[pt] Em geral a segurança das estruturas hidráulicas, em particular das barragens é muitas vezes ameaçada devido à formação de erosão próximo as fundações em conseqüência das altas velocidades dos jatos que partem dos vertedouros atingindo os maciços rochosos a jusante. O fenômeno de erosão envolve uma complexa interação entre processos hidráulicos e mecânicos. Um dos principais problemas no desenvolvimento dos métodos para estudo de erosões em rocha, esta associados ao entendimento dos complexos fenômenos físicos envolvidos no processo, cuja maioria não pode ser descritos e nem testados em escala de laboratório. A observação de fenômenos naturais, a avaliação do desempenho de estruturas hidráulicas, juntamente com a realização de experimentos em nível de laboratório e o desenvolvimento de modelos analíticos e numéricos têm contribuído muito para o entendimento dos mecanismos envolvidos no processo de erosão. Neste contexto, com o apoio da empresa Eletrobrás Furnas, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo físico implantado no laboratório de geotecnia da PUC-Rio, o qual possibilita a compreensão do processo físico de movimentação dos blocos rochosos durante a erosão, além da verificação e calibração de modelos numéricos a serem desenvolvidos. Inicialmente são abordados aspectos básicos sobre o comportamento mecânico e hidráulico dos maciços rochosos fraturados, evidenciando as propriedades das descontinuidades, além da importância destes aspectos no comportamento dos maciços ao efeito erosivo. O segundo capitulo apresenta o objeto de estudo deste trabalho, que é, o entendimento do fenômeno erosivo de maciços rochosos fraturados a jusante de dissipadores do tipo salto esqui, sendo abordado os aspectos hidráulicos e geomecânicos básicos envolvidos e os métodos existentes para a avaliação da erosão. O terceiro capítulo apresenta a proposta da célula cilíndrica desenvolvida, sendo descrito aspectos importantes, tais como a escolha do tipo de material, detalhamento e dimensionamento da célula. O próximo capítulo tem como intuito principal apresentar inicialmente os diferentes equipamentos utilizados nos ensaios juntamente com o sistema de aquisição de dados desenvolvido. Sendo também apresentada a metodologia utilizada para execução dos ensaios. O penúltimo capítulo apresenta a descrição dos ensaios realizados, os quais buscaram o melhor entendimento comportamento dos blocos rochosos durante o processo erosivo que ocorre a jusante de vertedouros. Os resultados experimentais obtidos pelo modelo físico desenvolvidos são apresentados, mostrando que é um importante equipamento de análise experimental para a previsão de processos erosivos a jusante de vertedouros, mas que também pode servir como suporte para a verificação e a calibração de modelos numéricos a serem desenvolvidos, os quais poderão servir como medidas de engenharia para mitigação do fenômeno erosivo. / [en] In general the safety of hydraulic structures, particularly dams is often threatened due to the formation of erosion around the foundations as a result of high speeds of the jets leaving the spillways reaching solid rock downstream.The erosion phenomenon involves a complex interaction between processes hydraulic and mechanical. A major problem in developing methods for study of erosion in rock, associated with this understanding of complex physical phenomena involved in the process, most of which can not be described nor tested in scale laboratory.The observation of natural phenomena, the performance evaluation of hydraulic structures, along with performing experiments in laboratory level and the development of analytical models and numbers have contributed greatly to the understanding of the mechanisms involved in the process of erosion.In this context, with the support of the company Eletrobrás Furnas, this paper presents the development of a physical model implemented in geotechnical laboratory at PUC-Rio, which furthers our understanding of physical process of transferring blocks of rocks during erosion, beyond verification and calibration of numerical models to be developed.Initially, it discusses basic aspects of the behavior mechanical and hydraulic fractured rock masses, showing the properties of the discontinuities and the importance of these aspects in behavior of the massive erosive effect.The second chapter presents the object of the present study, that is, the understanding of the phenomenon of erosive fractured rock masses downstream sinks like ski jumping, and discussed aspects basic hydraulic and geomechanical involved and existing methods for the assessment of erosion.The third chapter presents the proposal of the cylindrical cell developed as described important aspects such as choice the type of material, detail and scale of the cell.The next chapter is the primary purpose to present initially different equipment used in the tests with the system developed data acquisition. Is also presented methodology used to perform tests. The penultimate chapter presents a description of the tests, the which sought to better understand the behavior of rock blocks during the erosion process that occurs downstream of spillways. The experimental results obtained by physical model is developed presented, showing that it is an important analytical equipment experimental prediction of erosion downstream spillway, but it can also serve as support for verification and calibration of numerical models to be developed, which can serve as engineering measures to mitigate the erosion phenomenon.