Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T21:49:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T04:33:03Z : No. of bitstreams: 1 171161.pdf: 52869014 bytes, checksum: fe3f0cb9d69340606f60583e2003afb8 (MD5) / Este trabalho trata da apresentação e o desenvolvimento de uma metodologia para o estudo de problemas com frentes livres existentes em processos em que há o enchimento de uma cavidade, como em processos de fundição ou injeção de plástico. Na primeira parte do texto são detalhados vários aspectos da aplicação do método de volumes finitos usando malhas de Voronoi para o mapeamento do domínio. Problemas clássicos da mecânica dos fluidos computacional são simulados usando esta metodologia. Problemas bi e tridimensionais são investigados. Na continuação do texto, uma metodologia para a captura de frente livre de escoamento é adaptada para o uso de malhas de Voronoi e investigado o enchimento de uma cavidade com fluidos newtonianos e não-newtonianos. Para esta última classe de fluidos foram realizadas comparações com os resultados obtidos utilizando-se um código computacional comercial.

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-16T11:56:28Z No. of bitstreams: 1 ROBSON ARAÚJO DE QUEIROZ - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4819287 bytes, checksum: 89f45f14aa287200cece77886f0bc95d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-16T11:56:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ROBSON ARAÚJO DE QUEIROZ - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4819287 bytes, checksum: 89f45f14aa287200cece77886f0bc95d (MD5) Previous issue date: 2016-09-29 / CNPq / A fruticultura é uma atividade importante em todo mundo, pois movimenta um grande número de mercados, além de promover o desenvolvimento de muitos países. A laranja é a fruta mais produzida no mundo e a segunda mais consumida onde, o Brasil é o maior produtor mundial. Entre as várias formas de conservação desta fruta, para seu consumo in natura, o método de refrigeração por ar forçado é o mais indicado. O objetivo desta pesquisa é estudar teoricamente o resfriamento de leito de frutas não climatéricas com ar forçado, com particular referência a laranja valência (Citrus sinensis O.). Foi realizado uma modelagem matemática para descrever as trocas de massa e energia entre o ar e o produto durante o processo. Para a solução numérica das equações governantes utilizou-se o método dos volumes finitos e função de interpolação upwind. A obtenção dos resultados foi através do desenvolvido de um código computacional no software Mathematica®, onde foram simulados alguns casos distribuídos entre grupos denominados A, B e C. As simulações do grupo A serviram para validar a metodologia e apresentou um erro relativo de 0,061±0,03°C em uma malha de 20 pontos nodais e área específica A*= 180 m²/m³. No segundo grupo, variou-se a altura do leito de laranja (H). Neste grupo, verificou-se que quanto menor o valor deste parâmetro, maior será a eficiência na troca térmica da temperatura do ar de refrigeração com a temperatura das frutas no interior do leito. O terceiro grupo, o grupo C, variou-se o coeficiente de transferência de calor convectivo (hc). Os grupos analisados permitiram avaliar a influência de alguns parâmetros sobre a cinética de resfriamento do leito de laranja valência, tais como: temperatura do produto e do ar de refrigeração, pressão de vapor de saturação do ar e umidade relativa do mesmo. Os resultados foram mostrados e analisado, onde observou-se uma grande influência do hc na cinética de resfriamento do leito da laranja. Quanto maior o valor deste parâmetro, maiores são os gradientes de temperatura do leito e mais rápido ocorre o resfriamento do leito das laranjas. Demonstrando sua importância no processo. / Fruit growing is an important activity worldwide, because it moves a large number of markets, in addition to promoting the development of many countries. Orange is the most widely produced fruit in the world and the second most consumed where, Brazil is the world's largest producer. Among the various forms of conservation of this fruit, for their in natura consumption, the forced air cooling method is most suitable. The objective of this research is to theoretically study the non-climatic fruit bed cooling with forced air, with particular reference to orange valence (Citrus sinensis O.). A mathematical modeling was performed to describe the mass and energy changes between the air and the product during the process. For the numerical solution of the governing equations the finite volume method and the