[pt] No presente trabalho foi realizada uma investigação numérica de um escoamento forçado em um canal plano parcialmente construído por um elemento retangular aquecido com temperatura da parede constante. O elemento tem dimensões fixas e foi estudado em diferentes posições do canal, ao passo que este tem comprimento fixo e largura variável, de modo a obter-se uma razão de aspecto entre 21,8 e 4,0. A faixa investigada do número de Reynolds foi de 100 a 1500, e o número de Prandtl foi fixado em 0,7, a fim de simular escoamento de ar com propriedades constantes. O método numérico utilizado na resolução das equações de conservação que regem o escoamento foi o método dos volumes de controle desenvolvido por Suhas V. Patankar. A partir dos perfis de velocidade, pressão e temperatura foram calculados a perda de carga ao longo do canal e o número de Nusselt médio em torno do elemento. Foram também realizadas comparações com outros trabalhos; tanto dos resultados hidrodinâmicos como dos térmicos, e boas concordâncias foram obtidas. / [en] A numerical investigation of a forced flow in a partially obstructed plate channel was performed in the present work. The obstruction was an isothermal rectangular element. The effect of the element, which had fixed dimensions, was studied for different channel positions. The channel had a fixed length but its width was variable, making it possible to obtain an aspect ratio between 21,8 and 4.0. The investigation was made for Reynolds number from 100 to 1500 and the Prandtl number was fixed at 0.7, to simulate a constant property air flow. The numerical method used in the solution of the conservation law equations which govern the flow was the control volume numerical method, developed by Suhas V. Patankar. From the velocity, pressure and temperature profiles, the head loss along the channel and the average Nusselt number around the element surface. The hydrodynamical and thermal results were compared, when possible, with previous papers, and a good agreement was obtained.

[pt] Efeitos na transferência de calor e perda de carga de uma matriz de módulos retangulares, localizada no interior de um duto retangular plano, foram analisados experimentalmente tendo-as ar como fluido de trabalho. A pesquisa foi desenvolvida objetivando simular a refrigeração de componentes eletrônicos por convecção forçada. Aplicando-se a técnica de sublimação de naftaleno determinaram-se os coeficientes de transferência de massa (calor) para três situações investigadas durante o curso da experiência. São elas: (a) para a matriz base formada apenas por módulos regulares, (b) para um módulo alto inserido em todas as posições na linha de centro na matriz, (c) para os módulos vizinhos ao módulo alto na matriz. A partir dos resultados obtidos, determinaram-se correlações para o Número de Sherwood em função do Número de Reynolds compreendido na faixa de 2000 a 7000. O Número de Sherwood do môdulo alto, mostrou-se substancialmente maior comparado com o módulo regular da mesma posição. Esse acréscimo foi da ordem de 90 por cento a 95 por cento na região completamente desenvolvida, para baixo Número de Reynolds. Verificou-se que a presença do módulo alto causou um significativo aumento no coeficiente de transferência de calor nos modulos vizinhos, atingindo em alguns casos, aumento de 50 por cento. O módulo posicionado ao lado do módulo alto acusou o maior acréscimo de transferência de calor. Medidas de pressão na matriz sem e com módulo alto foram realizadas. Com a introdução do módulo alto, um acréscimo na perda de carga for verificado, sendo que, para o menor Número de Reynolds, este incremento corresponde a perda de carga equivalente a aproximadamente seis fileiras de módulos regulares. / [en] Heat transfer and pressure drop characteristics an array of rectangular modules inside a rectangular duct were experimentally studied using air as the working fluid. The research was conducted with the aim of simulating the cooling of eletronic components by forced convection. Mass ( Heat ) transfer coefficients were determined via naphthalene sublimation technique for three different situations, namely (a) for modules in the basic array, composed of regular modules only, (b) for a tall module positioned at all positions in the array center longitudinal row, and (c) for the modules in the neighborhood of the tall module. With basis on the results obtained, relations for the Sherwood (Nusselt) Number were obtained as a function of the Reynolds Number, which varied from 2000 to 7000. The Sherwood Number for the tall module was found to be higher than the one for the regular module at the same position. This increase was of the order of 90-95 percent, in the fully developed region and for low Reynolds Number. It was found that the presence tall module caused of the significant enhancements on the heat (mass) transfer coefficient of the neighboring modules, reaching in same cases 50 percent increases. The regular modules situated by the sides of the tall module underwent the highest enhancements on heat transfer. Pressure Measurements on the array with and without the tnll module where performed. In the presence of the tall module, an additional pressure loss was observed, being equivalent to the loss associated with approximately six transversal rows of regular modules, for the lower Reynolds Number.

