Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-15T20:21:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T13:26:12Z : No. of bitstreams: 1 180392.pdf: 2507017 bytes, checksum: 07c3985d8b2c6bf1120c70027cc11e3b (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-15T22:11:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2013-07-16T16:58:48Z : No. of bitstreams: 1 261543.pdf: 1567594 bytes, checksum: 227f9fdca84f0708383bef16621ba204 (MD5)

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T12:11:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T17:03:05Z : No. of bitstreams: 1 161314.pdf: 15713538 bytes, checksum: 981517c6cf76513d7f3113bf0041818c (MD5) / A técnica da Fluidodinâmica Computacional é utilizada neste trabalho para predizer o comportamento do escoamento no interior de ciclones e hidrociclones. O modelo matemático proposto é baseado nas equações de conservação da massa e da quantidade de movimento, podendo ser aplicado tanto em hidrociclones como em ciclones. Para predizer o fenômeno da turbulência observada em escoamentos deste tipo, incorporou-se o modelo de comprimento de mistura de Prandtl as equações fundamentais de conservação. Os resultados numéricos estão em concordância a dados experimentais encontrados na literatura, corroborando desta forma o modelo matemático e o algoritmo computacional desenvolvido.

Esta dissertação de mestrado considera a transferência de calor combinando convecção e radiação térmica no escoamento de gases participantes em dutos de seção circular. Partindo de uma metodologia geral, o trabalho enfoca principalmente os casos típicos de aplicação em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, em que gases em alta temperatura escoam através de um tubo mantido em temperatura uniforme. O escoamento é turbulento e o perfil de velocidade é plenamente desenvolvido desde a entrada do duto. A temperatura do gás, contudo, é uniforme na entrada, considerando-se a região de desenvolvimento térmico. Duas misturas de gases são tratadas, ambas constituídas por dióxido de carbono, vapor d’água e nitrogênio, correspondendo a produtos típicos da combustão estequiométrica de óleo combustível e metano. As propriedades físicas dos gases são admitidas uniformes em todo o duto e calculadas na temperatura de mistura média, enquanto que as propriedades radiantes são modeladas pela soma-ponderada-de-gases-cinzas. O campo de temperatura do gás é obtido a partir da solução da equação bidimensional da conservação da energia, sendo os termos advectivos discretizados através do método de volumes de controle com a função de interpolação Flux-Spline; as trocas de energia radiantes são avaliadas por meio do método das zonas, onde cada zona de radiação corresponde a um volume de controle. Em um primeiro passo, a metodologia é verificada pela comparação com resultados apresentados na literatura para a transferência de calor envolvendo apenas convecção e combinando convecção com radiação. Em seguida, discutem-se alguns efeitos da inclusão da radiação térmica, por exemplo, no número de Nusselt convectivo e na temperatura de mistura do gás. Finalmente, são propostas correlações para o número de Nusselt total, que leva em conta tanto a radiação quanto a convecção. Essa etapa exige inicialmente uma análise dos grupos adimensionais que governam o processo radiante para redução do número elevado de parâmetros independentes. As correlações, aplicáveis a situações encontradas em geradores de vapor fumotubulares de pequeno e médio porte, são validadas estatisticamente pela comparação com os resultados obtidos pela solução numérica. / This dissertation considers the heat transfer combining convection and thermal radiation in the flow of participating gases inside circular tubes. Starting from a general methodology, the work is focused on typical cases applied to small and medium sized smoketube steam generators, in which gases in high temperature flow through tubes having uniform temperature. The fluid flow is turbulent and fully developed at the duct entrance. The gas temperature, however, is uniform at the entrance, and so the thermal development is considered. Two gaseous mixtures are treated, both ones being composed of carbon dioxide, water vapor and nitrogen, corresponding to typical products of stoichiometric combustion of fuel oil and methane. The thermophysical properties of the gases are assumed to be uniform and evaluated at the gas average bulk temperature, while the radiative properties are computed from the weighted-sum-of-gray-gases model. The gases temperature fields are obtained from the solution of the two-dimensional energy conservation equation, in which the advective terms are computed by the Flux-Spline control volume method, and the radiative exchanges are determined by the zonal method, where each radiative zone corresponds to a control volume. In a first step, the methodology is verified by a comparison of the obtained results with those available in the literature for heat transfer considering only convection and combining convection to radiation. Next, the effects of including thermal radiation, for instance, on the convective Nusselt number and on the gas bulk temperature, are discussed. Finally, correlations are proposed for the total Nusselt number, which takes into account both radiation and convection. This step requires initially a dimensional analysis to reduce the number of independent parameters. The correlations, applied to situations that are found in small and medium sized smoketube steam generators, are validated statistically by the comparison with the results obtained from the numerical solution.

