Este trabalho possui como objetivo a realização da simulação numérica do escoamento no interior de um modelo físico da estação de refino secundário Rurhstal-Heraeus (RH). Buscase estabelecer uma metodologia que, utilizando as ferramentas da fluidodinâmica computacional, reproduza as principais características de tal escoamento, especialmente a taxa de circulação e a distribuição de gás na perna de subida. A literatura sobre a modelagem do RH, tanto experimental quanto matemática, é revisada e comentada, com destaque para os principais desafios na simulação dos escoamentos multifásicos. Na simulação do escoamento, foi avaliada a influência de três aspectos da modelagem numérica: modelo de turbulência (modelos k-ε e k-ω), coeficiente de arrastos (modelos de Ishii-Zuber e Grace) e forças de nãoarrasto (massa virtual, sustentação e dispersão turbulenta). O escoamento é solucionado para diversas combinações de tais modelos e seus resultados são comparados com dados da literatura. Dessa comparação concluiu-se que a solução numérica é altamente dependente do modelo de turbulência - foram verificadas grandes alterações na distribuição de gás na perna de subida. O emprego do modelo k-ε mostrou proporcionou maior concordância com o experimento. Em contraste, as alterações na solução numérica em função de diferenças no coeficiente de arrasto e presença de forças de não-arrasto foram pouco significativas. Em todos os casos simulados, a taxa de circulação calculada numericamente diferiu dos dados experimentais. Observou-se o fenômeno de saturação de tal taxa, mas, no entanto, acredita-se que o mecanismo visto na solução numérica e no experimental possuam naturezas distintas. / The purpose of the present work is to evaluate the numerical simulation of the flow in a physical model of secondary refining station Rurhstal-Heraeus (RH). Employing computational fluid dynamics tools, a set of methods is sought in order to reproduce the main features of such flow, focusing mainly the circulation rate and the gas holdup in the upleg. Both physical and mathematical modeling literature are reviewed and commented, highlighting the main challenges of multiphase flow modeling. The effects of three aspects of numerical simulation are weighted: turbulence modeling (k-ε and k-ω models), drag force coefficient (Ishii-Zuber and Grace models) and non-drag forces (virtual mass, lift and turbulent dispersion). The flow is solved using several combinations of those models and the results are subjected to comparison with experimental data. From this comparison, it is verified a major dependence between the numerical solution and the turbulence model adopted - remarkable differences were observed on the gas holdup in the upleg. The employment of k-ε model shown better agreement with experimental data. The influence of different drag coefficients and action of non-drag forces was by far less important. In every numerically solved flow condition, the circulation rate was in disagreement with the experimental data. The saturation behavior has been observed in the numerical solution, although in a diverse fashion of the physical model.

A utilização de canais compostos está bastante presente nos mais diversos campos da engenharia. Na engenharia mecânica, por exemplo, os problemas estão ligados à utilização destas estruturas no interior de trocadores de calor, reatores nucleares e até mesmo em equipamentos eletrônicos. Equipamentos nos quais o maior desafio é a maximização das taxas de transferência de calor. A acuracidade das relações que determinam a transferência de calor em trocadores de calor ou reatores nucleares, passa por uma análise dinâmica destes equipamentos, visto que suas características geométricas podem ser responsáveis pela formação de estruturas coerentes dentro do escoamento principal, que podem vir a serem importantes fontes de perturbações. A proposta deste trabalho é investigar experimentalmente as características do escoamento turbulento em alguns tipos de canais compostos fechados. Utilizando como técnica experimental a anemometria de fio quente. Nesse sentido, também foi investigado a influência dos parâmetros geométricos da seção, tanto na distribuição dessas quantidades quanto nas características dinâmicas do escoamento. No primeiro tipo o fluido é forçado a escoar entre duas placas paralelas de profundidade "p" e separadas por uma distância "d". Essas placas foram fixadas a uma das paredes laterais de um canal aerodinâmico. Na segunda seção as placas foram substituídas por feixes de seções retangulares, também fixados a mesma parede. Esses feixes também eram separados por uma distância "d". Na terceira o canal aerodinâmico foi dividido em dois. Os feixes da seção precedente foram movimentados para o centro, dando origem a dois subcanais principais conectados por uma fenda de largura "d" e profundidade "p". A quarta seção é uma simplificação das seções compostas por feixe de barras. Consiste em duas semi-circunferencias de raio externo igual a 66 mm. As semi-circunferencias foram postas uma em frente a outra, separadas também por uma distancia "d" As