Orientador: Mansur, Sergio Said / Coorientador: Militzer, Julio / Banca: Silva, João Batista Campos / Banca: Saito, Marcelo Batista / Resumo: O jato impingente constitui um problema clássico da mecânica dos fluidos, cuja dinâmica é fortemente dependente do número de Reynolds, do grau de confinamento e de outros parâmetros que caracterizam geometricamente o problema. No presente trabalho, jatos impingentes com diferentes níveis de confinamento foram investigados numericamente. Para tanto, utilizou-se um código computacional baseado no método dos volumes finitos, que resolve as equações de Navier-Stokes escritas em coordenadas cilíndricas bidimensionais. Com a finalidade de diminuir custos computacionais, a simetria azimutal do problema foi considerada na definição do domínio de cálculo. O disco frontal, sobre o qual incide o jato, foi modelado de duas formas distintas: a) com o auxílio do método da fronteira imersa baseado no modelo físico virtual ou b) mediante a imposição de viscosidade infinita na região por ele ocupada. A comparação entre resultados destas simulações permitiram avaliar a eficiência do método da fronteira imersa, no que diz respeito ao tempo de cálculo e à sua capacidade para representar fisicamente o problema abordado. Além disso, testes de performance do código foram também realizados utilizando-se diferentes esquemas de transporte advectivo - power law, upwind, central difference e híbrido. Simulações foram realizadas variando-se o diâmetro de ambos os discos (impingente e confinante), o afastamento entre eles e o número de Reynolds do escoamento. Para a representação de escoamentos com números de Reynolds elevados, a metodologia de simulação de grandes escalas foi implementada, com o uso da modelagem clássica de Smagorinsky e da função de amortecimento de van Driest / Abstract: The impingent jet is a classical problem of fluid mechanics, whose dynamics is strongly dependent on the Reynolds number, the confinement level and other parameters that characterize the geometrically problem. In this study impingent jets with different confinement levels have been numerically investigated. For this purpose, an in-house computational code based on finite volume method, which solves the Navier-Stokes equations written in two-dimensional cylindrical coordinates has been used. To save computational costs the problem has been treated as azimuthally symmetrical. The frontal disc was modeled in two different ways: a) by means of an immersed boundary method based on the virtual physical model b) by imposing infinite viscosity in the region occupied by the disc. Comparison among results has allowed to evaluate the performance of the immersed boundary method in terms of computational costs and ability to represent the physical features of the flow. Besides, tests of the code performance have also been carried out employing different advective schemes, i.e. power law, upwind, central difference, and hybrid. Simulations have been performed by varying the diameter of both disks (impingent and confining), the gap between them, and the Reynolds number. To represent turbulent flows, Large Eddy Simulation has been implemented in the code, using the classical Smagorinsky model and the damping function of van Driest / Mestre

Investigamos a dinâmica da formação de bolhas de ar em líquidos viscosos utilizando diferentes parâmetros de controle. Caracterizamos o sistema tomando o fluxo de ar injetado no sistema e o comprimento da mangueira que conecta o sistema de controle de fluxo com o bico injetor como parâmetros de controle. A mangueira corresponde a um elemento dissipativo do sistema. Identificamos rotas de adição de período com e sem a presença de comportamento caótico, regiões de travamento de freqüência e evidências de caos homoclínico. Construímos modelos matemáticos que descrevem bem os resultados experimentais. Com o mapa cúbico explicamos a forma de atratores observados em uma rota de adição de períodos. Com o modelo de mapa descontínuo explicitamos algumas propriedades da dinâmica da formação de bolhas como a biestabilidade de atratores. Desenvolvemos também um modelo baseado na dinâmica integra-edispara que nos levou a resultados condizentes com as propriedades dos mapas da família de Arnold. Desenvolvemos também uma nova técnica experimental para estudar o comportamento do sistema medindo a onda de pressão, gerada pelo borbulhamento na mangueira conectora. / We have investigated the air bubble formation in viscous fluid with some control parameters. We have characterized the sistem using the air flow and the length of the hose that connects the air flow control system and the injector nozzle as control parameters. The hose corresponds to a system dissipative element. We have found period adding routes with and without chaotic behavior, frequency locking, and evidences of homoclinic chaos. We have elaborated mathematic models that emule the experimental data. With cubic model we have explained atractors observerd in a period adding route. With a discontinous model we have elucidated some bubble formation dynamic properties as bistability. We have also developed intergrate-and-fire like model that have led us to results in accordance with the maps properties of Arnold family. We also developed a new experimental technique to study the sistem behavior by measuring the bubbling pressure wave inside the hose.

