Os elementos de combustível de um reator nuclear de pesquisa tipo MTR (\"Material Testing Reactor\") são, em sua grande maioria, formados por placas de combustível revestidas com alumínio contendo no cerne silicileto de urânio (U3Si2) disperso em matriz de alumínio. Essas placas possuem espessura da ordem de milímetros e comprimentos muito maiores em relação à sua espessura. Elas são dispostas paralelamente no conjunto que forma o elemento combustível, de maneira a formar canais entre elas com poucos milímetros de espessura, por onde escoa o fluido de refrigeração (água leve ou água pesada). Essa configuração, associada à necessidade de um escoamento com altas vazões para garantir o resfriamento das placas em operação, pode gerar problemas de falhas mecânicas das placas de combustível devido às vibrações induzidas pelo escoamento nos canais e, consequentemente, acidentes de proporções graves no caso de velocidade crítica que possa gerar o colapso das placas. Embora não haja ruptura das placas de combustível durante o colapso, as deflexões permanentes excessivas das placas podem causar bloqueio do canal de escoamento no núcleo do reator e levar ao superaquecimento nas placas. Para este trabalho, foram desenvolvidas uma bancada experimental com capacidade para altas vazões volumétricas (Q=100 m3/h) e uma seção de testes que simula um elemento combustível do tipo placa com três canais de resfriamento. A seção de testes foi construída com placas de alumínio e acrílico e foi instrumentada com sensores de deformação, sensores de pressão, um acelerômetro e um tubo de pitot. As dimensões da seção de testes foram baseadas nas dimensões do Elemento Combustível do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), cujo projeto está sendo coordenado pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Os experimentos realizados alcançaram o objetivo de chegar à condição de velocidade crítica de Miller com o colapso das placas. A velocidade crítica foi atingida com 14,5 m/s levando a consequente deformação plástica das placas que formam o canal do escoamento. O canal central na entrada da seção de testes apresentou uma abertura de 3 mm em seu centro, causando um grande bloqueio do escoamento nos canais laterais. Este comportamento foi v constatado visualmente durante a desmontagem da seção de testes, ilustrado e discutido na análise de resultados apresentado neste trabalho. O bloqueio dos canais também foi observado por meio de gráficos de queda de pressão e por gráficos das deformações da entrada, centro e saída das placas contra a velocidade média da seção de testes. Observou-se uma queda da resistência hidráulica da seção de testes devido ao aumento da seção transversal de escoamento no canal central e um aumento exponencial das deformações quando da ocorrência da velocidade crítica. Comparativamente, o valor experimental obtido para velocidade crítica na seção de testes foi da ordem de 85% do valor obtido por cálculo com a expressão teórica de Miller. Os experimentos realizados permitiram um melhor entendimento da interação fluido estrutura em elementos de combustível tipo placa como: valores de frequências de vibrações naturais, instabilidade fluido elástica e desenvolvimento de técnicas para a detecção de valores de velocidade crítica. / The fuel elements of a MTR (Material Testing Reactor) type nuclear reactor are mostly composed of aluminum-coated fuel plates containing the core of uranium silica (U3Si2) dispersed in an aluminum matrix. These plates have a thickness of the order of millimeters and are much longer in relation to their thickness. They are arranged in parallel in the assembly forming the fuel element to form channels between them a few millimeters in thickness, through which there is a flow of the coolant (light water or heavy water). This configuration, combined with the need for a flow at high flow rates to ensure the cooling of the fuel element in operation, may create problems of mechanical failure of fuel plate due to the vibration induced by the flow in the channels. In the case of critical velocity may cause collapse of the plates. Although there is no rupture of the fuel plates during collapse, excessive permanent deflections of the plates can cause blockage of the flow channel in the reactor core and lead to overheating in the plates. For this study were developed an experimental bench capable