mudanças nos parâmetros geométricos das seções, profundidade, "p", largura da fenda, "d" e comprimento da seção "L", deram origem a 20 vinte diferentes seções. Os resultados mostraram, em todas as seções, o desenvolvimento de uma camada de mistura na direção principal do escoamento. Quanto as características dinâmicas do escoamento, estas parecem ser reguladas pelos perfis médios de velocidade. / Compound channels are present in many engineering areas, for example, in nuclear reactors, in cooling systems of electronic devices and in supply water channels. On the mechanical engineering field, the problems are linked to heat exchangers, nuclear reactor fuel elements and even electronic devices, where, the challenge is the rise in heat exchange rates. However, a good prediction on the heat transfer rates in compound channels, pass through the accuracy of the relations used: the heat exchange coefficient in heat exchangers or in nuclear reactors and correlations for the friction factors in a supplying channel. The dynamic analysis of these equipments, considering fluid structure interaction, is also important, since their geometric characteristics can be responsible for the formation of coherent structures on the flow that can become important sources of disturbances. The purpose of this work is the experimental investigation of the characteristics of the turbulent flow in compound channels and the influence of the geometric parameters of the section in its dynamic characterization. By using hot wire anemometry techniques, mean quantities and Reynolds stresses distribution were investigated in four kinds of compound channels. In the first one the fluid flows between two parallel plates, both attached on the lateral wall of aerodynamic channel. These plates have as important dimensional parameters their depth, "p", and width, "d". In second configuration the plates were replaced by rectangular bars. These ones also attached on the same lateral wall, apart from each other by a distance "d". In the third test section the aerodynamic channel was spitted in two. The bars attached on the lateral wall were moved to the middle channel, giving rise to subcahnnels connected by a narrow gap, with depth "p" and width "d". The last one was a rod bundle simplification. By using two semicircles, placed in front of one each other, it was possible to create a compound channel. Again, the topology gave rise two main subchannels connected by a narrow gap. Many changes were performed in the geometric parameters during the experiments. By modifying depth, "p", width "d" and the length, "L", enable us to get twenty different test sections. The results showed a mixing layer developing in the streamwise direction. As regards mean, normal and Reynolds stresses quantities, the experiments depicted self-preserving values when made dimensionless by local scales. According to results showed here, dynamical features are mainly ruled by mean axial velocity profile characteristics.

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.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-07-13T19:29:20Z No. of bitstreams: 1 2017_DaviddeAlmeidaFiorillo.pdf: 8000444 bytes, checksum: fde681b947627d69e2b755576422579a (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-08-03T17:41:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_DaviddeAlmeidaFiorillo.pdf: 8000444 bytes, checksum: fde681b947627d69e2b755576422579a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-03T17:41:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_DaviddeAlmeidaFiorillo.pdf: 8000444 bytes, checksum: fde681b947627d69e2b755576422579a (MD5) Previous issue date: 2017-08-03 / Este trabalho apresenta uma investigação da aplicação de invariantes do caos, em diferentes regiões de uma coluna de leito fluidizado experimental fria, capazes de quantificar os regimes de fluidização, enfatizando a identificação do regime rápido. O trabalho foi divido em duas etapas, o projeto de bancada e estudo de regiões característica de uma coluna de fluidização, a partir de simulação numérica, e análise não-linear a partir de séries temporais de pressão estática de coluna LFC (leito fluidizado circulante) experimental. A fase de projeto auxiliado por simulação numérica reuniu teorias e fundamentos da fluidodinâmica computacional, através do modelo TFM (Two Fluid Model), para compreensão do escoamento multifásicos numa coluna de leito fluidizado circulante (LFC) e estudo de mapeamento de suas regiões características em diversos regimes de fluidização. A fase experimental consistiu na montagem de bancada e ensaios preliminares para atenuação de ruído para observação de séries temporais do sinal de flutuação de pressão estática nas regiões características. Na etapa de ensaios, três tipos de partículas foram utilizados (vidro 355 µm, areia 1,0 mm e areia 1,2 mm), quando submetidas a condições operacionais específicas (fluxos do ar de entrada), desenvolveram os regimes de fluidização investigados (expandido, borbulhante, turbulento e rápido). A definição dos regimes de fluidização de referência é baseado na