o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um código computacional destinado à simulaçáo numérica tridimensional e de escoamentos compressíveis hipersônicos em especial para analisar o processo de reentrada de veículos espaciais na atmosfera terrestre. Devido ás temperaturas elevadas encontradas neste tipo de escoamento, efeitos de altas temperaturas sáo incluídos, como excitação vibracional das moléculas e reações químícas. Utiliza-se o modelo de 2 temperaturas (translacional e vibracional);5 espécíes (N2, O2, NO, N, O) e 17 reações químicas de Park [1986 para o modelamento do fenômeno termo-químico. Introduz-se uma formulação baseada no método dos elementos finitos, através do esquema de Taylor-Calerkin, para a discretização do tempo e do espaço e para a solução do sistema de equações. Alguns exemplos e aplicações de problemas hipersônicos bi e tridimensionais, difusivos e não difusivos, são apresentados, incluindo comparações entre os resultados obtidos no presente trabalho e na literatura.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-11-17T03:09:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 335983.pdf: 4440220 bytes, checksum: 10467d46b80087284060b33f656f6ae0 (MD5) Previous issue date: 2015 / No intuito de aprimorar a técnica de destilação convencional, foi criada a nova técnica de destilação por película descendente, cuja operação envolve a obtenção de uma película uniforme e estável ao longo da coluna. Esta tecnologia destaca-se pela utilização de pequena quantidade de fluido atrelada consequentemente à redução da energia necessária para a destilação. Como primeiros passos para aprofundar conhecimentos desse tipo de sistema, é necessário o estudo detalhado dos fenômenos de transferência que ocorrem na coluna durante a consolidação do filme sobre a parede e do processo de evaporação parcial do mesmo. Diante desta motivação, neste trabalho, considerando-se diferentes fluidos, procurou-se simular o desenvolvimento de filmes líquidos descendentes sobre a parede interna de uma coluna cilíndrica, na condição isotérmica e com aquecimento da parede, gerando neste caso situações de vaporização parcial do líquido. Para a representação desta situação física, utilizou-se de uma ferramenta CFD (Fluidodinâmica Computacional), no caso o Comsol Multiphysics®, em geometria 2D axissimétrica. Além das equações de Navier-Stokes, da equação da conservação da massa e das equações de transferência de calor com mudança de fase, utiliza-se equações adicionais para o acompanhamento da interface líquido/gás/vapor, provenientes do método phase field para escoamentos bifásicos. Para a resolução das equações diferenciais, o software em questão se utiliza do método dos elementos finitos. Assim, foi possível estudar padrões de comportamento fluidodinâmico e de transferência de calor no desenvolvimento dessa operação. Para representar os escoamentos, foram testados três fluidos de diferentes viscosidades e massa específicas, a fim de avaliar a influência destas propriedades sobre alguns aspectos e parâmetros do processo, como espessura do filme, perfis de velocidade das fases e vazão de alimentação. Para representar os fluidos viscosos, foram utilizados óleo de soja e óleo Spindura, sendo o primeiro o mais viscoso. O fluido menos viscoso foi representado pela água. Pôde-se verificar que os fluidos mais viscosos apresentaram maiores espessuras e menores velocidades da fase líquida e gasosa. Diante do objetivo de se estudar o fenômeno de transferência de calor com mudança de fase, neste caso somente para a água, foi imposta a condição de aquecimento da parede da coluna e os resultados obtidos foram comparados com o escoamento da água à temperatura ambiente. Para estudar este fenômeno, foram aplicadas temperaturas de 110ºC, 120ºC, 130ºC e 140ºC, assumindo um valor uniforme de temperatura na parede da