[pt] Neste trabalho foi feita um análise teórica, da influência da relação densidade-temperatura, nas proximidades da densidade máxima, sobre a transferência de calor por convecção natural. Para este estudo foi considerado o sistema formado por uma esfera isotérmica imersa em água: Usando as simplificações da camada limite e a transformação de similaridade, as equação de conservação de massa, momentum e energia, foram reduzidas a sistemas de duas equações diferencias ordinárias, não lineares, de condições de contorno. Estas equações diferenciais simultâneas as quais descrevem os campos de velocidade e temperatura da superfície da esfera, como da temperatura da água. A solução destas equações dão dois tipos de regimes de fluxo, o primeiro o usual fluxo unidirecional e o segundo o bidirecional no qual existe fluxo inverso. Em ambos regimens a direção do fluxo depende tanto da temperatura da superfície da esfera, como da temperatura da água. O objetivo principal deste estudo foi obter a variação do coeficiente de transmissão de calor, o qual depende tanto da temperatura de superfície da esfera, como da temperatura da água. Tendo em vista que a densidade máxima da água ocorre na temperatura de 3,98 graus Celsius , e a temperatura da esfera de 0 graus Celsius a 35 graus Celsius. Os resultados numéricos foram obtidos com o emprego dos computadores digitais IBM-1130 e /370 do Rio Datacentro da Puc. / [en] In this work a theoretical analysis was made on the influence of the temperature density relationship on natural convetion heat transfer in the region of maximum desity. An Isothermal sphere immersed in water was considered in this study. Using boundary layer simplifications and similarity transformationhs, thecontinity, momentum, and energy equations which are non linear and depend on the boudary conditions. These symultaneous differential equations, which describe the velocity and temperature of the sphere as well as the water. The sotution of these equations gives twotypes of flow regimes; the first, the common unidirectional one., and the second, a bidirectional one, in which there is flow reversal. In both of theases regimes of the sphere and water. The principle objective oh this study was to abtain the variation in the heat transfer coefficient wich is dependent on the velocity field, wich in turn is dependent upo the temperatures of the sphere and water. Since the maximum desity of water occurs at 3,98 Celsius degrees, the temperature of the water in this study was varied between 0 Celsius degrees and 20 Celsius degrees, while the temperature of the sphere was varied between 0 Celsius degrees and 35 Celsius degrees. Numerical results were obtain with the use of the IBM-1130 and 370 computors at Rio Datacentro of PUC.