upwind interpolation function were used. The results were obtained through the development of a computer code in Mathematica® software, where some cases distributed among groups denominated A, B and C were simulated. The simulations of group A served to validate the methodology and presented a relative error of 0.061 ± 0.03°C in a mesh of 20 nodal points and specific area A* = 180 m²/m³. In the second group, the height of the orange bed (H) was varied. In this group, it was verified that the lower the value of this parameter, the greater the efficiency in the thermal exchange cooling air temperature with the temperature of the fruit within the bed. The third group, the group C, was varied convective heat transfer coefficients (hc). The groups analyzed to assess the influence of some parameters on the cooling kinetics of valencia orange bed, such as: product temperature and cooling air, air saturation vapor pressure and relative humidity of it. The results were shown and analyzed, where there has been a great influence hc the cooling kinetics of Orange bed. The higher the value of this parameter, the higher the bed temperature gradients and faster cooling of oranges occurs. Showing its importance in the process.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-11-13Bitstream added on 2014-06-13T19:29:59Z : No. of bitstreams: 1 vieira_dgsdr_me_ilha.pdf: 39977587 bytes, checksum: 474017fdd0731decbdde37dd533c1a9a (MD5) / Os métodos de fronteira imersa possibilitam a simulação numérica de escoamentos envolvendo contornos complexos e móveis utilizando-se uma malha euleriana fixa para representar o domínio fluido, associada a um conjunto de pontos lagrangianos para descrever interfaces, sem necessidade de remalhagem do domínio de cálculo. No presente trabalho, um método de fronteira imersa baseado no modelo físico virtual foi implementado em um código computacional já existente, com o objetivo de permitir a simulação do escoamento em torno de cilindros de base circular submetidos a oscilações forçadas ou induzidas pelo movimento do fluido. O programa computacional resolve as equações de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas através do método de volumes finitos, utilizando uma discretização implícita no tempo. Para testar as novas implementações, foram realizadas simulações para cilindros estacionários e em movimento oscilatório forçado, posicionados em meio infinito ou no interior de um canal. Além disso, foi resolvido um problema de interação fluido-estrutura, constituído por um cilindro móvel e indeformável posicionado dentro de um canal vertical, a jusante de uma obstrução, oscilando linearmente sob a ação de um escoamento pulsátil ascendente, tal como ocorre no funcionamento de alguns tipos de válvula automática. Em várias simulações, observou-se a reentrada de núcleos de vorticidade na saída do domínio de cálculo, interferindo na qualidade dos resultados obtidos. Uma função de amortecimento foi, então, introduzida nesta região, para evitar a ocorrência de instabilidades numéricas. Uma análise da performance global do programa de simulação indica que, embora já produza resultados satisfatórios, a modelagem empregada ainda necessita de aprimoramentos para corrigir algumas imperfeições. Além disso, o código computacional precisa... / Immersed boundary methods allow numerical simulation of flows around complex bodies by using a stationary Eulerian mesh to represent the fluid domain associated to a set of Lagrangian points to describe the interfaces without global remeshing of the domain. In the present work, an immersed boundary method based on virtual physical model has been implemented in a previously available computational code in order to simulate flows around circular cylinders submitted to forced or induced oscillations. The improved computational program deploys Navier-Stokes equations in Cartesian coordinates by using with finite volume method and implicit temporal time discretization. In order to test the new code several simulations have been performed for a confined flow around a fix circular cylinder as well as submitted to forced oscillation. Additionally, a problem of fluid-structure interaction formed by a rigid oscillating circular cylinder positioned in a vertical channel after an abrupt obstruction has been analyzed. The cylinder can freely oscillate in the streamwise direction due to action of an ascendant pulsating flow. This type of flow problem is very similar to those occurring in many types of automatic valves. In some simulations spurious backflow of vorticity nucleus at the computational domain outlet has been observed, interfering in the quality of results. Therefore, a convenient damping function has been introduced in that region to suppress such numerical instabilities. A general performance analysis of the program shows very satisfactory results, however suitable changes in the code should be considered to avoid some remaining instabilities as well as minimize the overall time required for the simulation runs