coluna. Constatou-se que, quanto maior a temperatura daparede, menor a espessura do filme descendente, maior o fluxo de calor e consequentemente maior a taxa de evaporação. Em relação à evaporação do filme descendente, para a menor temperatura aplicada (110ºC), obteve-se 0,25% de vapor e para a maior temperatura aplicada (140ºC), a quantidade de vapor gerado foi de 17,50% em relação à massa de líquido injetada. Frente aos resultados obtidos, conclui-se que o modelo utilizado para simular a coluna de película descendente com e sem transferência de calor e mudança de fase, mostrou-se apto a reproduzir a realidade física do sistema, podendo se constituir em valiosa ferramenta para o projeto e condução das operações afins.<br> / Abstract : In order to improve the conventional distillation technique, it was created a new falling film distillation technique which operation involves obtaining a stable and uniform film along the column. This technology is distinguished by the use of small amount of fluid linked therefore to the reduction of energy required for distillation. As first steps to deepen knowledge of this type of system, we need a detailed study of transfer phenomena that occur in the column during the consolidation of the film on the wall and the process of partial evaporation of the same. In face of this motivation and considering different fluids, in this work we tried to simulate the development of falling liquid film on the inner wall of a cylindrical column in the isothermal condition and heating wall, creating situations of partial vaporization of the liquid. For the physical representation of this situation, we used a CFD (Computational Fluid Dynamics) tool, the Comsol Multiphysics®, with a 2D axisymmetric geometry. In addition to the Navier-Stokes equations, the equation of conservation of mass and heat transfer equations with phase change, additional equations are used for monitoring the liquid/gas interface/vapor from the phase field method for two-phase flows. For the resolution of differential equations, the software uses the finite element method. Thus, it was possible to study patterns of fluid dynamic behavior and heat transfer in the development of this operation. Three fluids of different viscosities and specific mass were tested to represent the flows in order to evaluate the influence of these properties of some aspects and process parameters such as film thickness, the phase velocity profiles and feed flow rate. To represent the viscous fluid, soybean oil and Spindura oil were used, the first being the more viscous. The less viscous fluid was represented by water. It was verified that the most viscous fluids showed a thicker pattern and slower speeds of liquid and gas phase. Given the objective of studying the phenomenon of heat transfer by phase change, in this case only for water, the condition of heating of the wall was imposed and the results were compared with the flow of water at room temperature. To study this phenomenon, temperatures of 110ºC, 120ºC, 130ºC and 140ºC were applied, assuming a uniform temperature value on the wall of the column. It was found that the higher the temperature of the wall, the smaller the thickness of the falling film, the greater the heat flow and a consequently increasing of the evaporation rate was observed. In relation to the falling film evaporation, for the lower temperature applied (110°C) were obtained 0.25% of steam and for the higher temperature applied (140°C), the amount of steam generated was 17.50% in relationto mass of injected liquid. Based on the results obtained, it is concluded that the model used to simulate the falling film column with and without heat transfer and phase change, proved able to reproduce the physical reality of the system, which may constitute a valuable tool for design and conduct of related operations.