of high volume flows (Q = 100 m3/h) and a test section that simulates a plate-like fuel element with three cooling channels. The test section was constructed with aluminum and acrylic plates and was instrumented with straingauge sensors, pressure sensors, accelerometer and a tube of pitot. The dimensions of the test section were based on the dimensions of the Fuel Element of the Brazilian Multipurpose Reactor (RMB), whose project is being coordinated by the National Commission of Nuclear Energy (CNEN). The experiments performed attained the objective of reaching Miller\'s critical velocity condition with the collapse of the plates. The critical velocity was reached with 14.5 m/s leading to the consequent plastic deformation of the plates forming the flow channel. The central channel had a 3mm aperture in its center, causing a large blockage of the flow in the lateral channels. This behavior was observed visually during the disassembly of the test section, illustrated and discussed in the results analysis presented in this work. Blocking of the channels was also observed by means of graphs of pressure drop and graphs of the deformations of the entrance, center and exit of the plates against the average speed vii of the section of tests. It was observed a decrease of the hydraulic resistance of the section of tests due to the increase of the transversal section of flow in the central channel and an exponential increase of the deformations when the critical speed occurrence. Comparatively, the value obtained for critical velocity in the test section through the experiments was of the order of 85% of the value obtained by calculation with Miller\'s theoretical expression. The experiments allowed a better understanding of the structure fluid interaction in plate type fuel elements such as: natural vibration frequency values, elastic fluid instability and development of techniques for the detection of critical velocity values.

Orientador: Miguel de Arruda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Educação Física / Made available in DSpace on 2018-08-22T10:37:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 D'Angelo_RicardoAntonio_D.pdf: 1858507 bytes, checksum: fd2ab649ea19c5c6dd6b7111fc2615d5 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O objetivo do presente estudo foi relacionar testes de desempenho aeróbio utilizados para estimar o limiar anaeróbio (LAn) com intensidades de corrida em treinamento e competição. Os testes aplicados foram velocidade crítica (Vcrit) e máxima fase estável de lactato (MFEL) e a amostra do estudo fundistas de alto rendimento. Estudos preliminares foram desenvolvidos para avaliar a confiabilidade e aplicabilidade da ferramenta utilizada na determinação de um parâmetro fisiológico de carga confiável (LAn). A metodologia utilizada foi descrita apresentando as técnicas e procedimentos para coletar os dados, assim como a seleção da amostra e o tratamento estatístico. O protocolo de teste de Vcrit para estimar o LAn, quando aplicado no modelo distância vs tempo e com tomada de tempo para 4 distâncias e 3 distâncias se mostrou eficaz e confiável, uma vez que não foram encontradas diferenças significativas nos valores dessas variáveis. A aplicação dos instrumentos de monitoramento de carga, percepção subjetiva de intensidade (PSI) e percepção subjetiva de cansaço (PSC) se mostraram eficazes na escolha dos métodos, meios de treinamento e vias metabólicas trabalhadas quando relacionados à dinâmica de carga do microciclo-tipo, entretanto, não foram suficientemente sensíveis para identificar diferenças na acurácia entre as equações de predição de MFELmc e MFELms. Houve boa correlação entre as melhores marcas dos atletas na Meia Maratona vs Distância Limite e Meia Maratona vs Tempo Limite ( r= -0,8 e r= -0,6, respectivamente). As intensidades de corrida em competições oficiais de Meia Maratona, a Vcrit real e a MFELms mostraram importante relação na determinação de velocidades de treinamento e competições. Os métodos e meios de treinamento de fundistas de alto rendimento foram identificados e caracterizados, concluindo que o treinamento organizado contendo intensidades de corrida preditas através de parâmetros confiáveis deve prevalecer na busca do melhor desempenho possível. Os resultados atléticos conhecidos até o presente momento indicam a relevância de estudos fundamentados em