A técnica de transformada integral generalizada é utilizada para a obtenção de soluções analíticas do problema de convecção forçada em regime laminar, na região de entrada de dutos de geometria simples, tais como canais de placas paralelas e dutos circulares. Nessa região as camadas limites hidrodinâmica e térmica estão se desenvolvendo simultaneamente. O fluido é considerado como newtoniano e suas propriedades físicas como constantes. São utilizadas distribuições de velocidades longitudinais na forma analítica, as quais estão disponíveis na literatura e foram obtidas por métodos de linearização da equação de qualidade de movimento na direção axial. A partir da distribuição de velocidade axial obtém-se a distribuição de velocidade normal e analisa-se a influência desta velocidade sobre os parâmetros de transferência de calor: temperatura média de mistura e números de Nusselt local e médio. Analisa-se também a influência de dois perfis de velocidades diferentes sobre os resultados. Obtém-se resultados numéricos para a temperatura média de mistura e números de Nusselt local e médio considerando-se a geometria de um canal de placas planas paralelas, resolvendo-se um sistema completo de equações diferenciais ordinárias acopladas, para vários números de Prandtl. Implementam-se também, soluções aproximadas para um cálculo mais rápido dos resultados, verificando-se a precisão de tais soluções. Quando possível os resultados são comparados com resultados existentes na literatura.

Neste trabalho, são investigados os efeitos de condução e convecção de calor na seção transversal de um coletor solar plano, utilizando as abordagens de transferência de calor bidimensional desacoplada e conjugada. Através de um código comercial, baseado no método numérico de elementos finitos, realizou-se uma solução numérica das equações governantes para determinar as trocas de calor no coletor. Com os resultados obtidos pela abordagem conjugada, que considera a condução no sólido e a convecção no fluido de forma acoplada em um único domínio, verificou-se que o coeficiente de convecção e o número de Nusselt variam localmente, devido a distribuição de temperatura não uniforme na superfície interna do tubo. Entretanto, os valores médios desses parâmetros apresentaram boa concordância com os valores encontrados na literatura, validando assim a hipótese de coeficiente de convecção prescrito e uniforme utilizado pela abordagem desacoplada. Por fim, os resultados numéricos obtidos pela formulação bidimensional desacoplada foram comparados com os da formulação analítica unidimensional normalmente utilizada no projeto de coletores solares. Essa comparação tem como objetivo verificar em que faixa dos parâmetros adimensionais do problema, a formulação unidimensional apresenta as maiores diferenças para a determinação das taxas de calor trocada no coletor. As simulações foram realizadas para regime permanente, convecção forçada em escoamento laminar desenvolvido de um fluido Newtoniano e considerando que as propriedades do sólido e do fluido não variam com a temperatura.

Neste trabalho são apresentados resultados para o campo hidrodinâmico e térmico para a convecção natural turbulenta em cavidade contendo material poroso. As equações microscópicas do escoamento turbulento são integradas em um volume elementar representativo para se obter equações macroscópicas válidas também no domínio poroso. Um único conjunto de equações é então discretizado, e a solução do sistema de equações algébricas obtido seguem o método SIMPLE. A intensidade da corrente convectiva através da matriz porosa é observada com o aumento do número de Rayleigh. A existência de uma fina camada limite próximas às paredes de toda a cavidade é detectada assim como a estratificação do campo de temperaturas para Ra >109.

