Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-23T04:06:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337589.pdf: 4209720 bytes, checksum: 5681cb5a81dbba7a5164f18f2624abdf (MD5) Previous issue date: 2015 / Na indústria têxtil a secagem é um dos processos mais importantes. Este processo demanda grandes investimentos e um consumo elevado de energia, resultando em custos altos para as empresas deste setor. Os secadores Rama são equipamentos térmicos utilizados na secagem de tecidos em processo contínuo, tendo também a função de termofixação de acabamentos ao produto final. A modelagem e a simulação da secagem neste tipo de secador podem auxiliar na definição das condições adequadas de operação, resultando no aumento da eficiência do processo e na diminuição do consumo de energia.O presente trabalho apresenta a modelagem do processo de secagem num secador Rama através do desenvolvimento de simulações que acoplaram os fenômenos de escoamento, transferência de calor e transferência de massa. Para a modelagem computacional do problema, foi construída uma geometria 3D baseada em medidas tomadas de um injetor de um secador Rama. Foi utilizado o modelo de turbulência k-e padrão na solução do escoamento turbulento com transferência de calor e os modelos de transferência de calor e de massa em meio poroso. As equações dos modelos são resolvidas numericamente pelo método de elementos finitos. Para cumprir os objetivos propostos foram feitos três estudos de caso, no primeiro estudo de caso se avaliou o processo de secagem sob condições de operação reais de um secador Rama; no segundo e terceiro estudo de caso foram alteradas a velocidade de entrada do ar nos injetores e a velocidade de translação do tecido no interior da Rama, respetivamente. O modelo de turbulência k-e padrão mostrou-se como um modelo capaz de reproduzir o comportamento do ar nos injetores. Os resultados mostram que as maiores velocidades ocorrem nos extremos do injetor; isto produz altos coeficiente de calor e massa e como consequência a velocidade de secagem nestas zonas do tecido são maiores. Os perfis de umidade e de temperatura no tecido foram obtidos para cada um dos campos da Rama e constatou-se que os modelos representaram o processo real satisfatoriamente. A velocidade de entrada do ar, bem como a velocidade de deslocamento do tecido demostraram ter grande influência sobre a transferência de calor e massa no processo de secagem, portanto, como são dois parâmetros operacionais, devem ser considerados para a otimização da eficiência dos secadores Rama.<br> / Abstract : In textiles industry drying is one of the most important processes. This process requires large investments and high energy consumption, resulting in high costs for companies in this sector. The stenter thermal dryers are devices used in fabric drying in a continuous process, while also having the function of heat setting finishing the final product. The modeling and simulation of drying this type of dryer can assist in defining adequate operating conditions, resulting in increased process efficiency and reducing energy consumption.This paper presents the modeling of the drying process in a dryer stenter through the development of simulations that engaged the flow phenomena, heat transfer and mass transfer. For the computational modeling of the problem, we constructed a 3D geometry based on measures of a gun of a Rama dryer. We used the turbulence model k-e standard in solution of the turbulent flow with heat transfer and heat transfer models and mass porous medium. The equations of the models are solved numerically by the finite element method. To meet the proposed objectives were made three case studies, in the first case study evaluated the drying process under real operating conditions of a stenter dryer; the second and third case study were changed air intake velocity in the nozzles and the translation speed of the fabric inside the stenter, respectively. The turbulence model k-e standard proved to be a model able to reproduce the behavior in air nozzles. The results show that higher velocities occur in the nozzles ends; this produces high heat and mass coefficient and consequently the rate of drying of the fabric in these areas are larger. Moisture and temperature profiles in the fabric were obtained for each of the fields and the stenter was found that the models representing the actual process satisfactorily. The air inlet velocity and the moving velocity of the fabric demonstrated a great influence on the heat and mass transfer in the drying process therefore they are two operating parameters must be considered to optimize the efficiency of dryers the stenter.