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-30T15:30:11Z No. of bitstreams: 1 FRANCISCA VALDEIZA DE SOUZA TAVARES - DISSERTAÇÃO PPGEM 2013..pdf: 4952773 bytes, checksum: 6f132f4b46839b3a13ba0371ef1fa131 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-30T15:30:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FRANCISCA VALDEIZA DE SOUZA TAVARES - DISSERTAÇÃO PPGEM 2013..pdf: 4952773 bytes, checksum: 6f132f4b46839b3a13ba0371ef1fa131 (MD5) Previous issue date: 2013-08-29 / O presente trabalho tem por objetivo estudar teoricamente a secagem de tijolos cerâmicos vazados em secador de fluxos-cruzados tipo túnel. Foi proposto uma modelagem matemática baseando-se nos balanços de massa e energia, escritos para um volume diferencial localizado numa posição arbitrária da camada de sólido. Para obter a solução numérica das equações governantes, utilizou-se o método dos volumes finitos numa formulação explícita e o esquema “upwind” como função de interpolação para os termos convectivos. A metodologia foi usada para descrever o processo de secagem de tijolos cerâmicos vazados com dimensões industriais, em diferentes condições operacionais. Resultados do teor de umidade e temperatura do produto, umidade absoluta, umidade relativa e temperatura do ar ao longo do leito, em diversos tempos de processo são apresentados, analisados e comparados com dados experimentais reportados na literatura, obtendo-se uma boa concordância. Verificou-se que secagem a temperaturas e umidades relativas moderadas gera produto de boa qualidade pós-secagem. / The present work aims to study theoretically the drying of holed ceramic bricks in a cross-flow tunnel dryer. It was proposed a mathematical model based on mass and energy balances, written for a differential volume located in an arbitrary position of the solid layer. For the numerical solution of the governing equations, the finite volume method in an explicit formulation with the "upwind" squema as interpolation function for the convective terms was used. The methodology was employed to describe the drying of hollow ceramic bricks with industrial dimensions in different operating conditions. Results of the moisture content and temperature of the product, and absolute humidity, relative humidity and temperature of the air along the bed at different times of the process are presented, analyzed and compared with experimental data reported in the literature. A good agreement was obtained. Results show that drying process at moderate temperatures and relative humidities produces good quality products.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:57:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AdrianoSB.pdf: 1824941 bytes, checksum: 9594a533193a54f04b78499b7820f209 (MD5) Previous issue date: 2007-07-30 / The processing of materials through plasma has been growing enough in the last times in several technological applications, more specifically in surfaces treatment. That growth is due, mainly, to the great applicability of plasmas as energy source, where it assumes behavior thermal, chemical and/or physical. On the other hand, the multiplicity of simultaneous physical effects (thermal, chemical and physical interactions) present in plasmas increases the complexity for understanding their interaction with solids. In that sense, as an initial step for the development of that subject, the present work treats of the computational simulation of the heating and cooling processes of steel and copper samples immersed in a plasma atmosphere, by considering two experimental geometric configurations: hollow and plane cathode. In order to reach such goal, three computational models were developed in Fortran 90 language: an one-dimensional transient model (1D, t), a two-dimensional transient model (2D, t) and a two-dimensional transient model (2D, t) which take into account the presence of a sample holder in the experimental assembly. The models were developed based on the finite volume method and, for the two-dimensional configurations, the effect of hollow cathode on the sample was considered as a lateral external heat source. The main