O presente trabalho tem dois objetivos. O primeiro é desenvolver um método numérico para a simulação de escoamentos incompressíveis, e o segundo é aplicar o novo esquema à geometria da cavidade rasa. O método numérico desenvolvido é em diferenças finitas. As equações, escritas em forma de lei de conservação, são discretizadas utilizando diferenças centradas em uma malha co-localizada. Termos de dissipação artificial são introduzidos externamente para controlar o problema do desacoplamento par-ímpar e de eventuais instabilidades não lineares. Na aplicação do método à cavidade rasa bidimensional, o estudo é focado, principalmente, na análise da influência dos seguintes parâmetros: (i) alongamento da cavidade; (ii) número de Reynolds e (iii) nível de turbulência do escoamento não-perturbado. A meta principal é identificar prováveis tendências na troca de calor no piso da cavidade e descobrir qual a condição mais favorável no sentido de se ter o menor efeito convectivo do escoamento externo ao longo do piso da cavidade. Os resultados obtidos demonstram que a troca de calor no interior da cavidade é diretamente afetada pela variação dos parâmetros acima considerados e que existe um regime bem definido no qual a troca de calor por convecção forçada é minimizada. Tal regime se estabelece quando ocorre recirculação sobre todo o piso da cavidade. Esta condição pode ser obtida quando uma única região de recirculação se forma no interior da cavidade ou, também, na situação onde têm-se duas bolhas 'encapsuladas'.

Esta dissertação apresenta dois algoritmos para solução de problemas inversos de convecção de calor (PICC): O Método do Gradiente Conjugado Ordinário (MGCO) e o Método do Gradiente Conjugado e Problema Adjunto (MGCPA). O intuito é caracterizar estas técnicas para emprego como ferramenta de projeto durante o desenvolvimento térmico de Câmaras de Combustão de Motores Foguete a Propelente Líquido (MFPL). As ferramentas aqui apresentadas são adequadas para realizar investigações ligadas aos sistemas de refrigeração internos, como Filme de Refrigeração e a Camada de Parede, assim como fundamentar o dimensionamento dos canais de refrigeração externos da Jaqueta de Refrigeração. Os métodos foram submetidos a testes numéricos para análise de incerteza de solução sob influência do Número de Fourier, da incerteza na estimativa das condições de contorno externas, da grandeza do fluxo de calor estimado e da presença de ruído no histórico de temperatura experimental. Ao final é apresentado um experimento onde as técnicas são aplicadas na estimativa da temperatura de parede e fluxo de calor na superfície de fogo de uma placa de cobre aquecida por uma tocha de butano. Também é sugerida e testada uma configuração de termopar com alta velocidade de resposta. As análises feitas mostraram que, uma vez preenchidos requisitos experimentais estabelecidos nesse trabalho, a incerteza da solução inversa obtida por ambas as técnicas se mantém inferior a 5%.

