Resumo

Se realizó una investigación en el tema de la Hidrodinámica de sistemas acuáticos ambientales, específicamente, acerca de los procesos de flujo y transporte en la capa límite béntica de estuarios afectados por oleaje. Este estudio se enmarca dentro del proyecto FONDECYT “Turbulencia y Transporte en la capa límite béntica de Lagos y Estuarios, Estudio de Terreno y Modelación”. Los experimentos fueron realizados en un canal abierto de 12 m de largo y 0.3 m de ancho, con un lecho de sedimentos de arena uniforme de 0.5 mm. Se instalo un generador de oleaje en el extremo de aguas abajo. Sus frecuencias de oscilación fueron controladas mediante una computadora. En un tramo central del canal, de 0.5 m de largo, el lecho fue aislado y saturado con un trazador, el cual fue inyectado a través de agujeros ubicados en el fondo. Además se utilizó una esponja como difusor, la cual permite obtener una concentración uniforme y homogénea del trazador en el lecho de sedimentos. Se utilizó una solución salina de concentración baja como trazador, para poder detectarlo en el flujo con la ayuda de un sensor de conductividad. La cota del estanque principal que contiene la solución salina se mantuvo constante e igual al nivel medio de la superficie libre del canal, para así no crear un flujo artificial del trazador hacia la columna del agua. Se utilizó un sensor eléctrico para registrar la altura del flujo y el período de onda. Un sensor de velocidad tipo ADV y un sensor de conductividad, fueron utilizados para medir la estructura de la turbulencia en el flujo y la concentración de sal en la columna del agua, a lo largo de varios perfiles situados en la línea central del canal, en la región donde el trazador fue inyectado al lecho de sedimentos. Se realizaron 3 tipos de experiencias para 2 caudales distintos: una experiencia solo con flujo gravitacional y otras 2 con oleaje de períodos distintos. Se integraron los perfiles de concentración del trazador a lo largo del volumen de control, para determinar el intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos. Se utilizó un modelo lineal de intercambio de masa, considerando la diferencia entre las concentraciones de sal en los sedimentos y la columna del agua, para así determinar un valor del coeficiente total del intercambio. Se adimensionalizó el coeficiente de intercambio mediante el número de Sherwood y se graficó en función del número de Reynolds del flujo. Los resultados obtenidos demuestran que existe un aumento del número de Sherwood a medida que aumenta el número de Reynolds, es decir, la turbulencia generada por el flujo provoca aumento en la transferencia de masa. Esto último es consecuente con los resultados obtenidos en experiencias similares de transferencia de oxígeno disuelto. Además, se concluyó que el efecto de agitación por oleaje aumenta el valor del coeficiente total de intercambio y por ende del número de Sherwood, para un mismo número de Reynolds. El efecto de las olas modifica la estructura del flujo y la turbulencia, aumentando los gradientes de velocidades, la energía cinética turbulenta y la componente vertical de la velocidad, lo que provoca el aumento del intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos.

Made available in DSpace on 2016-09-27T13:40:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-11-23. Added 1 bitstream(s) on 2016-09-27T13:45:17Z : No. of bitstreams: 1 000868811.pdf: 10175347 bytes, checksum: cad45c33c59d17fcb6a2b637b68d00f0 (MD5) / Para que todos os equipamentos e componentes eletrônicos funcionem adequadamente é necessária uma eficiente troca de calor entre os elementos e o meio para evitar o superaquecimento. A princípio, utilizava-se a convecção natural como principal forma de dissipação de calor. No entanto, com a miniaturização dos componentes eletrônicos e o aumento da potência desses componentes houve a necessidade de aumentar o fluxo de ar para a dissipação de calor e deste modo passou-se a utilizar a convecção forçada para manter os equipamentos dentro das faixas de temperatura recomendadas. Logo, com o gradativo aumento das velocidades de fluxo geraram-se assim escoamentos cada vez mais turbulentos, que são um grande aliado quando se busca uma maior troca de calor. Com isso a proposta deste trabalho é apresentar um estudo dos fenômenos ocorridos em uma placa eletrônica submetida a um escoamento turbulento através de simulações numéricas e realizar um comparativo com resultado experimental existente na literatura. Visando analisar a influência de cada modelo de turbulência aplicado ao caso de estudo. Pois, observou-se que há uma grande dificuldade para quem trabalha com simulação numérica em definir qual modelo utilizar dentre os diversos modelos de turbulência e é nesse aspecto que esse trabalho se baseia, facilitar a escolha do modelo de turbulência e apontar qual modelo de turbulência descreve melhor o problema aqui proposto. Para isso, blocos aquecidos sobre