results obtained with the three computational models, as temperature distribution and thermal gradients in the samples and in the holder, were compared with those developed by the Laboratory of Plasma, LabPlasma/UFRN, and with experiments available in the literature. The behavior showed indicates the validity of the developed codes and illustrate the need of the use of such computational tool in that process type, due to the great easiness of obtaining thermal information of interest / O processamento de materiais por plasmas tem crescido bastante nos ?ltimos tempos em diversas aplica??es tecnol?gicas, mais especificamente no tratamento de superf?cies. Esse crescimento se deve, principalmente, pela grande aplicabilidade do plasma como fonte energ?tica. Por outro lado, a multiplicidade de efeitos simult?neos presentes no plasma, (intera??es t?rmicas, qu?micas e f?sicas) aumenta a complexidade para entendimento da sua intera??o com s?lidos. Nesse sentido, como um passo inicial para o desenvolvimento desse tema, o presente trabalho trata da simula??o computacional de aquecimento e resfriamento de amostras de a?o e cobre em ambientes de plasma, considerando-se duas configura??es geom?tricas: catodo oco e catodo planar. Para tal, tr?s modelos computacionais foram desenvolvidos na linguagem Fortran 90: um modelo unidimensional transiente sem suporte (1D,t), um modelo bidimensional transiente sem suporte (2D,t) e um modelo bidimensional transiente (2D,t) que considera a presen?a de um suporte na montagem experimental. Os modelos foram desenvolvidos utilizando-se o m?todo dos volumes finitos e, para as situa??es bidimensionais, o efeito de catodo oco sobre a amostra foi considerado como uma fonte externa de calor lateral. Os resultados obtidos com os tr?s modelos computacionais, como a distribui??o de temperatura nas amostras e nos suportes, os seus gradientes t?rmicos, em fun??o de alguns experimentos de aquecimento e resfriamento desenvolvidos pelo Laborat?rio de Plasma, LabPlasma/UFRN, e de experimentos reportados na literatura, apontam para a validade dos c?digos desenvolvidos e ilustram a necessidade da utiliza??o dessa ferramenta nesse tipo de processo, pela sua facilidade de disponibiliza??o de informa??es t?rmicas de interesse

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FedericoMFL_DISSERT.pdf: 2137838 bytes, checksum: c8b9de2a502cfe7f76f5a2829ec91615 (MD5) Previous issue date: 2011-02-17 / Multiphase flows in ducts can adopt several morphologies depending on the mass fluxes and the fluids properties. Annular flow is one of the most frequently encountered flow patterns in industrial applications. For gas liquid systems, it consists of a liquid film flowing adjacent to the wall and a gas core flowing in the center of the duct. This work presents a numerical study of this flow pattern in gas liquid systems in vertical ducts. For this, a solution algorithm was developed and implemented in FORTRAN 90 to numerically solve the governing transport equations. The mass and momentum conservation equations are solved simultaneously from the wall to the center of the duct, using the Finite Volumes Technique. Momentum conservation in the gas liquid interface is enforced using an equivalent effective viscosity, which also allows for the solution of both velocity fields in a single system of equations. In this way, the velocity distributions across the gas core and the liquid film are obtained iteratively, together with the global pressure gradient and the liquid film thickness. Convergence criteria are based upon satisfaction of mass balance within the liquid film and the gas core. For system closure, two different approaches are presented for the calculation of the radial turbulent viscosity distribution within the liquid film and the gas core. The first one combines a k- Ɛ one-equation model and a low Reynolds k-Ɛ model. The second one uses a low Reynolds k- Ɛ model to compute the eddy viscosity profile from the center of the duct right to the wall. Appropriate interfacial values for k e Ɛ are proposed, based on concepts and ideas previously used, with success, in stratified gas liquid flow. The proposed approaches are compared with an algebraic model found in the literature, specifically devised for annular gas liquid flow, using available experimental results. This also serves as a validation of the solution algorithm / Em escoamentos de mais de uma fase em dutos, estas podem adquirir diferentes morfologias, dependendo das vaz?es e das propriedades dos fluidos escoando. Dentre estes padr?es de escoamento, um dos mais