O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco de muitas pesquisas. Escoamentos ao redor de cilindros constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências. Neste trabalho procurou-se estudar a dinâmica do escoamento ao redor de um cilindro circular submetido a um movimento forçado analisando as alterações ocorridas na formação da esteira de vórtices. Para a realização das simulações foi utilizada a técnica de Simulação Numérica Direta (DNS), com um esquema de diferenças finitas compacto de sexta ordem, em associação com um método de representação virtual das fronteiras do cilindro. Quatro tipos de trajetória foram estudadas: uma trajetória com oscilação transversal, onde o cilindro é forçado a mover-se na direção transversal em relação ao escoamento, uma trajetória elíptica, uma trajetória em arco e uma trajetória em oito. Buscou-se identificar as principais características destes escoamentos, como os modos e freqüências de desprendimento de vórtices na esteira formada, coeficientes hidrodinâmicos e parâmetros estatísticos pertinentes ao fenômeno estudado. As simulações foram realizadas com diferentes amplitudes longitudinais de movimento sendo que a freqüência de movimento do cilindro foi mantida constante para as trajetórias elíptica, em arco e em oito. Os resultados para o caso do cilindro com oscilação transversal representaram bem os fenômenos físicos ocorridos neste tipo de escoamento. Foi possível identificar as fronteiras da região de lock-in primário através das variações bruscas nos coeficientes hidrodinâmicos e do ângulo de fase entre o deslocamento do cilindro e a força de sustentação. No caso das simulações com trajetória elíptica e número de Reynolds Re = 140, alterações significativas foram identificadas na esteira de vórtices à medida que a amplitude longitudinal do movimento era modificada. Nas simulações com Re = 400 e trajetória transversal, notou-se a formação de uma esteira com dois vórtices e duas camadas cisalhantes. Comparando esta simulação com os resultados das simulações em trajetória elíptica, foram observadas alterações no padrão de desprendimento, sendo formado um par de vórtices na região superior da esteira e um vórtice simples na região inferior (padrão assimétrico P+S). Comparando as simulações com trajetória elíptica e sentidos de movimento opostos, notou-se que o escoamento se inverte, evidenciando um efeito de memória deste escoamento que é função do sentido adotado para a trajetória. Tanto a amplitude de deslocamento longitudinal quanto o tipo de trajetória imposta ao cilindro influenciam significativamente os padrões da esteira de vórtices formada. / The study of flow around submerged bodies has been the focus of many researches. Flow around cylinders are systems of great practical interest in many fields of engineering and other sciences. This work aims to study the flow dynamics around a circular cylinder under a forced movement by analysing changes in the patterns of the wake. The simulations were performed through the Direct Numerical Simulation technique (DNS), with a sixth-order compact finite differences scheme associated to a virtual boundary method to represent the cylinder surface. Four trajectories were studied: a trajectory with transversal oscillation; a trajectory on elliptical curve; a trajectory in arc curve and a trajectory in eight curve. The main features of these flows were identified, e.g. modes and vortex shedding frequencies, hydrodynamic coefficients and statistical parameters. The simulations were performed with different streamwise movement amplitude, where the movement frequency was held constant for the elliptical, arc and eight trajectories. The results for the cylinder in transversal oscillation successfully represented the physical phenomena. It was possible to identify the boundaries of the primary lock-in region through jumps in the hydrodynamical coefficients and the phase angle between the cylinder displacement and the lift force. For the simulations with elliptical trajectory and Reynolds number Re = 140, significant changes were identified in the wake as the streamwise displacement of the cylinder was modified. In simulations with Re = 400 and transversal trajectory, two vortex and two shear layers could be observed. Comparing this simulation with simulations in elliptical trajectory, changes in the vortex shedding pattern were observed. A vortex pair was formed in the top of the wake and a single vortex in the lower wake ( asymmetrical mode P+S). Comparing the simulations with elliptical trajectory and opposite directions of movement, it was noted that the flow is reversed showing some effect of memory due to the direction of the trajectory. Both the amplitude of streamwise displacement and the trajectory type may result in different patterns in the wake.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T07:02:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 288467.pdf: 1925164 bytes, checksum: e3bf03e51b4899869f4a884e65a0d1f7 (MD5) / Devido à importância energética do petróleo no mundo, um grande número de estudos sobre o escoamento bifásico em meios porosos têm sido desenvolvidos. Contudo, ainda não há compreensão plena dos mecanismos associados a este tipo de escoamento, como por exemplo, a formação de emulsões e espumas em reservatórios de petróleo, que causam inconvenientes operacionais dentro da indústria petrolífera e apresentam um desafio tecnológico. Neste trabalho de dissertação foi analisado um dos principais mecanismos de quebra de gotas e bolhas dentro de um meio poroso, que ocorre quando um fluido não molhante atravessa uma garganta de poro inicialmente preenchida por um fluido molhante, mecanismo conhecido pela literatura