uma placa eletrônica foram submetidos a escoamentos com velocidades variando entre 1m/s a 4m/s, por serem as mais utilizadas na indústria para este tipo de escoamento, e através do estudo e refinamento das malhas, das análises dos escoamentos, das velocidades e das distribuições de temperatura buscou-se verificar o modelo de turbulência que melhor descreve o problema aqui escolhido / For all equipment and electronic components function, properly efficient heat exchange is required between the elements and the means to prevent overheating. At first, it was used natural convection as the primary form of heat dissipation. However, with the miniaturization of electronic components and the increasing power of these components was necessary to increase the air flow for heat dissipation and thus passed to using forced convection to maintain the equipment within the temperature ranges recommended. Then, with the gradual increase in flow velocities were thus generated flows increasingly turbulent, which are a great ally when seeking a larger heat exchange. Thus, the purpose of this paper is to present a study of the phenomena occurring on an electronic board subjected to turbulent flow through numerical simulations and perform a comparison with existing experimental result in the literature. To analyze the influence of each turbulence model applied to the case study. Therefore, it was observed that there is a great difficulty for anyone working with numerical simulation to define which model to use among the various models of turbulence and is in this respect that this work is based, to facilitate the choice of turbulence model and point out which turbulence model best describes the problem proposed here. To this end, heated blocks on an electronic board were subjected to flows with speeds ranging from 1m/s to 4m/s, being the most used in industry for this type of flow and through study and refinement of the meshes, the analysis of flows, speeds and temperature distributions sought to verify the turbulence model that best describes the problem here chosen

No autorizado por el autor para ser publicada a texto completo / El objetivo principal de este trabajo es estudiar los mecanismos de transporte turbulento de calor y masa en una cortina de aire, a fin de proveer antecedentes para la evaluación de cortinas de aire como objetos físicos capaces de confinar calor y/o masa en ambientes cerrados con geometrías tipo corredor, como túneles. El trabajo se enmarca en el proyecto FONDECYT Nº1085015, que apunta a la caracterización experimental y numérica de los fenómenos de transporte, a través de un dispositivo de cortinas de aire doble jet-doble flujo. El estudio se llevó a cabo en un túnel de laboratorio a escala 1:34, dotado de dos dispositivos generadores de cortinas de aire en configuración doble jet-doble flujo, y de un foco de calor constituido por una resistencia eléctrica. La función deseada de las cortinas es evitar la propagación de calor y momentum hacia zonas alejadas de la resistencia. Para analizar los mecanismos de transporte, se midieron los campos de temperatura y velocidad en dos dimensiones, en una de las cortinas de aire y su entorno inmediato. Los datos registrados se utilizaron para determinar términos asociados al transporte turbulento de calor y masa, puesto que las cortinas de aire se caracterizan por tener un régimen fluidodinámico turbulento. Las mediciones de temperatura y velocidad se llevaron a cabo con una termocupla fina de rápido tiempo de respuesta y un sistema de Anemometría Láser Doppler (LDA-2D), respectivamente. Se obtuvieron y analizaron resultados para cuatro casos, con diferentes potencias en la fuente de calor y diferentes velocidades en la salida de los jets. En cada caso, se analizó el comportamiento de los términos asociados al transporte turbulento de calor y momentum en la zona de la cortina y su entorno inmediato. Adicionalmente se estudió el efecto de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina, mediante el cálculo del número de Richardson y el análisis espectral de las señales de velocidad en ciertos puntos en las capas de mezcla de la cortina. Se concluye que existen zonas críticas de transporte turbulento de calor y momentum que es necesario contemplar en la evaluación de las cortinas de aire como dispositivo confinatorio. Para una mejor comprensión del fenómeno, sin embargo, es necesario realizar mediciones en un dominio más fino que el utilizado en este trabajo en el eje longitudinal; en particular, debe analizarse en mayor detalle la zona de impacto de la cortina con el suelo. Se observa, para la mayoría de los casos, un régimen de convección mixta en ciertos sectores de la cortina, verificándose la influencia térmica de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina; este hecho releva la importancia de estudiar configuraciones con potencias más altas que las utilizadas en este trabajo para la fuente de calor.