comumente encontrados em aplica??es industriais ? o padr?o anular. Para sistemas de g?s l?quido este padr?o consiste em um filme de l?quido escoando pelas paredes e um n?cleo de g?s com gotas de l?quido escoando na regi?o central. Neste trabalho se apresenta um estudo num?rico deste padr?o de escoamento em dutos verticais, especificamente em sistemas g?s l?quido. Para tanto, foi desenvolvido e implementado em linguagem FORTRAN 90 um algoritmo de solu??o para a resolu??o num?rica do sistema de equa??es de transporte que governam o fen?meno. As equa??es de conserva??o da massa e quantidade de movimento s?o resolvidas de forma simult?nea desde o centro ? parede do duto, atrav?s do M?todo dos Volumes Finitos. Na interface g?s l?quido a conserva??o do fluxo de quantidade de movimento ? garantida atrav?s da utiliza??o de uma difusividade equivalente, o que tamb?m possibilita a solu??o do campo de velocidades atrav?s de um ?nico sistema de equa??es. Desta forma, os perfis de velocidades no n?cleo de g?s e no filme l?quido s?o obtidos iterativamente, juntamente com o gradiente de press?o global e a espessura m?dia do filme l?quido, utilizando a condi??o de que os balan?os globais de massa no n?cleo de g?s e no filme l?quido sejam satisfeitos. Para o fechamento do sistema s?o apresentadas duas propostas para o c?lculo da distribui??o radial da viscosidade turbulenta, tanto no n?cleo de g?s quanto dentro do filme. Uma proposta combina um modelo k-L a uma equa??o e um modelo k-Ɛ de baixos Reynolds. A segunda utiliza somente um modelo k-Ɛ de baixos Reynolds para calcular a viscosidade turbulenta desde o centro ? parede. Prop?em-se valores de k e Ɛ na interface adequados para escoamento g?s l?quido em padr?o anular, baseando-se em conceitos utilizados em estudos de escoamento g?s l?quido estratificado. Os modelos propostos s?o validados e comparados com um modelo alg?brico encontrado na literatura, especificamente desenvolvido para escoamento anular g?s l?quido, utilizando dados experimentais dispon?veis. Isto serve ao mesmo tempo como valida??o do algoritmo de solu??o

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / With the aim of develop a computational tool for thermodynamic optimization of heat exchangers, a computational code was implemented to solve the Navier-Stokes equations in an axisymmetric domain using the finite volume method and central differencing with Runge-Kutta explicit temporal advance and pressure-velocity coupling of fractional step type. This work presents results of the numeric simulation of the fully developed flow with heat transfer in a tube of circular section with ribs or obstacles, periodically spaced in the flow direction. The simulations were carried out in two regimes, laminar and turbulent, out of the completely rough region, and in four different geometries. In the cases with the high Reynolds number, the Smagorinsky subgrid model with damping function was used to include the effects of the quasi-two-dimensional scales not solved. In both cases, the primitive variables were decomposed to use periodic boundary conditions in the flow direction and non-slip boundary conditions in the walls. The results obtained in laminar regime are satisfactory. In the turbulent regime the results show the deficiency of the Smagorinsky subgrid model, when it is applied in two-dimensional domains. / Com o objetivo de desenvolver uma ferramenta computacional que permita a otimização termodinâmica de trocadores de calor, foi implementado um código computacional para resolver as equações de Navier-Stokes num domínio axissimétrico, usando o método dos volumes finitos e diferenças centradas, com esquema temporal explícito de Runge Kutta e acoplamento pressão-velocidade do tipo passo fracionário. Neste trabalho são apresentados resultados da simulação numérica de escoamentos completamente desenvolvidos e com troca de calor, em um tubo de seção circular com nervuras ou obstáculos periodicamente espaçados na direção do escoamento. As simulações foram feitas em dois regimes, laminar e turbulento, fora da região completamente rugosa, e para quatro geometrias diferentes. Nos casos com números de Reynolds mais elevados, foi empregado o modelo de turbulência sub-malha de Smagorinsky com função de amortecimento, para incluir os efeitos das escalas quase bidimensionais não-resolvidas. Em ambos os casos, as variáveis primitivas foram decompostas para empregar condições de contorno periódicas na direção do escoamento e de não-escorregamento nas paredes. Os resultados obtidos em regime laminar são satisfatórios e, em regime