respostas fisiológicas diretas para aplicação de intensidades de corrida em fundistas de elevado rendimento / Abstract: The purpose of this study was to relate aerobic performance tests used to estimate the anaerobic threshold (AT) to running intensities in training and competition. The tests applied were critical speed (CS) and maximal lactate steady state (MLSS) and study sample high performance distance runners. Preliminary studies were developed as part of the literature review to support the tool that was used to determine a reliable load physiological parameter (AT), easily applicable and highly replicable. The methodology was described presenting the techniques and procedures for collecting data, as well as sample selection and statistical analysis. The CS test protocol to estimate the AT showed to be effective and reliable when applied to the distance vs time model by collecting the time for 4 distances and 3 distances, once no significant differences were found in the values of these variables. The application of the subjective perception of intensity (SPI) and subjective perception of fatigue (SPF) load tools for monitoring showed to be effective on the choice of methods, means training and metabolic pathways when related to microcycle-type dynamic loading, however, were not sufficiently sensitive to identify differences in accuracy between MLSScm and MLSSsm prediction equations. There was a good correlation between athletes personal bests Half Marathon vs Distance Limit and Half Marathon vs Time Limit (r = -0.8 and r = -0.6, respectively). The running intensities at Half Marathon official competitions, the real CS and MLSSsm, showed an important relation to determine the speed on training and competitions. The methods and means of training for high performance distance runners were identified and characterized, concluding that the organized training that contains predicted running intensities through reliable parameters should prevail in pursuit the best performance. The athletics results known so far indicate the relevance of studies based on direct physiological responses to application of intensities on high performance distance runners / Doutorado / Ciencia do Desporto / Doutor em Educação Física

As velocidades críticas de resfriamento necessárias à obtenção de percentuais definidos de martensita, presentes em amostras de aços temperados em óleo, foram determinadas por meio de curvas de resfriamento. As amostras constituíram-se de barras de aço AISI 4140 e 8640 com seções circulares de 25,4; 38,1 e 50,8 mm e barras quadradas com 25,4 e 38,1 mm de lado e comprimento igual a 5 vezes o diâmetro ou lado. Visando-se à obtenção de padrões de comparação para essas velocidades, foram também obtidas as curvas em U das durezas ao longo das seções transversais das barras e as curvas Jominy desses aços. Os resultados apresentaram boa coerência, o que garantiu a eficiência do processo. Os resultados concernentes ao teor específico de 50% de martensita foram comparados com os obtidos a partir de equações constantes na literatura. As equações não se mostraram diretamente adequadas, requerendo a obtenção de um fator de correção, que uma vez obtido mostrou-se eficiente na adequação dos valores empíricos de velocidade crítica aos determinados por meio das curvas de resfriamento. / The criticaI cooling velocities necessary to obtaining specific contents of martensite, present in test specimens of hardened steels in oil, were evaluated by means of cooling curves. The samples were constituted of bars of AISI 4140 and 8640 steels with 25,4; 38,1 and 50,8 mm diameter and squared bars with 25,4 and 38,1 mm in side by 5 times the diameter or side long. Aiming at obtaining comparison patterns for those velocities, they were also obtained the curves in U of the hardness along the traverse sections of the bars and the Jominy curves of those steels. The results presented good agreement, what guaranteed the efficiency of the process. The concerning results achieving a 50 pct martensitic microstructure were compared with those obtained from equations presented in the literature. The equations did not show good approaches, requesting the determination of a correction factor, that once obtained it was shown efficient in the adaptation of the empirical values of critical velocities to those determined by means of the cooling curves.