Ingeniero Civil / En la región altiplánica de la Cordillera de los Andes existen lagunas someras de algunos centímetros de profundidad denominadas salares; grandes extensiones de agua salada acotadas por una cáscara de sal en sus extremos como resultado de las altas tasas de evaporación. Diversas investigaciones han demostrado que la temperatura del agua puede variar en 20-30 °C en el día y que los sedimentos cumplen la función de reservorios, reteniendo calor durante el día y liberándolo en la noche, reduciendo de esta manera la oscilación termal diaria. La situación es determinada por procesos ocurrentes a ambos lados de la interfaz agua-sedimento (IAS), perspectiva que debe usarse al proponer modelos conceptuales. Sin embargo, raramente se considera en estudios y, de hacerlo, el calentamiento de los sedimentos por absorción de radiación solar no se analiza. La presente memoria toma como base Flow Solve , un modelo numérico del académico Kraig Winters (U. de California, San Diego) que utiliza el método espectral. El modelo se aplica a un sistema agua sedimento en que la capa superior de los sedimentos es calentada de manera periódica. Además, se estudia el orden de discretización espacial y temporal, así como la relación entre los números de Nusselt y Rayleigh. A partir de los resultados se concluye que existe una relación empírica exponencial entre el calor absorbido en la capa superior de los sedimentos (𝐻�����𝑠�����), la altura del cuerpo de agua (ℎ𝑤�����) y la frecuencia asociada a los periodos de evaluación (𝜔�����) y el número adimensional Π1 (que cuantifica el rol de los sedimentos en el balance de calor). La amplitud térmica es directamente proporcional al calor absorbido en los sedimentos elevado a un coeficiente de orden 0,6 , es decir, Δ𝑇�����𝑤����� crece sin cota a medida que aumenta el calor absorbido. En el caso de la curva Δ𝑇�����𝑤����� como función del periodo, la pendiente disminuye a medida que aumenta la duración de los ciclos, hasta estabilizarse. No se puede estimar la amplitud térmica para periodos superiores a los simulados. Para el caso de la altura de agua se aprecia una curva con pendiente decreciente. A medida que aumenta la altura del cuerpo de agua, la amplitud térmica tiende a 0°C, mientras que al disminuir ℎ𝑤�����, Δ𝑇�����𝑤����� crece sin cota. A partir de los 50 cm, Δ𝑇�����𝑤����� toma valores inferiores a 0,1 °C. La escala de longitud de Kolmogorov entrega resultados que permiten estimar satisfactoriamente la distancia vertical a definir entre puntos de la grilla. Sin embargo, en el caso del paso temporal, el usar un Δt del orden de la escala de tiempo de Kolmogorov puede asegurar que se consideren todas las escalas físicas del proceso, pero no implica que se cumplan las condiciones matemáticas necesarias para que el programa funcione correctamente. De este modo, el requisito dominante en el caso del tiempo viene dado por una expresión empírica. La relación entre los números de Nusselt y Rayleigh revela que el fenómeno de intercambio de calor en la IAS queda descrito por convección natural en una placa horizontal caliente a temperatura uniforme en régimen turbulento. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Fondecyt 1140821

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El propòsit del treball es caracteritzar hidrodinàmicament els tancs més utilitzats en el sector aqüícola, i donar pautes de disseny per millorar-ne l'autoneteja, i optimitzar l'eficiència d'utilització tant de l'espai com de l'aigua. La tesis es presenta en forma de compendi d'articles. En els dos primers s'estudien les característiques hidrodinàmiques de diferents configuracions geomètriques i diferents dissenys d'entrada d'aigua. En els dos últims s'estudien els processos de sedimentació i resuspenció dels biosolids que es generen en els tanc aqüícoles, mesurant la turbulència necessària per la sedimentació i resuspenció, i posteriorment es varen comparar els valors obtinguts amb els de la turbulència generada per la pròpia activitat natatòria del peixos en els tancs de cultiu.L'estudi de les característiques hidrodinàmiques dels tancs, es va realitzar amb models a escala al laboratori, que es van evaluar mitjançant velocimetria de seguiment de partícules. La turbulència generada pels peixos al nedar es va estudiar mitjançant velocimetria acústica, utilitzat la mitja quadràtica de les velocitats (Root Mean Square RMS) com a paràmetre per quantificar la turbulència. Finalment, la turbulència necessària per la resuspenció de biosolids es va determinar amb una graella oscil·lant