O presente trabalho considera o problema de oxidação de matéria orgânica e inorgânica em esgoto sanitário através da ozonização, buscando aprofundar o conhecimento nos aspectos dúbios levantados em pesquisas conduzidas no Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC (Escola de Engenharia de São Carlos) na USP (Universidade de São Paulo) e também citadas na literatura da área. O projeto que tem cunho experimental utilizou uma coluna de ozonização de seção transversal quadrada de 0,19 m de lado e 2,00 m de altura, formada por duas faces paralelas de acrílico e duas faces paralelas de vidro, onde as bolhas de ozônio ascensionais eram fornecidas por um difusor microporoso instalado na base da coluna. Gerou-se um banco de dados acerca das características hidrodinâmicas das bolhas ascensionais (velocidade ascensional, porcentagem pontual da concentração, diâmetro equivalente e área interfacial específica), além de alguns parâmetros físicos e químicos (ozônio residual dissolvido e gasoso, temperatura, pH, alcalinidade, condutividade, turbidez, cor verdadeira, sulfeto, DQO, série de sólidos e série de carbono), localizados como relevantes ao processo de oxidação de matéria orgânica e inorgânica através da ozonização, variando a vazão de ozônio de 50 a 300 L/h e o nível líquido de 0,30 a 1,80 m. Constatou-se que o valor de todas as características hidrodinâmicas estudadas aumenta com o aumento da vazão de gás ozônio injetado no difusor microporoso. Vale mencionar que a velocimetria a laser não intrusiva foi a ferramenta utilizada na determinação da velocidade bi-dimensional ascensional das bolhas, além de auxiliar na determinação do diâmetro equivalente. Já a porcentagem pontual da concentração das bolhas foi determinada através da contagem de radiação de uma sonda de Césio-137. As análises dos parâmetros físicos e químicos mostraram de forma geral e repetitiva que a redução de pH e alcalinidade não foram influenciadas pela dosagem de ozônio aplicada; que a porcentagem de redução da DQO teve um comportamento oscilatório, ora influenciado ora não influenciado pela dosagem de ozônio aplicada; que a condutividade teve redução nula; e que a turbidez e a cor verdadeira tiveram influência da dosagem de ozônio na eficiência de redução. A observação dos experimentos permitiu inferir que tanto as características físicas como as características de qualidade do efluente influem no tipo de comportamento observado para a DQO em função do tempo de contato. Os comportamentos previstos pela solução de equações básicas geradas para explicar o efeito inibidor de compostos intermediários permitiram obter evoluções monotonicamente crescentes ou monotonicamente decrescentes no tempo, além dos comportamentos oscilatórios da eficiência de redução da DQO observados neste trabalho. Os resultados experimentais das velocidades ascensionais, perfis da concentração das bolhas, diâmetros equivalente e áreas interfaciais específicas, em conjunto com os parâmetros físico-químicos (ozônio residual dissolvido e gasoso, temperatura, pH, alcalinidade, condutividade, turbidez, cor verdadeira, sulfeto, DQO, série de sólidos e série de carbono), formam um banco de dados a ser utilizado nas simulações da coluna de ozonização que virão a decorrer do presente trabalho. As equações governantes aqui apresentadas são merecedoras de estudos posteriores para o entendimento da dinâmica existente nas colunas de ozonização e a busca da otimização de seu uso. / This present work is a study about the oxidation problem of organic and inorganic matter in sanitary effluent by means of the ozonation, trying to improve the knowledge of dubious aspects considered in prior researches conducted in Department of Hydraulic and Sanitation of the EESC (Escola de Engenharia de São Carlos) at USP (Universidade de São Paulo) and also found in specific studies. The project, which has experimental objective, used a column of ozonation of square transversal section of 0.19 m of side and 2.00 m of height with two parallel faces of acrylic and two parallel faces of glass, where bubbles of ozone in ascension were provided by a microporous diffuser installed in the base of the column. A file of data about hydrodynamic characteristics of the bubbles in ascension (velocity in ascension, punctual percentage of the concentration, equivalent diameter and specific interface area) was stored, besides some physical and chemical parameters (waste ozone dissolved and gaseous, temperature, pH, alkalinity, conductivity, turbidity, real color, sulphet, COD, set of solids and set of carbon), important to the process of inorganic and organic matter oxidation by means of ozonation, changing the flow of the ozone from 50 to 300 L/h and the liquid level from 0.30 to 1.80 m. It was noticed that the value of all hydrodynamic characteristics analysed increases when the flow of the ozone injected in the microporous diffuser also increases. It is important to mention that no-indisposition laser