Over recent years, military research has focused on ways of being able to predict operational success and readiness through the development of simulated operational tasks measuring the physical limits of the soldier. Therefore, to properly prepare the tactical athlete for the demands and rigor of combat, accurate assessment of baseline physical abilities and limitations are necessary. Currently, western armies use a basic physical fitness test, which has been heavily argued to have no bearing on operational readiness, thus they are in the process of transitioning to a more specific combat readiness test. However, specific assessments to predict operational success/readiness are inefficient or lacking. A single test that requires minimal time, but provides simultaneous assessment of the necessary physical characteristics (i.e. aerobic and anaerobic capacities) may provide a unique opportunity to enhance soldier performance assessment. The 3-min all-out run, is a relatively new test that has been recently validated. It provides two performance estimates, critical velocity (CV) and anaerobic distance capacity (ADC). CV provides a measure of the individual's aerobic capacity, while the ADC is an indicator of anaerobic capacity. The purpose of this study, therefore, is to examine the relationship between CV and ADC from the 3-min all-out run and combat specific tasks (2.5-km run, 50-m casualty carry, and repeated sprints with rush shooting) in an elite special force unit. Eighteen male soldiers (age: 19.9 ± 0.8 years; height: 177.6 ± 6.6 cm; body mass: 74.1 ± 5.8 kg; BMI: 23.52 ± 1.63) from an elite combat special force unit of the Israel Defense Forces (IDF) volunteered to complete a 3-min all-out run, while wearing a global positioning system (GPS) unit, and a battery of operational CST (2.5-km run, 50-m casualty carry and 30-m repeated sprints with "rush" shooting (RPTDS)). Estimates of CV and ADC from the 3-min all-out run were determined from the downloaded GPS data with CV calculated as the average velocity of the final 30 s of the run and ADC as the velocity-time integral above CV. CV exhibited significant negative correlations with the 2.5-km run time (r = - 0.62, p < 0.01), and RPTDS time (r = - 0.71p < 0.01). However, CV (r = - 0.31) or ADC (r = 0.16) did not show any correlation with the 50-m casualty carry run. In addition, CV was positively correlated with the average velocity during the 2.5- km run (r = 0.64, p < 0.01). Stepwise regression identified CV as the most significant performance measure associated with the 2.5-km run time, and BMI and CV measures as significant predictors of RPTDS time (R2= 0.67, p < 0.05). Our main findings indicate that CV was highly related to performance during CST, including the 2.5-km run and RPTDS, but not the 50-m casualty carry. Using the 3-min all-out run as a testing measurement offers a more efficient and simpler way in assessing both aerobic and anaerobic capabilities (CV and ADC) with-in a relatively large sample. In this regard, this method of testing may be conducive to a military type environment whether for selection purposes, to predict combat readiness, to prescribe a training program or just a need analysis for the company commander.

Several nuclear research reactors use or are planned with cores containing flat-plate- type fuel elements. The nuclear fuel is contained in parallel plates that are separated by narrow channels through which the fluid flows to remove the heat generated by fission reactions. One of the problems of this fuel element design is the mechanical stability of the fuel plates. High-velocity coolant flowing through the channels can cause large deflections of these plates leading to local overheating, structural failure or plate collapse. As a consequence, the safe operation of the reactor may be affected. In this work, a numerical fluid-structure interaction study was conducted for evaluating the mechanical stability of nuclear fuel plates under axial flow conditions. Five different cases were analyzed. In all cases, the system consisted of two fuel plates bounded by fluid channels but, in case 5, a support comb at the leading edge of the plates was inserted. The pressure loadings caused by the fluid flow were calculated using a Computational Fluid Dynamics model created with ANSYS CFX. The structural response was determined by means of a Finite Element Analysis model generated with ANSYS Mechanical. Both models were coupled using the two-way fluid-structure interaction approach. The results from Case 1 allowed proposing a methodology to predict the critical velocity of the assembly without an inlet support comb. The maximum deflection of the plates was detected at their leading edges. It was detected that, for flow rates in the channels less than a certain value, the maximum deflection increased linearly with the square of the coolant velocity. In contrast, for greater flow rates, a nonlinear behavior was observed. Therefore, that fluid velocity was identified as the critical velocity of the system. Besides, above the critical velocity, an extra deflection peak was observed near the trailing edge of the plates. In cases 2, 3 and 4, the influence of manufacturing deviations and the change of materials properties due to the increment of temperature on the critical velocity was investigated. With these conditions, the critical velocity of the system was found at lower values. Lastly, in Case 5, the