Submitted by Eunice Novais (enovais@uepg.br) on 2018-06-28T18:19:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-28T18:19:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Guilherme Sandaka.pdf: 7402657 bytes, checksum: 410f715a721fb0214f1845258d0b7410 (MD5) Previous issue date: 2018-04-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O processo de dessalinização por ultrafiltração e osmose reversa tem como resíduo um concentrado salino. A caracterização deste rejeito e seu destino são objetos de estudos em pesquisas paralelas ao presente trabalho, o qual se integra à hipótese de polimento, tratamento, melhoria de qualidade e aproveitamento do rejeito com o emprego em Sistemas de Alagados Construídos – SAC – e posterior aplicação em irrigação. O SAC compreende um tanque de 100 litros, de conformação circular no qual se estabelece uma zona de raízes. Esta zona está sujeita à circulação do concentrado salino formando-se um circuito hidráulico de contato e transferência de massa. O entendimento do escoamento nesta região de transferência de massa, sua avaliação hidráulica e diagnóstico hidrodinâmico do tanque que foi utilizado são os objetos de estudo do presente trabalho que abrangeu a obtenção de dados de concentração de um traçador salino em tanque similar ao SAC, seu processamento computacional e sistematização para as avaliações requeridas. Foram obtidos dados de sinais elétricos a partir de eletrodos instalados no tanque de circulação e por meio da correlação sinal – condutividade – concentração foram definidos os meios de base para alimentação do processamento computacional que permitiu os resultados deste trabalho. Pôde-se averiguar diversas características nas configurações de escoamento testadas, entre elas o tempo de detenção real, ocorrências de curtos-circuitos, deposição densimétrica e a verificação da continuidade pela detecção de massa propagada. Com a hipótese da transferência de massa em função exponencial natural foram obtidas equações da concentração média para os diferentes níveis do tanque em função do tempo. Pode-se perceber nos gráficos obtidos no presente trabalho, a deposição densimétrica de traçador no fundo do tanque em todas as configurações testadas. Estes resultados são decorrentes de diferentes formas de operação hidráulica do SAC e permitiram concluir sobre os aspectos hidráulicos a serem considerados nas formas de operação, bem como nas interferências a serem implantadas na zona de raízes e na própria metodologia empregada neste sistema de averiguação de características hidráulicas e de transporte de massa. / Desalination process by ultra filtration and reverse osmosis generates a saline concentrate residue. In order to investigate a possible treatment for this residue and further use for irrigation, a parallel study is being conducted using wetlands. The wetland is built in a 100 L circular shaped tank, in which is established a root zone. The concentrate circulates in this zone creating a hydraulic circuit and a mass transfer zone. The investigation of the flow in this region, the wetland hydraulic evaluation and the hydrodynamic diagnosis of the tank that will be used are the objects of study in this dissertation. This research was conducted using a similar tank to the one that will be used for constructing the wetland. Data from a saline tracer that was released during the flow on this tank were taken in order to a computational processing and further diagnose. Data were obtained from electrical signals from electrodes installed in the circulation tank and using the signal conductivity-concentration correlation, the tools were defined for feeding the computational processing that allowed the results of this work. It was possible to verify the diverse flow characteristics on the flow configurations tested, such as the real detention time, the detection of short-circuit zones, densimetric deposition and the verification of the continuity by the propagated mass. It can be seen in the images obtained in the present work, the densimetric deposition of tracer on the bottom of the tank in all tested configurations. The results allowed to conclude on several aspects to be considered in the forms of operation, as well as in the interferences to be implanted in the zone of roots and in the own methodology used in this system of investigation of hydraulic characteristics and of mass transport. Key words: Hydrodynamic evaluation, Diffusion, Convection, Brine, Wetlands.

