Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos em canais compostos. Simulação de grandes escalas e método dos elementos finitos, em paralelo com medições utilizando anemômetros de fio quente em um canal aerodinâmico são realizadas. Canais compostos estão presentes em muitas aplicações de engenharia. Dispositivos eletrônicos, trocadores de calor, reatores nucleares, canais de irrigação e planícies de inundação são alguns dos desafios enfrentados pela engenharia. A combinação de simulação de grandes escalas e o método dos elementos finitos para a investigação de escoamentos turbulentos pode ser de grande importância para o estudo dos escoamentos na engenharia. No caso dos escoamentos através dos canais compostos, publicações neste tema são ainda raros. Os principais objetivos deste trabalho são: analisar o escoamento de um fluido viscoso, incompressível e isotérmicas em um canal composto, empregando um código de computação tridimensional apresentado por Petry em 2002, que realiza simulação de grandes escalas com o método dos elementos finitos, para comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais do escoamento turbulento em um canal composto cuja geometria é exactamente reproduzida pela malha numérica, para verificar a validade do método numérico e o comportamento de modelos em escala subgrade para reproduzir o fluxo no canal composto investigado; e comparar a eficácia dos esquemas Taylor-Galerkin e dois passos para analisar os resultados. O canal investigado consiste em um canal principal com seção transversal retangular, conectado a uma fenda retangular estreita. No código numérico, o modelo clássico de Smargorinsky é comparado com o modelo dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al. 1991. A segunda filtragem do processo dinâmico é feita através dos elementos finitos independentes propostos por Petry, 2002. Para a implementação do algoritmo, o método dos elementos finitos é usado, Taylor-Galerkin e esquemas dois passos são usados para a discretização no tempo e no espaço e de ligação das equações governantes. O domínio computacional é discretizadas por intermédio de elementos lineares hexaédricos. Os resultados obtidos a partir simulações de grandes escalas, usando o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo dinâmico de submalha; mostram o desenvolvimento de uma camada de cisalhamento na direção principal do escoamento com características dinâmicas regidas pelos perfis de velocidade média. Os resultados da simulação mostraram boa concordância com os dados experimentais dos perfis de velocidade média, intensidade de turbulência e tensão de cisalhamento turbulenta. Em geral, o modelo dinâmico com o esquema de duis passos foi mais eficiente para reproduzir estruturas turbulentas, em comparação com o modelo Smagorinsky e o esquema Taylor-Galerkin particularmente ao longo da região da fenda do canal. / This work presents an experimental and numerical study of turbulent flows in compound channels. Large eddy simulation and finite element method in parallel with hot wires measurements in an aerodynamic channel are employed. Compound channels are present in many engineering applications like in electronic devices, heat exchangers, nuclear reactors and irrigation channels and flooding plains are some of the challenges faced by mechanical engineering. The combination of large eddy simulation and the finite element method for the investigation of turbulent flows can be of great relevance to the study of engineering flows. In the case of flows through compound channels, publications in this subject are still rare. The main objectives in this work are: to analyze the flow of viscous, incompressible and isothermal fluids in a compound channel; employing a three-dimensional computation code presented by Petry, 2002, which performs large eddy simulation with the finite element method; to compare the numerical results with experimental results of the turbulent flow in a compound channel whose geometry is exactly reproduced by the numerical mesh; to check the validity of the numerical method and the behavior of subgrid scale models to reproduce the flow in the compound channel investigated and compare the efficacy of the Taylor-Galerkin and Two-Steps schemes in analyzing the results. The compound channel investigated consists of a rectangular channel connected to a rectangular shaped slot. In the numerical code, Smargorinsky´s classical model is compared to the dynamic model of turbulent viscosity, initially