effectiveness of using a support comb at the leading edge of the plates was investigated. The results showed that the static divergence at the inlet end is effectively eliminated with the installation of the comb. In addition, the flow-induced deflections along the length of the plates were significantly diminished with the comb. / Muitos reatores nucleares de pesquisa usam ou são planejados com elementos combustíveis tipo placas planas. O combustível nuclear está contido em placas paralelas que são separadas por canais estreitos através dos quais o fluido refrigerante passa para remover o calor gerado pelas reações de fissão. Um dos problemas deste tipo de elemento combustível é a estabilidade mecânica das placas de combustível. O líquido refrigerante a alta velocidade pode causar deflexões excessivas dessas placas, bloqueando o canal de escoamento e levar ao superaquecimento nas placas, falha estrutural ou colapso da placa. Como consequência, a operação segura do reator pode ser afetada. Neste trabalho, foi realizado um estudo numérico de interação fluido-estrutura para avaliar a estabilidade mecânica de placas de combustível nuclear sob condições de fluxo axial. Cinco diferentes casos foram analisados. Em todos os casos, o sistema consistiu em duas placas de combustível delimitadas por canais de fluido, mas, no caso 5, um pente de suporte na borda de ataque das placas foi inserido. As cargas de pressão causadas pela vazão foram calculadas usando um modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional, criado com ANSYS CFX. A resposta estrutural foi determinada por meio de um modelo de elementos finitos, gerado com ANSYS Mechanical. Os modelos foram acoplados usando a abordagem de interação fluido-estrutura bidirecional. Os resultados do Caso 1 permitiram propor uma metodologia para prever a velocidade crítica do sistema sem o pente de suporte. A deflexão máxima das placas foi observada em suas bordas de ataque. Foi detectado que, para velocidades nos canais inferiores a um determinado valor, a deflexão máxima aumentava linearmente com o quadrado da velocidade do líquido refrigerante. Em contraste, para maiores vazões, um comportamento não linear foi observado. Portanto, essa velocidade do fluido foi identificada como a velocidade crítica. Além disso, acima da velocidade crítica, um pico extra de deflexão foi observado próximo à borda de saída das placas. Nos casos 2, 3 e 4, a influência dos desvios de fabricação e da alteração das propriedades dos materiais devido ao incremento de temperatura na velocidade crítica foi investigada. Sob essas condições, a velocidade crítica foi encontrada a valores mais baixos. Por fim, no Caso 5, a eficácia do uso do pente de suporte na borda de entrada das placas foi estudada. Os resultados mostraram que a divergência estática na extremidade de entrada foi efetivamente eliminada com a instalação do pente. Além disso, as deflexões induzidas pelo fluido ao longo do comprimento das placas foram significativamente diminuídas com o pente.

[pt] Este trabalho pretende demonstrar a possibilidade de usar pinos ativos em máquinas rotativas de forma a reduzir as amplitudes de órbitas em situações críticas através de uma investigação analítica com validação experimental. Os pinos funcionam como medida de segurança quando o rotor se torna instável ou começa a oscilar por qualquer razão. Para este propósito, foi realizado um estudo completo da influência da presença dos pinos dentro do mancal de retenção. Quatro pinos foram posicionados em duas bancadas de testes já existentes no laboratório. A atuação deles provém de motores de passo, que os inserem até um determinado comprimento na parte interna do mancal, isto é, a folga radial entre o rotor e a parede do mancal. Primeiramente, uma análise matemática dos fenômenos envolvidos foi desenvolvida, fornecendo as equações necessárias para as simulações numéricas do sistema. Em seguida, foram realizados testes experimentais nas bancadas e informações relevantes foram adquiridas e comparadas com os resultados das simulações. Eles demonstraram estar consistentes, o que ajudou a validar o conceito de inserção de pinos ativos no mancal de segurança, de modo a evitar possíveis condições perigosas, como atrito, roçamento total e efeitos abrasivos. / [en] This work intends to show the possibility of using active pins in rotating machines to reduce amplitudes of orbits at critical situations through an analytical investigation with experimental validations. The pins shall operate as a safety measure when the rotor becomes unstable or starts to oscillate by any reason. To this purpose a thorough study is made of the influence of the presence of pins inside the retainer bearing. Four pins were installed within two existing test rigs in the laboratory. Their actuation comes from step motors, which insert them until a certain length in the inner side of the retainer bearing, or the gap between the rotor and the bearing wall. First, a mathematical approach of the involved phenomena is developed, providing the equations to perform numerical simulations of the system. Then, experiments where performed in the test rigs and relevant data were collected and compared to the simulation results. They showed positive accordance, which helped to validate the concept of properly inserting active pins inside the retainer bearings to avoid possible hazardous conditions, such as, friction, full annular rubbing, and abrasive effects.

