[pt] A utilização de escoamentos bifásicos borbulhantes com dois componentes é muito utilizada em equipamentos industriais, particularmente quando existe um grande interesse em promover uma mistura eficiente entre os componentes. um dos equipamentos capazes de promover estas condições é o bocal convergente-divergente. O objetivo deste trabalho é simular o escoamento de misturas bifásicas borbulhantes neste tipo de bocal. Dados experimentais com uma mistura de ar e água foram levantados a partir da construção de um bocal em resina, avaliando-se as pressões nas seções convergente, garganta e divergente. A análise destes dados e a comparação com teorias existentes (N. T. Thang e D. Chisholm) permitiu a definição de um modelo, similar ao método do coeficiente C desenvolvido por Chisholm, adotando-se coeficientes experimentais distintos para as seções convergente, garganta e divergente. Foram determinadas as incertezas experimentais e do modelo, o que permitiu a comparação entre as teorias. Para a primeira (N. T. Thang) foi determinada experimentalmente a relação entre as velocidades do gás e do líquido como função da relação entre a vazão mássica do gás e a vazão volumétrica do líquido. De um modo geral, as teorias prospostas por N. T. Thang e D. Chisholm só se aproximaram dos dados experimentais na seção convergente. Na seção divergente e na garganta, sugere-se a utilização do modelo proposto com coeficiente C experimental. / [en] Two phase bubblyflow of two components has widespread applications in industries when efficient mixture in equipaments is required. High rates of mixing are frequently obtained in a converging-diverging nozzle flow. In this investigation a resin made converging-diverging nozzle was designed and built, with pressure taps drilled along its axis, so that the water-air mixture properties could be investigated under the bubbly flow regime. The experimental data was compared to the predicted values by two existing theories(N. T. Thang and D. Chisholm), using the estimated uncertainty of results, showing that in the converging section of the nozzle, the predicted pressure profile matches with the experimentally one. In order to usa Thang s theory, the gas-liquid velocity ratio was experimentally determined as a function of their mass flow rate ratio. A prediction scheme for the throat and the divergent section of the nozzle, using a modification of Chisholm s C coeficient method, was developed using the experimental data of this investigation. It is proposed in this work a prediction scheme for the whole nozzle flow, under the bubbly flow regime.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo o estudo de tensões críticas em bocais cilíndricos soldados a vasos de pressão, também cilíndricos, com tampas de geometria cônica submetidos a pressão interna e a um carregamento axial externo. O problema é atacado analiticamente através da teoria de cascas de revolução, particularizada para cascas finas axissimétricas. É utilizado o método de flexibilidade para imposição da continuidade dos esforços e deslocamentos nas junções bocal/tampa e tampa/vaso. Foi desenvolvido um programa de computador que fornece as tensões máximas que ocorrem no bocal, bem como as resultantes de tensão, momentos, deslocamentos e rotações ao longo da estrutura. Observou-se que para uma dada configuração do sistema (diâmetros do bocal e vaso, e ângulos da tampa cônica) existe uma relação ótima entre as espessuras do bocal e da tampa, para a qual o fator de concentração de tensões é mínimo. Esta relação é independente da rasão entre os carregamentos axial e a pressão. / [en] The present work is concerned whit critical stresses due to the combined affect of axial loads and intornal pressure in nossles welded to cilindrical pressure vessels whit conical hoads. The problem is treatod analytically through, axisimetric, thin ahell theory. The method of flexibility is employed to enforce the continuity of loads, moments, displacements and rotations at the junctions. A computer code has been developed for the calculation of the critical atresses in the nozzle, as well as the stresses resultants, moments, displacements, and the rotations along the atracture. It has been observed that for a griven configuration (nozzle and vessel diameters and angle of the conical head), there is an optimum between the nozzle and head thickness for which the stress concentration factor is minimum. This ratio is independent of the relation between the axial hoad and internal pressure.

[pt] Neste trabalho, apresenta-se uma nova proposta para forma de bocais radicais de vasos esféricos tal que as tensões de flexão devidas a um carregamento axial sejam as mínimas possíveis. Investigam-se os esforços de flexão oriundos da compatibilização entre o bocal e o vaso utilizando a técnina dos elementos finitos com um elemento curvílineo com três nós e um campo de deslocamentos com quatro variáveis. Obtem-se, também, a distribuição de tensões proveniente da pressão interna para o bocal ótimo para esforço axial. Considera-se a união tubulação-vaso esférico com espessuras diferentes utilizando um local com a mesma forma de meridiano dos bocais ótimos, tendo, porém, espessura de parede variável. Tendo como objetivo a comparação com os bocais ótimos, anali sam-se, também, os bocais tradicionais. A nova geometria mostrou-se, para os casos usuais de carga, superior á convecional, no que se refere aos níveis de tensão alcançados. / [en] A new shape of radial nozzles for spherical shells is presented in this paper. The geometry is obtained imposing a bending-free condition for the transition between a cylinder and sheperical shell. The soltion is exact for ideal boundary conditions, and under the action of axisymetric axial load. In order to examine the load effects introduced by the spherical an cylindrical shells at the ends of the nozzle, it was performed a stress analysis of the whole structure, using the finite element technique with a curvilinear element. Two load cases were considered: axial load and internal pressure, for constant thickness nozzles and nozzles with variable thickness, the results were compared with the stress distribuition for a conventional nozzle under the same loading conditions. The new geometry proved to be superior as compared with the conventional one as far a stress instensities are taken into account, for the usual loading conditions.

