[pt] Uma das características das alternativas consideradas para o desenvolvimento de reatores nucleares com características avançadas de segurança consiste na utilização de resfriamento do vaso de contenção com um fluxo de água vindo de seu topo. Este sistema forma um escoamento de um filme líquido evaporando sobre uma superfície metálica aquecida com ar escoando em contra-corrente. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo analítico e numérico da transferência de calor e massa que ocorre na interface entre o filme líquido e a mistura ar-vapor, neste tipo de escoamento e também em escoamentos co-correntes. Devido à ausência de dados experimentais, o modelo é validado através de comparações com resultados analíticos disponíveis na literatura para situações próximas aos casos de interesse. A influência de diversos parâmetros geométricos e operacionais é analisada e são fornecidos resultados para os números de Nusselt e de Sherwood observados na interface do escoamento das fases. / [en] The design of so called Advanced Nuclear reactors includes many features of passive safety, one of them being a water flow system for cooling the containment vessel. This system generates a counter-current flow pattern with a downward liquid film evaporating over the heated vessel surface and na upward stream of air. This work presents an analytical and numerical model for analysis of heat and mass transfer occuring in the interface formed by water film surfece anda ir-vapor mixture in counter-curent and parallel flows. Due to the lack of experimental data, the model is validated throught comparisons with analytical results found in the flow analysed and the results for Nusselt and Sherwood numbers are presented.

[pt] O objetivo deste trabalho é analisar as transferências de momentum, calor e massa num canal bidimensional inclinado, onde escoam um filme líquido descendente e uma corrente turbulenta de ar de sentido oposto, ou de mesmo sentido oposto, ou de mesmo sentido. O filme líquido, suposto laminar, consiste numa solução fraca, ou degenerada, de trietileno glicol em água. A placa inferior do canal é mantida aquecida numa temperatura uniforme, de modo a facilitar a remoção de água do líquido para a fase gasosa. A corrente de ar deve ser turbulenta, para garantir taxas convenientes da massa de água transferida. Considera-se, não obstante, a possibilidade do ar também escoar liminarmente. A placa superior do canal, ou cobertura é adiabática e ambas as placas são impermeáveis à transferência de água. A parte hidrodinamica do problema é resolvida separadamente. Atribui-se maior importância à determinação dos perfis de temperatura e concentração de águas nas duas fases. Pretende-se que a aparelhagem acima descrita opere como um regenerador da substância líquida higroscópica, tendo este sido previamente usado num secador de ar, em aplicação de fim industrial ou agrícola. A tarefa proposta pelo problema é a simulação das condições operativas do trocador de massa. Como resultado desta simulação, tenciona-se predizer os valores dos coeficientes de transferências de calor e massa, variando amplamente as taxas de escoamento, tanto da fase gasosa, quanto da líquida. Na verdade, diversos pesquisadores têm revelado, nos últimos anos, um grande interesse no estudo de regeneradores do tipo aqui analisado. Toda vez que se tem disponibilidade de energia a temperaturas moderadas e baixo custo, como energia solar ou calor de rejeito industrial, parece indicado regenerar desta forma o desumidificante líquido nas instalações de condicionamento de ar por resfriamento evaporativo. Estabelecidas as equações diferenciais parciais do problema e as condições de contorno pertinentes, elas são resolvidas através de algoritmos obtidos por diferenças finitas, dentro do enfoque de volumes de controle. O procedimento numérico é interativo, usando-se o computador digital na obtenção da solução. Verifica-se que os resultados se mantêm dentro da analogia entre transferência de calor e massa, conforme era esperado. A partir dos resultados, podem-se estabelecer algumas correlações para os principais parâmetros do problema. Propõe-se, por fim, uma metodologia para o projeto do equipamento. Para isto, não é necessário fazer uso direto do método numérico, pois existem algumas poucas equações analíticas, simples, que podem ser facilmente manipuladas num microcomputador ou, até mesmo, numa calculadora eletrônica. Estas equações são deduzidas a partir da aplicação da teoria de penetração ao problema. As correlações dos resultados numéricos são, entretanto, essenciais ao bom emprego da teoria penetração. / [en] The combined momentum, heat and mass transfer is analysed in a two domensional inclined channnel for a countercurrent, or co-current turbulent air strem flowing past a liquid falling film. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or co-current tubulent air stream flowing past a liquid falling film. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or degenerate, solution of triethylene glycol and water. The film flow, supposed to be laminar, consists of a weak, or degenerate, solution of triethylene glycol and water. The lower plate of the channel is maintained at a constant, relatively high from the liquid to the gas phase. The stream of air is usually turbulent, thus assuring convenient rates of tranferred mass of water. Nevertheless, the possibility of laminar flow in the gas is not avoided. The second plate of the channel is considered as adiabatic and both plates are impervious to water. The hydrodynamic part of the problem is solved separately, and the determination of temperature and concentration of water profiles in the two phases is of major importance. The apparatus above described is intended to be a regenerator of the hygroscopic liquid, previously used in an air dryer, for industrial or agricultural purposes. The tash suggested by the problem is then to simulate the conditions, under which this mass exchanger will operate. Following the simulation, heat and mass transfer coefficientes can be predicted for a large range of flow rates of both gas an liquid phases. In fact, in recent years several investigators have manifested an increasing interest in developing studies of such equipment. In situations where a source of energy at low temperature is freely available, and this is the case of solar energy or industrial rejects, the employment of liquid dehumidifier regenerators is particularly attractive for evaporative cooling air conditioning systems. The partial differential equations of the problem, accompanied by suitable boundary conditions, are solved by a finite difference scheme, based on the volume of control approach. There are iterative procedures involved and solutions is reached in a mainframe computer. The results seem to be in accordance with the expected analoggy between heat and mass transfer. Some correlations are presented for the principal parameters of the problem. Lastly, a methodology is proposed for the design of the equipment. In spite of the complexity of the problem, it is possible to provide the user with a few simple analytic equations, which can be solved in any micro-computer or even in a pocket calculation. Theses equations arise from the employment of the penetration theorym briefly discussed and compared with numerical results. Indubitably, the use of this theory must be in compliance with the previously obtained numerical correlations.

Este trabalho analisa os efeitos da transferência de calor por radiação térmica em uma chama laminar resultante da combustão de metano com ar. No processo, são resolvidas as equações da continuidade, da quantidade de movimento, da conservação das espécies químicas e da energia. Ainda é utilizado um modelo de formação de fuligem a duas equações e o modelo de combustão de Arrhenius considerando um mecanismo com 112 reações químicas. Para avaliar os efeitos da radiação térmica, o divergente do fluxo radiante é calculado considerando quatro modelos diferentes para os gases: o modelo do gás cinza, a soma ponderada de gases cinzas, e os métodos SLW e CW. Nessa modelagem, é considerado um meio participante composto por monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor d’água e fuligem. No modelo do gás cinza e da soma ponderada de gases cinzas, o coeficiente de absorção da mistura é obtido por correlações que consideram a temperatura local e a concentração do meio. Nos modelos SLW e CW, o coeficiente de absorção é calculado baseado no banco de dados HITEMP. Assim, primeiramente os resultados do divergente do fluxo radiante são confrontados com os diferentes modelos considerando campos pré-estabelecidos de temperatura e concentrações da mistura de gases com a presença de fuligem e, em seguida, é feita uma análise da influência da radiação considerando uma chama difusa oriunda do processo de combustão de metano com ar. Apesar de o meio analisado ser opticamente fino, situação em que os efeitos da absorção são muito baixos, os resultados encontrados para o divergente do fluxo radiante com os modelos de radiação usados na pesquisa mostraram uma diferença média de aproximadamente 20% entre os modelos, chegando a uma diferença máxima local de mais de 50% quando foi considerado o modelo WSGG. Por outro lado, nas situações em que é considerado todo o processo de combustão, a diferença maior ocorre na comparação de casos em que a radiação térmica é negligenciada com os casos em que a radiação é considerada. Os efeitos causados entre os diferentes modelos de radiação no campo de temperaturas e concentrações dos gases foram pequenos. Assim, é observado que, mesmo em meios opticamente finos, a modelagem da radiação térmica é necessária, pois causa diferenças significativas nos resultados e que nesse tipo de meio não é necessário o uso de modelos mais sofisticados de radiação, pois os efeitos da absorção dos gases é muito pequeno. / This work analyses the effects of thermal radiation heat transfer