proposed by Germano et al. The second filtering of the dynamic process is made through the independent finite elements proposed by Petry, 2002. For the implementation of the algorithm, the finite element method is used, Taylor- Galerkin and Two-Steps schemes are used for discretization in time and space and to link governing equations. The computational domain is discretized by means of linear hexahedrical elements. The results obtained from large eddy simulations, using the classical model of Smagorinsky and the Dynamic subgrid scale model show the development of a shear layer in the main direction of flow with dynamic characteristics governed by the mean velocity profiles. The simulation results showed good agreement compared to experimental data, and analysis of the profiles of mean velocity, turbulence intensities and turbulent shear stress. In general, dynamic model with the two-steps scheme was more able to reproduce turbulent structures in comparison with the Smagorinsky model with Taylor-Galerkin scheme, particularly along the channel slot.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-12-16Bitstream added on 2014-06-13T19:06:57Z : No. of bitstreams: 1 eguti_cca_me_ilha.pdf: 4013696 bytes, checksum: 9efc5c11950fccddb62667186e778ef2 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Anemômetros de fio quente são sensíveis instrumentos capazes de medir variações de velocidade nos mais diversos tipos de escoamentos, sejam eles gasosos ou líquidos. Um delicado filamento metálico é aquecido por uma corrente elétrica a qual gera calor por efeito Joule e transfere parte dessa energia para o escoamento incidente, sendo esta troca de calor proporcional a velocidade do fluído, definindo assim o princípio básico de funcionamento da anemometria de fio quente. Quando este filamento é montado num circuito tipo ponte de Wheatstone, pode-se relacionar a troca de calor no filamento através da variação de sua resistência elétrica fazendo o uso de circuitos eletrônicos especiais. Este trabalho aborda os conceitos básicos da anemometria de fio quente, seus circuitos de controle principais e seus modos de operação, mostrando diferentes métodos para calibração de sondas de fio quente em escoamentos gasosos, além de apresentar uma metodologia completa para construção de um sistema básico de anemômetro de fio quente de temperatura constante. Dois dispositivos foram construídos e testados sendo avaliados quanto ao seu funcionamento e sua resposta em freqüência. / Hot wire anemometers are sensitive instruments capable of measuring fluctuation of speed in many fluid flows, gaseous or liquid. A delicate metallic filament is heated by an electric current (Joule effect) and cooled by incident flow, this heat exchange is proportional of the fluid speed, defining the basic phenomenon of hot-wire anemometry. When this filament is mounted on an arm of Wheatstone bridge, the heat lost by the filament can be related its electric resistance when special electronic circuits are used. This work presents the concepts of hot-wire anemometry, its main control circuits and its operation mode, showing the basic methods for hot wire calibration with gaseous flows, besides presenting a complete methodology for construction of a basic constant temperature hot-wire anemometer system, based on the tests of two experimental circuits which are evaluated by electronic tests and its frequency response.

Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos em canais compostos. Simulação de grandes escalas e método dos elementos finitos, em paralelo com medições utilizando anemômetros de fio quente em um canal aerodinâmico são realizadas. Canais compostos estão presentes em muitas aplicações de engenharia. Dispositivos eletrônicos, trocadores de calor, reatores nucleares, canais de irrigação e planícies de inundação são alguns dos desafios enfrentados pela engenharia. A combinação de simulação de grandes escalas e o método dos elementos finitos para a investigação de escoamentos turbulentos pode ser de grande importância para o estudo dos escoamentos na engenharia. No caso dos escoamentos através dos canais compostos, publicações neste tema são ainda raros. Os principais objetivos deste trabalho são: analisar o escoamento de um fluido viscoso, incompressível e isotérmicas em um canal composto, empregando um código de computação tridimensional apresentado por Petry em 2002, que realiza simulação de grandes escalas com o método dos elementos finitos, para comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais do escoamento turbulento em um canal composto cuja geometria é exactamente reproduzida pela malha numérica, para verificar a validade do método numérico e o comportamento de modelos em escala subgrade para reproduzir o fluxo no canal composto investigado; e comparar a eficácia dos esquemas Taylor-Galerkin e dois passos para analisar os resultados. O canal investigado consiste em um canal principal com seção transversal retangular, conectado a uma fenda retangular estreita. No código numérico, o modelo clássico de Smargorinsky é comparado com o modelo dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al. 1991. A segunda filtragem do processo dinâmico é feita através dos elementos finitos independentes propostos por Petry, 2002. Para a implementação do algoritmo, o método dos elementos finitos é usado, Taylor-Galerkin e esquemas dois passos são usados para a discretização no tempo e no espaço e de ligação das equações governantes. O domínio computacional é discretizadas por intermédio de elementos lineares hexaédricos. Os resultados obtidos a partir simulações de grandes escalas, usando o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo dinâmico de submalha; mostram o desenvolvimento de uma camada de cisalhamento na direção principal do escoamento com características dinâmicas regidas pelos perfis de velocidade média. Os resultados da simulação mostraram boa concordância com os dados experimentais dos perfis de velocidade média, intensidade de turbulência e tensão de cisalhamento turbulenta. Em geral, o modelo dinâmico com o esquema de duis passos foi mais eficiente para reproduzir estruturas turbulentas, em comparação com o modelo Smagorinsky e o esquema Taylor-Galerkin particularmente ao longo da região da fenda do canal. / This work presents an experimental and numerical study of turbulent flows in compound channels. Large eddy simulation and finite element method in parallel with hot wires measurements in an aerodynamic channel are employed. Compound channels are present in many engineering applications like in electronic devices, heat exchangers, nuclear reactors and irrigation channels and flooding plains are some of the challenges faced by mechanical engineering. The combination of large eddy simulation and the finite element method for the investigation of turbulent flows can be of great relevance to the study of engineering flows. In the case of flows through compound channels, publications in this subject are still rare. The main objectives in this work are: to analyze the flow of viscous, incompressible and isothermal fluids in a compound channel; employing a three-dimensional computation code presented by Petry, 2002, which performs large eddy simulation with the finite element method; to compare the numerical results with experimental results of the turbulent flow in a compound channel whose geometry is exactly reproduced by the numerical mesh; to check the validity of the numerical method and the behavior of subgrid scale models to reproduce the flow in the compound channel investigated and compare the efficacy of the Taylor-Galerkin and Two-Steps schemes in analyzing the results. The compound channel investigated consists of a rectangular channel connected to a rectangular shaped slot. In the numerical code, Smargorinsky´s classical model is compared to the dynamic model of turbulent viscosity, initially proposed by Germano et al. The second filtering of the dynamic process is made through the independent finite elements proposed by Petry, 2002. For the implementation of the algorithm, the finite element method is used, Taylor- Galerkin and Two-Steps schemes are used for discretization in time and space and to link governing equations. The computational domain is discretized by means of linear hexahedrical elements. The results obtained from large eddy simulations, using the classical model of Smagorinsky and the Dynamic subgrid scale model show the development of a shear layer in the main direction of flow with dynamic characteristics governed by the mean velocity profiles. The simulation results showed good agreement compared to experimental data, and analysis of the profiles of mean velocity, turbulence intensities and turbulent shear stress. In general, dynamic model with the two-steps scheme was more able to reproduce turbulent structures in comparison with the Smagorinsky model with Taylor-Galerkin scheme, particularly along the channel slot.

Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos em canais compostos. Simulação de grandes escalas e método dos elementos finitos, em paralelo com medições utilizando anemômetros de fio quente em um canal aerodinâmico são realizadas. Canais compostos estão presentes em muitas aplicações de engenharia. Dispositivos eletrônicos, trocadores de calor, reatores nucleares, canais de irrigação e planícies de inundação são alguns dos desafios enfrentados pela engenharia. A combinação de simulação de grandes escalas e o método dos elementos finitos para a investigação de escoamentos turbulentos pode ser de grande importância para o estudo dos escoamentos na engenharia. No caso dos escoamentos através dos canais compostos, publicações neste tema são ainda raros. Os principais objetivos deste trabalho são: analisar o escoamento de um fluido viscoso, incompressível e isotérmicas em um canal composto, empregando um código de computação tridimensional apresentado por Petry em 2002, que realiza simulação de grandes escalas com o método dos elementos finitos, para comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais do escoamento turbulento em um canal composto cuja geometria é exactamente reproduzida pela malha numérica, para verificar a validade do método numérico e o comportamento de modelos em escala subgrade para reproduzir o fluxo no canal composto investigado; e comparar a eficácia dos esquemas Taylor-Galerkin e dois passos para analisar os resultados. O canal investigado consiste em um canal principal com seção transversal retangular, conectado a uma fenda retangular estreita. No código numérico, o modelo clássico de Smargorinsky é comparado com o modelo dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al. 1991. A segunda filtragem do processo dinâmico é feita através dos elementos finitos independentes propostos por Petry, 2002. Para a implementação do algoritmo, o método dos elementos finitos é usado, Taylor-Galerkin e esquemas dois passos são usados para a discretização no tempo e no espaço e de ligação das equações governantes. O domínio computacional é discretizadas por intermédio de elementos lineares hexaédricos. Os resultados obtidos a partir simulações de grandes escalas, usando o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo dinâmico de submalha; mostram o desenvolvimento de uma camada de cisalhamento na direção principal do escoamento com características dinâmicas regidas pelos perfis de velocidade média. Os resultados da simulação mostraram boa concordância com os dados experimentais dos perfis de velocidade média, intensidade de turbulência e tensão de cisalhamento turbulenta. Em geral, o modelo dinâmico com o esquema de duis passos foi mais eficiente para reproduzir estruturas turbulentas, em comparação com o modelo Smagorinsky e o esquema Taylor-Galerkin particularmente ao longo da região da fenda do canal. / This work presents an experimental and numerical study of turbulent flows in compound channels. Large eddy simulation and finite element method in parallel with hot wires measurements in an aerodynamic channel are employed. Compound channels are present in many engineering applications like in electronic devices, heat exchangers, nuclear reactors and irrigation channels and flooding plains are some of the challenges faced by mechanical engineering. The combination of large eddy simulation and the finite element method for the investigation of turbulent flows can be of great relevance to the study of engineering flows. In the case of flows through compound channels, publications in this subject are still rare. The main objectives in this work are: to analyze the flow of viscous, incompressible and isothermal fluids in a compound channel; employing a three-dimensional computation code presented by Petry, 2002, which performs large eddy simulation with the finite element method; to compare the numerical results with experimental results of the turbulent flow in a compound channel whose geometry is exactly reproduced by the numerical mesh; to check the validity of the numerical method and the behavior of subgrid scale models to reproduce the flow in the compound channel investigated and compare the efficacy of the Taylor-Galerkin and Two-Steps schemes in analyzing the results. The compound channel investigated consists of a rectangular channel connected to a rectangular shaped slot. In the numerical code, Smargorinsky´s classical model is compared to the dynamic model of turbulent viscosity, initially proposed by Germano et al. The second filtering of the dynamic process is made through the independent finite elements proposed by Petry, 2002. For the implementation of the algorithm, the finite element method is used, Taylor- Galerkin and Two-Steps schemes are used for discretization in time and space and to link governing equations. The computational domain is discretized by means of linear hexahedrical elements. The results obtained from large eddy simulations, using the classical model of Smagorinsky and the Dynamic subgrid scale model show the development of a shear layer in the main direction of flow with dynamic characteristics governed by the mean velocity profiles. The simulation results showed good agreement compared to experimental data, and analysis of the profiles of mean velocity, turbulence intensities and turbulent shear stress. In general, dynamic model with the two-steps scheme was more able to reproduce turbulent structures in comparison with the Smagorinsky model with Taylor-Galerkin scheme, particularly along the channel slot.

