb45 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IEA/T / University of London

Orientadores: Milton Mori, Waldir Pedro Martignoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T22:56:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_DanieldeBrito_M.pdf: 5535932 bytes, checksum: 88e566e01cde62262c8caf66d26410e5 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Ciclones são equipamentos amplamente utilizados em indústrias como separadores gássólido. Apesar deste equipamento possuir princípios de funcionamento simples, estudos já demonstraram que o escoamento vorticial confinado inerente aos separadores ciclônicos é, na realidade, muito complexo. O recente avanço em métodos numéricos e poder computacional tornou possível o uso de ferramentas avançadas como a fluidodinâmica computacional (CFD), técnica que propõe a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através de métodos numéricos. Sua aplicação a ciclones não deixou sombra de dúvida da complexidade da fluidodinâmica envolvida, mas mesmo com dificuldades abriu caminho para muitos avanços na área. O presente estudo busca somar à vasta literatura ao discutir a variação de alguns parâmetros específicos para a simulação de ciclones. O primeiro parâmetro foi a condição de contorno de saída de sólidos. Foram estudadas algumas configurações que incluem a saída direta, com dip, leg com caixa coletora e parede. Estas variações provaram ser de enorme influência em toda a fluidodinâmica do sistema. Em seguida é feito um estudo da influência do modelo de turbulência nos campos de escoamento. São aplicados os modelos k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) e Large Eddy Simulation (LES). Os dois primeiros se mostraram inadequados, o SSG-RSM mostrou-se adequado e o LES promissor, porém limitado pela malha esparsa utilizada. Por fim, variou-se a abordagem de modelagem da fase sólida, primeiramente utilizando um modelo Euleriano-Euleriano (E-E) que levava em consideração apenas um diâmetro para a fase sólida e depois um modelo E-E3, com três fases sólidas de diâmetros diferentes sendo simuladas simultaneamente. Através destes modelos foram obtidas curvas de eficiência de coleta fracional e global. Ambos os modelos representaram bem os dados experimentais, mas o E-E3 mostrou superioridade, principalmente no que diz respeito ao tempo total de processamento e escalabilidade da simulação. As geometrias e malhas numéricas foram construídas no pacote ICEM CFD, e os casos resolvidos utilizando o software comercial ANSYS CFX, rodando em paralelo em um cluster de alta performance. Dados experimentais da literatura foram utilizados para validação. / Abstract: Cyclones are widely used in industries as gas-solid separators. Although this equipment features simple operational principles, studies have shown that the confined vorticial flow found in cyclonic separators is, in fact, very complex. Recent advances in numerical methods and computational power have made possible the use of advanced tools such as computational fluid dynamics (CFD), a technique that proposes the solution of the equations of conservation of mass, momentum and energy through numerical methods. Applied to cyclones, CFD has left no doubt on the complexity of the fluid dynamics involved, but much progress has been done in this area. The present study seeks to add to this vast literature with the discussion of the variation of a few specific parameters to cyclone simulation. The first chosen parameter was the boundary condition for the outlet of solids. A few configurations were studied, including a direct outlet, dipleg, dust hopper and wall. These variations proved to be of enormous influence to the fluid dynamics of the system. As a second study, four turbulence models were compared: k-epsilon, RNG k-epsilon, SSG-Reynolds Stress Model (SSG-RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The first two proved to be inadequate, SSG-RSM performed the best and LES showed promise, but it suffered the limitations of a coarse mesh. The last studied parameter was the modeling approach to the solids phase, first by utilizing an Eulerian-Eulerian (E-E) model that considered a single diameter for the solid phase and second an E-E3 model, with three solid phases of different diameters being simulated simultaneously. Through these methods the fractional and overall collection efficiency curves were obtained. Both approaches reproduced the experimental data well, but E-E3 was more accurate, also presenting a reduced overall computational time and better scalability. The geometries and numerical meshes were built using the code ICEM CFD, and the cases solved using commercial software ANSYS CFX, running in parallel mode in a high performance computing cluster. Experimental data available in the literature was used as validation. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Questões de aeração forçada ou natural estão intimamente ligadas à capacidade de autodepuração dos corpos hídricos, ou seja, oxidar substâncias agressivas para resultar em baixo teor de toxicidade. Uma das etapas do processamento de efluentes consiste na dissolução de oxigênio em água e, para realizar essa dissolução, utilizam-se aeradores que são unidades (tanques) onde o ar é borbulhado no meio líquido, o qual se desloca em um regime contínuo de escoamento. Esta pesquisa refere-se à obtenção experimental de valores de viscosidade turbulenta para inserção em modelagem fenomenológica da transferência de oxigênio das bolhas de ar para o meio líquido. Tais modelos, se bem realísticos, podem contribuir aos estudos de gestão de recursos hídricos ou em operações nos tratamentos de efluentes líquidos. O método experimental empregado foi a velocimetria por imagem de partículas, no qual foi possível obter velocidades instantâneas do fluido (água). Estas consideram o movimento turbulento, que é o principal responsável pelo transporte de oxigênio da superfície para o seio do corpo hídrico, sendo que essa superfície pode ser livre para o ambiente, ou a superfície de uma bolha. Praticamente, o método consiste em correlacionar posições de partículas traçadoras em suspensão no fluido, as quais são assumidas ter a mesma velocidade do fluido. As posições consecutivas para fornecer a trajetória e a velocidade foram obtidas por imagens capturadas em uma freqüência definida através de uma câmera digital, onde a luz do laser contrastou as partículas em uma área desejada com uma precisão elevada. Então, nessa área (um plano), foi possível correlacionar um perfil de velocidades. Assim, os valores de viscosidade turbulenta foram obtidos para serem usados em modelagem da transferência de oxigênio, os quais poderão contribuir nos estudos de aeração em corpos hídricos. / Problems involving natural or forced aeration are intimately bind to the reaeration of water bodies. Pollutants are oxidized to yield low toxicity conditions. One of the steps of wastewater treatment consists in dissolving oxygen in water. To perform this, aeration tanks are used where bubbling air crosses the continuous liquid flow. This research focuses on the experimental determination of turbulent viscosity values to be used in modeling of oxygen transfer from air bubbles to the bulk liquid. Such models, if realistic enough, may contribute to water resources management studies or in wastewater treatment operations. Particle image velocimetry method was used, by means of which it became possible to obtain instantaneous velocities of the fluid (water). These velocities embody the turbulent flow, which is the main responsible for oxygen transport from the surface to the bulk liquid. This surface may be either facing the atmosphere or the interior of a bubble. In practice, the method consists in correlating tracking particles suspended in the liquid, which are supposed to have the same velocity of the fluid. The successive positions that give path and speed were obtained by images took in predefined intervals by a digital camera. The laser light illuminated the particles in a predefined area with high precision, making possible to determine velocity profiles. Turbulent viscosity values were so determined and may be used in the modeling of oxygen transfer, which may contribute to water body aeration studies.

O presente trabalho versa sobre a modelagem de uma chama turbulenta difusiva usando a técnica de simulação de grandes estruturas turbulentas (LES), juntamente com o modelo termo-químico de folha de chama (flame sheet model) e o conceito de fração de mistura como escalar conservativo. Este trabalho também é pioneiro de utilização de LES com reação química no Brasil, podendo colaborar para o desenvolvimento desta técnica na área de combustão. O trabalho consiste na construção e validação das rotinas computacionais de um código CFD, baseado em LES e com flexibilidade para uma futura utilização de cinética química detalhada de combustão (EDC/ISAT), para casos complexos onde modelos mais simples, como a fração de mistura, são falhos. O programa será validado em uma chama de difusão turbulenta não-confinada de metano (CH4), para a qual existem dados experimentais na literatura [61,62] e utilizados pela comunidade acadêmica em excelência (Stanford, TU-Darmstadt, Imperial College, Cornell University etc). As características da implementação numérica do código permitirão sua expansão futura para outras aplicações em: queima de combustíveis líquidos, combustão em câmaras fechadas e fornalhas com a inclusão de modelo de radiação. / The present work is about modeling a diffusive turbulent flame using the Large-Eddy Simulation approach (LES) and the Flame Sheet model as the chemical model with the mixture fraction concept as the conservative scalar. This work is pioneer in the sense of using LES and reactive flow in Brazil, making possible the development for LES techniques in the combustion area. The work is intended to construct and validate a CFD code based on LES and with future flexibility for a more detailed combustion chemical model (EDC/ISAT) for complex flows, where simple models are failed, like the mixture fraction. The program will be validated for a turbulent diffusion methane (CH4) flame not confined, which there are some experimental data on the specialized literature [61,62], and commonly used by the academic community (Stanford, TU-Darmstadt, Imperial College, Cornell University etc). The features of the numerical code implementation will make possible future expansion of its use in other applications: liquid fuel burning, combustion chambers and ovens with the radiation model inclusion.