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-20Bitstream added on 2014-06-13T19:32:32Z : No. of bitstreams: 1 jordam_a_me_bauru.pdf: 3535049 bytes, checksum: a22a97d375d5d91449be8bd46442ee9e (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A fluidodinâmica computacinal (CFD) tem sido utilizada, estudadda e implementada ao longa das duas últimas décadas na solução dos mais diversos problemas de engenharia. O princípio básico desta ciência é a aplicação de métodos numéricos em problemas que envolvam mecânica dos fluidos. Nesse contexto, este trabalho utiliza essa técnica para analisar o comportamento de um fluido incompreensível, que se encontra numa cavidade cilíndrica fechada onde as faces inferior e superior são adiabáticas e as superfícies laterais se encontram em diferentes temperaturas. Os perfis de velocidade e temperatura resultantes - ocasionados pela convecção natural - serão avaliados em todo o domínio do problema. Existe uma série de técnicas para a solução de problemas envolvendo escoamentos, sendo as mais comuns as que se utilizam do Esquema de Passo Fracionado proposto por Chorin no final da década de 60. Dentre as diversas soluções que se utilizam desta técnica, este trabalho optou pelo uso do método das características e do algoritmo CBS de solução proposto por Zienkiewicz e Codina (1995). Para a implementação do algoritmo de solução do problema proposto foi realizada uma discretização geral através do método dos elementos finitos usando-se de uma malha formada por elementos bilineares. A solução foi obtida a partir de um ambiente matemático adequado, a GNU-Octave (2008). Os resultados foram analisados para diferentes razões de curvatura, números de Rayleigh e métodos de solução, sendo plotados para as suas diversas variáveis buscando descrever o comportamento do fenônemo / The Computational Fluid Dynamics (CFD) has been used, studied and performed through the last two decades to solve the series of problems in Engineering. The most basic aim of this science is the appliance of numerical methods in cases that envolve fluid mechanics. In this context, this work uses this technic to analyze the behaviour of an incompressible fluid, which is found in a closed cylindrical cavity, a place where the inferior and superior surfaces are adiabatic and the lateral surfaces are shown in different temperatures. The resultant profiles of speed and temperature - induced by the free convection - are going to be appraised in all the dominion of the problem. There is a set of technics to solve the problems which involve the drainage, but the most usual are those which use the techic Fractional Step Method offered by Chorin in the final of 60s. Among the several solutions that are solved through this technic, this research used the characteristics method and of the CBS algorthm, offered by Zienkiewicz e Codina (1995). For the implementation of the algorithm, it was realized a general discretization through the finite elements method, making use of a loop formed by bilinear elements. The resolution was obtained from an adequated mathematical ambient, the GNU-Octave (2008). The results were analysed for different curvature ratios, Rayleigh numbers and methods of solution, being plotted for its different variables searching to describe the behavior of the phenomenon

[pt] Este trabalho mostra um estudo experimental realizado numa cavidade ressonante cilindra, dentro da qual, através de um tubo concêntrico à mesma, escoam fluídos. Dentro desta cavidade é inserida potência em microondas, que tem por objetivo aquecer o fluido escoante. Não é trivial prever-se a distribuição do campo elétrico dentro de uma cavidade ressonante, pois a forma geométrica da cavidade, conjuntamente com diversos parâmetros do material nela inserido, para absorver potência em microondas são variáveis que muito influenciam na intensidade e distribuição do campo eletromagnético interno à mesma. Por isso, ao se aquecer amostras cujas dimensões não permitem analisar-se o grau de absorção de energia através da teoria da perturbação em cavidades, faz-se necessário ema verificação experimental, além da teórica, no estudo do processo. O objetivo deste trabalho é analisar a influência de perturbações do interior da cavidade, visando-se a possibilidade de otimização prática do aquecimento de fluidos nesta. Tais alterações no interior da cavidade são três hastes metálicas localizadas numa seção transversal da mesma, além da variação do diâmetro externo do tubo pelo qual o fluido a ser aquecido escoará. O estudo das cavidades, em busca da otimização do aquecimento dentro das mesmas, traz, como retorno, menor desperdício de energia aplicada nestes sistemas de aquecimento. / [en] This work shows an experimental study accomplished on a cylindrical resonant cavity, inside of which, through a tube concentric to it, fluids flow. Inside the cavity is inserted microwave power, whose aim is to heat the flowing fluid. It s not trivial to foresee the electric field distribution inside a resonant cavity. Its geometric shape, together with several parameters, and the material in it inserted to absorb microwave power are variables that influence on the intensity and electromagnetic field distribution inside de cavity. Therefore, to heat samples whose dimensions don’t allow the absorption degree of energy through perturbation theory in cavities to be analyzed, it is necessary to verify both experimentally and theoretically all the process on study. The objective of this work is to analyze the influences of disturbances inside a cavity, seeking the practical possibility of heating optimization of the fluids inside of it. Such modification consists of three metallic stems placed on a transversal section of the cavity, besides the variation of the tubes external diameter where the fluid to be heated will flow. The cavitie s study, seeking for the optimization of the heating inside of it, has a result less waste of applied energy on these heating systems.