Made available in DSpace on 2016-12-06T17:07:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Henrique Cabral Faraco.pdf: 765581 bytes, checksum: 9b961071009b4841c6b0d6e5fee8d7fe (MD5) Previous issue date: 2011-02-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / To date, sports scientists have still sought for noninvasive methods to determine the intensities corresponding to physiological transition threshold. The critical velocity (CV) model has been extensively studied in many exercises modes, however to determine CV is necessary to perform several predicting trials. To overcome this difficulty, it has been proposed a single test for determining the Critical Power (CP) which has shown to be reliable, correlate and similar to CP determined in cycle ergometer, remaining the need to seek similar evidences during running testing. The main objective of this study was to verify the validity of a single all-out 3 minutes running test (T3) for VC determination (V3min). Eight volunteers were submitted in different days to an incremental treadmill running test to determine VO2máx, the intensity corresponding to VO2máx (iVO2máx) and intensity corresponding to the first and second ventilatory threshold (VT1 and VT2, respectively), three T3 (familiarization, test and retest) to determine V3min, distance traveled (D3min) and peak speed (PV3min) measured by manual timing and VGPS, DGPS and PVGPS measured by a GPS device. Three maximal performances (in random order) on the distances of 800m, 1600m and 2400m were utilized to determine VC through distance/time model. The V3min was significantly higher (6.7%), but highly correlated (r = 0.88) with VC. ANOVA repeated measures showed high intraclasse correlation coefficient (ICC: 0.96; 0.87 and 0.96 to D3min, PV3min and V3min, respectively) and low typical errors of estimate indicating that the T3 presents a good reproducibility and the familiarization test might be discarded. The GPS device seems to be accurate and reliable for measuring speeds in the end of testing, however no confidence date seem to be measure for PV3min and DGPS. We conclude that the T3 showed to be highly reliable and correlate to VC, which can be used to estimate aerobic capacity. However, we suggest caution to use the T3 test for VC determination. / Diante da necessidade de se buscar métodos não invasivos para determinação de limiares de transição fisiológicas o modelo convencional de determinação da velocidade crítica (VC) surge, trazendo consigo uma quantidade elevada de testes que preferencialmente deveriam ser realizados em dias diferentes. O modelo de teste único proposto para determinação da Potência Crítica (PC) parece resolver esse problema, restando a necessidade de se buscar indícios semelhantes em testes de corrida. Assim, o principal objetivo do estudo é verificar se um teste único de corrida em máxima velocidade durante 3 minutos (T3) é válido para determinação da VC de indivíduos fisicamente ativos. Oito indivíduos ativos foram submetidos, em dias diferentes, a um teste incremental em esteira rolante para determinação do consumo máximo de oxigênio (VO2máx), da intensidade do VO2máx (iVO2máx) e da intensidade do primeiro e do segundo limiar ventilatório (VT1 e VT2, respectivamente), três T3 (familiarização, teste e reteste) em pista de 200m para determinação da V3min, da distância percorrida (D3min) e de pico de velocidade (PV3min) (cronometragem manual) e VGPS, DGPS e PVGPS (monitoramento via GPS); e por último três testes máximos de campo em distâncias fixadas em 800m, 1600m e 2400m (em ordem aleatória) para determinação da VC através do modelo trabalho/tempo. A V3min foi identificada 6,7% acima, mas significativamente correlacionada com a VC (r = 0,88). O resultado de ANOVA de medidas repetidas bem como altos coeficiente de correlação intraclasse (ICC: 0,96; 0,87 e 0,96 para D3min, PV3min e V3min, respectivamente), e baixos erros típico de medida indicam que o T3 tem boa reprodutibilidade e indica a possibilidade de descarte da familiarização para o T3. O dispositivo de GPS parece ser confiável para medida da velocidade nos instantes finais do teste, deixando dúvidas quanto a sua confiabilidade em medir o PVGPS e a DGPS. Podemos concluir, portanto, que o T3 é um teste reprodutivo e bem relacionado à VC, podendo ser usado como índice de capacidade aeróbia. No entanto, sugerimos cautela na utilização do teste como meio de determinar a VC.

