In this thesis, a thorough study of the batch top-spray fluidized bed granulation was carried out including experimental study, population balance model (PBM), computational fluid dynamic (CFD) study and control strategy development. For the experimental study, the influence variables of pulsed frequency, binder spray rate and atomization pressure of a batch top-spray fluidized bed granulation process were studied using the Box-Behnken experimental design method. Different mathematical models were developed to predict the mean size of granules, yield, relative width of granule distribution, Hausner ratio and final granule moisture content. Validation experiments have shown the reliability and effectiveness of using the Box-Behnken experimental design method to study a fluidized bed granulation process. The one-dimensional population balance models (ODPBMs) have been developed to model a pulsed top-spray fluidized bed granulation, linking the operating factors of the pulsed frequency, the binder spray rate, and atomization air pressure with the granule properties to predict granule growth behavior at different operating conditions. A multi-stage open optimal control strategy based on the developed ODPBMs was proposed to reduce the model and process mismatch through adjusting the trajectory of the evolution of the granule size distribution at predefined sample intervals. The effectiveness of the proposed modeling and multi-stage open optimal control strategy has been validated by experimental and simulation tests. In addition, an Eulerian-Eulerian two-fluid model (EETFM) was developed to describe the gas-particle two-phase flow in the fluidized bed granulator. By computational fluid dynamic analysis, it has been proven that the fluidized bed granulation system is not homogeneous, based on which a two-compartmental population balance model (TCPBM) was developed to describe the particle growth in the fluidized bed granulation. Validation experiments have shown the effectiveness and superior accuracy of the TCPBM comparing with the ODPBM in predicting the final particle size distribution.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

A ventilação natural é uma das estratégias mais eficientes para o condicionamento térmico passivo de edificações, ocorrendo por ação dos ventos, por efeito chaminé ou pela combinação de ambos. Em áreas densamente ocupadas, a velocidade do vento é reduzida pelos diversos obstáculos locais, tornando o efeito chaminé e a captação pela cobertura as alternativas mais viáveis para indução da ventilação natural em edificações. Dentre as estratégias de ventilação, destacam-se os sheds, aberturas no telhado, que funcionam como captadores ou extratores de ar, dependendo de sua localização em relação aos ventos dominantes. Apesar de terem um grande potencial, são pouco utilizados devido à falta de dados técnicos acessíveis ao projetista. Além disso, muitas vezes são utilizados para captação ou para extração do ar de forma aleatória, sem uma análise da influência dos parâmetros projetuais na ventilação natural. Essa pesquisa parte da hipótese que existe diferença nesses parâmetros para um shed extrator e para um shed captador de ar e que é possível otimizar a ventilação natural através desses dispositivos. O objetivo geral foi avaliar o impacto de diferentes parâmetros projetuais e climáticos no desempenho de sheds captadores e extratores de ar e propor diretrizes para o projeto desses dispositivos. A metodologia foi composta de estudos paramétricos, a fim de investigar a interdependência de diferentes parâmetros projetuais na ventilação natural por sheds e realizar análises comparativas. O processo baseou-se em análises numéricas através de simulações CFD e a verificação desses resultados por meio de ensaios experimentais em túnel de vento. As análises mostraram uma boa compatibilidade entre os resultados numéricos e experimentais, obtendo uma diferença de no máximo 10% entre as duas ferramentas para a maioria dos pontos monitorados. Com relação às simulações computacionais, constatou-se que o desempenho de sheds é fortemente influenciado pela velocidade e pelos ângulos de incidência dos ventos externos. Além disso, notou-se que existem diferenças nos parâmetros projetuais para um shed extrator e para um captador, sendo que alguns casos apresentaram bons desempenhos em ambas as situações. Por fim, conclui-se que é possível otimizar o uso da ventilação natural através desses dispositivos, sendo que esses resultados auxiliam a prática do projeto arquitetônico na determinação de configurações adequadas. / Natural ventilation is one of the most important strategies for passive cooling of indoor environments. It can occur by wind forces, stack effect or a combination of both strategies. In urban areas the wind speed is reduced due to several obstacles. Stack effect and air intake by the roof can be viable alternatives to induce natural ventilation in buildings. Among the ventilation strategies, sheds can be highlighted. These structures consist of roof openings that work as collectors or extractors of air, depending on their location in relation to the prevailing wind directions. Although they have great potential, they are seldom used by Brazilian architecture, due to lack of technical data available to the designer. Besides, sometimes the sheds are used for air intake or exhaustion without any detailed analysis on the influence of different building design parameters on natural ventilation. The starting hypothesis of this research is that there is a difference in construction parameters for an exhaustion and intake sheds and it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices. The research aims to investigate the potential of air extracting and capturing sheds to promote indoor natural ventilation and proposes guidelines for the design of these devices. The applied methodology consists on parametric studies to investigate the interdependence of different design parameters for natural ventilation in sheds and perform comparative analyzes. The procedure was based on CFD simulations and the verification of such results through experimental tests using wind tunnel. The analyses showed a good compatibility between the numerical and experimental results, obtaining a maximum difference of 10% between the two tools for most of the monitored points. The computer simulations showed that sheds performance is strongly influenced by the external wind speed and its incidence angles. In addition, it was noted that there are differences in design parameters for air extracting and capturing sheds and some cases showed a good performance in both situations. Finally, it was concluded that it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices, and these results support the practice of architectural design in determining appropriate settings.