[pt] A modelagem da propagação de ondas cilíndricas em materiais elásticos,tradicionalmente tem sido feita a partir de abordagens analíticas, baseadasna teoria de propagação de ondas, ou a partir de métodos numéricos, comoo método dos elementos finitos. Contudo, dependendo da frequência, resultados numéricos transientes podem ser difíceis de serem obtidos, seja pelo custocomputacional, seja pelo tempo despendido para os cálculos. Dentro desse contexto, alguns trabalhos envolvendo transferência de energia por ondas acústicas, utilizando-se de transdutores piezoelétricos, utilizam métodos alternativospara modelagem. Dentre os métodos disponíveis na literatura para a modelagem deste tipo de problema, a abordagem de rede de duas portas, provenienteda análise de circuitos elétricos, mostrou ser consideravelmente proeminente.Nesta tese, utilizando analogias de impedância, o método é trazido para o contexto de propagação de ondas acústicas, resultando em matrizes de transferência compostas por parâmetros de transmissão, ou parâmetros ABCD, comocomumente conhecidos. De fato, resultados iguais com menos esforços computacionais são obtidos a partir desta abordagem. Até o presente momento, essemétodo foi apenas desenvolvido para propagação de ondas planas em sólidoselásticos e materiais piezoelétricos. No entanto, como grande parte das aplicações envolve superfícies curvas, o método neste trabalho é estendido para ocaso de ondas cilíndricas. Os novos parâmetros ABCD encontrados são entãoimplementados em um código computacional, modelando testes pulso-eco epitch-catch dentro de meios cilíndricos. A validação é feita a partir de umaanálise de convergência a partir das respostas adquiridas para diferentes valores de raio interno do canal, uma vez que algumas expressões encontradas paraos parâmetros ABCD se mostraram inversamente proporcionais ao raio. Alémdisso, o método desenvolvido foi capaz de modelar um teste experimental detransmissão de sinal, a partir de um transdutor cilíndrico submerso em umtanque com água, assim como modelar a transmissão do mesmo sinal atravésde uma barreira cilíndrica. / [en] Cylindrical wave propagation in elastic materials has usually been modeled with analytical approaches or with numerical methods, such as the finite element method. However, depending on the frequency, obtaining results can be a hard task, requiring high computational efforts. Within this context, some studies on acoustic energy transfer, using piezoelectric transducers, had adopted alternative methods for modeling wave propagation, by means of acoustic-electric channels. Among the available methods in the literature, the two-port network approach, derived from the electric circuit analysis, proved to be prominent. In this thesis, by using impedance analogies, this method is brought into the context of acoustic wave propagation, leading to transfer matrices based on transmission parameters, or the so-called ABCD parameters. It was verified that the same results with less computational effort were obtained. So far, this method was only developed for the plane wave propagation in elastic solids and piezoelectric materials. However, since many real applications are curved, the two-port network approach is extended for the cylindrical wave case in this work. The novel ABCD parameters are then implemented in a computational routine, modeling pulse-echo and pitch-catch tests inside cylindrical media. The validation was performed by means of a convergence analysis, varying the internal radius of the entire channel, since the new ABCD parameters showed an inverse proportionality with the radius of the layer. Furthermore, the developed method was capable of modeling a signal transmission experimental setup, coming from a cylindrical transducer submerged in a water tank, as well as modeling the transmission of the same signal through a cylindrical barrier.