descrição da literatura e corrigido através da transparência da coluna LFC experimental. A análise não-linear, que consistiu na avaliação da evolução de invariantes do caos como a dimensão de correlação, entropia de Kolmogorov e o coeficiente de Hurst, de séries temporais de pressões estáticas, coletadas a partir de três regiões distintas de uma coluna de fluidização, submetidas a diferentes regimes e tipo de partículas. A metodologia proposta, permitiu investigar a evolução de indicadores baseados nas invariantes caóticas para quantificação dos estados de fluidização de referência. A principal contribuição desta análise, residiu numa nova abordagem de modelo não-paramétrico (tabela) baseada nas invariantes caóticas entre as regiões de uma coluna LFC. A proposta avalia a similaridade caótica, entre as regiões características de uma coluna LFC para quantificação dos regimes e consequente classificação. Esta técnica, associado a instrumentação rápida de medição de pressão estática, poderia ser usado para controlar regimes de fluidização de sistemas fluidizados como gaseificadores de leito fluidizado, melhorando seu desempenho na conversão de sólidos e gás combustível. O estudo concluiu que as invariantes do caos foram sensíveis aos regimes de fluidização e pouco dependeram das características das partículas. Apesar desta técnica não ter sido testada em colunas escalonadas, de acordo com a teoria, é possível inferir que as invariantes permanecerão sensíveis aos regimes de fluidização, e pouco sensível a mudança geométrica de uma coluna escalonada. Os principais impactos são redução da complexidade operacional para o controle de sistemas fluidizados contínuos, a quantificação do grau de turbulência global da coluna, redução da variabilidade dos produtos dos sistemas fluidizados, e incremento da repetibilidade do processo de leito fluidizado, uma vez que os regimes podem ser quantificados. / This work presents an investigation of the application of chaotic invariants in different regions of an isothermal experimental fluidized bed column, capable of quantifying the fluidization regimes, emphasizing the identification of the fast regime. The work was divided in two stages, the bench design and study of regions characteristic of a fluidization column, from numerical simulation, and non-linear analysis from time series of static pressure of experimental CFB (circulating fluidized bed) column. The numerical simulation-assisted design phase brought together theories and fundamentals of computational fluid dynamics through the Two Fluid Model (TFM) model, to understand the multiphase flow in a circulating fluidized bed (CFB) and mapping study of its characteristic regions in several fluidization regimes. The experimental phase consisted of the assembly of bench and preliminary tests for noise attenuation for observation of time series of the signal of static pressure fluctuation in the characteristic regions. In the test stage, three types of particles were used (355 μm glass, 1.0 mm sand and 1.2 mm sand), when subjected to specific operating conditions (incoming air flows), they developed the investigated fluidization regimes (expanded, bubbling, turbulent, and fast). The definition of the reference fluidization regimes is based on the literature description and corrected through the transparency of the experimental LFC column. The nonlinear analysis, which consisted in the evaluation of the evolution of chaos invariants such as the correlation dimension, Kolmogorov entropy and the Hurst exponent, of time series of static pressures, collected from three distinct regions of a fluidization column, subjected to different regimes and type of particles. The proposed methodology allowed to investigate the evolution of indicators based on the chaotic invariants for quantification of reference fluidization states. The main contribution of this analysis resided in a new non-parametric (table) model based on the chaotic invariants between the regions of an LFC column. The proposal evaluates the chaotic similarity between the characteristic regions of an LFC column for quantification of the regimes and consequent classification. This technique, coupled with rapid static pressure measurement instrumentation, could be used to control fluidization regimes of fluidized systems as fluidized bed gasifiers, improving their performance in the conversion of solids and fuel gas. The study concluded that chaotic invariants were sensitive to fluidization regimes and did not depend on particle characteristics. Although this technique has not been tested in staggered columns, according to the theory, it is possible to infer that the invariants will remain sensitive to the fluidization regimes, and little sensitivity to the geometric change of a stepped column. The main impacts are reducing the operational complexity for the control of continuous fluidized systems, quantifying the overall column turbulence, reducing the variability of the products of the fluidized systems, and increasing the repeatability of the fluidized bed process, since the regimes can be quantified.