turbulento, mostram a deficiência do modelo sub-malha de Smagorinsky, quando aplicado em domínios bidimensionais. / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T02:03:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dionisio_RenatoPrado_M.pdf: 2692662 bytes, checksum: d52cd80b3a64bf352c034ca0e8b2835e (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Colunas de bolhas são equipamentos utilizados para realizar operações de transferência de massa e/ou calor entre uma fase gasosa e uma fase líquida, ou entre uma fase gasosa e uma fase sólida dissolvida ou suspensa na fase líquida com ou sem reação química. Elas são equipamentos de simples operação, mas que apresentam uma fluidodinâmica bastante complexa. Seu funcionamento básico é dado pela injeção de um gás (fase dispersa) na base da coluna em um meio líquido (fase contínua). Elas são empregadas nas mais diversas áreas industriais, como processos de química fina, reações de oxidação, reações de alquilação, síntese de Fischer-Tropsch, tratamento de efluentes, reações de fermentação e produção de proteínas, e mais recentemente, em cultura de células devido à sua simplicidade de construção e operação. Processos que utilizam esse tipo equipamento se aproveitam das vantagens que eles apresentam como o fato de não possuírem partes móveis e propiciarem uma grande área de contato entre as fases e conseqüentes taxas elevadas de transferência de massa e calor, o que favorece tanto as reações químicas quanto as biológicas. O objetivo deste trabalho foi analisar computacionalmente, através da fluidodinâmica computacional (CFD), a influência de parâmetros geométricos (diferentes tipos de distribuidor de fase gasosa e recirculação externa da fase líquida na coluna) na fluidodinâmica do sistema. Foram realizadas simulações tridimensionais de colunas de bolhas empregando o pacote computacional ANSYS/CFX 5.11 que utiliza o método dos volumes finitos na discretização das equações diferenciais que governam o escoamento em colunas de bolhas de escala de laboratório. Foi observado que a inclusão de distribuidores de fase gasosa na malha computacional acarretou em melhor predição dos perfis de fração volumétrica de gás nas colunas, resolvendo os problemas de aproximações geométricas arbitrárias sobre a forma de se distribuir o gás pela coluna em casos que a simples injeção uniforme apresenta problemas. A utilização dessa abordagem, no entanto, deve ser cuidadosamente considerada devido ao aumento do esforço computacional. Também foi observada uma mudança notável no comportamento do perfil de velocidade axial da fase líquida devido à utilização de uma recirculação externa à coluna (External Loop), acarretando um decréscimo no valor total de fração volumétrica de gás na coluna (Total gas hold-up). No equipamento com o "Externalloop", o perfil de velocidade axial do líquido é ascendente em todo o corpo principal da coluna, diferindo das colunas cilíndricas verticais que possuem fluxo ascendente no centro da coluna e descendente nas regiões próximas às paredes. Os resultados mostraram que a metodologia utilizada no trabalho é adequada e capaz de prever comportamentos importantes nos equipamentos bifásicos em questão / Abstract: Bubble columns are equipments used to perform mass and heat transfer operations between a gas and a liquid phase, or between a gas phase and a solid phase dissolved or suspended in the liquid phase with or without chemical reaction. They are of simple operation, but offer room for a quite complex multiphase flow. Its basic operation is given by the injection of a gas phase (dispersed phase) at the base of the column passing through a liquid medium (continuous phase). They are employed in a broad variety of industrial sectors, such as processes of fine chemicals, oxidation reactions, alkylation reactions, Fischer- Tropsch synthesis, effluents treatment, fermentation and production of proteins and more recently in cell culture because of its simplicity of construction and operation. Processes that use such equipment take advantage of the fact that they have no moving parts and offer a high contact area between phases and consequent elevated mass and heat transfer rates, which favours both chemical and biological reactions. 