adaptada a les característiques dels biosolids aqüícoles (alt contingut orgànic, i alta cohesivitat); l'RMS també fou el paràmetre utilitzat per quantificar la turbulència necessària per la resuspenció de biosolids.Amb l'estudi de les característiques hidrodinàmiques dels models a escala, s'ha determinat que el patró de flux està fortament condicionat pel disseny de l'entrada d'aigua. S'ha observat que en les configuracions on l'aigua fluïa de d'un extrem del tanc a l'altre, el patró de flux era molt heterogeni amb presència freqüent de zones mortes i corrents de curt-circuit. Les velocitats aconseguides foren baixes. Es van aconseguir velocitats més altes i una major homogeneïtat quan es va introduïr l'aigua tangencialment a la paret del tanc per tal de crear cèl·lules de barreja. Les cèl·lules de barreja van presentar un flux típic de tancs circulars tot i la geometria rectangular dels tancs utilitzats. Es va definir el paràmetre coeficient de resistència de tanc (Ct), que ha demostrat ser vàlid per evaluar tancs tant circulars com rectangulars amb cèl·lules de barreja. Aquest coeficient ha estat útil per evaluar l'efecte de l'emplaçament de bafles i de les diferents ratios entre longitud i amplada de cèl·lula estudiades. S'ha comprovat que l'efecte dels bafles augmenta les velocitats a la sortida de l'aigua. L'augment d'aquestes velocitats permetrà eliminar els biosòlids del tanc i aconseguir una millor autoneteja.Referent a l'estudi de l'activitat natatòria dels peixos mitjançant velocimetria acústica, el mètode proposat ha permès determinar que la turbulència generada pels peixos al nedar augmenta amb la densitat, així com l'important efecte que té el fotoperíode en l'activitat natatòria dels llobarros.Per últim, la utilització de la graella oscil·lant per determinar el nivell de turbulència necessari per resuspendre els biosolids i el nivell necessari per mantenir-los a la columna d'aigua, ha permès determinar l'efecte del temps de consolidació en la turbulència necessària per la resuspenció. També s'ha observat que existeix histèresis quan després d'un procés de resuspenció, la turbulència es va disminuir per evaluar el procés de sedimentació. Finalment, s'han pogut determinar diferències en la turbulència necessària per la resuspenció quan es van evaluar biosolids procedents de diferents tancs, amb diferents densitats de cultiu i talla de peixos. / El propósito del presente trabajo es caracterizar hidrodinámicamente los tanques más utilizados en acuicultura y dar pautas de diseño para mejorar su autolimpieza, y optimizar la eficiencia de utilización tanto del espacio como del agua. La tesis se presenta en forma de compendio de artículos. En los dos primeros se estudiaron las características hidrodinámicas de diferentes configuraciones geométricas y diferentes diseños de entrada de agua. En los dos últimos artículos se estudiaron los procesos de sedimentación y resuspensión de los biosólidos que se generan en los tanques acuícolas, midiendo la turbulencia necesaria tanto para la sedimentación como para la resuspensión, y se compararon los valores obtenidos con los de la turbulencia generada por la propia actividad natatoria de los peces en los tanques de cultivo.El estudio de las características hidrodinámicas de los tanques se realizó con modelos a escala en laboratorio, que se evaluaron mediante velocimetría de seguimiento de partículas. La turbulencia generada por los peces al nadar se estudió mediante velocimetría acústica, siendo la media cuadrática de las velocidades (Root Mean Square RMS) el parámetro utilizado para cuantificar la turbulencia. Finalmente, la turbulencia necesaria para la resuspensión de biosólidos se determinó mediante una parrilla oscilante adaptada a las características de dichos biosólidos (alto contenido orgánico y alta cohesividad); el RMS también fue el parámetro utilizado para cuantificar la turbulencia necesaria para la sedimentación y resuspensión de biosólidos.En el estudio de las características hidrodinámicas de los modelos a escala, se ha determinado que el patrón de flujo está fuertemente condicionado por el diseño de entrada del agua. Se ha observado que en las configuraciones en que el agua fluyó des de un extremo del tanque al otro, el patrón de flujo fue heterogéneo con presencia frecuente de zonas muertas y corrientes de corto circuito. Las velocidades alcanzadas fueron bajas. Se consiguieron velocidades más altas y una mayor homogeneidad cuando el agua se introdujo tangencialmente a la pared del tanque para crear células de mezcla. Las células