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T20:17:28Z No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:39:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The development of the design of chemical processes has received increasing improvement, incorporating sophisticated mathematical models, which allowed better simulation of its real behavior. Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes and its perfect working and optimization are economically crucial factors. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. Due to the development of the Information Technology (IT), in the numerical methods and improvement in models of multiphase flows, the investigation of complex turbulent flow problems is possible. One way to investigate these problems is to use the Computational Fluid Dynamics (CFD) tecniques. Therefore, it was adopted for this study a CFD model, with the main objective of evaluating the transport phenomena for the isothermal (water-air) and non-isothermal (ethanol-water) flows through the CFD techniques to simulate a distillation sieve tray. The proposed models had the following characteristics in common in the modeling: heterogeneous, three-dimensional, shear stress transport as turbulence model, and Eulerian-Eulerian approach at 1 atm. The continuity and momentum conservation equations were used to describe the isotherm model and for non-isothermal model it was added the energy and chemical species conservations equations. The simulated sieve trays geometries were based on experimental work of Solari e Bell (1986), to which it were observed the influence of the inlet downcomer presence or not on sieve tray. The results for isotherm flow showed the velocity profiles, the volume fractions, and clear liquid height under the influence of the inlet downcomer. For the non-isotherm flow, the results showed moreover the hydraulic parameters, the temperature profiles and ethanol mass fractions for vapor flow rates. Thus, the simulations of the isothermal system indicated a strong influence of the liquid velocity profile for the domain with downcomer inlet. In the non-isothermal system it was possible to determine the separation efficiency, which varied with the vapor flow rates on the sieve tray. The proposed methodology in this work proved to be appropriate and the computational fluid dynamics techniques presented to be an important tool in the design and optimization of sieve trays. / O desenvolvimento de projetos de processos químicos tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporando modelos matemáticos mais sofisticados, os quais possibilitam uma maior aproximação do seu comportamento real. A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos e o seu perfeito funcionamento e otimização são fatores economicamente cruciais. Sua importância dá-se na capacidade de separar os componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Alguns modelos utilizados nesses dispositivos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Com o avanço da Tecnologia de Informação (TI), dos métodos numéricos e aperfeiçoamento em modelos de fluxos multifásicos, é possível a investigação de problemas complexos de escoamentos turbulentos. Uma das formas de investigar esses problemas é a aplicação das técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD). Dessa maneira, foi adotado para o presente trabalho um modelo de CFD, tendo como objetivo principal a avaliar os fenômenos de transportes para os escoamentos isotérmico (água-ar) e não isotérmico (etanol-água) através das técnicas de CFD na simulação de um prato perfurado de destilação. Os modelos propostos, possuem em geral, as seguintes características em comum: modelo heterogêneo, tridimensional, modelo de turbulência shear stress transport e abordagem Euleriana-Euleriana a 1 atm. As equações da continuidade e de conservação da quantidade de movimento foram empregadas no modelo isotérmico e para o modelo não isotérmico foram adicionadas as equações de conservações de energia e das espécies químicas. Os domínios computacionais foram baseados no trabalho de Solari e Bell (1986), onde foram observados a influência da presença ou não do downcomer de entrada no prato perfurado. Os resultados para o escoamento isotérmico mostraram os perfis de velocidades de líquido, as frações volumétricas e a altura de líquido claro sob a influência do downcomer de entrada. Para o escoamento não isotérmico, os resultados mostraram, além dos parâmetros hidráulicos, os perfis de temperatura e das frações mássicas de etanol para várias vazões de vapor. Assim, as simulações do sistema isotérmico indicaram uma forte influência do perfil de velocidade de líquido na entrada prato para o domínio com downcomer. No sistema não isotérmico foi possível determinar a eficiência de separação, a qual variou com a vazão de vapor no prato. A metodologia proposta neste trabalho foi adequada para aplicações em internos de coluna de destilação, mostrando-se uma ferramenta viável e importante no desenvolvimento e otimização de pratos perfurados.