Orientador: Helcio Francisco Villa Nova / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2013

O mercado de biorreatores com membranas (BRMs) têm exibido alto crescimento. Contudo, o fouling diminui o desempenho desses sistemas drasticamente. A aeração promove a mitigação do fouling, mas possui alto custo operacional (de até 70% do total da demanda energética) e é utilizada de forma otimizada apenas 10% das vezes, gerando a necessidade de estudos sobre a hidrodinâmica em BRMs. Ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) são úteis para esse tipo de análise. Um dos primeiros passos para encontrar uma solução apropriada em simulações numéricas é propor uma modelagem correta. Dentre os fenômenos a serem modelados, os efeitos da turbulência são provavelmente um dos mais importantes; porém, nenhum artigo que comparasse predições com base na escolha de modelo de turbulência para simulações de sistemas BRM foi encontrado. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi verificar a importância da escolha do modelo de turbulência para simulações de biorreatores com membranas através de CFD. Para isso, as predições obtidas de velocidade local próxima às superfícies das membranas e de tensão cisalhante nessas superfícies para duas taxas de aeração, 5 e 15 m³/h, empregando dois modelos de turbulência, k-ϵ com funções de parede para alto (aR) e para baixo número de Reynolds (bR) e k-ω SST (Shear Stress Transport) com funções de parede automáticas, na análise de um sistema BRM foram comparadas entre si e com dados experimentais e simulados disponíveis na literatura. Os perfis temporais da velocidade e da tensão cisalhante exibiram alta variabilidade no período das oscilações em certos pontos, exigindo um longo tempo de escoamento para a convergência das variáveis locais. Identificou-se a necessidade de outorgar maior importância à definição do intervalo de tempo de coleta de dados experimentais, de modo a adquirir médias representativas do perfil dinâmico das variáveis e destes perfis serem também analisados para comparações mais definitivas entre resultados de simulações e medições experimentais. As diferenças, entre as medições experimentais da literatura e predições, obtidas pelas simulações deste trabalho foram, no geral, de ordem similar ou menores que as obtidas pelas simulações na literatura. Além disso, maior atenção deve ser dada à escolha da estratégia de modelagem de turbulência, visto que houve alta sensibilidade das predições, que variaram em até 21,6% dependendo dessa escolha. / Membrane bioreactors (MBR) market has been showing high growth rates over recent years. However, membrane fouling drastically reduces MBR overall performance. Aeration promotes fouling mitigation, but at a high operational cost (up to 70% of the MBR energy demand) and it is optimally employed only in 10% of the cases. This created the need of studies focused on MBR hydrodynamic. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful tool for hydrodynamic analysis. One of the first steps in finding a proper solution for numerical simulation is proposing a correct modelling. Among the phenomena to be modelled for MBR simulations, turbulence effects are probably one of the most important; nevertheless, no paper comparing the predictions based on the turbulence model choice for MBR simulations was found. In sight of that, this work aimed to verify the relevance of the choice of turbulence model for MBR simulations through CFD. Predictions of local velocities near membranes surfaces and of local shear stress on those surfaces, for two aeration rates (5 and 15 m³/h), employing k-ϵ with wall functions for high (aR) and low (bR) Reynolds number and k-ω SST with automatic wall functions, on the analysis of a MRB system, were compared between each other and with experimental and simulated data available in the literature. The velocity and shear stress temporal profiles showed oscillations with highly variable periods in some points, which required a long process real time to verify the local variables convergence. It was identified the need to give more importance to the definition of the time interval for experimental data collection in order to acquire reliable temporal means; also, one must properly analyze the temporal profiles for more definitive comparisons between predictions and experimental measurements. The differences, between experimental data and predictions, obtained through this work simulations were, in general, of similar order or smaller than the ones reported in the literature. Besides, more attention must be given to the turbulence modelling choices, since the predictions obtained here were highly sensitive to those choices, showing differences up to 21,6% among them.

Estágio realizado no Centro de Nanotecnologia e Materiais Técnicos, Funcionais e Inteligentes / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Projecto realizado na CeNTI - Centro de Nanotecnologia e Materiais Técnicos, Funcionais e Inteligentes, orient. Doutor Tiago Sotto Mayor / Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências da Engenharia na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação. 2007

ANP; FINEP / Este trabalho apresenta um estudo sobre parâmetros do sinal de ultra-som que são afetados pelo escoamento bifásico água-ar, muito comuns em diversos processos industriais. Foi utilizado um par de transdutores no modo transmissão-recepção em um duto de acrílico com 54 mm de diâmetro interno. As técnicas utilizadas na análise do sinal foram a medição da velocidade do som por diversos métodos, a análise da energia e da amplitude máxima. Também é proposto o uso da atenuação em banda larga do ultra-som, uma técnica muito comum e utilizada no diagnóstico médico da osteoporose, mas pouco utilizada na indústria. Outra proposta foi utilizar o primeiro vale da onda de ultra-som recebida para normalização do sinal, evitando a necessidade de um sinal referência para a determinação da fração de vazios. É apresentada a metodologia teórica e os resultados dos experimentos que foram realizados em um circuito bifásico instalado no LABPETRO/UNICAMP. O hardware e software do sistema de aquisição de dados foram desenvolvidos no LASCA/UTFPR. / This work presents a study of ultrasound signal parameters that are affected by two-phase flow water-air present in several industrial process. A pair of ultrasound transducers in transmissionreception mode has been installed in a 54 mm inner diameter plexiglass pipe. Velocity measurement is calculated by many methods and also energy and maximum amplitude analysis was applied. Additionally, it is proposed a broadband ultrasound attenuation (BUA) based method to measure the void fraction. BUA is a very common method used to diagnoses osteoporosis but underused in industry. Other method based on a signal normalization by the first valley is developed to avoid the use of a reference signal to calibrate the prototype. Theoretical methods and experimental results are described. The results were obtained in a two phase circuit situated in LABPETRO/UNICAMP. The hardware and software of acquisition system were developed in LASCA/UTFPR.