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação / Made available in DSpace on 2012-10-26T09:28:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 301871.pdf: 20788560 bytes, checksum: 3e2614692d8094947c8ba460cbbfa65b (MD5) / Neste trabalho, uma modificação ao algoritmo de esferas máximas (MB) é proposto. Essa abordagem recebe o nome de esferas máximas exatas (EMB), por utilizar os raios exatos ao invés de duas aproximações. Tal mudança, traz consequências para o resultado final, definindo de forma mais detalhada a estrutura interna do espaço poroso, gerando cinquenta por cento mais poros e gargantas. Dessa forma, a rede gerada de modo exato é comparada a rede original, em características básicas e nas simulações de escoamento monofásico, obtendo-se resultados bem correlacionados e em mesma escala de grandeza para ambas, apesar de diferentes. Muitas otimizações para paralelização e dados comprimidos são propostas e o algoritmo exato, mesmo processando mais esferas, é de duas a seis mais rápido para todos os casos de estudo. / In this work a maximum balls (MB) modification is presented. This novel approach receives the name of exact maximum balls (EMB) because it uses one exact radius instead of two approximations. Therefore, there are consequences to the generated pore network which is found out to define the pore space with at least fifty porcent more detail, that is, pores and throats. That way, the exact pore network is compared with the original and it is discovered that there is a strict correlation between their results and that these are always of the same magnitude, although different. Also, a lot of optimizations to process compressed data and to allow data parallelization are shown and the EMB pore network extraction is, in every test case, consistently faster than MB. The obtained speedup was from two up to six times.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engeharia Mecânica, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-25T18:48:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 313873.pdf: 12073278 bytes, checksum: 01cf0a15ca5de0d5b4ba2e453918b8da (MD5) / O objetivo desta tese é o estudo de modelos de parâmetros da interface que permitam uma correta consideração dos efeitos interfaciais em escoamentos bidimensionais bifásicos e sua aplicação na modelagem de um problema prático: o efeito Jamin. Em escoamentos multifásicos, a presença da interface pode alterar significativamente a dinâmica do escoamento. Esta interferência no comportamento do escoamento é ditada pelos efeitos interfaciais, podendo ser pronunciada em situações em que o coeficiente de tensão interfacial entre os fluidos é alto ou ainda quando o escoamento ocorre em um domínio com pequenas dimensões. Pode-se prever o comportamento de tais escoamentos por meio de sua simulação numérica. Nessas simulações, os efeitos da tensão interfacial são contabilizados por meio de uma força adicionada às equações de conservação da quantidade de movimento. Como será mostrado ao longo desta tese, essa força depende da modelagem da curvatura da interface. Além disso, para uma correta aplicação dos efeitos da tensão interfacial é necessário conhecer a forma e a posição da interface ao longo do tempo. Neste estudo foi desenvolvido um código computacional próprio capaz de prever a posição e a forma da interface empregando os métodos Volume of fluid (VOF) e Piecewise-linear Interface Calculation (PLIC) para a captura da interface. Foram então avaliados três modelos publicados na literatura para descrever a curvatura da interface no seio dos fluidos: o método de Funções Altura (Height Functions - HF), a técnica da Convolução e o método HF com filtro por convolução (HF-fc). Constatou-se essa avaliação que, a partir do quarto nível de refino da malha, os erros obtidos com o método HF aumentaram. Uma análise mais detalhada desses resultados permitiu identificar que esse crescimento do erro, consequente da geração de correntes espúrias, está relacionado a uma anisotropia local do campo de curvatura. Visando à redução de tais erros, dois novos métodos são propostos neste trabalho. Seus desempenhos são avaliados em termos do comportamento do erro da curvatura e da capacidade de amortecimento de correntes espúrias. Estudou-se também a modelagem da curvatura da interface em situações em que há o seu contato com uma superfície sólida. Nesta etapa foi proposta uma modificação ao método HF para novamente combater o crescimento do erro com o refino da malha. Tendo em vista os altos tempos computacionais das simulações desenvolveu-se um algoritmo de paralelização, que resolve o escoamento pelo particionamento do domínio. Por fim, aplicou-se a metodologia aqui estudada na reprodução de um fenômeno de suma importância para a Engenharia de Reservatórios de Petróleo: o efeito Jamin. Dentre outras conclusões extraídas da simulação do efeito Jamin, verificou-se que uma expressão elaborada a partir de um balanço de forças no canal permite a determinação do comportamento da velocidade média da gota ao longo do tempo, até que seja atingido o seu valor terminal. Essa expressão foi validada pelos resultados numéricos obtidos nesta tese.