Em mecânica dos fluidos, especificamente em processos turbulentos, o problema de fechamento representa um dos maiores desafios para qualquer pessoa interessada nesta área. Durante décadas, cientistas vêm usando abordagens estatísticas com o objetivo de \"fechar\" o problema ou, pelo menos, diminuir as dificuldades inerentes. Assim, o presente trabalho apresenta uma criteriosa análise com base em ferramentas estatísticas em que ondas quadradas aleatórias, aliadas a um número fixo de parâmetros, foram utilizadas para criar equações paramétricas para representar um fluxo turbulento unidimensional com uma abordagem a priori, diferenciando de outras abordagens aplicadas amplamente na área, que utilizam uma abordagem a posteriori. Em seguida, simulações foram realizadas, a fim de avaliar o comportamento do modelo. Nas simulações pôde-se reproduzir o comportamento observado na literatura e estipular a abrangência do método. Além disso, uma importante discussão acerca das condições de contorno foi desenvolvida. / In fluid mechanics, specifically in turbulent processes, the closure problem represents one of the biggest challenges for anyone interested in this area. For decades, scientists have been using statistical approaches aiming to close the problem or, at least, decrease the inherent difficulties. So, the present project presents a judicious analyze based on statistical tools in which random square waves, allied with a fixed numbers of parameters, were used to create parametric equations to represent a turbulent flow with an a priori approach, differentiating from other approaches broadly applied in the area, which use an a posteriori approach. Then simulations were done, in order to evaluate the behavior of the model. In the simulations, the behavior of some data from the literature could be followed and the scope of the method was stipulated. Besides this, an important discussion about boundary conditions was developed.

Orientador: Isaias Vizotto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-24T02:40:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_AntonioMario_D.pdf: 9010854 bytes, checksum: 0b548385f37faa810cae541ae265ec42 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho realiza uma análise numérica e experimental do comportamento de estruturas em cascas de formas livres sob a ação do vento. Inicialmente foram gerados modelos computacionais de formas otimizadas, sendo uma casca de planta pentagonal e outra hexagonal. Na sequência foram construídos modelos físicos reduzidos em laboratório e submetidos a uma série de ensaios em túnel de vento. E, finalmente foram realizadas simulações numéricas dessas estruturas submetidas à ação do vento utilizando o programa computacional ANSYS-CFX do Laboratório de Informática da FEC-UNICAMP. Os modelos físicos reduzidos analisados foram gerados utilizando o software ANSYS e o programa computacional desenvolvido por Vizotto (1993), e construídos no Laboratório de Automação e Prototipagem para Arquitetura e Construção (LaPAC) da FEC-UNICAMP, utilizando inicialmente isopor de alta densidade, que foi posteriormente empregado para execução de fôrmas de concreto armado para moldar os modelos finais em material composto por fibra de vidro e resina, para serem ensaiados no túnel de vento do Laboratório de Conforto Ambiental e Física Aplicada (LaCAF) da FEC-UNICAMP. Os testes no túnel de vento do LaCAF foram realizados em dezesseis fases, sendo compostas por análises para obtenção dos coeficientes de pressão externa e interna, com ventos em regime laminar e turbulento, a 0º e 36º para a casca com forma de planta pentagonal, e a 0º e 30º para a casca com forma de planta hexagonal. Para análises por meio de simulação fluidodinâmica computacional pelo ANSYS-CFX, foi realizada inicialmente uma análise comparativa para os resultados dos coeficientes de pressões externas de um modelo de cúpula sobre o terreno da NBR 6123:1988. O software ANSYS-CFX demonstrou ótima eficiência na configuração realizada, apresentando resultados muito próximos aos da norma brasileira, e essa configuração também foi utilizada na validação física entre os ensaios no túnel de vento e as simulações pelo ANSYS-CFX. É sugerida a utilização dos dados finais na elaboração de normas específicas e uma configuração adequada e segura dentro das características consideradas para a utilização do software ANSYS-CFX como ferramenta para obtenção de coeficientes de pressões / Abstract: This work performs a numerical and experimental analysis of behavior of structures in free form shells about wind action. At first, computational models were generated in optimized forms, being one shell of pentagonal shape and another one hexagonal. After this, reduced physical models were built in laboratory and subjected to several tests in the tunnel of wind. Finally, numerical analyzes of these structures subjected to wind action were achieved using ANSYS computational program from FEC-UNICAMP computer laboratory. Two reduced physical models were analyzed, using the software ANSYS and the computational program that was developed by VIZOTTO I. (1993), and built at the Laboratory of Automation and Prototyping for Architecture and Construction site (LaPAC) from FECUNICAMP. The techniques: one hexagonal and another pentagonal, both made, at