velocimetry was used as an instrument to determine the bi-dimension velocity of the bubbles in ascension and to help determine the equivalent diameter, whereas the punctual percentage of the concentration of the bubbles was determined by means of counting Cesium-137 radiation. Analysis of chemical and physical parameters showed in a general and repetitive way that the reduction of the pH and alkalinity was not influenced by the dose of ozone used; the percentage of COD reduction had oscillated behaviour, being or not influenced by the dose of the ozone used. It also showed that conductivity had zero reduction and turbidity and real color here influenced by the dose of the ozone in terms of efficient reduction. The observation of the experiments permitted to infer that both physical and quality characteristics of the effluent influence the type of the behaviour of COD versus contact time. The behaviour expected by the solution of basic equations done to explain the inhibiting effect of intermediate compounds permitted to obtain increasing and decreasing evolutions in time, as well oscillated behaviour of the efficiency of COD reduction observed in this work. The experimental results of the velocities in ascension, the profile of the bubble concentration, equivalent diameter and specific interface area with chemical and physical parameters (waste ozone dissolved and gaseous, temperature, pH, alkalinity, conductivity, turbidity, real color, sulphet, COD, set of solids and set of carbon) organize a file of data to be used in simulations of the ozonation column which will elapse from this present work. Specific equations here presented are worthy of further studies for the understanding of the dynamic present in the ozonation columns and the search of the optimization of its application.

Uma vez que a maioria das complicações relacionadas ao funcionamento das próteses de válvulas cárdicas é devida aos distúrbios de escoamento, a sua caracterização hidrodinâmica é um auxílio útil no projeto de novas válvulas. Simulações do escoamento pulsátil através de próteses de válvulas cardíacas começaram há cerca de 60 anos, por meio do desenvolvimento de diferentes simuladores cardíacos, melhorando a interpretação dos resultados clínicos. Para o presente estudo, um simulador cardíaco foi desenvolvido completamente na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, no Departamento de Engenharia Mecânica, para estudar o fluxo através de próteses mitrais e aórticas. A sua concepção é baseada na geometria e na fisiologia do lado esquerdo do coração humano, no estado da arte desses simuladores e na norma ISO 584:2010. Neste trabalho, o simulador cardíaco desenvolvido foi aplicado para estudar experimentalmente o fluxo pulsátil através de próteses cardíacas mitrais biológicas de pericárdio bovino. Para tanto, após a validação do simulador para algumas freqüências cardíacas, as biopróteses foram submetidas a ensaios de velocimetria não invasiva, por meio de um equipamento Particle Image Velocimetry (PIV). Os experimentos, que se concentraram principalmente logo após o começo da diástole, mostraram qualitativamente uma diferença significativa no escoamento intraventricular em função de dois posicionamentos das biopróteses, defasadas entre si de 180º no sentido do seu eixo longitudinal. Além disso, produziram significativas mudanças no escoamento próximo à prótese aórtica considerada. Com a continuidade deste estudo, os resultados poderão induzir a um dado procedimento clínico. / Since most complications related to the operation of prosthetic heart valves are due to disturbances of flow, their hydrodynamic characterization is a useful aid in the design of new prostheses. Simulations of pulsatile flow in cardiac prostheses began nearly 60 years ago, through the development of different mock human circulatory systems, improving the clinical results interpretation. A complete design of a cardiac simulator was developed at Polytechnic School of USP, Mechanical Engineering Department, to study mitral and aortic prosthetic heart valves. The simulator design is based on the both geometry and physiology of the left side of the human heart, on state-of-art studies and also considering the ISO 584:2010 standard. The cardiac simulator was applied to pulsatile flow testing of bovine pericardium mitral prosthetic valves. For this, after the cardiac simulator validation for some heart rates, the bioprostheses were assayed by noninvasive velocimetry technics, i.e., a Particle Image Velocimetry (PIV) system. The testing, which mainly were focused on just after the beginning of diastole, qualitatively have showed a significant difference in the intraventricular flow according two different positions for the bioprostheses, dephased of 180° in the direction of their longitudinal axis. Moreover, they produced significant changes in flow close to the aortic prosthesis considered. Future works may lead to a particular medical procedure.