<br> / Abstract : This thesis aims to model some of the interface parameters which affect the capillary effects in two-phase flows, and to reproduce the Jamin effect by applying these models to its simulation. Interfacial effects play an important role in multiphase flows in micro-domains like the micro-fluidic devices or when the magnitude of the interfacial tension coefficient is high. These effects can be modelled in numerical simulations by the addition of a body force to the momentum equations. This force depends on the interface#s curvature among other parameters, and in order to faithfully predict its effects, the position and shape of the interface should be well known. In order to carry out this study a numerical code was developed. This code can track the position of the interface by employing the Volume of fluid (VOF) and the Piecewise-linear Interface Calculation (PLIC) methods. The performance of three curvature models reported in the literature was deemed: the Height Functions (HF) method, the Convolution technique and the Height Functions filtered by a convolution kernel (HF-fc). These models are able to evaluate the curvature of the interface in the bulk fluid. In this study it was found that there is an increasing tendency in the L2 error norm of the velocity and curvature for the HF method when fine meshes are used. This behaviour is due to the generation of spurious currents, which is associated to the local anisotropy of the curvature field. In order to mitigate the generation of such currents two new models are proposed in this work. The evaluation of the curvature of the interface in the neighbourhood of a wall as a function of the contact angle was also studied. Again it was observed that the curvature error increases with finer meshes when the HF method is employed. This observation leads to the development of a modified algorithm which deals with this increasing error. Another contribution of this thesis is the development of a parallelized algorithm which solves the flow by dividing the domain into sub-domains. Lastly the methodology studied in this work is applied in the simulation of a usual problem in Oil Reservoir Engineering: the Jamin effect. It was verified in the study of the Jamin effect that an expression derived from a balance of forces acting on the channel where the flow occurs can predict the temporal behavior of the drop#s velocity, as well as the value of its terminal velocity. These results were validated by the results obtained by the simulations.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:48:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 226893.pdf: 15452742 bytes, checksum: 0c52163c3c601362dc6d8638eb698cd0 (MD5) / Medidores de vazão baseados em pressão diferencial são comumente utilizados em sistemas de transporte de petróleo e gás natural. A precisão destes sistemas é de fundamental importância em aplicações como gerenciamento de reservatórios, sistemas de detecção de vazamentos, controle de processos de produção e medição fiscal. E aplicações para escoamentos monofásicos, tanto a estrutura do escoamento quanto as relações entre pressão e vazão, nas constrições utilizadas para medição, são conhecidas. Entretanto, em escoamentos multifásicos, estas relações são mais complexas devido à aparição de novos parâmetros de escoamento tais como velocidades relativas, fração de fase, etc.. Este trabalho propõe um estudo teórico e experimental de escoamentos multifásicos dispersos em medidores de vazão baseados em pressão diferencial. Para o estudo teórico, propõe-se a utilização do modelo de dois fluídos cuja formulação é baseada numa abordagem Euleriana da mistura bifásica. Algumas modificações nos modelos comumente encontrados na literatura são propostas, principalmente para os termos de transferência interfacial cuja correta modelagem é de fundamental relevância na

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2005. / Made available in DSpace on 2013-07-16T00:00:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275551.pdf: 12536372 bytes, checksum: c80bef829b258abfb8a4e7fdd6fa004f (MD5) / O escoamento gás-sólido turbulento em um leito fluidizado circulante é estudado utilizando-se modelo matemático tridimensional transiente, com refinos de malha e temporal adequados para capturar as estruturas de aglomerados de partículas (clusters e strands) encontrados na chamada meso-escala. O trabalho baseia-se na abordagem proposta por Agrawal et al. (2001) e Zhang e van der Heyden (2001). Aplicou-se um modelo sub-malha (LES) para a fase gás e sólido baseado em Smagorinsky (1963). O modelo sub-malha apresenta-se necessário devido a impossibilidade de resolver todas as escalas envolvidas no escoamento gás-sólido em um leito fluidizado turbulento. Os resultados numéricos são comparados com dados experimentais com boa aproximação para os perfis de velocidade média axial e lateral do sólido. O modelo sub-malha aplicado apresenta comportamento excelente na região próxima à parede e intermediária, com desvio na região central (diluída), sobre estimando o arraste. Este efeito, é causado pela forma de cálculo do arraste no modelo de dois fluidos utilizado para a solução do problema. Análise espectral é realizada para os estudos de caso. A região inercial foi capturada pela resolução espacial e temporal utilizada, com inclinação -5/3, indicando que o refino de malha e temporal foi adequado para a solução do problema. Realizou-se