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-17T17:27:31Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-17T17:27:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Os elementos de combustível de um reator nuclear de pesquisa tipo MTR (\"Material Testing Reactor\") são, em sua grande maioria, formados por placas de combustível revestidas com alumínio contendo no cerne silicileto de urânio (U3Si2) disperso em matriz de alumínio. Essas placas possuem espessura da ordem de milímetros e comprimentos muito maiores em relação à sua espessura. Elas são dispostas paralelamente no conjunto que forma o elemento combustível, de maneira a formar canais entre elas com poucos milímetros de espessura, por onde escoa o fluido de refrigeração (água leve ou água pesada). Essa configuração, associada à necessidade de um escoamento com altas vazões para garantir o resfriamento das placas em operação, pode gerar problemas de falhas mecânicas das placas de combustível devido às vibrações induzidas pelo escoamento nos canais e, consequentemente, acidentes de proporções graves no caso de velocidade crítica que possa gerar o colapso das placas. Embora não haja ruptura das placas de combustível durante o colapso, as deflexões permanentes excessivas das placas podem causar bloqueio do canal de escoamento no núcleo do reator e levar ao superaquecimento nas placas. Para este trabalho, foram desenvolvidas uma bancada experimental com capacidade para altas vazões volumétricas (Q=100 m3/h) e uma seção de testes que simula um elemento combustível do tipo placa com três canais de resfriamento. A seção de testes foi construída com placas de alumínio e acrílico e foi instrumentada com sensores de deformação, sensores de pressão, um acelerômetro e um tubo de pitot. As dimensões da seção de testes foram baseadas nas dimensões do Elemento Combustível do Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), cujo projeto está sendo coordenado pela Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Os experimentos realizados alcançaram o objetivo de chegar à condição de velocidade crítica de Miller com o colapso das placas. A velocidade crítica foi atingida com 14,5 m/s levando a consequente deformação plástica das placas que formam o canal do escoamento. O canal central na entrada da seção de testes apresentou uma abertura de 3 mm em seu centro, causando um grande bloqueio do escoamento nos canais laterais. Este comportamento foi v constatado visualmente durante a desmontagem da seção de testes, ilustrado e discutido na análise de resultados apresentado neste trabalho. O bloqueio dos canais também foi observado por meio de gráficos de queda de pressão e por gráficos das deformações da entrada, centro e saída das placas contra a velocidade média da seção de testes. Observou-se uma queda da resistência hidráulica da seção de testes devido ao aumento da seção transversal de escoamento no canal central e um aumento exponencial das deformações quando da ocorrência da velocidade crítica. Comparativamente, o valor experimental obtido para velocidade crítica na seção de testes foi da ordem de 85% do valor obtido por cálculo com a expressão teórica de Miller. Os experimentos realizados permitiram um melhor entendimento da interação fluido estrutura em elementos de combustível tipo placa como: valores de frequências de vibrações naturais, instabilidade fluido elástica e desenvolvimento de técnicas para a detecção de valores de velocidade crítica. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / CNPq:481193/2012-0

Undesired air entrainment in bottom outlet conduits of dams may cause pressure transients, leading to conduit vibrations, blowback, discharge pulsation and even cavitation, and jeopardize the operational safety. Due to design limitations or construction costs, it is impossible to create an air free environment in a pressurized pipe. Therefore, it is essential to understand the air transport in enclosed pipes in order to provide guidance in bottom outlet design and operation. The commonly used criterion of the air-pocket movement in pipe flow is the water flow velocity for starting moving an air pocket, the so-called critical velocity. In this thesis, the classical Volume of Fluid (VOF) model combined with the k-ε