Este trabalho representa o início de uma série de pesquisas que visam o estudo da turbulência e de sua relação com processos de mistura e trocas gasosas entre ar e água, através de experimentos com grades oscilantes. Seu objetivo foi o projeto e a construção de um tanque de grade oscilante, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável. Após a construção do tanque, experimentos para medições de velocidade turbulenta foram feitos, com uso de uma técnica de velocimetria a laser. Uma grade de 9x9 barras foi usada na agitação do fluido, com uma amplitude de oscilação de 3 cm, para 4 diferentes freqüências de oscilação. Adquiriu-se 9600 imagens do movimento do fluido, em 6 regiões do tanque, para a obtenção dos campos de velocidade turbulenta, calculados através do software Visiflow e de um programa computacional desenvolvido neste trabalho. Os gráficos criados a partir dos campos possibilitaram a observação do decaimento espacial da turbulência e da região de sua produção. Os campos médios de velocidade mostraram-se bem inferiores aos campos instantâneos, indicando a existência de baixo escoamento médio do fluido. As condições de isotropia e a homogeneidade espacial da turbulência são mais aproximadas à medida que se afasta da grade. A intensidade turbulenta produzida é diretamente relacionada com a freqüência de oscilação. O número de imagens para a obtenção de uma média representativa da velocidade turbulenta neste equipamento parece ser dependente da freqüência de oscilação da grade. Isto aponta para a necessidade de estabelecer corretamente as condições para os cálculos estatísticos em escoamentos turbulentos / This work presents the project and construction of a tank with an oscillating grid, equipment which provides for the experimental studies of turbulence and its relation to mixing processes and gas transfer across fluid interface. Experiments were carried out with the use of digital particle image velocimetry technique, to investigate the properties of the produced turbulence. A grid made of 9x9 square bars was used to stir the water, with a stroke of 3 cm and 4 different oscillation frequencies. A number of 9600 images were acquired, in 6 regions of the tank, for the generation of the turbulent velocity fields through the software Visiflow and a computational program developed in this work. The results showed that the current equipment, with a new concept for the grid oscillation system, can be conveniently useful for studies in this research field. Average velocity fields appeared to be considerably smaller than the instantaneous velocity fields, which leads to the existence of nearly-stationary turbulence in the water volume. Nearly-isotropic turbulence and spatial homogeneity were approximate as the measurements distanced from the grid. The turbulent intensity was directly dependent on the oscillation frequency. The spatial decay of the turbulence and the region near the grid where it is produced could also be observed. The number of images necessary for the calculus of reliable root-mean-square turbulent velocities seems to be dependent on the oscillation frequency of the grid. It results in the necessity of establishing correct statistical analysis of turbulent flows

Neste trabalho analisam-se escoamentos de correntes de densidade tipo plumas, intrusões e corrente de fundo em torno de obstáculos. Os experimentos foram realizados em duas fases. Na primeira fase dos ensaios, a estratificação ambiente e a obtenção das correntes foram obtidas variando-se a densidade de soluções de água e sal. A visualização das correntes foi feita utilizando-se permanganato de potássio e sua dispersão foi obtida através do registro em câmera filmadora. Na segunda fase, os ensaios de plumas foram realizados com equipamento a laser de vapor de cobre (LVC) envolvendo o método de velocimetria a laser por processamento de imagens (VLPI). Nesta fase, observou-se grande dificuldade na visualização das partículas do escoamento e foi necessário a confecção de um sistema de aquecimento de água para a obtenção do escoamento superficial. É apresentado um modelo numérico em linguagem FORTRAN baseado no método das diferenças finitas para discretização da equação de Navier-Stokes e a obtenção de velocidades longitudinais e transversais. Observou-se, neste trabalho, a importância da visualização do fenômeno de correntes superficiais e intrusivas, tendo em vista a extrema sensibilidade destes fenômenos para com as condições de trabalho (alterações sutis geram grandes diferenças no escoamento obtido). Pode-se concluir que o método VLPI produz resultados satisfatórios para o campo de vetores de