A ventilação natural é uma das estratégias mais eficientes para o condicionamento térmico passivo de edificações, ocorrendo por ação dos ventos, por efeito chaminé ou pela combinação de ambos. Em áreas densamente ocupadas, a velocidade do vento é reduzida pelos diversos obstáculos locais, tornando o efeito chaminé e a captação pela cobertura as alternativas mais viáveis para indução da ventilação natural em edificações. Dentre as estratégias de ventilação, destacam-se os sheds, aberturas no telhado, que funcionam como captadores ou extratores de ar, dependendo de sua localização em relação aos ventos dominantes. Apesar de terem um grande potencial, são pouco utilizados devido à falta de dados técnicos acessíveis ao projetista. Além disso, muitas vezes são utilizados para captação ou para extração do ar de forma aleatória, sem uma análise da influência dos parâmetros projetuais na ventilação natural. Essa pesquisa parte da hipótese que existe diferença nesses parâmetros para um shed extrator e para um shed captador de ar e que é possível otimizar a ventilação natural através desses dispositivos. O objetivo geral foi avaliar o impacto de diferentes parâmetros projetuais e climáticos no desempenho de sheds captadores e extratores de ar e propor diretrizes para o projeto desses dispositivos. A metodologia foi composta de estudos paramétricos, a fim de investigar a interdependência de diferentes parâmetros projetuais na ventilação natural por sheds e realizar análises comparativas. O processo baseou-se em análises numéricas através de simulações CFD e a verificação desses resultados por meio de ensaios experimentais em túnel de vento. As análises mostraram uma boa compatibilidade entre os resultados numéricos e experimentais, obtendo uma diferença de no máximo 10% entre as duas ferramentas para a maioria dos pontos monitorados. Com relação às simulações computacionais, constatou-se que o desempenho de sheds é fortemente influenciado pela velocidade e pelos ângulos de incidência dos ventos externos. Além disso, notou-se que existem diferenças nos parâmetros projetuais para um shed extrator e para um captador, sendo que alguns casos apresentaram bons desempenhos em ambas as situações. Por fim, conclui-se que é possível otimizar o uso da ventilação natural através desses dispositivos, sendo que esses resultados auxiliam a prática do projeto arquitetônico na determinação de configurações adequadas. / Natural ventilation is one of the most important strategies for passive cooling of indoor environments. It can occur by wind forces, stack effect or a combination of both strategies. In urban areas the wind speed is reduced due to several obstacles. Stack effect and air intake by the roof can be viable alternatives to induce natural ventilation in buildings. Among the ventilation strategies, sheds can be highlighted. These structures consist of roof openings that work as collectors or extractors of air, depending on their location in relation to the prevailing wind directions. Although they have great potential, they are seldom used by Brazilian architecture, due to lack of technical data available to the designer. Besides, sometimes the sheds are used for air intake or exhaustion without any detailed analysis on the influence of different building design parameters on natural ventilation. The starting hypothesis of this research is that there is a difference in construction parameters for an exhaustion and intake sheds and it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices. The research aims to investigate the potential of air extracting and capturing sheds to promote indoor natural ventilation and proposes guidelines for the design of these devices. The applied methodology consists on parametric studies to investigate the interdependence