on methane-air laminar diffusion flames. The analysis is based on the solution of the equations of continuity, fluid motion, species mass-fraction and enthalpy. The soot formation is accounted with a twoequation model while a chemistry mecanism with 112 reactions is used for the combustion of methane. To evaluate the effects of thermal radiation, the divergence of the radiative heat flux is calculated based on four different gas models: the gray gas, the weighted sum of gray gases, the SLW and the CW model. In the modeling, it is considered a participating media composed of carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and soot. Both in the gray gas model and in the weighted sum of gray gases model, the absorption coefficient of the mixture is obtained by correlations that depend on the local temperature and concentration of the medium. On the other hand, in the SLW and CW models, the absorption coefficient is calculated based on the HITEMP spectral database. Thus, the results of the divergence of the radiative heat flux are compared with the different gas models based on a temperature and concentration fields previously obtained, and then, the four gas models used are considered in the entire combustion process to verify the influence of the radiation heat transfer. The results obtained for the divergence of the radiative heat flux considering the four different radiation models used showed an avereged difference of 20%, with a maximum local difference of more than 50%, when the WSGG model was considered. On the other hand, in situations where the whole combustion process is considered, the major difference occurs when is compared the results obtained with a radiation model and the ones where it is neglected. The effects observed with the different radiation models in the temperature field and the gas concentrations were small. Thus is observed that, even in optically thin media, the thermal radiation gas modeling is necessary, and in this particular kind of media, the use of sofisticated gas models are not necessary, because the absorption effect fo the gases are small when compared with their emission.

O objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento e aplicação de um software de simulação para o processo de lingotamento contínuo que seja capaz de simular com precisão e confiabilidade a solidificação de tarugos de aço, possibilitando a otimização do processo de fabricação dos produtos siderúrgicos. Para a validação do software, utilizou-se de resultados obtidos experimentalmente de medições de temperaturas em planta e de amostras de aços lingotados. As medidas de temperatura foram realizadas com a inserção de termopares ao longo da parede de moldes e com uso de pirômetro óptico posicionado em diferentes regiões da máquina de LC. O modelo desenvolvido mostrou-se bastante coerente e preciso quando seus resultados foram comparados com os dados experimentais do processo. Foram analisados lingotes de seção quadrada de 240 mm, 180 mm e 150 mm. Com a simulação de uma seqüência de corridas monitoradas foi possível obter resultados para ajuste de parâmetros térmicos como os coeficientes de transferência de calor nas interfaces metal/molde e metal/ambiente. Posteriormente, aferições foram realizadas com dados reais de processo e com outros programas numéricos da literatura aplicados ao processo de LC. Com o programa de simulação devidamente aferido, correlações numéricas e experimentais foram realizadas para verificar a influência de parâmetros térmicos (ρ, c, k, TL, TS), parâmetros de processo (TV, VL, CQ) e parâmetros estruturais (λ1, λ2, TCE) na evolução da casca solidificada e perfil térmico dos tarugos. Dessa forma, equações empíricas que correlacionam esses parâmetros foram analisadas e posteriormente adotadas no programa numérico. / The development and application of simulation software for the continuous casting process is proposed in this work. The heat transfer and solidification models were validated with experimental results of temperature measurements in an industrial plant as well as with steel billets samples. Thermocouples embedded in the mold walls were used to measure temperatures along the mold length and non-contact pyrometers positioned at different locations along the machine were used to monitored the strand surface temperatures. The model seemed to predict quite accurately the continuous casting simulation when calculated results were compared with experimental measurements. In this study, steel billet with square section of 240 mm, 180 mm and 150 mm were analyzed. Some of the monitored heats were used to adjust thermal parameters as the heat transfer coefficients. After, the model results were compared with results from a heat transfer model of literature. With the simulation software properly calibrated, numerical and experimental correlations were performed to analyze the influence of thermal parameters (ρ, c, k, TL, TS), process parameters (TV, VL, CQ) and structural parameters (λ1, λ2, TCE) in the evolution of solidified shell and thermal profile of the billets. Therefore, empirical equations that correlate these parameters were analyzed and subsequently adopted in the numerical model.