como snap-off. Experimentos de drenagem (óleo/ar e óleo/água) foram conduzidos em um micromodelo, estrutura artificial que busca certa representatividade do meio poroso e proporciona uma adequada visualização do comportamento da interface ao longo do escoamento. Uma vez que o snap-off ocorre em escala de poro, foi fabricado um micromodelo em acrílico constituído de um canal triangular com garganta, representando uma garganta de poro. Nos experimentos foram utilizados quatro óleos minerais, de diferentes propriedades e variou-se a vazão volumétrica a fim de obter diferentes números capilares na garganta. Foram investigadas as influências de propriedades relacionadas aos fluidos e ao escoamento no mecanismo do snap-off, como viscosidade dinâmica, tensão interfacial e número capilar. Pôde-se avaliar a influência destes parâmetros no tamanho das bolhas formadas, bem como no tempo para a quebra destas e freqüência associada. Estes resultados permitem conhecer as características das bolhas formadas em função dos parâmetros operacionais ao longo da extração do petróleo.

O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco atual de muitas pesquisas. Em especial, escoamentos ao redor de obstáculos rombudos constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências como, por exemplo, na engenharia automobilística, na concepção de edificações submetidas à ação do vento, no estudo de correntes fluviais e marítimas sobre pilares de pontes, em risers, cabos de ancoragem e plataformas de captação de petróleo. O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo por Simulação Numérica Direta do escoamento ao redor de um cilindro com dois graus de liberdade, submetido a Vibração Induzida por Vórtices (VIV), buscando o esclarecimento a cerca dos fenômenos tridimensionais de formação e evolução do escoamento em função da interação fluido-cilindro. As equações de Navier-Stokes e da continuidade são resolvidas numericamente usando esquemas de diferenças finitas compacto de sexta ordem na discretização espacial, em associação com um método de representação das fronteiras do cilindro, denominado Método de Fronteiras Imersas. Inicialmente foram realizadas simulações para os casos de cilindro fixo e em movimento forçado, onde os resultados mostraram que o código computacional consegue modelar satisfatoriamente os fenômenos físicos de acordo com os resultados encontrados na literatura. Para as simulações com cilindro fixo, em movimento forçado e em VIV, nota-se que as estruturas do escoamento tridimensional apresentam modos com comprimentos de onda alterados em função do movimento imposto. Os resultados das simulações em VIV com dois graus de liberdade, para Re = 1250 mostraram que as estruturas tridimensionais do escoamento sofrem significativas alterações espaciais e temporais em função dos parâmetros do modelo dinâmico. Foram identificados diferentes fenômenos de formação e emparelhamento dos vórtices que são modificados em função das condições impostas ao modelo massa-mola amortecimento. / The study of flow around submerged bodies has been the focus of many researches. In special, the flow around bluff bodies are systems of great practical interest in many fields of engineering and other sciences, e.g., the flow around vehicles, buildings submitted to the action of the wind, river and sea currents over pillars of the bridges, risers and cables in the oil platforms. The present work aims to study through Direct Numerical Simulation (DNS) the flow dynamics around a circular cylinder under Vortex-Induced Vibration with two degrees of freedom, searching for identify the changes in the three-dimensional structures of the street wake imposed by the interactions between the flow and the immersed cylinder. The simulations were performed using a sixth-order compact finite differences scheme associated to a Immersed Boundary Method (IBM) to represent the cylinder surface. Firstly, simulations of the flow around fixed and forced movement were accomplished. The computational code Incompact3d presented results in agreement with the literature. The validation of the code shown that is possible to obtain satisfactory results relate to the street wake behind cylinder and the force coefficients are in agreement with others experimental and numerical works. In case of free oscillating cylinder, several changes in the three-dimensional vortex shedding modes are observed as the parameters of the oscillating dynamic model was changed. It was observed that different three-dimensional structures are formed in the wake depending on the initial conditions of the mass-stiffness damping model. The results of the simulations at Reynolds numbers equal to 1250 presenting some hydrodynamic phenomena as paring and turbulent structures in the flow that are modifying during the time and in the computational domain.

O presente trabalho apresenta uma modelagem detalhada de processos de combustao turbulentos para um jato concentrico de combustıvel e ar. A modelagem é fundamentada nas equacões de conservacão de massa, de quantidade de movimento, de energia e de espécies quımicas. A turbulencia é resolvida pela utilizacão do modelo k- padrão. Dois modelos de reacões quımicas são apresentados. O modelo SCRS – Simple Chemically-Reacting Systems, que assume taxas instantâneas de reacões quımicas. Também é abordado o modelo E-A – Eddy Breakup - Arrhenius, que assume taxas finitas de reacões quımicas. A radiacão térmica, fenômeno de grande importância devido as altas temperaturas alcancadas em processos de combustão,é modelada através do Método das Zonas. O modelo da soma ponderada de gases cinzas – WSGGM,é usado para determinar o espectro de emissão e absorcão dos gases no processo. Para