first, with Styrofoam in large dense, that was applied to execution of forms of concrete to be sculptured and finalized as a material composed of glass fiber and resin for future test in the wind tunnel at (LaCAF) from FEC-UNICAMP Environmental Comfort and Applied Physics Laboratory. The tests at the wind tunnel from LaCAF were made into sixteen phases, composed by analysis to obtain the coefficients of outside and inside pressure with wind in turbulent and laminar state, at 0º and 30º for hexagonal shape and turbulent and laminar, at 0º and 36º for pentagonal shape. To analyze by simulation computational fluid dynamics by ANSYS-CFX, at first were achieved a comparative analysis to the results of coefficients of outside pressure from a model of dome on the land from NBR 6123:1980. The software ANSYS-CFX showed an excellent efficiency on the made configuration, showing results very closed to the Brazilian rule, and this configuration also was used in the physical validation between the tests at wind tunnel and the simulations by ANSYS-CFX. It is suggested the usage of final data on specific standard preparation and safe configuration for ANSYS software application as a tool to achieve pressure coefficients / Doutorado / Estruturas / Doutor em Engenharia Civil

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akra D'Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T08:49:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mori_ErickDjin_M.pdf: 2359279 bytes, checksum: ee684b815a4962d2a25990de40b76d0a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Escoamentos gás-líquido-sólido em colunas de bolhas ainda são pouco compreendidos pela comunidade científica. Conhecer melhor a hidrodinâmica em uma coluna de bolhas é condição primordial para o sucesso em seu dimensionamento. Se a natureza do escoamento multifásico por si só é complexa, a tarefa de estudá-lo se torna ainda mais desafiadora, tendo em vista que são poucos os trabalhos consistentes publicados na literatura que abordam a temática. No presente estudo, utiliza-se a técnica da fluidodinâmica computacional (CFD), para conduzir simulações tridimensionais e transientes, a fim de se descrever a hidrodinâmica de um sistema gás-líquido-sólido em uma coluna de bolhas com quantidade intermediária de sólidos. O problema é tratado por meio de uma abordagem Euleriana e a interação interfásica é descrita exclusivamente pelo arraste entre as fases gás-líquido e sólido-líquido. Os resultados numéricos obtidos são confrontados com resultados experimentais da literatura e comprovam a capacidade da ferramenta computacional em descrever o sistema em questão. A análise dos modelos de arraste para a interação sólido-líquido mostrou a relevância da escolha da lei de arraste para descrever corretamente a circulação de sólidos no leito. Para a interação gás-líquido sob as condições analisadas, os modelos que consideram distorções da fase gasosa mostraram melhor desempenho, frente os modelos que consideram apenas bolhas esféricas. A turbulência no meio contínuo foi descrita por modelos de duas equações, os modelos kepsilon e RNG k-epsilon. O último mostrou melhor desempenho em descrever o padrão de escoamento, possivelmente por ter sido concebido para escoamentos vorticiais / Abstract: Gas-liquid-solid flows inside bubble columns are not fully comprehended by scientific community yet. A better knowledge regarding the hidrodynamics of a bubble column is the first step towards reaching its sizing successfully. If the multiphase flow nature by itself presents great complexity, the task of studying it becomes even more challenging, since few are the consistent published work in the literature treating this subject. In the present study, the computational fluid dynamics (CFD) was used to capture the hidrodynamics of a gas-liquid-solid flow inside a bubble column with intermediate solid concentration. The Eulerian approach was used as frame of reference and for the interphase forces only the drag between gas-liquid and solid-liquid phases were considered. The numerical results were compared to experimental data of the literature, showing the ability of CFD in describing the multiphase flow. Furthermore, analysis of drag models for the solid-liquid interaction indicates that the drag law plays an important role in describing the solid circulating in the system. For the gas-liquid interaction under the analyzed conditions, it has been found that the drag laws considering the bubble distortion showed better agreement with experimental data in comparison to the ones that considered bubbles as rigid spheres. The turbulence in the continuous phase was described by a two equation model. Comparison between standard k-epsilon and RNG k-epsilon revealed that in this case, the latter represented better the flow pattern, since it was developed for swirling flows / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociência / Made available in DSpace on 2018-08-21T19:58:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paes_DiogoMelo_M.pdf: 2739943 bytes, checksum: 4213b100e22039aa35e9bbceb5f52418 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Durante a produção de petróleo, partículas de asfalteno podem ser precipitadas da fase líquida devido a variações de pressão, temperatura e composição ao longo