Este trabalho propõe um modelo de transferência de calor e massa para prever a formação de gelo em um container preenchido com legumes congelados. O problema físico é modelado como um meio poroso composto pelo próprio produto e o ar em seu entorno. O regime de convecção natural é assumido dentro do container, o qual promove o transporte de massa. Como uma primeira validação, o modelo é simulado considerando diferentes temperaturas de ar externo, causadas por flutuações da vizinhança. Resultados para quatro ciclos de temperaturas foram comparados, variando separadamente a temperatura média do ar, amplitude e frequência de oscilação. De modo geral, é observado que a temperatura do produto se comporta assim como era esperado e este resultado é diretamente associado à formação de gelo dentro do container. A formação de gelo cresce com uma maior amplitude de oscilação, porém decresce com um aumento na frequência e na temperatura média. Os parâmetros do modelo foram obtidos para dois diferentes produtos: fatias de cenouras congeladas e vagens congeladas, ambos em meio ao ar. As definições de parâmetros são oriundas de revisão bibliográfica, medições experimentais e simulações numéricas. Os parâmetros encontrados para a caracterização desses meios porosos foram similares para ambos os produtos, mesmo eles possuindo diferentes geometrias. A validação experimental foi feita para as fatias de cenoura considerando dois ciclos de temperatura O modelo numérico é capaz de prever o campo de velocidades do ar, as temperaturas do produto e a formação de gelo local. Os resultados foram validados em relação a um grupo independente de resultados numéricos, tal comparação apresentou uma boa concordância. A circulação de ar encontrada é, de fato, devido à convecção natural. O comportamento da temperatura dos produtos simulados concorda com os valores medidos e os valores de temperaturas diferem por menos de 12%. Com respeito à formação de gelo, o modelo é capaz de prevê-la corretamente nas regiões mais suscetíveis a este fenômeno. Porém, a quantidade de gelo formado prevista pelo modelo (1,56 g/semana) é menor do que a experimental (4,67 g/semana), apesar de serem de mesma ordem de magnitude. O efeito de cada parâmetro no modelo é estudado visando detectar maneiras de aprimorar o modelo. Foi encontrado que os parâmetros mais importantes para a formação de gelo total são a difusividade de massa efetiva e o coeficiente de transferência de calor convectivo dentro do container. Ajustando estes parâmetros duas vezes foi possível encontrar resultados melhores com respeito à formação de gelo (3,09 g/semana). / A model of heat and mass transfer is proposed in order to predict frost formation into a closed container filled with frozen vegetables. The physical problem is modeled as a macroporous media composed by the product itself and the surrounding air. Natural convection air flow is assumed into the container, who promotes water mass transport. As a first validation, the model is simulated for several exterior air temperatures, under environmental fluctuations (boundary conditions). Results of four temperature cycles were compared, varying average air temperature, amplitude and frequency of oscillation, one by one. As a general result, it is observed that the product temperature behavior is as expected, and it is directly associated with frost formation into the container. Frost formation increases with large amplitude of oscillation, but decreases with higher frequencies and higher mean temperatures. Model parameters were obtained for two assembling: frozen slices of carrots and air, and frozen extra thin green beans and air. Parameter definition and evaluation combines literature review, measurements and numerical simulation. In general, parameters which characterize these porous media were similar for both products, even though they display different geometries. The experimental validation is performed for carrot slices with two temperature cycles The numerical model is able to predict air velocity field, air and product temperatures, and local frost formation. Results are validated in respect to a set of independent experimental results that shown a good agreement. Air flow circulation is as expected due to natural convection. Product temperature simulated behavior agrees with measurements, and temperature values differ by less than 12%. Respect to frost formation predictions, the model predicts correctly the most susceptible regions to frost formation. However, the quantity of frost formed predicted by the model (1.56 g/ week)is lower than the experimental one (4.67g/week), despite being of the same order of magnitude. The effect of each parameter in the model is study in order to detect how to improve the model. The most important parameters affecting total frost formation are effective mass diffusivity and convective heat coefficient into the storage container. Adjusting these parameters to twice, better results in terms of frost formation could be obtained (3.09 g/ week).