a solucão destas equacões diferenciais, juntamente com os modelos de turbulência, de reaçõoes químicas e radiação térmica, faz-se o uso do Método dos Volumes Finitos. Para validar a modelagem apresentada resolve-se o processo de combustão em uma câmara cilíndrica. A câmara de combustão usada áa mesma abordada no First Workshop on Aerodynamics of Steady State Combustion Chambers and Furnaces, organizado pela ERCORTAC - European Research Community On Flow Turbulence And Combustion, em outubro de 1994, que apresenta dados experimentais de temperatura e concentração das espécies químicas para várias posições de interesse no interior da câmara. Utiliza-se o gás natural como combustível e o ar atmosférico como oxidante. O processo de combustão sem pré-mistura é resolvido para a condição de excesso de combustível de 5 % para ambos os modelos, onde o gás natural é injetado por um duto circular central, e o ar atmosférico por um orifício anular externo a esse duto, no mesmo plano Uma reação química não estagiada é assumida para o modelo SCRS. Para o modelo E-A duas situações são resolvidas: combustão não estagiada, com uma etapa global de reação química; e reação quımica estagiada, com duas etapas globais. Os resultados obtidos com o modelo SCRS para a distribuição de temperaturas, em termos de tendências gerais, são razoáveis. Já as concentrações de espécies químicas não apresentam dados satisfatórios para este modelo. Para o modelo E-A os resultados apresentam boa concordância com os dados experimentais, principalmente para a situação em que o processo de combustão é assumido em duas etapas globais. ´E analisado em detalhe o papel desempenhado pela transferencia de calor por radiacao, com meio participante. Para melhor verificar as trocas de calor, assume-se uma camara de combustao cilındrica com paredes d’agua. A injecao do combustıvel e do oxidante e feita atraves de um queimador central, semelhante ao usado para validar a modelagem, porem com dois orifıcios concentricos para injecao de combustıvel. Nesta situação o efeito do turbilhonamento (swril), assumido como 20 % da velocidade axial de entrada, sobre a injecao de ar e computado atraves da condicao contorno da equacao de conservacao da quantidade de movimento angular. Nesta fase apenas o modelo E-A, com duas etapas globais de reacoes quımicas, e considerado, ja que o mesmo apresenta os melhores resultados. O processo de combustao e simulado com e sem a presenca da radiacao termica. Verifica-se que a presenca da radiacao termica homogeneiza a temperatura dos gases no interior da camara. Com isso verifica-se tambem alterações nas taxas de reacoes quımicas, modificando a magnitude das fracoes das especies quımicas Quando a radiacao termica e considerada efeitos de extinção local da chama sao verificados nas regioes de temperaturas mais altas, diminuindo o consumo de oxigenio e aumentando a producao de monoxido de carbono, caracterizando assim uma combustao incompleta. Em algumas situacoes tem-se uma variacao de temperatura de ate 500 K, a montante da chama. A radiacao termica tambem aumenta a taxa de transferencia de calor dos gases quentes para as paredes da camara, e desta para o seu exterior. Com os resultados obtidos a partir desta modelagem e possıvel determinar o perfil da zona de combustao, a distribuicao de concentracoes de especies quımicas, o campo de velocidades e as taxas de transferencia de calor para as paredes da camara de combustao, total, por conveccao superficial e por radiacao. Estes resultados sao de extrema importancia para prever a performance de camaras de combustao, assim como auxiliar na sua otimizacao.

O crescimento desordenado das cidades tem gerado muitos problemas de infraestrutura e impactos ao meio ambiente. No que se refere aos recursos hídricos, problemas de abastecimento, poluição e enchentes são cada vez mais constantes. À medida que a cidade se urbaniza e se impermeabiliza, vários são os impactos que vão atuar no sentido de provocar ou agravar as enchentes urbanas. No caso da drenagem urbana é preciso repensar o que vem sendo feito, buscando soluções alternativas às atualmente apresentadas, uma vez que estas não têm se mostrado eficientes. Uma possível solução para estes problemas é a aplicação de medidas de controle do escoamento na fonte, dentre elas o microrreservatório de detenção. Baseando-se na busca de soluções para os problemas citados, este trabalho tem o objetivo geral de verificar experimentalmente o funcionamento de microrreservatórios de detenção no controle da geração do escoamento superficial. Para isso foi construído um módulo experimental nas dependências do IPH, composto por um microrreservatório de 1m3, monitorado através de linígrafos que registram as vazões de entrada e saída, recebendo contribuição de uma área de 337,5m2. O período de monitoramento iniciou em agosto de 2000 e se estendeu até janeiro de 2001. De posse dos dados coletados foi possível fazer uma análise da eficiência deste dispositivo no controle do escoamento superficial, bem como estudar a real necessidade de manutenção da estrutura. Também foi feita uma análise do impacto da presença de sedimentos (folhagens) na água de escoamento nas estruturas de descarga. O trabalho também deixa uma contribuição no que se refere a critérios de projeto e dimensionamento de estruturas desta natureza. Finalmente foi possível concluir que o sistema é eficiente no controle da vazão de pico, porém o reservatório não permitiu um aumento no tempo de resposta da bacia. / The uncontrolled expansion of the majority of the cities has been generating many infrastructure problems and environmental impacts. Concerning to water resources, problems of provisioning, pollution and floods are more and