'The goal of this study is to use computational fluid dynamics (CFD) to examine the influence of geometric parameters (different types of gas spargers and a liquid phase external loop recirculation) and some approximations usually made in computational studies published in the literature. In this work three-dimensional simulations of bubble columns were performed using ANSYS/CFX 5.11 computational package, which handles the finite volume method for discretizing the differential equations representing the flow in order to study laboratory scale bubble columns. It was observed that the inclusion of gas spargers in the computational mesh of bubble column simulations improved the description of the gas volume fraction profiles in the columns and solved the problems of arbitrary decisions on how to distribute the entering gas in cases where the simple uniform injection present problems. Using this approach, however, should be considered with care due to additional computational effort needed to achieve the desired solution. There was also a remarkable change in the behavior of the liquid phase axial velocity profiles due to the use of an external loop to the column, causing a decrease in the value of the total amount of gas present in the column (Total gas holdup). In the external loop equipment, the liquid axial velocity profile is upward throughout the entire main column, differing from cylindrical vertical columns in which the liquid flow is upward at the center of the column and is downward in regions near the walls. The results showed that the methodology used in this work is adequate, and able to predict bubble column and other two-phase equipment behaviour / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Este trabalho apresenta o resultado da aplicação do Método dos Volumes Finitos, adotado pelo software comercial Star-CCM+ na simulação para o regime permanente de escoamentos turbulentos incompressíveis e compressíveis sobre seções de aerofólios. Para o caso incompressível modelam-se seções do aerofólio NACA 0012 com ângulo de ataque zero. Para o caso compressível, uma seção do aerofólio supercrítico OAT15A em pequeno ângulo de ataque é modelada. Os domínios computacionais são discretizados por malhas não estruturadas de células poliédricas ou por malhas estruturadas de geração hiperbólica para diferentes topologias e parâmetros construtivos determinados pela estimativa de grandezas do fenômeno físico, como a altura da primeira camada de células quadrilaterais junto à parede. A qualidade e adequação dessas malhas para as simulações são verificadas por estudo de dependência quanto ao nível de refinamento e também quanto à posição do contorno onde o escoamento é livre no caso de escoamento compressível. Na metodologia de verificação, o índice de convergência de malha GCI e a ordem observada de convergência do método (dos Volumes Finitos) são obtidos para três níveis de refinamento com o propósito de selecionar uma malha de trabalho que concilie precisão e esforço computacional com os recursos disponíveis. As simulações são conduzidas para dois modelos de turbulência – o modelo Spalart-Allmaras e o modelo k-ω/SST. Os resultados obtidos pela aplicação desses modelos são interpretados sob o ponto de vista fenomenológico e comparados com os resultados experimentais disponíveis em literatura. / The Finite Volumes Method adopted by the commercial software Star-CCM+ is applied to the simulation of the steady state regime of incompressible and compressible turbulent flows over selected airfoil’s sections. The physical model used with the incompressible flow case is a NACA 0012 airfoil section at zero angle of attack. The ONERA’s OAT15A supercritical airfoil section at small angle of attack applies to the compressible flow case. The computational domains are discretized by structured and unstructured meshes for different topologies and far field configurations. The structured meshes are of the quadrilateral type with hyperbolic node distribution whilst the unstructured meshes use polyhedral cells. The grids are generated by applying a methodology where estimates of the flow variables are used as input for the grid’s constructive parameters like the near wall cell thickness. Grid dependency studies are carried out in order to verify the grid’s quality and suitability to represent the physical phenomena. The grid’s asymptotic convergence index GCI and its observed order of convergence are evaluated for three refinement levels and far field position for the compressible flow cases. The objective is to select the most suitable grid taking into account the accuracy requirements and the computational resources available. The one-equation Spalart-Allmaras turbulence model and the two-equation k-ω/SST turbulence models are used. The numerical results are discussed from the physical point of view and compared with the experimental ones available in literature.