de mezcla presentaron un flujo típico de tanques circulares a pesar de la geometría rectangular del tanque. Se definió el parámetro coeficiente de resistencia de tanque (Ct), que ha demostrado ser válido para evaluar tanques tanto circulares como rectangulares con células de mezcla. Dicho coeficiente ha sido útil para poder evaluar el efecto del emplazamiento de bafles y de las diferentes ratios entre longitud y ancho de célula estudiadas. Se ha comprobado que el efecto de los bafles aumenta las velocidades en la salida del agua. El aumento de estas velocidades permitirá eliminar los biosólidos del tanque y alcanzar una mejor autolimpieza.Referente al estudio de la actividad natatoria de los peces mediante velocimetría acústica, el método propuesto ha permitido determinar que la turbulencia generada por los peces al nadar aumenta con la densidad, así como el fuerte efecto que tiene el fotoperíodo en la actividad natatoria de las lubinas.Por último, el uso de la parrilla oscilante para determinar el nivel de turbulencia necesario para resuspender biosólidos y el nivel necesario para mantenerlos en la columna de agua, ha permitido determinar el efecto del tiempo de consolidación en la turbulencia necesaria para la resuspensión. También se ha observado la existencia de histéresis cuando después de un proceso de resuspensión, la turbulencia se disminuyó para evaluar el proceso de sedimentación. Finalmente, se han podido determinar diferencias en la turbulencia necesaria para la resuspensión cuando se evaluaron biosólidos procedentes de diferentes tanques, con diferentes densidades de cultivo y talla de peces. / The purpose of this work is to characterise the hydrodynamics of the most commonly used aquaculture tanks and to define design criteria that will improve self-cleaning properties and optimise the use of space and water. The dissertation is submitted as a compilation of individual articles. Two of the articles focus on the hydrodynamic characteristics of various tank geometries with different water inlet designs. The remaining articles examine the turbulence required for sedimentation and resuspension of biosolids generated in aquaculture tanks. The turbulence values obtained are compared with the turbulence generated by fish swimming activity in aquaculture tanks.Hydrodynamic characteristics were studied in the laboratory by applying particle-tracking velocimetry techniques to scale models.The turbulence generated by fish swimming activity was studied using acoustic velocimetry techniques and quantified using the root mean square (RMS) of velocities. Finally, the turbulence needed to resuspend biosolids was determined using an oscillating grid adapted to the specific characteristics of the aquaculture biosolids (high organic content and high cohesiveness); RMS was also used to quantify the turbulence needed to resuspend biosolids.Analysis of the hydrodynamic characteristics of scale models revealed that the flow pattern is strongly affected by the water inlet design. The flow pattern was homogeneous in configurations in which water flowed along the tank from the upper to the lower end, and dead zones and bypass currents were frequently observed. Flow velocities were low. The homogeneous flow pattern and higher water velocities were observed when water was injected tangentially to create a rotating flow pattern. Rotating flow cells produced a circular flow pattern in rectangular tanks. We defined a tank resistance coefficient (Ct), which was found to be suitable for evaluating both circular and rectangular tanks with rotating flow patterns. The coefficient was used to assess the effect of baffles and various length/width cell ratios. We found that baffles increased the water velocity at the outlets, which is important in the removal of biosolids and for producing self-cleaning properties.Acoustic velocimetry was used to study fish swimming activity. We found that the turbulence generated by swimming activity increases with density and that the photoperiod has a strong effect on the swimming activity of sea bass.Finally, an oscillating grid was used to determine the turbulence needed to resuspend biosolids and the turbulence needed to keep them in the water column; these experiments illustrated the effect of consolidation time on the turbulence required for resuspension.Hysteresis was observed when turbulence was reduced to evaluate sedimentation following resuspension, and different levels of turbulence were required for resuspension in different tanks (with different densities and fish sizes).