more frequent. As the city is urbanized and it is made waterproof, there are several impacts that to cause or worsen the urban floods. In urban drainage systems it is necessary to rethink the usual procedures, looking for alternatives to the traditional solutions. A possible solution for these problems is the application of source control, mainly on-site stormwater detention (OSD). This work has the main objective of experimentally verifying the performance of OSD in the run-off control. An experimental module was built at the IPH, composed by an OSD with volume of 1m3, monitored by linigraphs that register the inflow and outflow, from a contributing area of 337,5m2. The gauging period began in August of 2000 and extended to January of 2001. The collected data allowed an analysis of the efficiency of this device in the run-off control, as well as a study of the real need for maintenance of the structure. It was also made an analysis of the impact of the sediments (foliages) in the performance of the outflow devices. The work also makes a contribution to design criteria of OSD. Finally, it was possible to observe that the OSD is efficient to control pick outflows, but the system did not allow an increase in the response time of the basin.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324605.pdf: 11932037 bytes, checksum: 113971c58f66e9b48f075e736b0d465d (MD5) Previous issue date: 2013 / Trocadores de calor constituídos de microcanais paralelos são considerados uma boa solução tecnológica em resposta à crescente demanda por sistemas compactos, que necessitam de alta dissipação de calor, garantindo ainda a redução de custos de materiais e o uso de menor quantidade de fluidos refrigerantes. O presente trabalho está subdividido em dois estudos experimentais, partes A e B, que se complementam e que têm como objetivo estudar o comportamento termo-hidráulico no interior desses componentes providos de microcanais. Na parte A, a ebulição convectiva do fluido refrigerante R134a é analisada no interior de nove microcanais paralelos, de seção transversal circular, posicionados na horizontal, com diâmetro interno e comprimento de 0,77 mm e 150 mm, respectivamente. A caracterização do início da ebulição (ONB) e os comportamentos do coeficiente de transferência de calor por convecção e da queda de pressão por atrito, obtidos experimentalmente, são analisados em função de diferentes variáveis, como: padrão de escoamento bifásico, título de vapor, xv, fluxo de calor, q?; velocidade mássica, G, grau de subresfriamento, ?Tsub, e pressão de entrada no tubo distribuidor, pent. Os resultados experimentais obtidos são também parametricamente comparados com os métodos de previsão da literatura. As faixas das condições de teste são as seguintes: 0<xv<0,89; 600<pent<900 kPa; 1,0< ?Tsub< 20,1 K; 5,0<q?<220 kW/m2 e 250< G<1001 kg/m2s. Os resultados mostram que o padrão de escoamento exerce grande influência sobre o coeficiente de transferência de calor, e que diferentes mecanismos de transferência de calor estão presentes em cada um desses padrões de escoamento observados, enquanto que a queda de pressão por atrito é função direta da velocidade mássica, título de vapor e da pressão do sistema. Na parte B, a distribuição de escoamentos bifásicos, utilizando como fluido de trabalho uma mistura de ar e água, é analisada no interior de um distribuidor ao qual estão acoplados nove microcanais paralelos, de seção transversal circular, com diâmetro interno e comprimento de 0,8 mm e 150 mm, respectivamente. A distribuição de vazão da fase líquida foi verificada entre os nove canais acoplados ao distribuidor em função da posição do distribuidor, dos canais acoplados, do tubo alimentador, da velocidade mássica e do título de gás no tubo alimentador. Neste segundo estudo, foram verificadas quinze diferentes configurações do conjunto distribuidor, canais acoplados e tubo alimentador, para velocidades mássicas de 200, 400 e 600 kg/m2s, e para títulos de gás entre 0 e 0,75. Os resultados obtidos mostram que os efeitos do título de gás sobre a distribuição de vazões de líquido variam consideravelmente em função da posição do conjunto (tubo alimentador-distribuidor-canais), e que o perfil de distribuição da vazão de líquido entre os canais acoplados em cada configuração testada depende da ação conjunta da estrutura de distribuição das fases no interior do distribuidor e da estrutura do escoamento no tubo alimentador.<br> / Abstract : Heat exchangers consisting of parallel micro-channels are considered a good technological solution in response to the increasing demand for compact systems which require high heat flux dissipation, ensuring a decrease in the material costs and the use of a lower quantity of refrigerants. The aim of this study was to investigate the thermo-hydraulic behavior inside these components provided by microchannels. This study is divided into two experimental studies (A and B) which are complementary. In part A, the convective boiling of the refrigerant R134a is analyzed within nine parallel microchannels of circular cross section, positioned horizontally, with internal diameter and length of 0.77 mm and 150 mm, respectively. The characterization of the onset of nucleate boiling (ONB), along with the behavior of the convective heat transfer coefficient and friction pressure drop, obtained experimentally, is carried out considering different variables: two-phase flow pattern; vapor quality, xv; heat flux, q"; mass velocity, G; subcooling degree, ?Tsub, and inlet manifold pressure, pent. The experimental results are also parametrically compared with prediction methods described in the literature. The ranges for the test conditions are as follows: 0 <xv <0.89, 600 <pent <900 kPa, 1.0 <?Tsub <20.1 K, 5.0 <q"<220 kW/m2 and 250<G<1001 kg/m2s. The experimental results show that the flow pattern has a strong influence on the heat transfer coefficient, and that different heat transfer mechanisms are associated with each of the flow patterns observed, whereas the frictional pressure drop is a direct function of the mass velocity, vapor quality and pressure of the system. In part B, the two-phase flow distribution, using as the working fluid a mixture of air and water, is analyzed inside a circular header coupled to nine branched parallel microchannels of circular cross-section with internal diameter and length of 0.8 mm and 150 mm, respectively. The flow distribution of the liquid phase among the nine branched channels was observed according to the position and orientation of the header, the branched channels and the feeder tube, as well as the mass velocity and gas quality. In this second study, fifteen different assembly configurations (header, feeder tube and branched channels) were investigated, for mass velocities of 200, 400 and 600 kg/m2s and gas quality values of 0 to 0.75. The results show that the effect of the gas quality on the liquid distribution changes considerably depending on the configuration (feeder tube-header-channels). The distribution profile of the liquid flow among the branched channels in each configuration tested is dependent on the joint action of the patterns of the phase distribution inside the header and the flow inside the feeder tube.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:20:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 330571.pdf: 58731240 bytes, checksum: e0324eb45639c12be0872f20af528faf (MD5) Previous issue date: 2014 / Compressores que não utilizam óleo lubrificante possibilitam diferentes arranjos dos componentes em sistemas de refrigeração. Uma vez que o retorno do óleo ao cárter do compressor deixa de ser um requisito de projeto, há mais liberdade para se posicionar os trocadores de calor relativamente ao compressor. Contudo, nem todas as configurações de sistema são possíveis, já que o retorno de refrigerante líquido(condensado) do condensador para o compressor ainda deve ser evitado.As transições que delimitam as condições na qual o escoamento bifásico ocorre em paralelo ou contracorrente são estudadas dentro do tópico denominado limitação de escoamento em contracorrente. Este fenômeno é estudado desde 1960, visando prever o ponto no qual se inicia o arrasto de líquido, ponto referenciado em inglês como onset of flooding. Grande parte dos estudos foram realizados para par de fluidos ar-água sem presença de condensação, apenas em estudos mais atuais se começou a estudar fluidos refrigerantes com condensação. Apesar de todo trabalho experimental envolvendo este fenômeno, os mecanismos que levam ao início de arrasto não são totalmente conhecidos hoje em dia, de modo que testes experimentais ainda são a principal fonte para previsão de sua ocorrência. Assim é difícil extrapolar linhas de transição para fluidos ou condições de operação diferentes. Para evitar o retorno de condensado deve-se garantir que a condição de operação na descarga do compressor esteja acima da transição de reversão de escoamento, dada quando um filme ascendente para e inicia o escoamento em contracorrente. Historicamente as motivações de estudo da limitação de escoamento em contracorrente estiveram ligados ao início de arrasto de filme, sendo esta a transição mais estudada que a reversão de escoamento. A relevância do presente trabalho está em estudar a transição de reversão de escoamento para R-134a em condensação para tubo de diâmetro 5mm e inclinações 90°, 60° e 30°. Uma bancada experimental foi projetada e montada para permitir a medição e visualização em alta velocidade do ponto de reversão de escoamento. O super aquecimento, pressão de condensação e vazão mássica na entrada da seção de testes eram controlados e a variação da taxa de condensação possibilitava obter diferentes condições de operação na saída da seção de testes, local onde a visualização foi realizada. Os dados de medição e as imagens foram obtidas simultaneamente para cada teste. Foram testadas 17 condições, totalizando 264 pontos experimentais. Os resultados experimentais foram analisados e comparados com as correlações propostas na literatura. Foram propostos coeficientes empíricos para prever os pontos de filme estacionário e reversão de escoamento, também foram analisadas e sugeridas modificações em abordagens para prever a influência de propriedades dos fluidos nas transições.<br> / Abstract: Oil-free compressors enable different architectures in refrigeration system design, however some heat exchanger arrangements enable occurrence of condensate flow reversal to the compressor. Liquid presence in the compressor should be avoided, since it is one of the main factors in mechanical failure. The condensate back-flow occurs in counter-current to the compressor discharge vapor, the transitions between co-current and counter-current flow are studied in the counter-current flow limitation (CCFL) topic. This phenomenon is studied since 1960, aiming to predict the condition in which the liquid film starts to be dragged partially by the gas, point which is known as onset of flooding. Most of the works on this topic deal with adiabatic studies with separated airwater injection, only recently experimental work have been developed with refrigerant fluids and condensation. Despite all experimental work the flooding phenomena is still not fully understood today, and testing and empirical correlations are the primary means to predict its occurrence.Thus it is difficult to extrapolate transition curves to different