of different design parameters for natural ventilation in sheds and perform comparative analyzes. The procedure was based on CFD simulations and the verification of such results through experimental tests using wind tunnel. The analyses showed a good compatibility between the numerical and experimental results, obtaining a maximum difference of 10% between the two tools for most of the monitored points. The computer simulations showed that sheds performance is strongly influenced by the external wind speed and its incidence angles. In addition, it was noted that there are differences in design parameters for air extracting and capturing sheds and some cases showed a good performance in both situations. Finally, it was concluded that it is possible to optimize the use of natural ventilation through these devices, and these results support the practice of architectural design in determining appropriate settings.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

Orientador: Daniella Jorge de Moura / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-27T21:38:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sabino_LuanaAraujo_D.pdf: 5594290 bytes, checksum: 53aedcae8886f70448b204ed245f3d66 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Um dos principais problemas no interior de instalações de criação animal é o controle do ambiente por meio ventilação, sendo de grande importância para a qualidade aérea e conforto térmico de verão e inverno, principalmente em regiões de clima tropical. O uso de técnicas para o estudo do ambiente avança a cada dia em qualidade e precisão dos resultados. Uma das novas técnicas é a modelagem computacional que auxilia, de forma rápida, a solução de diversos problemas, mesmos os complexos, com baixo custo, em comparação com métodos experimentais. Sendo assim, o objetivo deste projeto será de validar um modelo computacional de Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics ¿ sigla em inglês, CFD) com o uso da geoestatística e com o cálculo do erro da variável temperatura de bulbo seco, demonstrando que podem ser utilizadas diferentes metodologias para sua validação. Além disso objetivou-se estudar os efeitos de diferentes malhas no processamento e na qualidade dos resultados obtidos, apresentando ou sugerindo uma metodologia para estudos futuros / Abstract: In animal production, the major problem of animal facilities is the internal temperature control through ventilation systems. This is responsible for maintaining proper air quality and thermal comfort for the animals during the summer and winter conditions, especially in regions with tropical climate. The environment at studies using new techniques, such as Computational Fluid Dynamics (CFD) has became more popular due to the quality and precision of the results. In this respect, the computational modelling is a powerful tool to help in the solution of several problems, including complex ones, with reduced cost when compared with experimental methods. Thus, the goal of this study is to validate a CFD computational model with geostatistics technique and the estimation of the error of the dry bulb temperature prediction by the model in order to validate the CFD model. It also, analyses the effect of different meshing methods in the results, developing thus way a methodology for future researches / Doutorado / Construções Rurais e Ambiencia / Doutora em Engenharia

The pump is suggested for optimum operation point wherein usually works. If the machine works in the areas of flows except for design point, it will cause decrease in its efficiency or genesis of pulsation. The compromise solution is possible to use the pump in a large range of flows together with high efficiency. The solution is diffuser with double curvature of vanes.