velocidade. As correntes intrusivas apresentaram configurações diversas para mesmas condições de escoamento, o que demonstra a necessidade de maiores estudos. O modelo numérico se mostrou coerente para determinados experimentos, mas as condições particulares da entrada dos reservatórios mostra que há a necessidade de implementações para uma forma mais abrangente de situações. / Unstable gravity currents flows like buoyant surface jet (BSJ), intrusions and dense currents around obstacles are analysed in this research. The experiments were performed in two phases. In the first one, the environmental stratification as well as the current flows were obtained varying the density of the water and salt solutions. The current visualization were possible by the use of the KMnO4 dye and its dispersion was recorded by video camera. In the second phase, the runs with plumes were evaluated with a laser vapour copper (LVC) equipment using the processing image velocimetry (PIV) method. In this phase, it was observed a great difficulty in the particle flow visualization and it was necessary a war water system to simulate overflow. It\'s presented a numerical model in fortran language based in the finit difference method to discretisize the Navier-Stokes equation and obtain the transversal and longitudinal velocities. It was noted in this research, the relevance of the visualization in overflows and intrusive flows because of the extreme sensitivity of these phenomenos to work conditions (slightly modifications generates great differences in the flow behaviour). It concludes that the PIV method results good data for vectors velocity field. The intrusive currents show many configurations to the same flow conditions which requires further investigations. The numerical model has shown coherance to particular experiments, but source particularities justifies the necessity of implementation to larger situations.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre a influência do campo acústico na emissão de radicais instáveis e no perfil de velocidade de uma chama difusiva de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Para tanto, foram empregadas as técnicas de espectroscopia de emissão e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Para determinadas combinações de freqüência e amplitude, a chama teve sua superfície diminuída, houve o desenvolvimento de uma região azul e a redução da altura da chama, todos indicadores de uma melhor mistura combustível-ar. Os dados espectroscópicos mostraram que os maiores sinais de emissão dos radicais, CH$^{*}$ e C$_{2}^{*}$, estavam associados à zona azul da chama e às maiores amplitudes da pressão acústica impostas ao jato de combustível. Os experimentos com PIV mostraram que o jato é modulado pelas condições de excitação acústica. No momento em que o jato era expandido, verificou-se a intensificação das instabilidades na interface jato-ar, as quais apresentaram-se como vórtices de grande escala. No momento de compressão, esses vórtices de grande escala eram "quebrados", resultando em vórtices de pequena escala no interior do jato, os quais intensificam a taxa de mistura entre combustível-ar.

Esta dissertação apresenta um estudo experimental da influência dos parâmetros de operação na estrutura da Zona Central de Recirculação (ZCR) formada na saída da câmara primária de um novo conceito de câmara de combustão com swirler para turbinas a gás, visto que esta influencia diretamente na mistura dos reagentes, na absorção de instabilidades e, significativamente, no processo de combustão. Para o estudo foi empregada a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Esta nova configuração de combustor baseia-se nos conceitos de combustão pobre pré-misturada e RQL (Rich-Quench-Lean) para permitir a redução das emissões de NOx através do controle dos parâmetros de operação. Basicamente, três parâmetros adimensionais foram variados que regulam o processo de combustão: número de swirl do escoamento secundário (S), razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D) e número de Reynolds do escoamento primário (Rep). Os resultados mostraram que para uma configuração de combustor operando com alto número de swirl, alto número de Reynolds do escoamento de ar primário e alta razão comprimento/diâmetro permite obter uma zona central de recirculação forte, estável e bem definida quando comparadas com as obtidas para outras combinações entre os parâmetros de operação estudados. Também, verificou-se que o estudo de escoamentos com swirl através da técnica PIV não é uma tarefa trivial, no entanto, foi possível obter resultados em acordo com os apresentados na literatura.