fluid and operation conditions. In order to assure that no condensate will flow back to the compressor, the discharge operation condition should be above the flow reversal transition line. Due to technical motivation in nuclear power plants and reflux condensation columns, the emphasis in studying CCFL was in the flooding point, therefore the reflux condensation point was less studied. This work aim is to investigate experimentally the onset of flow reversal in upflow condensation of R134a refrigerant in vertical and inclined small diameter tubes. A experimental test facility was designed and constructed to allow measurements and high-speed visualization of flow reversal condition. The vapour superheat, condensation pressure and mass flow were controlled at the test section inlet and due condensation rate variation in the test section different operation conditions were obtained at the outlet, location where the visualization is realized. 264 experimental point in 17 operation conditions were obtained, where measurements and visualization were realized simultaneously for all experiments. Experimental results were analysed and compared to correlations to predict CCFL transitions, also different dimensionless group approach to comprise fluid properties were tested. New empirical constants were suggested to Wallis correlation and the Re group was added in the approach of fluid properties influence.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:00:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329613.pdf: 87446038 bytes, checksum: 93868fd87ad7aedfe8cd7062fa8fbd48 (MD5) Previous issue date: 2014 / Na produção de gás natural, é de grande importância que todo e qualquer líquido presente no poço seja carregado pelo gás até o separador. O acúmulo de líquido no poço devido à perda de capacidade do gás em arrastá-lo decorre do próprio envelhecimento do reservatório, mas também da sensibilidade das propriedades dos hidrocarbonetos a variações de pressão e temperatura durante transientes de produção. Desta forma, a redução da quantidade de movimento do gás ascendente gera um escoamento oscilatório do líquido que, ao se acumular no poço, aumenta sua queda de pressão, reduzindo assim, ou até mesmo interrompendo, a produção. A fim de abordar o fenômeno acima descrito, denominado carga de líquido (liquid loading), é necessário compreender a interação entre o poço e a região adjacente do reservatório. Adicionalmente, é necessário possuir ferramentas capazes de resolver o escoamento bifásico no poço em função tanto do espaço quanto do tempo. Embora a literatura seja rica em trabalhos sobre escoamentos gás-líquido em canais ver ticais, estes resultam, em sua maioria, em correlações empíricas ou modelos simplificados para o cálculo da queda de pressão e das frações volumétricas das fases em condições de regime permanente. Mesmo que tais relações sirvam de critério para a ocorrência do fenômeno de liquid loading, elas não possibilitam a descrição da sequência de eventos que levam à transição entre os regimes de escoamento unidirecional ascendente e oscilatório. Este trabalho apresenta um modelo diferencial unidimensional para o cálculo do escoamento gás-líquido transiente em tubos verticais com altas frações de gás (padrões anular e churn). Equações de conservação de natureza hiperbólica para a massa, quantidade de movimento e energia são propostas para as fases gasosa e líquida, a qual é dividida entre os campos de filme contínuo e gotículas arrastadas pelo núcleo de gás. Relações de fechamento para o cálculo do atrito na parede e na interface do filme, além de expressões para as taxas de entranhamento e deposição de gotículas, foram obtidas da literatura. Um algoritmo de solução por diferenças finitas baseado no método da separação da matriz de coeficientes foi implementado a fim de melhor lidar com variações acentuadas no domínio espaço-temporal, tais como ondas de pressão e de retenção de fases. Os resultados do modelo foram comparados com dados experimentais de regime permanente obtidos de oito referências da literatura, somando mais de 1300 pontos para o gradiente de pressão, a vazão do filme de líquido e a retenção gasosa. Para estas variáveis, a concordância entre o modelo e os dados foi em margens inferiores a ± 20%. O modelo foi avaliado também contra dados experimentais para escoamentos gás-líquido transientes em um tubo vertical de 42 m de comprimento e diâmetro de 0,049 m (Waltrich, 2012). Transientes induzidos por variações de pressão e de vazão de líquido na seção de testes foram simulados, conferindo níveis de concordância entre dados experimentais e modelo matemático também inferiores a ± 20%.<br> / Abstract : In the production of natural gas, it is essential that all liquids are carried upwards by the flowing gas up to the separator. The accumu- lation of liquid in the well and the decrease in the gas capability to lift the liquid are natural processes associated with the ageing of the reservoir itself, but are also related to sensitivity of the properties of hydrocarbons to pressure and temperature variations during transient production. At a given point, a reduction in the gas momentum gives rise to an oscillatory motion of the liquid, which increases the pressure drop in the well, thereby reducing or even interrupting the production prematurely. To understand the phenomenon of liquid loading described above, it is necessary to understand the interaction between the well and the near wellbore region of the reservoir. Additionally, mathematical tools are needed to solve the two-phase flow of gas and liquid in the time and space domains. Despite the large number of works on gas-liquid flows in vertical channels available in the