[pt] Solidificação e fusão fazem parte de uma classe de problemas transientes de transferência de calor conhecidos como problemas de mudança de fase ou de fronteira móvel. A solução desta classe de problemas envolve uma dificuldade inerente ao processo que é o movimento da interface entre as fases sólida e líquida. Este movimento está relacionado à absorção ou remoção do calor latente na interface. Como conseqüência a localização da interface sólido/líquido não é conhecida a priori tornando-se parte da solução. No presente trabalho, considera-se a mudança de fase em regime transiente de um material puro, na presença de convecção natural, em uma cavidade fechada bidimensional. A interface entre as fases sólida e líquida se comporta como um contorno bem definido com temperatura igual à temperatura de mudança de fase do material. O material na fase líquida é considerado um fluido Newtoniano e a aproximação de Boussinesq é utilizada. Tanto na região líquida, quanto na região sólida, as propriedades termofísicas são constantes e uniformes, porém, diferentes entre si. O sistema de coordenadas adotado é aquele onde suas coordenadas adaptam-se ao contorno da geometria, e considera, quando existe movimento de fronteira e/ou interface, sua velocidade de deslocamento. A intensidade na qual o fluido se movimenta provoca mudanças na forma da interface e é de fundamental importância no fenômeno da mudança de fase. No começo do processo de mudança de fase, o modo de transferência de calor na fase líquida é devido somente à condução de calor. À medida que a velocidade do fluido aumenta, o processo de transferência de calor por convecção começa a dominar. O escoamento ocorre no regime laminar mas eventualmente torna- se turbulento, o que aumenta significativamente as taxas de transferência de calor ao longo da interface. Além disso, como as partículas fluidas se deslocam mais rapidamente há uma melhor distribuição destas taxas ao longo da interface, com uma diminuição em sua curvatura. O modelo de turbulência selecionado pertence à família de modelos k-e. O modelo k-e tradicional é utilizado no núcleo turbulento, e um outro conjunto de equaçõesdesenvolvido a partir de dados de simulação numérica direta, é utilizado na região próxima às paredes. A metodologia implementada permite determinar naturalmente a transição do regime laminar para o turbulento. O presente trabalho apresenta uma nova metodologia no tratamento da interface entre as regiões sólida e líquida. Um volume de controle de espessura zero representa a posição da interface. Uma vez resolvida a equação do balanço combinado de massa e energia na interface, nenhum artifício é necessário para se avaliar sua nova posição. Devido ao salto de massa específica na interface alguma variação no volume total do material é esperada. Entretanto, o modelo atual não prevê aumento no volume total do material e algum artifício deve ser utilizado para adicionar ou retirar massa do domínio. A utilização do volume de controle zero na interface permite retirar ou adicionar massa sem a necessidade de termos de fonte adicionais. Também é utilizado o artifício de redistribuir os pontos nodais entre as fases sólida e líquida no intuito de não alocar muitos pontos nodais em regiões de pequenas espessuras. A redistribuição de pontos garante um refinamento melhor junto à interface e, possibilita a utilização de maiores intervalos de tempo sem introduzir dificuldade de convergência. Os resultados numéricos são comparados a dados experimentais e resultados numéricos para os processos de fusão e solidificação de materiais puros. A boa concordância com dados experimentais revela que a metodologia apresentada resulta numa melhora na resolução deste tipo de problemas. / [en] Solidification and fusion belong to a class of transient heat transfer problems known as phase change problems or moving boundary problems. The solution of this class of problems presents an additional difficulty concerning the movement of the interface. This movement is due to the absorption or removal of the latent heat at the interface. As a consequence the position of the interface is not known, being part of the solution. At the present work, the transient phase change of a pure substance is considered in the presence of natural convection in a closed two dimensional cavity. The interface is a well-defined boundary at the phase change temperature. The liquid phase is assumed to be Newtonian and the Boussinesq approximation is adopted. The properties of both liquid and solid phases are constant, although different of each other. A non-orthogonal coordinate system, which adapts to the geometry, is employed. This coordinate system moves with time to adapt to the varying interface position. The intensity of the fluid movement promotes changes in the interface shape, and it is extremely important for the phase change phenomena. At the beginning of the phase change process, the heat transfer mechanism at the liquid phase is due only to conduction. As the fluid velocity increases, the heat transfer by convection begins to dominate the process. The flow is laminar, and eventually the fluid flow becomes turbulent, substantially increasing the heat transfer rate along the interface. Further, since the fluid particles move more rapidly, theses heat fluxes along the interface are better distributed, causing