turbulence model is adopted for the computation of the critical velocity of a 150-mm pipe. The computed critical velocities are compared with the experimental results. The governing parameters investigated in this study include pipe slope and diameter, wall shear stress and air-pocket volume. Meanwhile, the carrying capacity (air-pocket velocity/ flow velocity) at all pipe slopes are analyzed. The simulation results of air pockets with different volumes in the bottom outlet conduit of Letten Dam in Sweden are presented in this study. Moreover, experimental study was conducted to measure the critical velocity for a 240-mm Plexiglas pipe. The results are in agreement with the experiments performed by HR Wallingford (HRW) in 2003 in terms of the effects of pipe slope and air-pocket volume; however, the critical Froude pipe number is slightly smaller in this study. In rough pipes, a larger critical velocity is required compared with that in the smooth pipe. The removal mechanism in the rough pipe involves the successive loss of air caused by turbulence. This explains that the air-pocket size, with the dimensionless air-pocket volume n &lt; 0.015, has little impact on the critical velocity for the rough pipe. In addition, roughness has little impact on the air-pocket velocity when it moves upstream in the downward inclined pipe. The trapped air bubbles most likely remain permanently in the rough pipe. / QC 20120110

Les atomes froids sont des outils uniques pour sonder la physique de la matière quantique. Hautement contrôlables, les gaz de Bose et de Fermi ultrafroids sont des systèmes idéaux pour la simulation quantique et pour explorer des manifestations spectaculaires des effets quantiques, comme la superfluidité. Avec des gaz froids de 6Li et de 7Li, nous avons produit le premier mélange de superfluides bosonique-fermionique, et étudié ses propriétés en initiant un contre-flot entre les nuages de Bose et de Fermi (mode dipolaire). La vitesse critique de superfluidité a été mesurée dans le crossover BEC-BCS et elle est trouvée proche de la vitesse du son dans le gaz de Fermi. Nous comparons nos mesures avec des prédictions théoriques récentes. En élevant la température du mélange, nous avons aussi observé une synchronisation inattendue entre les mouvements des deux nuages, interprétée comme un effet Zénon induit par la dissipation. Finalement, ce mélange de bosons et de fermions offre la possibilité unique de créer un piège homogène pour le gaz de Fermi. En ajustant finement les interactions, nous proposons d’utiliser la répulsion entre les bosons et les fermions pour compenser la courbure du piège harmonique pour les fermions. Pour des fermions présentant une polarisation de spin, nous prédisons théoriquement l’existence d’un superfluide avec une structure en “coquille” et fournissons les premières indications expérimentales de l’observation de ce superfluide topologiquement original. / Ultracold atoms are unique tools to probe the physics of quantum matter. Indeed, the high degree of tunability of ultracold Bose and Fermi gases makes them ideal systems for quantum simulation and for exploring macroscopic manifestations of quantum effects, such as superfluidity. In this work, we have realized the first Bose-Fermi superfluid mixture, with ultracold gases of 6Li and 7Li. The properties of the mixture are investigated by initiating a Bose-Fermi counterflow through their dipole modes. The superfluid critical velocity is measured in the BEC-BCS crossover, and is found close to the sound velocity of the Fermi gas near unitarity. We compare our findings to recent theoretical predictions. Raising the temperature of the mixture, we observe an unexpected synchronization of the motion of the two clouds, interpreted with a Zeno-like model induced by dissipation. Finally, this Bose-Fermi mixture offers the unique possibility to create a homogeneoustrap for the Fermi gas. By a fine tuning of the interactions, we propose to use the Bose-Fermi repulsion to compensate the curvature of the harmonic trap for fermions. For a spin-polarized Fermi gas in such a trap, we theoretically predict the existence of a superfluid with a shell structure and we provide first experimental evidence for this topologically new superfluid.