análise de estruturas intermitentes através do coeficiente de achatamento (Kurtosis) e comparado-se com resultados experimentais. A comparação mostra que a utilização do modelo sub-malha é necessária, pois este incorpora o comportamento físico esperado para um leito fluidizado turbulento, o que não ocorre quando da não utilização do modelo sub-malha. Estabeleceu-se que as estruturas de clusters estão associadas a alta taxa de deformação e os strands a estruturas de vórtices contra rotativos estirando-se. Baseado neste fato, propôs-se uma forma de caracterizar a formação e destruição de clusters e strands, com bom resultado, assim como a dimensão característica. Uma série de conclusões e recomendações para trabalhos futuros nesta linha de pesquisa são propostas, baseadas nas análises realizadas.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2013-07-16T04:19:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 293274.pdf: 2909399 bytes, checksum: 6e82ffcd31999ca2d1d5bc542037dfa5 (MD5) / O ruído gerado por escoamentos sobre cavidades tem consequências em diversas áreas da engenharia, tais como nos setores automobilístico (janelas abertas e frestas de porta) e aeronáutico (cavidades de trem de pouso). Apesar de geometria simples, o fenômeno da geração de ruído em cavidades é bastante complexo. Por exemplo, a interação das estruturas turbilhonares do escoamento com a borda de fuga da cavidade gera uma região de recirculação na cavidade e uma instabilidade na camada cisalhante na borda de ataque, originando componentes de ruídos tonais e de banda larga. O presente estudo aborda uma análise numérica bidimensional da influência das características geométricas e do regime de velocidade sobre a geração e propagação do ruído em escoamentos subsônicos. As características do escoamento na região do campo próximo foram previstas por meio da Simulação de Grandes Escalas e a propagação do ruído na região do campo afastado foi calculada pela analogia acústica de Ffowcs Williams-Hawkings, com o emprego de superfícies permeável e impermeável. A verificação de influência de malha foi feita através da comparação dos resultados de pressão na parede da cavidade para diferentes refinos de malha. A validação do modelo numérico foi realizada com referência a resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Os resultados obtidos nesta análise demonstram que a presença da aba na cavidade causa uma significativa mudança na configuração do escoamento no interior da cavidade. Além da oscilação do tipo modo cisalhante comum em cavidades, detectou-se também um mecanismo de oscilação caracterizado por oscilações em alta e baixa amplitude. Embora esse novo mecanismo seja de curta duração, o mesmo altera significativamente a frequência e a amplitude dos diferentes modos de oscilação. Evidenciou-se que a utilização de abas em cavidades pode ser uma opção para a redução do nível de ruído acústico. / The flow past open cavities is a phenomenon that is encountered in many engineering applications and can result in intense acoustic tones. Earlier investigations based on full scale aircraft have indicated that there are many sources that contribute to airframe noise, with one of them being cavity noise. For example, during the landing, there is an increase in the sound pressure level from aircraft that can be associated with the presence of a cavity created by the open landing gear (Shieh, 2000). The flow-induced cavity noise can also occur in automotive vehicles, in which the most relevant aerodynamic noise sources to occupants are from gaps in doors, windows and sunroof, as well as from the air conditioning and ventilation systems. Despite its geometric simplicity, the physics associated with the flow over cavities is a complex phenomenon. For instance, the interaction of vortices with the cavity trailing edge generates a recirculating flow region in the cavity and results the instabilities in the shear layer, yielding both broadband and tonal noise. In this study, the noise radiated from a two-dimensional cavity with a lip over the upstream portion of the cavity submerged in a turbulent subsonic flow is numerically analyzed by using a hybrid scheme that couples flow computations with an implementation of the Ffowcs Williams-Hawkings equation. The turbulent near field is computed through Large Eddy Simulation. The model verification was carried out by comparing results for pressure obtained with different levels computational grid refinement. The physical model was validated with reference to experimental and numerical results available in the literature. The numerical results revealed some significant effects on the cavity- flow due to presence of a neck or a lip over the cavity. Besides the shear layer mode commonly found in cavities an oscillating mechanism characterized by low and high amplitudes as also been observed. Although this new mechanism occurs in a short period, it significantly affects the frequency and amplitude of the different modes. Furthermore, it has been noticed that the neck or lip over cavity is a viable alternative to reduce the acoustic noise associated with cavities.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-12-05T19:00:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 1078