A presente tese se refere ao estudo do efeito de uma rugosidade tri-dimensional sobre a evolução de ondas Tollmien-Schlichting (T-S) em uma camada limite do tipo Blasius. Os experimentos foram realizados em condições controladas sobre um aerofólio cujo perfil permitiu a obtenção de uma extensa região de escoamento sem gradiente de pressão. As ondas T-S foram excitadas artificialmente utilizando-se uma fonte pneumática localizada a montante da rugosidade. A interação entre a onda T-S gerada e a rugosidade ocorreu a alguns comprimentos de onda a jusante da fonte. Foi utilizado nos experimentos uma rugosidade com altura oscilatória. A freqüência de oscilação da rugosidade foi aproximadamente 1500 vezes menor do que a freqüência das ondas T-S excitadas. Sendo assim, assumiu-se a rugosidade como sendo estacionária em relação as ondas geradas. A medição do comportamento das ondas de instabilidade bem como o campo de velocidade média do escoamento foram feitas utilizando-se a técnica de anemometria a fio quente. Os resultados obtidos mostram uma amplificação de perturbações em uma pequena faixa de números de onda transversal. Comparações entre os resultados experimentais e os obtidos a partir da teoria de instabilidade secundária da camada limite são apresentadas no trabalho. Essas comparações sugerem que nos experimentos ocorreu a amplificação das perturbações devido a instabilidade secundária do tipo K, ou fundamental. / The current thesis is devoted to a study of the effect of a shallow 3-D roughness element on the evolution of a 2-D Tollmien-Schlichting wave in a Blasius boundary layer. The experiments were carried out under controlled disturbance conditions on an airfoil section which could provide a long run with zero pressure gradient flow. A pneumatically driven slit source was used to introduce the T-S wave upstream of the lower branch of the neutral stability curve. A few wavelengths downstream, the T-S wave interacted with a cylindrical roughness element. The height of the roughness was slowly oscillating in time, which allowed a continuous measurement of the T-S wave response downstream of the roughness. The oscillation frequency was approximately 1500 times lower than the frequency of the Tollmien-Schlichting wave and therefore, behaved as a steady roughness with respect to the T-S wave. Hot wire anemometry was used to measure wall normal profiles of longitudinal velocity and spanwise scans close to the maximum of the eigenfunction of the T-S wave. The oscillation of the roughness and the synchronization of all equipments permitted the use of ensemble average techniques. The experimental results were compared with the boundary layer secondary instability theory. The analysis of the compared results suggests that the disturbances were amplified by a resonance mechanism known as K-type or fundamental.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-28T20:29:05Z No. of bitstreams: 1 TONY CARLOS MOURA CAVALCANTI – TESE (PPGEEI) 2016.pdf: 4469755 bytes, checksum: 884382b3c566b4aca499dc522be900ab (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-28T20:29:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TONY CARLOS MOURA CAVALCANTI – TESE (PPGEEI) 2016.pdf: 4469755 bytes, checksum: 884382b3c566b4aca499dc522be900ab (MD5) Previous issue date: 2016-12-12 / CNPq / O objetivo neste trabalho é propor um sistema para a hidrometria na faixa de submedição utilizando a anemometria térmica. O objetivo de medir vazão está presente em muitos campos da ciência, sendo necessário sabermos quais os valores de um material foram consumidos com o menor erro possível. Na primeira parte da pesquisa foram realizadas simulações em ambiente multifísico para identificar as condições de trabalho e possíveis pontos de localização do sensor. Para poder usar o sensor, é necessário conhecer valores limítrofes de trabalho do mesmo, ou seja, a faixa de operação, indicando assim a vazão mínima e máxima de operação do sensor anemométrico. Portanto, na segunda etapa do trabalho, foi proposta uma plataforma com um sistema de bombeamento para testar o sistema de medição proposto. A plataforma foi construída de modo a permitir que um fluído flua através de uma tubulação e, assim, determinar qual é a velocidade do fluído e, portanto, a vazão. / The objective of this work is to propose a system for the hydrometry in the sub-measurement range using thermal anemometry. The objective of measuring flow is present in many fields of science, it is necessary to know what values of a material were performed using COMSOL software to identify working conditions and maximum flow rate of the anemometric sensor. Therefore, in the second stage of the work, a platform with a pumping system was proposed in order to test the proposed measurement system. The platform was constructed so as to allow a fluid to flow through a pipeline, and thereby determine what the velocity of the fluid, and hence the flow, is.