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T04:02:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 294045.pdf: 3387124 bytes, checksum: ed0568fb402341d004f785b04531063a (MD5) / A eficiência de compressores alternativos de refrigeração é afetada de forma significativa pelo superaquecimento do gás através do sistema de sucção e, posteriormente, em sua entrada no cilindro. Dentro deste contexto, estimar corretamente o fluxo de calor que ocorre entre as paredes do cilindro e o fluido é crucial na determinação das eficiências volumétrica e isentrópica e, assim, para a otimização do desempenho de compressores. A presente dissertação apresenta o estudo numérico da transferência de calor transiente em cilindros de compressores alternativos de refrigeração doméstica, considerando os processos de compressão, descarga, expansão e sucção. A modelagem computacional do problema, envolvendo formulações bidimensionais e tridimensionais, utiliza o método de volumes finitos e os modelos de turbulência SST, RNG k-e e k-e Realizável na solução do escoamento turbulento e compressível, na presença de transferência de calor. A dinâmica das válvulas é descrita com um modelo de um grau de liberdade. Os resultados mostram que o escoamento de alta velocidade que ocorre nos momentos iniciais de abertura das válvulas de sucção e descarga produz taxas elevadas de transferência de calor no cilindro. Efeitos tridimensionais sobre o fluxo de calor no cilindro foram investigados a partir de geometrias de orifício de sucção com três diferentes ângulos de inclinação. Constatou-se que a inclinação do orifício produz uma variação da distribuição do fluxo de calor na lateral do cilindro, mas não altera de forma significativa o calor total trocado no cilindro ao longo de um ciclo. Observou-se que estimativas de fluxo de calor obtidas de correlações disponíveis na literatura apresentam pouca concordância em relação aos resultados obtidos no presente estudo. Uma nova correlação de transferência de calor é proposta e avaliada para diferentes condições de operação do compressor, produzindo resultados satisfatórios. / The efficiency of reciprocating compressors adopted for refrigeration purpose is significantly affected by gas superheating that takes place as the refrigerant flows through the suction system and enters the cylinder. Therefore, it is quite important to correctly predict heat transfer between the cylinder walls and the refrigerant in order to optimize the compressor performance, by increasing its volumetric and isentropic efficiencies. This dissertation considers the numerical modeling of the heat transfer process within the cylinder of reciprocating compressors used for household refrigeration, taking into account contributions of the compression, discharge, expansion and suction processes. The mode is tested for two-dimensional and three-dimensional formulations and numerically solved via the finite volume method. Three different turbulence models (SST, Realizable k-å and RNG k-å) have been adopted to solve the associated compressible, turbulent flow in the presence of heat transfer. The dynamics of both valves is described with a single degree-of-freedom model. The results show that high-speed flow that occurs in the initial opening stages of the suction and discharge valves gives rise to high rates of heat transfer in the cylinder. On the other hand, the analysis reveals that the inclination of the suction orifice, commonly adopted in actual compressors, affects the heat flux distribution on the cylinder lateral wall. Nevertheless, the overall heat transfer over a complete cycle is virtually insensitive to such geometric feature. It was also observed that estimates for in-cylinder heat flux given by correlations available in the literature are not in agreement with the numerical results obtained in the present study. A new correlation is proposed and tested for different compressor operating conditions, showing satisfactory results.