SILVA FILHO, V. P. Previsão de vazão no semi-árido nordestino, utilizando modelos atmosféricos: um estudo de caso. 2005. 110 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2005. / Submitted by João silva (jpauloqxb@gmail.com) on 2016-06-20T15:21:43Z No. of bitstreams: 1 2005_tese_vpsilvafilho.pdf: 2368656 bytes, checksum: 361d2cc449bbc39e170b0953c3bfd684 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-08-17T11:14:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2005_tese_vpsilvafilho.pdf: 2368656 bytes, checksum: 361d2cc449bbc39e170b0953c3bfd684 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-17T11:14:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2005_tese_vpsilvafilho.pdf: 2368656 bytes, checksum: 361d2cc449bbc39e170b0953c3bfd684 (MD5) Previous issue date: 2005-04-29 / The numerical dynamical climatological precipitation prediction for Northeast Region of Brazil is already a reality and its results have shown to help decision makers on their matters. Those predictions, which are based on sea surface temperature (SST) evolution, may be used as base for flow predictions. This work makes use of FUNCEMEs numerical climatological rain prediction and Central Atlantic/Pacific SST, to propose and test a set of six possibilities (models) to allow the prediction of flow at a small hydrological basin from Brazils Northeast Semi-Arid region. The basin name is Fazenda Cajazeiras and is located at the central northwest region of Ceará State – Brazil. The model set is composed by a set of combinations between single and multiple regressions from SST series and basin flow series, interchanged or not, with the ECHAM and RSM atmospheric models. The CN-3S hydrological model is also used as part of some of those possibilities. Two ways of improving the atmospheric simulated data are presented and tested. One of them is adopted. The model that has shown being best suited to predict Fazenda Cajazeiras flows is that one which uses the rain data set generated from the linear multiple regression form lagged SST, transformed into flow by the CN-3S model. The two models which used ECHAM and RSM results going through the CN-3S to get flow also have a high potential for flow prediction. A case study for the prediction of 2002 and 2003 flow is done and the prediction for 2005 flow is also presented. / A previsão numérica dinâmica climatológica de chuva para a região Nordeste do Brasil já é uma realidade cujos resultados têm mostrado contribuir nas tomadas de decisão relativas ao assunto. Estas previsões, que são baseadas na evolução da temperatura da água na superfície dos oceanos (TSM), podem ser usadas como base para a previsão de vazões em determinadas bacias da região. Este trabalho utiliza as previsões numéricas climatológicas de chuva realizas na FUNCEME, assim como os campos de TSM dos oceanos Pacífico e Atlântico centrais, para propor e testar um conjunto de seis possibilidades (modelos) que permitam a previsão das vazões ocorrendo em uma pequena bacia do Semi-Árido Nordestino. A bacia é a da Fazenda Cajazeiras, localizada na região centro-noroeste do Estado do Ceará - Brasil. Os modelos são combinações de regressões lineares simples e múltiplas entre as séries de TSM e a série de vazão observada, intercaladas ou não pelos modelos numéricos de simulação do comportamento da atmosfera ECHAM e RSM. O modelo hidrológico de chuva-vazão CN-3S também é usado como parte de algumas das possibilidades. Duas formas para melhorar a qualidade dos dados dos modelos numéricos são apresentadas e testadas, sendo uma delas adotada. O modelo que se mostrou com melhor desempenho para este caso da bacia hidrológica da Fazenda Cajazeiras, foi aquele que utiliza os dados de chuva gerados a partir da regressão linear múltipla com as series de TSM e transformados em vazão com o auxílio do CN-3S. Os modelos que usam os resultados do ECHAM e do RSM, passando pelo CN-3S, também apresentaram alto potencial para a previsão de vazão. Um estudo de caso é feito para os anos de 2002 e 2003 e a previsão de chuva e de vazão para o ano de 2005 para a bacia da Fazenda Cajazeiras é apresentado.