<p>Secondary cooling during continuous casting is a delicate process because the cooling rate of water spray directly affects the slab surface and internal quality. Undercooling may lead to slab surface bulging or even breakout, whereas overcooling can cause deformation and crack of slabs due to excessive thermal residual stresses and strains. Any slab which does not meet the required quality will be downgraded or scrapped and remelted. In order to remain competitive and continuously produce high-quality and high-strength steel at the maximum production rate, the secondary cooling process must be carefully designed and controlled. Efficient and uniform heat removal without deforming or crack the slab is a significant challenge during secondary cooling. In the meantime, the on-site thermal measurement techniques are limited due to the harsh environment. In contrast, experimental measurements are only valid for the tested conditions, and the measurement process is not only labor-intensive, but the result might be inapplicable when changes in the process occur. On the other hand, the high-performance computing (HPC)-powered computational fluid dynamics (CFD) approach has become a powerful tool to gain insights into complex fluid flow and heat transfer problems. Yet, few successful numerical models for heat transfer phenomena during secondary cooling have been reported, primarily due to complex phenomena. </p> <p> </p> <p>Therefore, the current study has proposed two three-dimensional continuum numerical models and a three-step coupling procedure for the transport of mass, momentum, and energy during the secondary cooling process. The first numerical model features the simulation of water spray impingement heat and mass transfer on the surface of a moving slab considering atomization, droplet dispersion, droplet-air interaction, droplet-droplet interaction, droplet-wall impingement, the effect of vapor film, and droplet boiling. The model has been validated against five benchmark experiments in terms of droplet size prior to impingement, droplet impingement pressure, and heat transfer coefficient (HTC) on the slab surface. The validated model has been applied to a series of numerical simulations to investigate the effects of spray nozzle type, spray flow rate, standoff distance, spray direction, casting speed, nozzle-to-nozzle distance, row-to-row distance, arrangement of nozzles, roll and roll pitch, spray angle, spray water temperature, slab surface temperature, and spray cooling on the narrow face. Furthermore, the simulation results have been used to generate a mathematically simple HTC correlation, expressed as a function of nine essential operating parameters. A graphic user interface (GUI) has been developed to facilitate the application of correlations. The calculated two-dimensional HTC distribution is stored in the universal comma-separated values (csv) format, and it can be directly applied as a boundary condition to on-site off-line/on-line solidification calculation at steel mills. The proposed numerical model and the generic methodology for HTC correlations should benefit the steel industry by expediting the development process of HTC correlations, achieving real-time dynamic spray cooling control, supporting nozzle selection, troubleshooting malfunctioning nozzles, and can further improve the accuracy of the existing casting control systems.</p> <p> </p> <p>In the second numerical model, the volume-averaged Enthalpy-Porosity method has been extended to include the slurry effect at low solid fractions through a switching function. With the HTC distribution on the slab surface as the thermal boundary condition, the model has been used to investigate the fluid flow, heat transfer, and solidification inside a slab during the secondary cooling process. The model has been validated against the analytical solution for a stationary thin solidifying body and the simulation for a moving thin solidifying body. The effects of secondary dendrite arm spacing, critical solid fraction, crystal constant, switching function constant, cooling rate, rolls, nozzle-to-nozzle distance, and arrangement of nozzles have been evaluated using the validated model. In addition, <a>the solidification model has been coupled with the predictions from the HTC correlations, and the results have demonstrated the availability of the correlations other than on-site continuous casting control. </a>Moreover, the model, along with the three-step coupling procedure, has been applied to simulate the initial solidification process in continuous casting, where a sufficient cooling rate is required to maintain a proper solidification rate. Otherwise, bulging or breakout might occur. The prediction is in good agreement with the measured shell thickness, which was obtained from a breakout incident. With the help of HPC, such comprehensive simulations will continue to serve as a powerful tool for troubleshooting and optimization.</p>

<p>Mathematical and computational modeling allow for the rationalization of complex phenomenon observed in our reality. Through the careful selection of assumptions, the intractable task of simulating reality can be reduced to the simulation of a practical system whose behavior can be replicated. The development of computational models allow for the full comprehension of the defined system, and the model itself can be used to evaluate the results of thousands of simulate experiments to aid in the rational design process.</p> <p>Biomedical engineering is the application of engineering principles to the field of medicine and biology. This discipline is composed of numerous diverse subdisciplines that span from genetic engineering to biomechanics. Each of these subdisciplines is concerned with its own complex and seemingly chaotic systems, whose behavior is difficult to characterize. The development and application of computational modeling to rationalize these systems is often necessary in this field and will be the focus of this thesis.</p> <p>This thesis is centered on the development and application of mathematical and computational modeling in three diverse systems in biomedical engineering. First, computational modeling is employed to investigate the behavior of key proteins in the post-synapse centered around learning and memory. Second, computational modeling is utilized to characterize the drug release rate from implantable drug delivery depots, and produce a tool to aid in the tailoring of the release rate. Finally, computational modeling is utilized to understand the motion of particles through an inertial focusing microfluidics chip and optimize the size selective capture efficiency.</p> <p> </p>