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre escoamentos turbulentos combinando os mecanismos de transferência de calor por convecção e radiação térmica em meios participantes. Os principais propósitos são obter um melhor entendimento a respeito da relevância das interações Turbulência-Radiação (TRI) em escoamentos turbulentos não reativos, bem como, investigar o efeito da radiação térmica sobre o comportamento transiente, médio e estatístico dos campos térmicos. Para investigar a relevância das interações TRI em escoamentos turbulentos internos, realiza-se uma comparação entre os fluxos temporais médios por convecção e radiação térmica obtidos através da simulação de grandes escalas (LES) e da modelagem clássica da turbulência (RANS) para escoamentos no regime permanente com as seguintes espessuras ópticas: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 e 100.0, que representam desde meios opticamente muito finos até meios muito espessos. Para todos os casos, o número de Reynolds baseado na velocidade de fricção e o número de Prandtl são mantidos fixos: Reτ = 180 e Pr = 0.71. A abordagem da turbulência é realizada a partir dos modelos submalha dinâmico de Smagorinsky (DSSGS) e k – ε padrão no âmbito de LES e RANS, enquanto nenhum modelo de turbulência é utilizado para a equação da transferência radiante (RTE). Com o intuito de contornar as dificuldades relacionadas com a dependência espectral da radiação térmica, todos os meios participantes são tratados como gás cinza. Para a solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia emprega-se um código comercial (FLUENT®) baseado no método de volumes finitos (FVM). A equação da transferência radiante é resolvida pelo método de ordenadas discretas (DOM). A relevância das interações TRI também é investigada em um escoamento não reativo em cavidade cilíndrica com ReD = 22000, Pr = 0.71 e τ0 = 0.10. Além destes casos, é simulado um escoamento transiente em cavidade retangular com ReH = 10000, Pr = 0.71 e τ0 = 10 para avaliar o efeito da radiação térmica sobre o campo térmico transiente. Os resultados mostram que as interações TRI podem ser desprezadas para escoamentos não reativos para meios com espessura óptica menor ou igual a τ0 = 1.0, concordando com resultados da literatura. No entanto, para meios mais espessos as interações TRI passam a ser relevantes, ao contrário do que tem sido afirmado na literatura. / The present work presents a numerical study about turbulent flows with combined convection and thermal radiation heat transfer in participating media. The main purposes of this study are to obtain a better understanding of the relevance of Turbulence-Radiation Interactions (TRI) for non-reactive turbulent flows, as well as, the investigation of the effect of thermal radiation over the time-averaged and statistics of the thermal field for these flows. To investigate the relevance of TRI for turbulent internal flows, it is performed a comparison between the timeaveraged convective and radiative surface fluxes obtained by means of Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) for steady state flows for the following optical thickness: τ0 = 0.01, 0.10, 1.0, 10.0 and 100.0, which represents from very thin to optical very thick media. For all cases, the Reynolds number based on the velocity friction and the Prandtl number are kept fixed: Reτ = 180 and Pr = 0.71. The turbulence is tackled with the dynamic Smagorinsky subgrid-scale (DSSGS) and the standard k – ε models within the LES and RANS framework, respectively, whilst no turbulence model is used for the radiative transfer equation (RTE). For the minimization of the difficulties concerned with the spectral dependence of thermal radiation, the participating media are treated as grey gas. For the numerical solution of the conservation equations of mass, momentum and energy it is employed a commercial CFD package (FLUENT®) based on the finite volume method (FVM). The radiative transfer equation (RTE) is solved by means of the discrete ordinates method (DOM). The TRI relevance is also investigated for the simulation of a non-reactive flow in a cylindrical cavity for the following dimensionless parameters: ReD = 22000, Pr = 0.71 and τ0 = 0.10. Besides the above mentioned cases, it is simulated a transient turbulent rectangular cavity flow at ReH = 10000, Pr = 0.71 and τ0 = 10 in order to evaluate the effect of thermal radiation over the transient thermal field. The results show that TRI can be neglected for non-reactive channel flows with optical thickness lower or equal than τ0 = 1.0, which is agreement with the previous findings of literature. However, as the optical thickness increases, the TRI becomes relevant, which is in disagreement with previous statements from literature.