La agitación de líquidos es una de las operaciones más comunes de los procesos industriales. Es de importancia fundamental con múltiples aplicaciones en la industria minera, petrolera, de alimentos, química, farmacéutica y papeleras entre otras. En especial, el rubro minero requiere de agitadores de estanque en prácticamente todas sus áreas del proceso. En el contexto dado por la importancia de la minería en el país, el Dr. Ing. Álvaro Valencia del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, a través de métodos de simulación numérica, ha querido desarrollar una metodología de predicción del comportamiento de un flujo dentro de un estanque agitador de pulpa mediante impulsores rotatorios. Típicamente, este tipo de problemas resulta complejo y se requieren métodos numéricos de resolución. La discretización del medio usando mallado no estático, es la herramienta más usual y conveniente. Para esto se utilizan mallas deslizantes a modo de predecir la fluidodinámica del sistema. Las dificultades producidas por este tipo de mallas plantean un desafío importante para las técnicas de resolución numérica de ecuaciones que rigen fluidos turbulentos. En esta memoria se contempló un primer estudio en el comportamiento del flujo dentro de los estanques agitadores. Para ello, se utilizó una herramienta computacional de simulación de CFD (Mecánica de Fluidos Computacional) considerando la interacción impulsor-bafle, flujo turbulento, fluido newtoniano y deslizamiento de malla en un escenario donde el fluido impulsado es agua y el agitador es la bien conocida turbina Rushton mono-impulsor de 6 álabes. Los resultados obtenidos por la simulación fueron comparados con un artículo científico que estudió la agitación de agua en régimen turbulento mediante una turbina Rushton de 6 aspas, utilizando el método de mallas deslizantes. Los resultados más relevantes presentados acá fueron los perfiles de velocidad radial y axial, la distribución de presión en un plano transversal y distintos índices adimensionales, entre ellos, el número de potencia y el número de bombeo. Finalmente, en esta memoria se dejó plasmado el procedimiento de cálculo para así dar una pauta a que investigadores o memoristas estudien posibles extensiones del método y encuentren futuras aplicaciones prácticas.

Bancos de tubos ou de barras são encontrados nas indústrias nucleares e de processos, constituindo-se nos dispositivos mais comumente utilizados no desenvolvimento de trocadores de calor. As tentativas de elevar as taxas de transferência de calor nos trocadores de calor não consideram, como uma prioridade do critério de projeto, os efeitos estruturais causados pelo escoamento turbulento de fluido através do banco de tubos, a menos que ocorram falhas. Com a redução da relação entre passo e diâmetro do banco de tubos (espaçamento relativo), para otimizar o processo de transferência de calor, surgirão cargas dinâmicas, que não estão associadas ao processo de desprendimento de vórtices, como nos bancos de tubos com grandes espaçamentos relativos. Enquanto as cargas estáticas parecem surgir, principalmente, devido à forte queda de pressão que ocorre nas fendas estreitas entre os tubos, em bancos de tubos com pequeno espaçamento relativo, as cargas dinâmicas, provenientes do campo de pressões flutuantes, têm um comportamento aleatório, sem qualquer freqüência característica. As flutuações de pressão resultam das flutuações de velocidade nas diversas posições do campo de escoamento. O propósito desta tese é investigar o comportamento das flutuações de pressão e de velocidade, e sua interdependência, em bancos de tubos com arranjos triangulares e quadrangulares e diversos espaçamentos relativos e, baseado nos resultados obtidos, contribuir para o desenvolvimento dos critérios de projeto destes equipamentos. A seção de testes é constituída por um canal retangular com 1370 mm de comprimento, 146 mm de altura e uma largura máxima (ajustável) de 193 mm. O fluido de trabalho é o ar, impulsionado por um ventilador centrífugo, passando por uma câmara de tranqüilização e um conjunto de grades e telas, antes de alcançar o banco de tubos segundo um ângulo de incidência de 90o e com um valor em torno de 2 % de intensidade da turbulência. Tanto os arranjos triangulares como os quadrangulares possuem relação entre passo e diâmetro P/D = 1,60 , 1,26 , 1,16 e 1,05 com números de Reynolds calculados com base no diâmetro dos tubos (32,1 mm para todas as geometrias) e na velocidade do escoamento nas fendas estreitas entre os tubos, desde Re = 4•104 até 7•104. As velocidades e as flutuações de velocidade foram medidas por um anemômetro de fio quente a temperatura constante, enquanto as flutuações de pressão foram medidas por um transdutor de pressão piezo-resistivo, montado no interior de um dos tubos do banco e conectado a tomadas de pressão por mangueiras plásticas. O tubo instrumentado com o transdutor de pressão nos bancos podia girar de forma que foram efetuadas medições a cada 10o. A sonda de fio quente podia ser movimentada para diversas posições entre dois tubos no banco, ao longo de uma linha na direção do escoamento. A aquisição de dados de flutuações de velocidade e de pressão foi efetuada simultaneamente, para