literature, these are mostly either empirical correlations or simplified models for the calculation of pressure drop and phase fractions at steady state. Although sim- ple relationships serve as criteria for the occurrence of liquid loading, they fail to describe the sequence of events that lead to the transition between the unidirectional and bidirectional (oscillatory) flow regimes. This work presents a one-dimensional differential model for calcu- lating gas-liquid transient flow in vertical tubes with high gas fractions (annular and churn flow patterns). Hyperbolic conservation equations for mass, momentum and energy are proposed for the gas and liquid phases, which is split between a continuous film and droplets entrained in the gas core. Closure relationships to calculate the wall and in- terfacial friction and the rates of droplet entrainment and deposition were obtained from the literature. A finite-difference solution algo- rithm based on the Split Coefficient Matrix Method was implemented to deal with sharp variations in the spatial and temporal domain, such as pressure and phases holdup waves. The model results were com- pared with steady-state experimental data from eight different sources, totaling more than 1300 data points for pressure gradient, liquid film flow rate and gas holdup. For these variables, the agreement between the model and the data was within less than ± 20%. The model was also compared against experimental data for transient gas-liquid flows in a 42-m long, 0.049-m ID vertical tube (WALTRICH, 2012). Pressure and flow rate-induced transients were simulated, with levels of agree- ment between the experimental data and the mathematical model also smaller than ± 20%.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:16:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332232.pdf: 4670852 bytes, checksum: 2acf3ed4c74d85482db5c788470903e9 (MD5) Previous issue date: 2014 / Escoamentos bifásicos em singularidades (válvulas, orifícios ou tubos de Venturi) são encontrados em diversas aplicações de engenharia. Exemplos industriais de escoamentos bifásicos com a presença da cavitação (flashing) em dispositivos de expansão podem ser encontrados em usinas geotérmicas (bocais), sistemas emergenciais (válvulas de alívio), sistemas de refrigeração (válvulas, tubos curtos e tubos capilares) e dispositivos de medição de vazão (tubos de Venturi). Um aparato experimental foi projetado e construído a fim de estudar os escoamentos bifásicos de misturas binárias com mudança de fase por cavitação em um bocal convergente-divergente (tubo de Venturi). Discute-se a influência do fluxo mássico da mistura, da concentração mássica do componente volátil na fase líquida e do grau de sobrepressão (subsaturação) na entrada da seção de teste sobre as distribuições de pressão estática e temperatura ao longo da seção de teste. A utilização de uma seção de teste transparente permitiu a observação visual, tanto da mudança de fase líquido-vapor como do escoamento bifásico, por meio de imagens capturadas a alta velocidade. O método de Velocimetria por Imagem de Partícula (PIV) possibilitou a avaliação quantitativa dos campos de velocidades e das taxas de dissipação viscosas dos escoamentos. Resultados experimentais obtidos para as misturas de R-134a (componente volátil) e óleo lubrificante POE ISO 10 (componente não-volátil) mostraram que a viscosidade da fase líquida tem um efeito significativo sobre a queda de pressão na garganta e sobre a recuperação de pressão na seção divergente, sendo esta última inversamente proporcional à concentração de refrigerante na fase líquida. A análise visual da cavitação de bolhas no bocal convergente-divergente revelou que a ocorrência do escoamento bifásico na garganta e a jusante dela é bastante sensível a mudanças nas condições do escoamento. As bolhas de vapor presentes no escoamento atuaram, juntamente com a rodamina B, como partículas rastreadoras para o PIV. Verificou-se que à medida que a concentração mássica aumenta, os níveis de velocidade na região da garganta diminuem. Os resultados experimentais obtidos pelo método PIV permitiram concluir que a taxa de dissipação viscosa é alterada majoritariamente pela viscosidade da mistura.<br> / Abstract: Flows through singularities (e.g., valves, orifices or Venturi tubes) are encountered in several engineering applications. Industrial examples of two-phase flashing flows in expansion devices can be found in geothermal power plants (nozzles), emergency systems (safety relief valves), refrigeration systems (valves, short tubes and capillary tubes) and flow metering devices (Venturi tubes). An experimental facility was designed and constructed in order to study two-phase flashing flows of binary mixtures in a converging-diverging nozzle (Venturi tube). The effects of mass flux, concentration of the volatile component in the liquid phase and inlet sub-saturation (over pressure) on the axial distributions of static pressure and temperature is discussed. A transparent test section enabled visual observation of the two-phase flow in the Venturi by means of high-speed visualization (HSV) and quantitative assessments of the velocity field and the viscosity dissipation rates by means of a particle image velocimetry (PIV) method. Experimental results generated for mixtures of R-134a (volatile component) and POE ISO 10 lubricating oil (non-volatile component) showed that the liquid phase viscosity has a significant effect on both the throat pressure drop and pressure recovery in the diverging section, with the latter being directly proportional to the refrigerant concentration in the liquid phase. Visual analysis of bubble cavitation in the converging-diverging nozzle revealed that the occurrence of two-phase flow in the throat and downstream of it is quite sensitive to changes in the conditions of the flow. R-134a vapor bubbles and rhodamine B acted as PIV tracking particles. PIV analysis showed that as refrigerant concentration increases, Venturi throat velocity levels decreases. Viscosity dissipation rates are mainly altered by the mixture viscosity.