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A presente tese e voltada à investigação da dinâmica das partículas em um riser de leito fluidizado circulante (CFB). Os leitos fluidizados sao comumente encontrados em aplicações de diversas areas industriais, como na secagem e revestimento de partículas, na polimerizaçao, na combustao e gaseificacao de carvão ou biomassa, no craqueamento catalítico de gasóleo. Dada a importancia da compreensão fenomenologica dos mecanismos que ocorrem nestes equipamentos, este trabalho utiliza de experimentacães física material e numerica para investigar, descrever e prever o escoamento gas-solido ascendente em escala piloto. Para isso, a Unidade Piloto de Riser e Ciclones foi projetada e construída, bem como seu controle e sistema de medicão optica, a Anemometria por Efeito Doppler (PDA). O escoamento tambem foi avaliado por Fluidodinamica Computacional, como um segundo pilar sobre o qual a presente tese esta suportada, atraves da solucao de um modelo matematico euleriano-lagrangeano transiente de partícula pontual, que considera colisães entre partículas e delas com paredes rugosas do riser, implementado no codigo UNSCYFL3D. Os resultados de ambas simulacoes física material e numerica dos estudos de caso propostos, evidenciaram a formaçcaão de estruturas de macro e mesoescala, derivadas de efeitos geometricos e fluido dinâmicos, respectivamente. Ocorre segregacao do escoamento da fase sólida na base do riser e recirculacao no topo, devido a saída em T. A PDA evidenciou: a formacao da estrutura core-annulus desde a alimentacao das partículas nos maiores carregamentos, a tendâencia de segregaçcãao radial e axial de diametros de partículas e a deposiçao nas regioes próximas à parede, onde as partículas tem maior flutuacao de velocidade. As soluçoes numericas indicaram pouca influencia das forcas de Saffman e Magnus, porem grande influencia da rugosidade da parede e do efeito da turboforese. O modelo matematico foi comparado frente as mediçoes físicas, mostrando bom grau de validacao para concentraçao de partículas no centro do riser e para velocidade axial media das partículas. / This thesis is focused on the particle phase dynamics in a circulating fluidized bed riser (CFB). Fluidized beds are commonly encountered in many industrial applications such as drying and coating of particles, polimerizations, combustion and gasification of coal and biomass, gasoil fluid catalytic cracking. Given the importance of the physical understanding about CFBs, in this work experiments and simulations are carried out to explore, describe and predict the upward gas-solid flow in pilot scale. Therefore, the Pilot Unit of Riser and Cyclones was designed and built, as well as its control and optical measuring systems, the last one by using Phase Doppler Anemometry (PDA). Besides that, the flow was solved by Computational Fluid Dynamics, as the second pillar on which this thesis is based, through the solution of an Eulerian-Lagrangian unsteady point-particle model, with inter-particles collisions and impact on rough walls, implemented on the in-house code UNSCYFL3D. The results from both experiments and simulations have shown the macro- and meso-scale structures formation, caused by geometrical and fluid dynamics effects, respectively. Particle phase flow segregation occurs near the particle inlet and also recirculation at the top of the riser, due to the T shape outlet. The PDA results show the core-annulus structure formation from the bottom of the riser in the higher mass loadings, the tendency of radial and axial segregation of particle diameters and the particle deposition near the riser wall, where the discrete phase has higher velocity fluctuations. On the other hand, the simulation results show little influence of Saffman and Magnus forces over the particles flow, however great impact of the roughness wall model and of the turbophoresis effect. About the model validation, good agreement is found mainly to particle concentration at the riser centre and to the particle phase axial velocity. / Tese (Doutorado)