da trajetória do fluido do reservatório até a superfície. Uma vez precipitadas, essas partículas podem se depositar na parede de colunas de produção, reduzindo a área aberta ao escoamento e, consequentemente, a vazão. Apesar da importância do tema, a literatura sobre a deposição de asfaltenos em poços (incluindo modelos teóricos e dados experimentais) é escassa. Para superar as dificuldades inerentes a pouca literatura existente sobre o assunto, possibilitando um melhor entendimento desse complexo problema de transferência de massa, uma consistente metodologia foi proposta nesta dissertação. Essa metodologia envolveu uma revisão de literatura sobre conceitos fundamentais de transferência de quantidade de movimento e sobre a teoria da deposição de partículas, situando a deposição de asfaltenos em um contexto mais amplo, da deposição de partículas durante escoamentos turbulentos. Seis modelos de deposição (Lin et al. 1953; Friedlander e Johnstone 1957; Beal 1970; El-Shobokshy e Ismail 1980; Papavergos e Hedley 1984; Escobedo e Mansoori 1995) são estudados e validados com quatro conjuntos de dados experimentais de deposição de aerossol (Friedlander 1954; Wells e Chamberlain 1967; Liu e Agarwal 1974; Agarwal 1975). Com base nos resultados desse estudo, o modelo de Beal (1970) foi selecionado como sendo o mais adequado para prever a deposição de partículas, sendo considerado adequado também para prever a deposição de asfaltenos (limitando-se sua aplicação a intervalos similares de número de Reynolds, número de Schmidt e tempos de relaxação adimensionais em relação àqueles cobertos no estudo de validação). Por fim, esse modelo foi aplicado em uma análise de sensibilidade para se avaliar os parâmetros e mecanismos de transporte mais importantes para a deposição de asfaltenos em poços / Abstract: During petroleum production, asphaltene particles can precipitate from the crude oil due to pressure, temperature, and composition changes along the fluid path from the reservoir to the surface. Once precipitated, those particles can deposit in the inner surface of production tubings, restricting the available flow area and reducing flow rates. Despite the importance of the theme, the literature about asphaltene deposition in wellbores (including theoretical models and experimental data) is scarce. To overcome the difficulties inherent to that shortage of literature and enable a better understanding of that complex mass transfer problem, a consistent methodology is proposed in this work. That methodology involved a comprehensive review of fundamental concepts of the mass transfer and particle deposition theories, placing the asphaltene deposition within a more general context, of particle deposition during turbulent flow. Six published particle deposition models (Lin et al. 1953; Friedlander and Johnstone 1957; Beal 1970; El-Shobokshy and Ismail 1980; Papavergos and Hedley 1984; Escobedo and Mansoori 1995) are studied and validated with four published aerosol experimental data sets (Friedlander 1954; Wells and Chamberlain 1967; Liu and Agarwal 1974; Agarwal 1975). Based on the results of the study, Beal's (1970) model was selected as the most suitable to predict particle deposition and was considered adequate also to predict asphaltene deposition (limiting its application to similar ranges of Reynolds numbers, Schmidt numbers and dimensionless relaxation times in relation to those covered in the validation study). Finally, that model was applied in a sensitivity analysis to evaluate the most important parameters and transport mechanisms governing asphaltene deposition in wellbores / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

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[pt] Determinou-se experimentalmente o coeficiente local de troca de calor, para o escoamento turbulento interno, em tubos de seção transversal elíptica. As condições de contorno impostas foram, temperatura constante na parede e entrada abrupta, com canto vivo, em uma placa plana. Foram obtidos resultados na região de entrada e na região desenvolvida, cobrindo a faixa de número de Reynolds de 7 000 a 60 000. Foram investigadas as razões de aspecto 0,12, 0,25 e 0,5 e os resultados, comparados com os encontrados na literatura para placa plana e tubo circular. Uma diferença máxima de 16 por cento, foi encontrada em relação aos resultados para tubo circular. Portanto, a utilização de tubos elípticos em trocadores de calor é, em geral, vantajosa do ponto de vista térmico. / [en] Experiments were performed to determine local heat transfer coefficients for the turbulent flow in a duct with elliptical cross section. The boundary conditions imposed were isothermal wall and abrupt-contraction at the entrance built into a large wall. Both entrance-region and fully-developed results were obtained, whereas the Reynolds number was varied in the overall range 7,000-60,000. The aspect ratios 0.12, 0.25 and 0.5 were investigated and the results compared with the ones for parallel planes and for circular tubes, found in the open literature. The measured heat transfer coefficients displayed a maximum deviation of 16 percent relative to the results for the circular tube. Therefore, using elliptical ducts in heat exchangers is in general advisable as far as heat transfer is concerned.