Este trabalho apresenta a metodologia empregada para desenvolvimento e utilização de um equipamento para medir valores de emissividade hemisférica. O referido equipamento permite efetuar simultaneamente medidas de emissividade através do método calorimétrico e do método radiométrico. O calorímetro mede o fluxo de calor entre duas superfícies paralelas e horizontais, onde a superfície superior é aquecida por uma fonte de corrente elétrica de alta estabilidade. As temperaturas das duas superfícies são determinadas quando o sistema atinge o equilíbrio térmico. A superfície aquecida é protegida por uma guarda térmica fazendo com que toda a potência elétrica seja dissipada à superfície inferior, que por sua vez é refrigerada com um sistema que utiliza pastilhas Peltier. O fluxo de calor é medido e seu valor é utilizado em uma equação onde as emissividades de ambas as superfícies são participantes. O radiômetro utiliza sensores detectores térmicos que convertem em sinal elétrico o efeito de aquecimento decorrente da incidência deste fluxo de calor radiante entre as duas superfícies. A partir de experimentos com superfícies de emissividades conhecidas, parâmetros fixos do equipamento foram determinados estando o mesmo apto a medir superfícies com valores de emissividade desconhecidos. O trabalho analisa também os erros experimentais intrínsecos do instrumento. / This work presents the methodology used for development and use of an equipment to measure values of hemispherical emissivity. The equipment allows to make emissivity measurements simultaneously through the calorimetric method and of the radiometric method. The calorimeter measures the heat transfer between two parallel and horizontal surfaces, where the superior surface is heated up by a source of electric current of high sustainability. The temperatures of the two surfaces are determined when the system reaches the thermal equilibrium. The heated surface is protected by a thermal guard, wich makes all the eletrical power to be dissipated towards the inferior surface that is cooled by a Peltier system. The heat flux is measured and its value is used in an equation where the emissividades of both surfaces are important. The radiometer uses thermal detectors that convert in electric sign, the heating effect due to the incidence of this radiant heat flux between the two surfaces. Starting from experiments with surfaces of known emissivity, fixed parameters of the equipment were determined being the same capable to measure surfaces with unknown emissivity values. The work also analyzes the experimental intrinsic errors of the apparratus.