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2016-10-19T12:38:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336490.pdf: 3989004 bytes, checksum: b86d0757001297a96642cc4ec5b0a4f3 (MD5) Previous issue date: 2015 / A condensação convectiva no interior de oito microcanais, com diâmetro hidráulico de 1,24 mm, contidos em um perfil comercial do tipo MPE (Multi Port Extruded) de alumínio foi estudada nesta dissertação. O fluido de trabalho empregado foi o R134a, e o modo de resfriamento foi obtido por meio de um sumidouro de calor constituído de um fluxo forçado de mistura de água e etileno glicol a temperaturas entre -6 e -12ºC. Um aspecto inovador neste aparato experimental foi a medição do fluxo de calor utilizando transdutores de fluxo de calor. Foram realizados testes monofásicos para a queda de pressão e transferência de calor a fim de validar o aparato experimental mediante a comparação dos resultados com os calculados com as correlações da literatura. Testes em condensação foram feitos com fluxos mássicos variando entre 154 e 308 kg/m²s, títulos variando entre 0,97 e 1, fluxos de calor entre 8,1 e 12,2 kW/m² e pressões entre 6,8 e 9,6 bar. De acordo com o mapa de padrões de Coleman e Garimella os pontos de operação testados indicaram os padrões anular-misto e anular. Os resultados experimentais comparados às correlações de Cavallini (2006) forneceram os menores desvios médios absolutos: 16,7% para a queda de pressão e 77,5% para o coeficiente de transferência de calor. <br> / Abstract : The convective condensation inside eight microchannels, with hydraulic diameter equal to 1,24 mm, contained in a profile type MPE (Multi Port Extruded) of aluminum was studied in this work. The working fluid used is R134a, and its cooling was made by a heat sink constituted by a water ethylenglicol mixture forced flow at temperatures between -6 and -12ºC. An innovative aspect in this experimental apparatus was the measurement of the heat flux using heat flux transducers. Single-phase tests for pressure drop and heat transfer were made in order to validate the experimental apparatus comparimg the data to the results from the classic literature correlations for single-phase flow. Tests on condensation were made with mass flows ranging from 154 to 308 kg / m²s , quality ranging from 0,97 to 1, heat flows between 8,1 to 12,2 kW / m² and pressures between 6,8 to 9,6 bar. Acording to the flow pattern map of Coleman and Garimella, the data points tested show annular-mist and annular flow patterns. The experimental results comparing with the correlations of Cavallini (2006) provided the least average deviations: 16.7% for the pressure drop and 77.5% for the heat transfer coeficient.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T15:08:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 201810.pdf: 8433205 bytes, checksum: 09198c14d290139cd91a885e4765ad2e (MD5) / O presente trabalho trata da utilização da técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula na caracterização de escoamentos bifásicos. A geometria em consideração é o interior de um tubo de vidro de 3 mm de diâmetro. Um primeiro esforço foi realizado no sentido de desenvolver uma técnica para medição da velocidade das bolhas. As dimensões reduzidas dificultam a utilização de sondas ou detectores de fase, resultando na opção pela análise de imagens. Duas fotos sucessivas, com intervalo de tempo entre os registros bastante precisos e controlados por um microcomputador, foram utilizadas na determinação de cada vetor velocidade. Um laser pulsado Nd:YAG aliado a um filtro difusor foi o responsável pela iluminação, ao passo que as imagens eram registradas por uma câmera CCD. A diferença entre os índices de refração do ar, do tubo e do líquido no seu interior, aliado à curvatura das paredes ocasionou distorções que não podiam ser desprezadas, forçando a adoção de estratégias de correção. Através de um algoritmo de correlação cruzada determinou-se o deslocamento que deve sofrer a primeira imagem de modo a melhor se sobrepor à segunda, e a partir deste obtêm-se a velocidade da bolha. Técnicas de resolução subpixel foram utilizadas para aumentar a precisão dos resultados. Para caracterização do campo de velocidades no líquido partículas traçadoras foram adicionadas ao fluido e, por meio de um par de lasers pulsados o plano contido na região de interesse foi iluminado. As imagens, registradas por uma câmera CCD em instantes diferentes, foram processadas por um software específico. A medição dos perfis de velocidade do escoamento monofásico de água em regime laminar e turbulento no interior de um tubo de vidro de 11 mm de diâmetro interno serviu para estimar a incerteza envolvida na utilização desta técnica.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T22:50:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 229789.pdf: 1619995 bytes, checksum: a874ae10cc2fe28d164f7d06dab143ce (MD5)