A compreensão de processos físicos e químicos que conduzem à formação de petróleo ou de gás no solo são necessários para uma exploração eficiente da energia. Por isso, há um grande interesse em prever os efeitos e a migração de fluidos no solo. Neste trabalho é desenvolvido um modelo matemático para o escoamento reativo em meios porosos. O domínio é um canal poroso (rocha) com uma fratura, onde ocorrem as reações de precipitação ou dissolução de dois minerais carbonatados, a calcita e a dolomita. Através da implementação do modelo são realizadas algumas simulações, também descritas neste estudo. O modelo matemático é baseado em equações não lineares do tipo Navier-Stokes, que inclui a equação da quantidade de movimento, da temperatura e das concentrações das espécies químicas. As equações desenvolvidas no trabalho são inovadoras e são obtidas através da junção de alguns trabalhos importantes. Para modelar o fluxo são utilizadas a lei de Darcy e a aproximação de Boussinesq e para obter o valor da taxa de cada reação é realizado um processo iterativo. O conjunto de equações é discretizado pelo método de diferenças finitas centrais e o sistema é resolvido através do método de Runge-Kutta simplificado. O modelo é aplicado em diferentes situações variando o valor do pH com o objetivo de avaliar a influência dessa propriedade no escoamento reativo. O processo de mudança da porosidade e da permeabilidade que ocorre nas bacias sedimentares pode implicar na formação de hidrocarbonetos e de aquíferos. Devido a isso, o número de Darcy e a porosidade, também, são analisadas na fratura do canal poroso. Os resultados obtidos são razoáveis quando comparados com dados da literatura. O tema abordado neste trabalho é instigante porque abrange fenômenos químicos, termodinâmicos e de transporte, com parâmetros difíceis de serem obtidos experimentalmente. O modelo desenvolvido possui uma contribuição relevante porque pode ser utilizado para qualquer outro mineral, desde que suas propriedades químicas e termodinâmicas sejam consideradas. / The understanding of physical and chemical processes leading to the formation of oil or gas in the soil are necessary for e cient energy exploration. Therefore, there is great interest in predicting the e ects and the migration of uids in the soil. In this work is developed a mathematical model for the reactive ow in porous media. The domain is a porous channel (rock) with a fracture, where occur the precipitation and dissolution reactions of two carbonate minerals, calcite and dolomite. Through the implementation of the model are performed some simulations, also described in this study. The mathematical model is based on non-linear equations of Navier-Stokes that includes the equation of momentum, temperature and concentrations of chemical species. The equations developed in this work are innovative and are obtained at the junction some important works. To model the ow are used the Darcy's law and the Boussinesq approximation and to obtain the value of the rate of each reaction is realized an iterative process. The set of equations is discretized by central nite di erence method and the system is solved by the simpli ed Runge-Kutta method. The model is applied in di erent situations, by varying the pH with the aim of evaluating the in uence of this property in the reactive ow. The process of changes of the porosity and permeability that occurs in the sedimentary basins can induce in the hydrocarbon and aquifers formation. Because of this, the number of Darcy and the porosity also are analyzed in the fracture of the porous channel. The results are reasonable compared with the literature data. The theme addressed in this study is instigating because it covers chemical, thermodynamic and transport phenomena, with di cult parameters to be obtained experimentally. The model developed has an important contribution because it can be used for any other mineral, since its chemical and thermodynamic properties are considered.

Um algoritmo, com velocidade e pressão como variáveis primárias e com condição de Neumann para a pressão, visando analisar escoamentos incompressíveis e aplicado ao estudo do problema da cavidade, é apresentado neste trabalho. São utilizados métodos em diferenças central, up-wind e semi-lagrangeano e formulados matricialmente. O campo da pressão é atualizado de maneira direta, através da equação de Poisson, e inicializado por mínimos quadrados. Simulações são feitas com variados números de Reynolds, obtendo-se o deslocamento do vórtice central e a aparição de vórtices secundários e terciários. / An algorithm with velocity and pressure as primary unknowns and with Neumann pressure boundary condition, to analyse incompressible ows is presented in this work, and it is applied to study the driven cavity ow. Central, up-wind and semi-lagrangean nite di erences schemes, formulated in matrix terms, are employed. The pressure eld is updated directly from Poisson's equation and initialized by least-squares. Simulations with several Reynolds numbers are made, obtaining the displacement of the central vortex as well as the development of secondary and terciary vortices.