Atualmente na indústria alimentícia é comum a efetivação do processo de pasteurização em túneis, onde um fluido, geralmente água, é utilizado para transferir para o produto a energia térmica necessária. Por causa disso, um dos fatores importantes deste procedimento é a maneira como este fluido é aspergido por sobre o produto a ser pasteurizado. Existem diversas maneiras de fazer esta aspersão, cada uma com as suas características e eficiência no que diz respeito à transferência de energia no processo de pasteurização. O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes modelos de esguichos utilizados em túneis de pasteurização de cerveja. Para isso é montada uma bancada para a realização ensaios que avaliem uma das etapas do processo de pasteurização da cerveja, onde são instalados os exemplares dos esguichos e uma garrafa de 600 ml de cerveja instrumentada. Todos os testes são realizados com os mesmos parâmetros (vazão e temperatura do fluido), somente alternando os modelos de esguichos. Usa-se a ANOVA para a comparação dos tempos de aquecimento do fluido interno e calcula-se o número de Nusselt para a convecção interna na garrafa para a avaliação dos esguichos. O resultado encontrado mostra uma independência do desempenho do processo de aquecimento em relação à alteração de modelo de esguicho para três dos quatro modelos avaliados e o último apresenta um desempenho pior. / Nowadays, in the food industry, it is usual to carry out the pasteurization process in pasteurization tunnels, where a fluid, generally water, is used to transfer the required thermal energy to the product. Because of this, one of the most important aspects of this procedure is how the fluid is sprinkled on the product that needs to be pasteurized. There are many ways to do this, each one has its own characteristics and efficiency regarding the energy transfer to the pasteurization process. The objective of this work is to evaluate distinct spray models that are used in pasteurization tunnels for beer. For this, a workbench is built to carry out experiences that evaluate one of the stages of the beer pasteurization process, where spray models are installed and an instrumented 600 ml bottle beer is used. All the tests are performed using the same specifications (flow rate and fluid temperature), just varying the spray models. ANOVA, to compare the heating times of the internal fluid, and the Nusselt number of the internal convection are used for the sprays evaluation. The result shows the independence of the performance with regard to the change of the spray model for three of the four tested models and the latter shows a worse performance.

No presente trabalho propõe-se empregar algoritmos genéticos em associação com o design construtal para a otimização de geometrias em problemas de transferência de calor. O objetivo principal de todos os estudos deste trabalho é minimizar a máxima temperatura que ocorre no domínio computacional. Investigou-se, inicialmente, uma cavidade isotérmica em forma de Y inserida em um sólido retangular com geração de calor uniforme a uma taxa volumétrica constante, onde foi feita uma comparação e validação do algoritmo genético frente à busca exaustiva para poucos graus de liberdade. Após, foi feita uma otimização usando somente algoritmos genéticos considerando todos os quatro graus de liberdade do problema e diferentes valores para suas restrições geométricas. O estudo seguinte foi feito considerando a mesma geometria anteriormente discutida, porém considerou-se as paredes da cavidade Y com uma condição de contorno convectiva. Da mesma forma anterior, foi feita uma validação do algoritmo genético frente à busca exaustiva e na sequência uma otimização de todos os quatro graus de liberdade e diferentes valores do parâmetro convectivo a, empregando somente algoritmos genéticos. No terceiro caso, estudou-se um caminho assimétrico em forma de V de um material de alta condutividade. A geometria tem sua base recebendo um fluxo de calor constante e o remove através das extremidades de dois braços ligados a um sumidouro de calor. Otimizou-se a forma pelo método exaustivo considerando quatro graus de liberdade e uma restrição constante . Após, usou-se algoritmos genéticos para otimizar a geometria considerando os mesmos graus de liberdade e diferentes valores para a restrição de ocupação do material condutivo. Similarmente ao caso da cavidade convectiva em forma de Y, por fim, estudou-se a otimização geométrica de um corpo cilíndrico onde cavidades convectivas retangulares com dois pares de braços são inseridas. Realizaram-se otimizações de até sete graus de liberdade e também se estudou a influência de um parâmetro convectivo e das frações de ocupação das áreas do corpo e braços da cavidade. Deste estudo, concluiu-se que quanto maior o número de cavidades, menores são as máximas temperaturas que ocorrem no domínio. Destaca-se, também, a dependência do parâmetro convectivo, que influenciou na forma da melhor geometria encontrada. Para todos os estudos feitos, os resultados mostraram que a busca por meio de algoritmos genéticos levou a uma redução significativa do número de simulações necessárias para obter a geometria ótima com resultados concordantes aos obtidos com busca exaustiva. Além disso, foi possível estender o estudo para problemas com mais graus de liberdade, restrições e propriedades térmicas. Conclui-se que o melhor design é altamente dependente dos graus de liberdade e restrições, este sendo alcançado de acordo com o princípio construtal da ótima distribuição das imperfeições. / In this