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:18:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 328351.pdf: 6073539 bytes, checksum: 38e1087096423f1c7ad37e38fe5aaf0b (MD5) Previous issue date: 2014 / O padrão de escoamento slug ou em golfadas apresenta grande ocorrência em aplicações industriais. Particularmente, na área de petróleo e gás, se apresenta de forma bastante frequente em dutos de produção e transporte. A característica fundamental do padrão slug é a presença das bolhas de Taylor, que apresentam uma forma alongada, seguida de um slug de líquido, que pode conter bolhas dispersas. O presente trabalho procura estudar, de maneira fundamental, o comportamento de um escoamento em padrão slug, procurando caracterizar o escoamento ao redor das bolhas de Taylor em fluido estagnado, em co-corrente sem bolhas dispersas, e co-corrente na presença de bolhas dispersas, sendo este último, o caso mais representativo de um slug real, e que é considerada a principal contribuição deste trabalho. A partir deste estudo procura-se um melhor entendimento dos fenômenos físicos resultantes das interações das fases com diferentes escalas de interfaces, além da geração de dados para validação de modelos numéricos para este padrão de escoamento. Neste estudo, procura-se reproduzir a dinâmica do escoamento em padrão slug real ar?água em um duto vertical. Para tal propósito, desenvolveu-se uma bancada experimental que permite a geração de um escoamento em padrão de bolhas em um duto vertical, no qual são injetadas as bolhas de Taylor, com o tamanho controlado. Foi utilizada a técnica de PIV, em conjunto com uma instrumentação usando emissor de laser e fotocélula, que permite capturar as imagens de PIV das bolhas de Taylor sempre nas mesmas posições, além de fornecer o comprimento e velocidade das bolhas de Taylor. Tal instrumentação, que sincroniza a captura das imagens de PIV com a passagem das bolhas de Taylor, permitiu a obtenção de um grande número de medidas de campos de velocidades ao redor das mesmas, o que permitiu a avaliação do campos médios (média das realizações) do escoamento ao redor da bolha de Taylor, para diversas situações, incluindo líquido estagnado e escoando, com e sem presença de bolhas dispersas. Resultados comparando os perfis de velocidade são apresentados para diferentes valores da fração volumétrica da fase dispersa. Foi também realizado um estudo qualitativo através de câmera de alta velocidade, da interação das bolhas de Taylor e bolhas dispersas, procurando correlacionar os fenômenos físicos com os resultados obtidos através de PIV. Os resultados indicam uma influência significativa da fase dispersa na estrutura do escoamento ao redor das bolhas de Taylor, mostrando que estudos numéricos e experimentais considerando apenas uma bolha de Taylor isolada, podem não ser representativos do escoamento em padrão slug.<br> / Abstract : The slug flow pattern has large occurrence in industrial applications. Particularly in the oil and gas, it is very frequently encountered in production and transport pipelines. The key feature of the slug pattern is the presence of Taylor bubbles, which have an elongated shape, followed by a slug of liquid which usually contains entrained dispersed bubbles. The present work aims the study, in a fundamental way, the behavior of a slug flow pattern, intending the characterization of the flow around Taylor bubbles in stagnant fluid, in co-current with no dispersed bubbles and co-current in the presence of dispersed bubbles, being the latter, the most representative case of a real slug flow, and which is considered to be the main contribution of this work. This study will provide a better understanding of physical phenomena arising from the interactions of phases with different interface scales, as well as the generation of data for the validation of numerical models for this flow pattern. This study aims to reproduce the flow dynamics in real slug pattern of air-water flow in a vertical duct. For this purpose, it was developed an experimental apparatus that allows the generation of a bubbly flow pattern in a vertical duct in which the Taylor bubbles are injected with controlled size. The PIV technique was used in conjunction with an instrumentation using laser diode and photocell that enables the capture of images of the Taylor bubbles always in the same position, and provides the length and speed of Taylor bubbles. This instrumentation, used to synchronize the PIV capture with the passage of Taylor bubbles allowed the measurement of the flow fields around several bubbles, enabling the evaluation of the ensemble average of flow fields around them, for various situations, including stagnant and flowing liquid, with and without dispersed bubbles. Results comparing velocity profiles, for different values of void fraction of the dispersed phase are presented. A qualitative study was also conducted using high-speed camera, the interaction of Taylor bubbles and dispersed bubbles, in attempting to correlate physical phenomena with the results obtained by PIV. The results indicate a significant influence of the dispersed phase on the structure of the flow around the Taylor bubbles phase, showing that numerical and experimental studies considering only isolated Taylor bubbles may not be representative of the slug flow pattern.