A interação fluido estrutura faz parte de uma ampla gama de estudos da atualidade. Em função das interações dinâmicas entre fluido e estrutura, baseadas tanto nas propriedades do fluido e do escoamento quanto nas características estruturais do corpo submerso, poderá ocorrer vibração induzida por vórtices (VIV) e/ou a vibração induzida pelo escoamento (FIV). Neste trabalho a abordagem desse problema é do tipo numérica, mediante o uso do código Incompact3d, acoplado com um modelo dinâmico de oscilador simples. O esquema do Incompact3d permite a solução das equações de Navier-Stokes mediante Simulação Numérica Direta (DNS). O caso específico para o qual aplica-se o modelo numérico é o caso de dois cilindros circulares lisos idênticos alinhados com o escoamento. A validação do código é feita para números de Reynolds (Re) entre 100 e 300, espaçamento entre centro dos cilindros (S=D) entre 1; 5 e 10; 0 e velocidades reduzidas (U0) entre 2 e 14. Os cenários simulados são: cilindros de montante e de jusante fixos (MF JF), cilindros de montante e de jusante livres na direção transversal ao escoamento (MLy JLy) e cilindros de montante e de jusante livres nas duas direções (MLxy JLxy). Devido à carência de estudos comparativos entres estes três cenários, para números de Reynolds da ordem de 102 e espaçamento crítico (S=D 3; 5, que é função do Re), o presente trabalho estuda as estruturas formadas no escoamento, além das vibrações induzidas, a partir de simulações 2D para Re = 200 e 300, S=D = 3; 5 e 2 < U0 < 14, que corresponde à região onde acontecem os fenômenos tanto de ressonância quanto de galloping. Encontra-se que para o cenário MLyJLy a máximas oscilações ocorrem para 5 U0 8 e são maiores para Re = 300. Em termos de amplitudes de vibração, os cenários MLxy JLxy tiveram os maiores deslocamentos relativos, em relação aos MLy JLy. / The fluid-structure interaction makes part of a great number of current studies. As a function of dynamic interactions between fluid and structure, based on fluid and flow properties as on structural characteristics of the submerged body, could occur vortex induced vibration (VIV) and/or flow induced vibration (FIV). This work has a numerical approach to the problem, using Incompact3d code coupled with a simple oscillator dynamic model. The Incompact3d numerical scheme allows to solve the Navier-Stokes equations via Direct Numerical Simulation (DNS ). The coupled numerical code was applied to case of two circular smooth identical cylinders in cross-flow (tandem). The code validation is made for Reynolds numbers between 100 and 300, spacing between center-to-center cylinder (S=D) between 1; 5 and 10; 0 and reduced velocities (U0) between 2 and 14. The conditions simulated are: both cylinders fixed (MF JF), both cylinders free in transversal streamwise direction (MLy JLy) and both cylinders free to oscillate parallel and transverse to the streamwise direction (MLxy JLxy). Due to the absence of comparative studies between these settings, for Reynolds number O(102) and critical spacing (S=D 3; 5, which is a function of Re), the present work studies the flow structures, moreover induced vibrations, via 2D simulations for Re = 200 and Re = 300, S=D = 3; 5 and 2 < U0 < 14, that correspond to the region where resonance and galloping phenomena take place. It is found for MLy JLy escenary that the greatest oscillations occur for 5 U0 8 and they are greater than the correspond to Re = 300. All the MLxy JLxy settings have greater oscillations than the MLy JLy settings.