a reduction of the interface curvature. The turbulence model selected belongs to the k-e family. The traditional k-e é employed at the turbulent core and another set of equations, developed based on direct numerical simulation data, is employed at the near wall region. The methodology is capable of determining the transition from laminar to turbulent flow. The present works presents a new methodology to determine the interface between solid and liquid regions. A zero thickness control volume represents the interface position. Once the mass and energy balance equations are solved at the interface, no further schemeis necessary to evaluate its new position. The zero thickness control volume at the interface allows the mass to be conserved at the liquid region without the need of any special treatment, in spite of the specific mass jump across the interface. The grid distribution is adjusted between the liquid and solid phase during the phase change process, in order to optimize the grid distribution in the domain. Further, the grid redistribution allows the use of larger time steps, without convergence difficulties. The numerical results are compared with experimental and numerical data available in the literature for fusion and solidification of pure substances. The good agreement reveals that the presented methodology furnishes an improved solution for this type of problems. The point redistribution allows the specification of larger time steps without compromising the convergence and precision. / [es] Solidificación y fusión forman parte de una clase de problemas de transferencia de calor conocidos como problemas de cambio de fase o de frontera movil. La solución de esta clase de problemas envuelve una dificuldad inherente al proceso: el movimiento de la interfaz entre las fases sólida y líquida. Este movimiento está relacionado con la absorción o extracción del calor latente en la interfaz. Como consecuencia, la localización de la interfaz sólido/líquido no se conoce a priori, por lo que forma parte de la solución. En el presente trabajo, se considera el cambio de fase en régimen transitorio de un material puro, en presencia de convección natural, en una cavidad cerrada bidimensional. La interfaz entre las fases sólida y líquida se comporta como un contorno bien definido con temperatura igual a la temperatura de cambio de fase del material. El material en fase líquida es considerado un fluido Newtoniano, por lo que se utiliza la aproximación de Bousinesq. Tanto en la región líquida como en la sólida, las propiedades termofísicas son constantes y uniformes, aunque diferentes entre sí. El sistema de coordenadas adoptado es aquel donde las coordenadas se adaptan al contorno de la geometría; y considera su velocidad de deslizamiento cuando existe movimiento de fronteira y/o interfaz. La intensidad del fluido provoca cambios en la forma de la interfaz lo que resulta de fundamental importancia en el fenómeno del cambio de fase. Al inicio del proceso de cambio de fase, el modo de transferencia de calor en la fase líquida se debe solamente a la conducción de calor. A medida que la velocidad del fluido aumenta, el proceso de transferencia de calor por convección comienza a dominar. El fujo ocurre en el régimen laminar, pero eventualmente se vuelve turbulento, lo que aumenta significativamente las tasas de transferencia de calor a lo largo de la interfaz. Además de esto, como las partículas fluidas se desplazan más rapidamente, hay una mejor distribución de estas tasas a lo largo de la interfaz, con una disminución en su curvatura. El modelo de turbulencia seleccionado pertence a la família de modelos k-y. El modelo k-y tradicional se utiliza en el núcleo turbulento, y se desarrolla otro conjunto de ecuaciones a partir de datos de simulación numérica directa, que es utilizado en la región próxima a las paredes. La metodología implementada permite determinar naturalmente la transición del régimen laminar para el turbulento. Este trabajo presenta una nueva metodología en el tratamiento de la interfaz entre las regiones sólida y líquida. El volúmen de control de espesura cero representa la posición de la interfaz. Una vez resuelta la ecuación del equilibrio combinado de masa y energía en la interfaz, no se necesita evaluar su nueva posición. Debido al salto de masa específica en la interfaz, se espera alguna variación en el volúmen total del material. Sin embargo, el modelo actual no prevee un aumento en el volumen total del material y se debe utilizar cierto artificio para adicionar o retirar masa del dominio. La utilización del volumen de control cero en la interfaz permite retirar o adicionar masa sin necesidad de términos de fuente adicionales. También es utilizado el artificio de redistribuir los puntos nodales entre las fases sólida y líquida con el objetivo de no considerar muchos puntos nodales en regiones de pequenas espesuras. Esta redistribución garantiza un mejor refinamiento junto a la interfaz y, posibilita la utilización de mayores intervalos de tiempo sin introducir mayores problemas de convergencia. Los resultados numéricos son comparados con datos experimentales y con resultados numéricos para los procesos de fusión y solidificación de materiales puros. La concordancia con datos experimentales revela que la metodología presentada mejora la resolución de este tipo de problemas.