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.

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.

Resumo não disponível.

Historicamente, devido à incompreensibilidade dos fenômenos físicos envolvidos, diversas técnicas de análise experimental de escoamentos foram desenvolvidas. Inicialmente, estas técnicas consistiam em uma simples visualização do escoamento em questão. Visava-se com isto produzir a intuição física a respeito do sistema físico para que futuras teorias pudessem ser formuladas. No entanto, nos anos posteriores, tornou-se necessária a criação de técnicas quantitativas. Neste segmento, a evolução tecnológica da eletrônica propiciou que técnicas intrusivas e não intrusivas fossem criadas. Tal processo culminou com o surgimento da microeletrônica, quando sensores eletrônicos de imagem puderam ser fabricados. Assim, técnicas não intrusivas de velocimetria através de processamento digital de imagens tornaram-se referência, possibilitando a medição de campos de velocidade do escoamento em análise. Tais técnicas são atualmente utilizadas não apenas no meio acadêmico, na investigação da turbulência, como na indústria, em projetos de engenharia que envolvam alta tecnologia. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia para a concepção de um sistema de velocimetria de 2 dimensões por processamento digital de imagens. Para tanto, o sistema de velocimetria foi dividido em duas partes, sendo os equipamentos bem como os conceitos físicos envolvidos em cada uma analisados e descritos Por fim, projetou-se e implementou-se um sistema de velocimetria de 2 dimensões através de processamento digital de imagens, modo PIV. A sua validação foi efetuada sobre um escoamento altamente turbulento interno a um duto circular, cuja solução é conhecida e exaustivamente estudada no decorrer dos anos. O resultado obtido se apresentou totalmente satisfatório e demonstrou a grande importância atual de tal técnica de medição.

O sistema vórtice ferradura é o elemento chave do processo erosivo ao redor de obstáculos sobre leitos móveis. Por estar presente em muitas situações práticas da engenharia e apresentar características tridimensionais e complexas, ainda é pouco compreendido e explorado. Esta pesquisa elucida a respeito do vórtice ferradura para o caso de leito fixo e obstáculo cilíndrico de seção circular, através de investigação experimental em túnel de vento, realizada em duas etapas: uma relativa a aquisição dos dados no laboratório e a outra no seu pós-processamento. A primeira etapa compreende a aquisição das imagens do escoamento pela técnica de velocimetria por luz pulsada, com modo de operação PIV (Particle Image Velocimetry), através de ensaios realizados no Laboratoire d’Etudes Aérodinamiques (da Universidade de Poitiers, França). As imagens foram pré-processadas e consequentemente foram obtidos os campos de vetores velocidade instantâneos. A segunda etapa, enfoque deste trabalho, compreende o pós-processamento dos campos de velocidade bidimensionais e consequentemente os campos de vorticidade, velocidade, energia cinética, intensidade de turbulência, desvio padrão da velocidade e vorticidade com ReD variando de 4300 a 15600 (Red ∗ = 450 a 860). Para ReD = 4300 e 5500 observou-se que o (sistema) vórtice ferradura foi identificado com maior freqüência nos campos instantâneos de vorticidade e velocidade. Conforme o número de Reynolds aumenta, o vórtice é cada vez menos identificado e para ReD = 15600, ele não foi detectado nos campos instantâneos. / The system horseshoe vortex is a key element of the scour process around obstacles on erodible beds. Although it is presented in many engineering practical situations and it has three-dimensional and complex characteristics, it is still little understood and explored. This research explains the horseshoe vortex in the case of the fixed plane plate and cylindrical obstacle of circular section, through experimental research in wind tunnel, performed in two stages: one related to the data aquisition in the laboratory and another to its post-processing. The firt stage comprises the image acquisition, by the pulse light velocimetry technique with the PIV operation (Particle Image Velocimetry), through experiments carried out at Laboratoire d’Etudes Aérodinamiques (University of Poitiers, in France). The images have been pre-processed and the fields of instantaneous velocity vectors obtained. The second stage, which is the aim of this work, comprises the post-processing in the fields of two-dimensional velocity and consequently the fields of vorticity, velocity, kinetic energy, intensity of turbulence, root mean square of the velocity and vorticity with ReD varying from 4300 to 15600 (Red ∗ = 450 to 860). For ReD = 4300 and 5500, it was observed that the (system) horseshoe vortex has been identified more often in the instantaneos fields of vorticity and velocity. As the Reynolds number increase, the vortex is less and less identified; and for ReD = 15600, it has not been detected in the instantaneous fields.