Um método original para a fabricação de microbocais de diamante com perfil convergente-divergente foi desenvolvido neste trabalho. O método de fabricação desenvolvido utiliza deposição de diamante policristalino sobre moldes que posteriormente são removidos. Os moldes utilizados são fios de tungstênio submetidos a um processo de corrosão eletrolítica para gerar o perfil convergente-divergente de bocal. O microbocal de diamante foi fabricado para ser utilizado como controlador e medidor passivo de vazão de fluidos, quando operando em condições críticas de escoamento. Testes de vazão de gás foram realizados, utilizando os microdispositivos fabricados, para determinar os parâmetros de escoamento necessários para a utilização dos microdispositivos como controladores e medidores de vazão de gás. Os parâmetros críticos de escoamento, a saber, a vazão mássica crítica, a razão crítica de pressão e a vazão volumétrica crítica, bem cmo a faixa do número de Reynolds do escoamento e o coeficiente de descarga, foram determinados para todos os microdispositivos. A faixa de variação do número de Reynolds dos escoamentos obtidos foi de 1x10 POT.3-7x10 POT.4. Por exemplo, o microbocal de diamante com o menor diâmetro de garganta (16+/-1)x10mum apresentou vazão mássica crítica de (0,344+006)g/min, vazão volumétrica crítica de (314+/-5)cm POT.3/min e coeficiente de descarga de (1,27+/-0,19). Assim, foram fabricados com sucesso microbobais de diamante com perfil convergente-divergente e foram determinados os parâmetros críticos de escoamento que possibilitam a estes microbocais atuarem como controladores e medidores passsivos de baixo vazão de gás. / In this work an original method for the fabrication of diamond micronozzles with converget-divergent profile is presented. The method uses the deposition of polycrystalline diamond over a mold, which is subsequently removed. The referred molds are tungsten wires patterned by means of an electrolytic etching procedure in a way that the divergent-convergent profile is generated. The main motivation for producing such micronozzles is its application as passive flow controllers and flow meters elements when operating under critical flow conditions. The micronozzles produced here were tested in order to determine the critical flow parameters that are necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements. The critical flow parameters (critical mass flow rate, critical pressure ratio and critical volumetric flow rate), the Reynolds number range and the discharge coefficient were determined for all the microdevices produced. The Reynolds number for the microdevices was found to be in the range of 1x10 POT.3-7x10 POT.4. For instance, the diamond micronozzle with smaller throat diameter, (16+/-1)x10mum, presented critical mass flow rate of (0,344+0,006)g/min, critical volumetric flow rate of (314+/-5)cm POT.3/min and discharge coefficient of (1,27+/-0,19). Therefore, diamond micronozzles were successfully fabricated with convergent-divergent profile and the critical flow parameters necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements, were determined.

Um método original para a fabricação de microbocais de diamante com perfil convergente-divergente foi desenvolvido neste trabalho. O método de fabricação desenvolvido utiliza deposição de diamante policristalino sobre moldes que posteriormente são removidos. Os moldes utilizados são fios de tungstênio submetidos a um processo de corrosão eletrolítica para gerar o perfil convergente-divergente de bocal. O microbocal de diamante foi fabricado para ser utilizado como controlador e medidor passivo de vazão de fluidos, quando operando em condições críticas de escoamento. Testes de vazão de gás foram realizados, utilizando os microdispositivos fabricados, para determinar os parâmetros de escoamento necessários para a utilização dos microdispositivos como controladores e medidores de vazão de gás. Os parâmetros críticos de escoamento, a saber, a vazão mássica crítica, a razão crítica de pressão e a vazão volumétrica crítica, bem cmo a faixa do número de Reynolds do escoamento e o coeficiente de descarga, foram determinados para todos os microdispositivos. A faixa de variação do número de Reynolds dos escoamentos obtidos foi de 1x10 POT.3-7x10 POT.4. Por exemplo, o microbocal de diamante com o menor diâmetro de garganta (16+/-1)x10mum apresentou vazão mássica crítica de (0,344+006)g/min, vazão volumétrica crítica de (314+/-5)cm POT.3/min e coeficiente de descarga de (1,27+/-0,19). Assim, foram fabricados com sucesso microbobais de diamante com perfil convergente-divergente e foram determinados os parâmetros críticos de escoamento que possibilitam a estes microbocais atuarem como controladores e medidores passsivos de baixo vazão de gás. / In this work an original method for the fabrication of diamond micronozzles with converget-divergent profile is presented. The method uses the deposition of polycrystalline diamond over a mold, which is subsequently removed. The referred molds are tungsten wires patterned by means of an electrolytic etching procedure in a way that the divergent-convergent profile is generated. The main motivation for producing such micronozzles is its application as passive flow controllers and flow meters elements when operating under critical flow conditions. The micronozzles produced here were tested in order to determine the critical flow parameters that are necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements. The critical flow parameters (critical mass flow rate, critical pressure ratio and critical volumetric flow rate), the Reynolds number range and the discharge coefficient were determined for all the microdevices produced. The Reynolds number for the microdevices was found to be in the range of 1x10 POT.3-7x10 POT.4. For instance, the diamond micronozzle with smaller throat diameter, (16+/-1)x10mum, presented critical mass flow rate of (0,344+0,006)g/min, critical volumetric flow rate of (314+/-5)cm POT.3/min and discharge coefficient of (1,27+/-0,19). Therefore, diamond micronozzles were successfully fabricated with convergent-divergent profile and the critical flow parameters necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements, were determined.

Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.

Neste trabalho de pesquisa foram estudados os efeitos dos parâmetros geométricos e de processo nas características do escoamento bifásico no interior de oito bocais nebulizadores do tipo \"Y-Jet\" através de uma bancada de análise experimental utilizando-se como fluidos de trabalho ar comprimido e água. Os resultados indicaram que as vazões mássicas são altamente dependentes da pressão de suprimento de ar e da relação entre os diâmetros do duto de mistura e do bocal de alimentação de ar. Em muitas situações de operação, esses dispositivos nebulizadores operavam com o escoamento de ar blocado à saída do seu bocal de alimentação. Outro aspecto importante é que, devido a fortes irreversibilidades inerentes ao padrão de escoamento, a expansão do fluxo de ar do seu bocal de alimentação para o duto de mistura aproxima-se muito mais de uma expansão isoentálpica que isoentrópica. Para fluxos mássicos de água superiores a 6000 kg/m2.s a distribuição de pressão no interior do duto de mistura é praticamente linear, independentemente do valor da pressão de alimentação de ar. Uma correlação para a previsão do valor da pressão no ponto de mistura entre os fluxos de ar e água dentro do duto de mistura foi desenvolvida e mostrou-se adequada para valores dentro da faixa de variação de cada parâmetro no experimento. Através de um aparato óptico buscou-se a medição da espessura média local de filme de líquido e da velocidade das perturbações na interface ar/água. Os resultados para a medição da espessura de filme mostraram-se sensivelmente dispersos, apontando para um melhor desenvolvimento dessas técnicas ópticas em futuros trabalhos. Quanto às velocidades das perturbações os resultados indicaram um razoável aumento destas conforme o escoamento se aproxima da saída do duto de mistura. Para todos os oito bocais ensaiados o valor médio destas velocidades, à saída do duto de mistura, situou-se em torno de 60 a 65 m/s. Um modelo teórico-experimental, baseado na medição da queda de pressão no interior do duto de mistura desses bocais, foi desenvolvido. Através desse modelo foi possível prever, localmente, a espessura e a velocidade médias de filme de líquido, a fração de entranhamento, a tensão de cisalhamento na interface ar/água, a fração de vazio e a velocidade média do ar no núcleo do escoamento. / In this research work the effects of the process and geometrical parameters on the characteristics of the internal two-phase flow inside eight Y-Jet atomizers were studied using an apparatus working with air and water. The results show that the flow rates are very dependent on the air supply pressure and the diameter ratio of the mixing duct and the air port. It was also verified that, in many operational conditions, these atomizers worked in the critical condition at the exit of the air port. Due to the strong irreversibilities present in the flow, the expansion from the air port to the mixing duct is closer to an isoenthalpic process than to an isoentropic process. For water mass flux greater than 6000 kg/m2.s, the pressure distribution into the mixing duct is most of the time linear, independently on the air supply pressure. A correlation to predict the mixing point pressure was developed and showed a good agreement with the experimental data. Using an optical apparatus it was measured the local liquid film thickness and the perturbations velocities on the air/water interface. The results for the liquid film showed a reasonable data dispersion. Concerning the perturbation velocities the results indicated that they increase along the mixing duct. For the eight atomizers tested the mean values of these velocities, near the mixing duct exit, were around 60 to 65 m/s. A theoretical-experimental model which uses the pressure drop measured inside the mixing duct was developed to predict locally the mean liquid film velocity and thickness, the entrainment fraction, the shear stress on the air/water interface, the void fraction and the mean air velocity in the flow core.