[pt] Experimentos foram realizados para se determinar as características de transferência de calor de modo combinado, por convecção natural e radiação, de um conjunto de aletas retangulares e verticais, com antepara, em ar. Os seguintes parâmetros foram avariados durante o curso dos experimentos: comprimento longitudinal das aletas, diferença de temperatura aleta-ambiente, altura das aletas e a folga entre aletas/antepara. Anteparas possuindo características térmicas distintas foram empregadas (altamente condutora e isolante). Para cada configuração variou-se o Número de Rayleigh entre 4,0 x 10(1) a 7,0 x 10(2). Encontrou-se que o posicionamento de uma antepara próxima às alentas reduz a taxa de troca de calor de modo combinado quando comparado ao caso sem antepara. Encontrou-se, também, que as anteparas metálicas forneceram taxas de transferência de calor maiores que as isoladas. Cálculos mostraram que, quando a folga aleta/antepara era nula, a parcela convectiva era dominante. Para outros valores da folga, a contribuição da componente radiativa era da mesma ordem de grandeza da convectiva. A contribuição da parcela radiativa era maior para baixos valores do Número de Rayleigh e para valores da folga aleta/antepara diferentes de zero. / [en] Experiments were performed to determine the combined-mode natural convection/radiation heat transfer characteristics of a shrouded array of rectangular, vertical fins. The investigated parameters included the height and the longitudinal lenght of the fins, the clearance gap between the shroud and the fin tips and the fin to ambient temperature difference. Shroud walls having different thermal characteristics were used (highly conducting and insulated). For each configuration, the Rayleigh Number ranged from 4,0 x 10 (1) to 7,0 x 10 (2). It was found that the positioning of a shrouding surface close to the fins decreased the rate of combined mode heat transfer when compared to the unshrouded case. Greater heat transfer rates were found for the conducting wall shroud in comparison with the insulated one. Calculations performed showed that, when the clearance gap between the shroud and the fin tips was zero, the convective component was dominant. For other clearance gaps, the contribution of radiation was of the same order of magnitude of the convective one. The contribution of the radiative component was greater for small values of the Raileigh Number and for clearance gaps different from zero.