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Faculdade de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2015. / Submitted by Guimaraes Jacqueline (jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2015-11-11T11:45:23Z No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2016-01-25T13:58:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-25T13:58:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_Tiago_de_Melo.pdf: 5894837 bytes, checksum: dedc3bf7c382751732e3f4f9367beba0 (MD5) / Canais compostos são caracterizados pela presença de uma região mais larga por onde o escoamento escoa com certa facilidade e regiões mais estreitas onde os efeitos viscosos predominam. Sendo que o uso destas estruturas é abrangente na indústria, principalmente em trocadores de calor, interior de reatores nucleares e em canais de irrigação. A precisão das relações que determinam a transferência de calor em trocadores de calor ou reatores nucleares passa por uma análise dinâmica destes equipamentos, visto que suas características geométricas podem ser responsáveis pela formação de estruturas coerentes dentro do escoamento principal. As estruturas coerentes têm essencial influência nos processos de mistura, (transferência de calor, dispersão de poluentes entre outros processos difusivos), arrasto, emissão de ruídos e no campo da interação fluido-estrutura. O propósito deste trabalho é investigar o aparecimento de estruturas de grande escala em canais compostos, utilizando ferramentas de análise do domínio tempo e frequência. Para o canal estudado as principais características geométricas são: seu comprimento, L, a profundidade, P e a largura, D. Durante os experimentos foram analisados 12 tipos de seções diferentes. Utilizando como técnica experimental a anemometria de fio quente. Sendo que para todas as medições o número de Reynolds manteve-se constante no valor de . As caracterizações dinâmicas das flutuações de velocidade, bem como as investigações das estruturas coerentes presentes no escoamento, foram feitas a partir do emprego da PSD (Power Spectro Density), e a análise da Transformada de Ondaletas. As análises revelaram que nas seções de maior comprimento, estudadas por ambos os métodos, houve o aparecimento de estruturas de grande escala. Os resultados também mostraram que as relações adimensionais P/D e L/D têm grande influência no aparecimento dessas estruturas. A transformada de ondaletas é uma ferramenta aliada na análise dos dados transientes do escoamento, sendo que através dessa ferramenta foi possível avaliar os processos intermitentes das séries temporais de velocidade. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Channels compounds are characterized by the presence of a wide regions through which fluid flows relatively easily and narrower regions where viscous effects are dominat. Since the use of these structures considered comprehensive in the industry, especially in heat exchangers, reactors inside and even in irrigation canals and water supply. The accuracy of the relationships which determine the heat transfer in heat exchangers or reactors undergoes a dynamic analysis of these devices, since their geometric features may be responsible for the formation of coherent structures in the main flow. The coherent structures have essential influence on the mixing, (heat exchange, dispersion of pollutants and other diffusive processes), drag, noise emissions and in the field of fluid-structure interaction. The purpose of this study is to investigate the appearance of large-scale structures in compound channels using the time and frequency domain analysis tools. For the studied channel the main geometrical characteristics are: length, L, depth, and the width P, D. During the experiments 12 types of different sections were analyzed, using the experimental procedure as hot wire anemometer. Since the measurements for all the Reynolds number was kept constant in value 7.98x104. The dynamic characterizations of speed fluctuations, as well as investigations of coherent structures in flow, were made from the PSD of employment (Spectro Power Density), and the analysis of Wavelet Transform. The analysis showed that the longer length sections studied by both methods leads to the the emergence of large-scale structures. The results also showed that the dimensionless relations P/D and L/D have great influence on the appearance of these structures. The wavelet transform is an ally tool in the analysis of transient flow data, and through this tool it was possible to evaluate the possible intermittent processes in series speed.