permitir a obtenção de resultados de correlações cruzadas, por uma placa conversora analógico-digital controlada por um micro computador. Os resultados experimentais estão apresentados, na forma adimensional, em médias quadráticas, funções de densidade auto-espectral e funções de correlação cruzada. As médias quadráticas das flutuações de pressão indicam uma distribuição mais uniforme das cargas dinâmicas em torno dos tubos na medida em que a razão P/D é diminuída. O comportamento dos espectros de flutuações de velocidade mostram diferentes decaimentos para os arranjos triangulares e quadrangulares, com valores decrescentes na medida em que a razão P/D é reduzida. A análise dos resultados dos espectros de flutuações de pressão mostra exponentes de -1 e -10/3, sendo a extensão da faixa deste último, maior para as maiores razões P/D. Os picos correspondentes ao processo de desprendimento de vórtices aparecem somente no arranjo com a maior relação P/D. Reduzindo a razão P/D, observa-se um aumento na energia dos menores vórtices do escoamento turbulento, degenerando em turbulência de banda larga. Os coeficientes de correlação cruzada entre flutuações de velocidade e de pressão diminuem enquanto a razão P/D aumenta. A análise dos resultados experimentais permite a identificação dos principais aspectos do processo de excitação das vibrações induzidas pelo escoamento em bancos de tubos conduzindo a recomendações para o projeto destes equipamentos. / Banks of tubes or rods are found in the nuclear and process industries, being the most common device used in the development of heat exchangers. Attempts to increase heat exchange ratios in heat transfer equipments do not consider, as a priority of project criteria, structural effects caused by the turbulent fluid flow across the tube bank, unless failures occur. By reducing the aspect ratio (pitch-to-diameter ratio) of a tube bank, to improve the heat transfer process, dynamic loads will appear, which are not associated to vortex shedding, as in large aspect ratios tube banks. While static loads seem to appear mainly due to the strong pressure drop which occurs in the narrow gaps between the tubes, in small aspect ratio tube banks, dynamic loads, arising from the fluctuating pressure field, have a random behavior, without any characteristic frequency. Pressure fluctuations result from velocity fluctuations at several positions of the flow field. The purpose of this thesis is to investigate the behavior of pressure and velocity fluctuations, and their interdependence, in tube banks with triangular and square arrangements and several aspect ratios and, based on the obtained results, to contribute for the development of the design criteria of these devices. The test section is a 1370 mm long rectangular channel, with 146 mm height and a maximal (adjustable) width of 193 mm. Air is the working fluid, driven by a centrifugal blower, passed by a settling chamber and a set of honeycombs and screens, before reaching the tube bank at an incidence angle of 90o and about 2 % turbulence intensity. Both triangular and square arrangements have pitch-to-diameter ratios P/D = 1.60, 1.26, 1.16 and 1.05 with Reynolds numbers, calculated with the tube diameter (32.1 mm for all geometries) and the velocity of the flow in the narrow gap between the tubes from Re = 4•104 to 7•104. Velocity and velocity fluctuations were measured by a constant temperature hot wire anemometer, while pressure fluctuations were measured by a piezo-resistive pressure transducer mounted inside one of the tubes in the bank and connected to pressure taps by plastic tubes. The tube instrumented with the pressure transducer in the banks could be rotated, so that measurements at each 10o were performed. The hot wire probe could be moved to several positions between two tubes in the bank, along a line in the flow direction. Data acquisition of velocity and pressure fluctuations was performed simultaneously, to allow cross-correlations results, by an analog-to-digital converter board controlled by a personal computer. Experimental results are presented in form of dimensionless RMS values, autospectral density functions and cross-correlation functions. RMS values of pressure fluctuations indicate a more uniform distribution of dynamic loads around the tubes as the P/D ratio decrease. Behavior of the velocity fluctuation spectra show different decay for triangular and square arrays, with decreasing values as the P/D ratio is reduced. Analysis of the results of spectra of pressure fluctuations shows exponents of -1 and -10/3, being the extension range of the latter larger for the widest P/D ratios. Peaks corresponding to vortex shedding appear only at the bank with the largest P/D ratio. By reducing the P/D ratio an increase on the energy of the smallest eddies of the turbulent flow is observed, degenerating in to broad band turbulence. Cross-correlation coefficients between velocity and pressure fluctuations decrease as the P/D ratio is increased. Analysis of the experimental results allows the identification of the main features of the excitation process of flow induced vibrations in tube banks leading to recommendations for the design of these equipments.