[pt] Vibrações induzidas por escoamento tem apresentado cada vez mais importância na indústria do petróleo. A vibração de colunas produção, somada aos ciclos normais de oscilação de temperatura e pressão dos poços, pode causar o desgaste dos diversos micro-componentes presentes no sistema. Uma potencial fonte de perturbação, em poços injetores, é a turbulência do escoamento formado por um jato que sai em alta velocidade da coluna de injeção e atinge a parede do revestimento. No presente estudo, investiga-se o efeito causado por jatos confinados no espaço anular formado por dois tubos concêntricos. A geometria assemelha-se àquela de um poço injetor, entretanto os números de Reynolds analisados são inferiores ao caso real. O objetivo do presente trabalho foi analisar o comportamento desse tipo de escoamento sob diferentes condições, no que diz respeito a número de Reynolds, distância em relação a superfície e número de jatos presentes no espaço anular. O escoamento no interior do espaço anular foi caracterizado com a técnica de velocimetria por imagem de partículas com alta resolução temporal (time resolved PIV). O comportamento dinâmico das perturbações foi analisado e as estruturas espaciais mais relevantes foram estimadas utilizando a decomposição por modos próprios ortogonais. Os resultados mostram que na presença de dois jatos o escoamento o escoamento apresenta flutuações periódicas mais intensas, com frequências bem definidas, sugerindo um acoplamento dos jatos. Foram realizados experimentos para estimar os coeficientes de transferência de calor associados com esse escoamento. Para isso, foram realizados experimentos com aquecimento da superfície do tubo externo. Nos casos com jatos próximos a superfície, os resultados sugerem que ocorre uma redução da transferência de calor na região de estagnação do jato. / [en] Flow induced vibration has shown an increasingly higher relevance in oil and gas industry. The vibration of completion strings, plus normal cycles of wells, can cause premature failure of micro-components present in the system. Flow turbulence is a potential source of vibration for the system. In injection wells, the fluid flows from the inner pipe (completion string) towards the surface of the external pipes (casings). This flow frequently has a turbulent behaviour, due to the high flow rates employed. In the present study, flow resulting from jets in a confined annular space is investigated, for different parameters, including Reynolds number, pipe diameters and number of jets. The geometry resembles that of an injection well, however the Reynolds numbers analyzed are lower than the actual case. The flow field inside the annular space is characterized using time resolved PIV (Particle Image Velocimetry) techniques. The dynamic behavior of the perturbations was analyzed and the most relevant spatial structures were estimated using Proper Orthogonal Decomposition (POD). Results show that, in presence of two jets, flow exhibits intense periodic fluctuations, with well-defined frequencies This suggests the presence of a coupling between jets. Experiments are carried out to estimate the heat transfer coefficients associated with this flow. In the cases with jets close to the surface, results suggest that a reduction of heat transfer occurs in the region of jet stagnation.

[pt] Óleos brutos altamente parafínicos podem causar problemas operacionais significativos, tais como bloqueio de um oleoduto devido à precipitação e deposição de componentes de parafina durante a produção e transporte de petróleo bruto. O custo de gerenciamento da parafina é enorme e aumenta significativamente com o aumento da produção de petróleo em áreas marítimas profundas. Mas estes custos podem ser significativamente reduzidos se a deposição de parafina em dutos puder ser prevista com precisão. Nesta pesquisa, o fenômeno de deposição foi analisado numericamente. O modelo de deslizamento foi utilizado para prever o fluxo multifásico e a deposição de parafina foi determinada a partir de um modelo de convecção. Este modelo previu com precisão as taxas de deposição de escala de laboratório em regime de fluxo laminar e turbulento. A taxa de deposição de parafina apresentou uma boa concordância com os resultados do software comercial OLGA. A comparação com a produção de petróleo de um poço real foi modelado, e bons resultados foram obtidos no impacto da queda de pressão devido à redução da área seção transversal causada pela deposição de parafina progressiva na parede do tubo. Os resultados deste trabalho mostraram uma boa consistência física e um acordo razoável com os dados experimentais e de campo comparados. / [en] Highly waxy crude oils can cause significant operational problems such as blockage of a pipeline due to the precipitation and deposition of select wax components during the production and transportation of the crude oil. The cost of wax management is enormous and rapidly increasing because of increased oil production in deep sea areas. Wax management costs can be significantly reduced if wax deposition in pipeline can be accurately predicted. In this research, the wax deposition phenomenon was numerically investigated. The drift flux model was employed to predict the multiphase flow and the wax deposition was determined based on a convective model. This model accurately predicted the deposition rates for lab scale under laminar and turbulent flows. The wax deposition rate presented a good agreement with the results of commercial software OLGA. A comparison with an existing oil production well was performed, and good results were obtained in the impact in pressure drop due to cross section area reduction caused by progressive wax deposition on the pipe wall. The results of this work showed a good physical consistency and a reasonable agreement with the compared experimental and field data.