Este trabalho propõe um modelo de transferência de calor e massa para prever a formação de gelo em um container preenchido com legumes congelados. O problema físico é modelado como um meio poroso composto pelo próprio produto e o ar em seu entorno. O regime de convecção natural é assumido dentro do container, o qual promove o transporte de massa. Como uma primeira validação, o modelo é simulado considerando diferentes temperaturas de ar externo, causadas por flutuações da vizinhança. Resultados para quatro ciclos de temperaturas foram comparados, variando separadamente a temperatura média do ar, amplitude e frequência de oscilação. De modo geral, é observado que a temperatura do produto se comporta assim como era esperado e este resultado é diretamente associado à formação de gelo dentro do container. A formação de gelo cresce com uma maior amplitude de oscilação, porém decresce com um aumento na frequência e na temperatura média. Os parâmetros do modelo foram obtidos para dois diferentes produtos: fatias de cenouras congeladas e vagens congeladas, ambos em meio ao ar. As definições de parâmetros são oriundas de revisão bibliográfica, medições experimentais e simulações numéricas. Os parâmetros encontrados para a caracterização desses meios porosos foram similares para ambos os produtos, mesmo eles possuindo diferentes geometrias. A validação experimental foi feita para as fatias de cenoura considerando dois ciclos de temperatura O modelo numérico é capaz de prever o campo de velocidades do ar, as temperaturas do produto e a formação de gelo local. Os resultados foram validados em relação a um grupo independente de resultados numéricos, tal comparação apresentou uma boa concordância. A circulação de ar encontrada é, de fato, devido à convecção natural. O comportamento da temperatura dos produtos simulados concorda com os valores medidos e os valores de temperaturas diferem por menos de 12%. Com respeito à formação de gelo, o modelo é capaz de prevê-la corretamente nas regiões mais suscetíveis a este fenômeno. Porém, a quantidade de gelo formado prevista pelo modelo (1,56 g/semana) é menor do que a experimental (4,67 g/semana), apesar de serem de mesma ordem de magnitude. O efeito de cada parâmetro no modelo é estudado visando detectar maneiras de aprimorar o modelo. Foi encontrado que os parâmetros mais importantes para a formação de gelo total são a difusividade de massa efetiva e o coeficiente de transferência de calor convectivo dentro do container. Ajustando estes parâmetros duas vezes foi possível encontrar resultados melhores com respeito à formação de gelo (3,09 g/semana). / A model of heat and mass transfer is proposed in order to predict frost formation into a closed container filled with frozen vegetables. The physical problem is modeled as a macroporous media composed by the product itself and the surrounding air. Natural convection air flow is assumed into the container, who promotes water mass transport. As a first validation, the model is simulated for several exterior air temperatures, under environmental fluctuations (boundary conditions). Results of four temperature cycles were compared, varying average air temperature, amplitude and frequency of oscillation, one by one. As a general result, it is observed that the product temperature behavior is as expected, and it is directly associated with frost formation into the container. Frost formation increases with large amplitude of oscillation, but decreases with higher frequencies and higher mean temperatures. Model parameters were obtained for two assembling: frozen slices of carrots and air, and frozen extra thin green beans and air. Parameter definition and evaluation combines literature review, measurements and numerical simulation. In general, parameters which characterize these porous media were similar for both products, even though they display different geometries. The experimental validation is performed for carrot slices with two temperature cycles The numerical model is able to predict air velocity field, air and product temperatures, and local frost formation. Results are validated in respect to a set of independent experimental results that shown a good agreement. Air flow circulation is as expected due to natural convection. Product temperature simulated behavior agrees with measurements, and temperature values differ by less than 12%. Respect to frost formation predictions, the model predicts correctly the most susceptible regions to frost formation. However, the quantity of frost formed predicted by the model (1.56 g/ week)is lower than the experimental one (4.67g/week), despite being of the same order of magnitude. The effect of each parameter in the model is study in order to detect how to improve the model. The most important parameters affecting total frost formation are effective mass diffusivity and convective heat coefficient into the storage container. Adjusting these parameters to twice, better results in terms of frost formation could be obtained (3.09 g/ week).

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T20:52:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 104714.pdf: 3661917 bytes, checksum: 1f1974d9cb36287c52740faedb0847d3 (MD5) Previous issue date: 1996 / O presente trabalho trata de simulação numérica de problemas envolvendo mudança de fase. Existem dois tipos principais de solução; o método da temperatura e o método da entalpia, no qual não se conhece a posição da frente e o problema é resolvido com formulação única para todo o domínio. No método da entalpia a existência da mudança de fase só é "noticiada" por meio do termo-fonte da equação da energia, surgindo, então, uma infinidade de métodos baseados na maneira de tratar este termo-fonte. O método proposto neste trabalho não se classifica nestes dois tipos clássicos. Possui uma nova concepção, baseada principalmente na idéia de dar um melhor tratamento numérico à frente de mudança de fase, porém, sem os inconvenientes da aplicação de uma condição de interface, como no método da temperatura. O novo método leva a excelentes soluções unidimensionais. O método é generalizado utilizando-se de coordenadas curvilíneas não ortogonais e malhas móveis. São propostos dois tipos de malhas móveis, gerando duas metodologias diferentes, porém, com a mesma concepção. Este trabalho vem abrir um novo caminho para a simulação numérica de problemas de mudança de fase, estreitando os limites entre as duas linhas de pesquisa clássicas na área.

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