work, we propose employing genetic algorithms in association with constructal design for geometry optimization in heat transfer problems. The main objective of all studies is to minimize the maximum temperature that occurs in the computational domain. It was investigated initially an isothermal Y-shaped cavity intruded into a rectangular solid conducting wall with heat generation uniformly at a volumetric rate, where a comparison and validation of genetic algorithm against exhaustive search for few degrees of freedom was made. Then, an optimization is performed by means of genetic algorithms considering all four degrees of freedom of the problem and different values for geometric constraints. The following study has been done considering the same geometry as previously discussed, but it is considered the walls of the Y-cavity with a convective boundary condition. Thus, a dimensionless heat transfer parameter to study (a) was added. Similarly, foregoing study, a genetic algorithm validation was performed comparing to the exhaustive search. After, all four degrees of freedom and different values of a parameter only using genetic algorithms were optimized. In the next investigation, an asymmetric V-shaped pathway of high conductivity material was studied. This geometry receives a constant heat transfer rate in its base and removes it by the end of the two branches that are in touch with the heat sink. The shape was optimized by exhaustive approach considering four degree of freedom and a constraint. After, we used genetic algorithms to optimize the geometry considering the same degrees of freedom and different values for the restriction. Finally, similar to the case of the Y-shaped convective cavity, rectangular convective cavities with two pairs of arms inserted into a cylindrical solid body were optimized. Optimizations of up to seven degrees of freedom were performed and the influence of the convective parameter and of the area fractions of the body and arms of the cavity, were also investigated. From this study, it was concluded that the higher the number of cavities, the lower the maximum temperatures occurring in the domain. Also, the dependence of the convective parameter, influenced in the form of the best geometry, is highlighted. For all studies carried out, the results showed that the search using genetic algorithms led to a significant reduction of the number of simulations required to obtain the optimal geometry. Moreover, it was possible to extend the study where it was considered other degrees of freedom, constraints and thermal properties. We concluded that the best design is highly dependent of degrees of freedom and constraints, and this has been achieved according to the constructal principle of optimal distribution of imperfections.

No projeto de um forno, normalmente busca-se uma configuração para a posição dos aquecedores que resulte em aquecimento uniforme na superfície inferior, a superfície de projeto. Neste trabalho, o fluxo de calor e a temperatura são prescritos na superfície de projeto e os elementos aquecedores devem ser projetados em um conjunto de quatro filamentos, ou um filamento em cada quarto simétrico do forno, a fim de satisfazer às condições prescritas. O forno é modelado como uma cavidade tridimensional preenchida com meio transparente; assume-se que as paredes sejam cinzas e difusas e que o único mecanismo de transferência de calor presente é a radiação térmica. Esse problema, convencionalmente, é solucionado através de um procedimento de tentativa-e-erro; neste trabalho, a solução é obtida através da análise inversa, uma técnica mais versátil e eficaz de projeto, embora exija tratamentos matemáticos especiais. O problema inverso é resolvido nesta pesquisa de forma implícita, como um problema de otimização. A solução é obtida através do método da Otimização Extrema Generalizada (GEO), um método de otimização estocástico e global, utilizado para encontrar as posições para os aquecedores respeitando a condição de formar um filamento. A metodologia é aplicada para se obter a configuração geométrica e posição do filamento aquecedor, uma abordagem inédita na literatura, conduzindo a resultados com desvio máximo inferior a 2%. Por fim, nesta pesquisa, realiza-se um estudo acerca do fator de forma dos elementos aquecedores que indica a aplicabilidade da solução obtida para filamentos com diferentes espessuras. / In the design of a oven is desired to obtain the positions for the heaters that results in a uniform heating to the bottom surface, the design surface. The heat flux and temperature are prescribed in the design surface and the heating elements are positioned in a single filament so as to satisfy prescribed conditions. The oven is modeled as a three-dimensional cavity filled with transparent medium, it is assumed that the walls are gray and diffuse and the dominant heat transfer mechanism is thermal radiation. This problem, conventionally, is solved through a trial and error procedure, in this work, the solution is obtained by inverse analysis. The inverse problem is solved implicitly, as an optimization problem. The solution is obtained by the method of optimization extreme (GEO) a stochastic global optimization method used to find the locations for the heaters respecting the condition of build a filament. The methodology leads to satisfactory results, with maximum error less than 2%. Finally, this research, realized a study of the view factor of the elements heaters that indicates the applicability of the solution into filaments with different thicknesses.