O presente trabalho está inserido no campo de investigação do movimento. Sua finalidade é a compreensão da interação entre o processo de combustão e as ondas acústicas. Experiências anteriores mostraram que sob ondas acústicas e em certas condições, a combustão não pré-misturada pode se comportar como uma combustão pré-misturada nos aspectos de baixa emissão de poluentes e mantendo a característica favorável de não estar sujeita a ignição no compartimento de pré-mistura. A informação sobre o campo de velocidades é fundamental para se entender a interação entre a chama e as ondas acústicas. Essa informação foi obtida através da técnica de velocimetria por imagem de partículas (PIV), cuja taxa de aquisição máxima é de 15 Hz, muito menor que as frequências das ondas acústicas investigadas. Para superar essa limitação, foi desenvolvida uma metodologia que a partir de medidas de velocidade uniformemente distribuídas é capaz de indicar a velocidade média do escoamento e a velocidade acústica. Foi feita uma avaliação abrangente da confiabilidade da técnica de PIV usada para medir velocidade acústica, a qual mostrou que os resultados tem alta confiabilidade. Foram realizadas com êxito medidas de velocidade acústica e de corrente acústica em escoamentos não reativos e reativos. A corrente acústica identificada difere dos tipos de correntes acústicas já conhecidas, como a de Rayleigh, de Eckart e de Schlichting, para as quais as velocidades de corrente estão numa ordem de grandeza menor que a velocidade acústica; enquanto, nesse tipo as velocidades de corrente estão na mesma ordem de grandeza que a velocidade acústica. Foi encontrado um número de Strouhal crítico, acima do qual esse tipo de corrente acústica não ocorre. Os resultados da experiência mostram que a corrente acústica encontrada move o ar periférico para o interior da chama.

Os sedimentos transportados por cursos de água, quando depositados nos reservatórios, podem lhes causar danos, como redução do seu volume de água, prejuízos à navegação, danificação de turbinas e bloqueio de tomadas de água e comportas. Para que medidas preventivas possam ser tomadas nesse sentido, a capacidade de predizer taxas de sedimentação e sua distribuição não-uniforme em reservatórios é muito importante, ainda em sua fase de projeto. Este trabalho compreende a construção e o assoreamento de uma armadilha de sedimentos em laboratório, bem como a utilização de um programa computacional para reprodução numérica do assoreamento. A comparação satisfatória entre resultados experimentais e simulados, tanto para o padrão do escoamento no interior da armadilha quanto para a deposição de sedimentos, permitiu avaliar o programa MIKE 21C como ferramenta útil no estudo e na estimativa do assoreamento de reservatórios / Sediment transport in alluvial rivers may cause serious problems to reservoirs, such as decrease in storage volume, impairment of navigability, damage to hydropower turbines, and blockage of gates and intakes. The capacity of predicting sedimentation and its non-uniform distribution inside reservoirs is very important, still in their phase of planning and design. This work comprehends the construction of a sand trap in a laboratory and its experimental sedimentation, as well as the use of a computational program to reproduce numerically the experiment. The satisfactory comparison between experimental and numerical results, for the flow pattern inside the trap and for the sediment deposition, validated the program MIKE 21C as a useful tool in the study and prediction of reservoir sedimentation

Este trabalho é continuação da linha de pesquisa em escoamentos de alta velocidade, aerados, conduzida no departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. O trabalho tem cunho experimental visando elucidar aspectos de enlaçamento de ar pela água, como resultado das flutuações turbulentas do escoamento do líquido. Medidas de vazão de ar e água, perfis de velocidade do escoamento líquido, perfis de concentração de ar no escoamento bifásico, perfis de intensidade turbulenta, comprimentos de jatos no salto sobre o aerador, foram efetuados com o fito de testar modelos que quantificam o enlaçamento de ar. Propostas básicas de quantificação de vazões de ar são apresentadas, fundamentadas em propostas da literatura, que mostram coerência entre vazões medidas diretamente e vazões estimadas. A metodologia desenvolvida no presente estudo permite obter adequadamente as grandezas relevantes para escoamentos aerados de alta velocidade. Quanto aos resultados obtidos, quando confrontados com os da literatura, indicam que há maiores incertezas para as propostas que envolvem principalmente as intensidades turbulentas. / This work is continuation of the research line in high-speed flows, aerations, lead in the Hydraulics Department and Sanitation of the EESC/USP. The work has experimental matrix aiming elucidate at to elucidate aspects of enlacement of air for water, as a result of the fluctuations turbulent of the flow of the liquid. Measures of outflow of air and water, speed profiles of the liquid flow, air concentration profiles in the two-phase flow, profiles of turbulent intensity, lengths of jets on the aerators, had been effected with look if to test models that quantify the enlacement of air. Flows quantification basic proposals of air are presented, based in proposals of the literature, which show coherence between flows measured directly and estimate flows. The methodology developed at study present allows obtaining adequately the important greatnesses for high-speed aerations flows. Regarding the obtained results, when confronted with the of the literature, indicate that exist larger uncertainties for the proposals that involve mostly the turbulent intensities.

Neste trabalho analisam-se escoamentos de correntes de densidade tipo plumas, intrusões e corrente de fundo em torno de obstáculos. Os experimentos foram realizados em duas fases. Na primeira fase dos ensaios, a estratificação ambiente e a obtenção das correntes foram obtidas variando-se a densidade de soluções de água e sal. A visualização das correntes foi feita utilizando-se permanganato de potássio e sua dispersão foi obtida através do registro em câmera filmadora. Na segunda fase, os ensaios de plumas foram realizados com equipamento a laser de vapor de cobre (LVC) envolvendo o método de velocimetria a laser por processamento de imagens (VLPI). Nesta fase, observou-se grande dificuldade na visualização das partículas do escoamento e foi necessário a confecção de um sistema de aquecimento de água para a obtenção do escoamento superficial. É apresentado um modelo numérico em linguagem FORTRAN baseado no método das diferenças finitas para discretização da equação de Navier-Stokes e a obtenção de velocidades longitudinais e transversais. Observou-se, neste trabalho, a importância da visualização do fenômeno de correntes superficiais e intrusivas, tendo em vista a extrema sensibilidade destes fenômenos para com as condições de trabalho (alterações sutis geram grandes diferenças no escoamento obtido). Pode-se concluir que o método VLPI produz resultados satisfatórios para o campo de vetores de velocidade. As correntes intrusivas apresentaram configurações diversas para mesmas condições de escoamento, o que demonstra a necessidade de maiores estudos. O modelo numérico se mostrou coerente para determinados experimentos, mas as condições particulares da entrada dos reservatórios mostra que há a necessidade de implementações para uma forma mais abrangente de situações. / Unstable gravity currents flows like buoyant surface jet (BSJ), intrusions and dense currents around obstacles are analysed in this research. The experiments were performed in two phases. In the first one, the environmental stratification as well as the current flows were obtained varying the density of the water and salt solutions. The current visualization were possible by the use of the KMnO4 dye and its dispersion was recorded by video camera. In the second phase, the runs with plumes were evaluated with a laser vapour copper (LVC) equipment using the processing image velocimetry (PIV) method. In this phase, it was observed a great difficulty in the particle flow visualization and it was necessary a war water system to simulate overflow. It\'s presented a numerical model in fortran language based in the finit difference method to discretisize the Navier-Stokes equation and obtain the transversal and longitudinal velocities. It was noted in this research, the relevance of the visualization in overflows and intrusive flows because of the extreme sensitivity of these phenomenos to work conditions (slightly modifications generates great differences in the flow behaviour). It concludes that the PIV method results good data for vectors velocity field. The intrusive currents show many configurations to the same flow conditions which requires further investigations. The numerical model has shown coherance to particular experiments, but source particularities justifies the necessity of implementation to larger situations.