O presente trabalho utiliza o método Design Construtal para desenvolver o estudo numérico de uma configuração de caminhos de alta condutividade de geometria trifurcada que minimiza a resistência ao fluxo de calor, quando a área do caminho trifurcado é mantida constante. O objetivo deste trabalho é o estudo da influência da geometria sobre o desempenho térmico do sistema bem como a otimização do mesmo, assim obtendo uma configuração que minimiza a resistência térmica para cada condição imposta. São apresentadas as considerações e hipóteses utilizadas para a análise, obtendo a equação do calor regente e as condições de contorno do problema, bem como a função objetivo. Para a solução numérica da equação da condução do calor, é utilizado o software MATLAB ®, especificamente as ferramentas PDETOOL, Partial Differential Equations Tool, e GA, Algoritmo Genético. A resistência térmica é minimizada para cada grau de liberdade. A cada nível de otimização, a influência do grau de liberdade em questão é estudada, obtendo um mapeamento da importância de cada grau de liberdade sobre o sistema trifurcado. Também são obtidas as configurações ótimas para diferentes frações de área. Posteriormente, é estudado o comportamento da configuração ótima do sistema para diferentes temperaturas do final das bifurcações do sistema, mostrando que, para as temperaturas estudadas neste trabalho, a configuração ótima não se altera, apenas a resistência térmica, com a alteração na temperatura do sumidouro direito sendo mais influente sobre essa, seguida do sumidouro central e, por fim, do sumidouro esquerdo. Finalmente, este trabalho mostra, com esses resultados, que a geometria ótima é aquela que melhor distribui as imperfeições do sistema, de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições e, também, possui robustez quanto às pequenas imperfeições inseridas no sistema. / The present work employs Constructal Design method to develop a numerical study of a triforked high conductivity pathway that minimizes the heat flow resistance when the triforked pathway area is kept constant. The objective of this work is the study of the influence of the geometry over the thermal performance of the system as well as the optimization of the latter, thus obtaining a configuration that minimizes the thermal resistance for each imposed condition. The considerations and hypothesis for the analysis are shown, obtaining a reigning heat equation and boundary conditions for the system, as well as the objetctive function (minimization of the maximum temperature). For the numerical solution of the heat conduction equation, it is utilized MATLAB ® software, specifically the PDETOOL, Partial Differential Equations Tool, and GA, Genetic Algorithm, toolboxes. The thermal resistance is minimized for every degree of freedom. In each level of optimization, the influence of the degree of freedom in question is studied, obtaining a mapping of the importance of each degree of freedom over the performance of the triforked pathway. Optimal configurations are also obtained for different area fractions. Posteriorly, the behavior of the optimal geometry is studied for different temperatures of the branches of the system. Results show that, for the temperatures studied in this work, the optimal configuration does not change, only the thermal resistance, with the increase of temperature of the right sink being more influential over it, followed by the temperature of the middle sink and, at last, the temperature of the left sink. Finally, this work shows, with these results, that the optimal geometry is the one that better distributes the imperfections of the systems, which is in accordance to the principle of the optimal distribution of imperfections, while possessing a certain robustness over small imperfections inserted in the system.