A pesquisa em energia eólica tem crescido substancialmente nos últimos anos, consideravelmente impulsionada pela busca por fontes de energia limpa e renovável. Devido ao grande crescimento na demanda por essas fontes de energia, e também pelo fato da energia eólica ser uma virtual candidata a ocupar lugar de destaque entre elas, a capacidade de geração de energia das turbinas eólicas atuais têm aumentado consideravelmente. E por consequência também o seu tamanho. Assim sendo, aprimoramentos nos métodos de projeto são cada vez mais necessários. Os projetos atuais necessitam, portanto levar em consideração os problemas relacionados com a não estacionariedade do escoamento que passa em torno da pá de uma turbina eólica. Tais efeitos precisam ser levados em conta, sob pena de uma superestimativa dos valores de potência de saída e rendimento aerodinâmico das turbinas. A esmagadora maioria dos procedimentos e pacotes computacionais atuais emprega modelos semiempíricos para representar a influência da esteira do rotor da turbina, sobre desempenho aerodinâmico de suas pás. Propõe-se um novo modelo matemático para representar essa influência. Para isso é empregada a Função de Deficiência de Sustentação (Lift Deficiency Function - LDF) atribuída a Loewy. O modelo físico de Loewy para definir essa função também é conhecido por Problema da Esteira Recorrente (Returning Wake Problem). O emprego de um modelo analítico reduz a dependência de ensaios experimentais para ajuste de parâmetros necessários para calibrar esses modelos semiempíricos. Além disso, a solução analítica é matematicamente mais elegante, computacionalmente viável e suficientemente rápida para fornecer uma função objetivo de otimização para o projeto aerodinâmico da pá da turbina eólica.

No presente trabalho, são apresentados os campos de velocidade na esteira próxima de cunhas. Em uma primeira série de experimentos, utiliza-se um único modelo de cunha e verifica-se o efeito da variação do número de Reynolds (Re) entre 0,6x103 e 3,0x103. Na segunda série de experimentos, o número de Reynolds é fixado e o ângulo de separação (semi-ápice) da cunha é variado 15, 30e 45. Na terceira série, para o mesmo Re foram ensaiados dois modelos de cunha com dimensões diferentes da base (semi-ápice de 45) para obter a influência da razão de bloqueio (9,8% e 19,7%). Um aspecto importante deste trabalho foi o desenvolvimento da metodologia experimental para a obtenção de resultados confiáveis, usando um anemômetro laser. Além disto, foi possível realizar medidas em valores baixos de número de Reynolds, em uma faixa onde resultados experimentais não são disponíveis. A freqüência de liberação de vórtices foi determinada experimentalmente (cálculo do número de Strouhal) com o auxilio do LDA. A partir dos campos de velocidade média (u e v) e flutuante (uRMS e vRMS) é possível determinar a posição do núcleo do vórtice médio e a posição onde ocorrem os máximos de uRMS e vRMS. Estas posições, permitem a ampliação da discussão sobre a posição do final da região de formação. Com os campos de velocidade foi determinada a velocidade no ponto de separação e, indiretamente, o coeficiente de pressão na base.

Submitted by Maria Suzana Diniz (msuzanad@hotmail.com) on 2015-11-11T14:59:12Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3268678 bytes, checksum: 87689276ffc0cb54ac6798ac555fe44b (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-11T14:59:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3268678 bytes, checksum: 87689276ffc0cb54ac6798ac555fe44b (MD5) Previous issue date: 2015-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The use of unmanned vehicles has been widespread in the areas of safety, environmental exploitation and industry in general and can be tele-operated or autonomous. There are also hybrid systems, in which the vehicle is tele-operated, but endowed with intelligent algorithms that guide the operator and make decisions in the most critical situations. Many authors have studied the kinematics and the dynamics of traction vehicles per mat, with a consensus that the kinematic model can be simplified to most analyzes. Most studies using vehicles pulled by mats near the kinematic model of a wheeled vehicle with differential drive. In this paper we proposed an unconventional approach, in which the kinematic model is treated as a flexible body. Is based on the fact that, in a curvilinear motion, there is a point of contact equivalent to a wheeled vehicle to a given instant. The dynamic model proposed in this work includes the lateral drag force to cause the tracks of curvilinear motions, considering its non-linearity and strong coupling between the mats. Even as contribution of this work, we present the implementation of a control system able to identify the soil adhesion characteristics and perform control strategies for the vehicle from the track/soil interaction. / O uso de veículos não tripulados tem sido difundido nas áreas de segurança, exploração ambiental e indústria em geral, podendo ser teleoperados ou autônomos. Há ainda sistemas híbridos, em que o veículo é teleoperado, porém dotado de algoritmos inteligentes que orientam o operador e tomam decisões em situações mais críticas. Muitos autores têm estudado a cinemática e a dinâmica dos veículos tracionados por esteira, havendo um consenso de que o modelo cinemático pode ser simplificado para a maioria das análises. Grande parte dos trabalhos que utilizam veículos tracionados por esteiras aproximam o modelo cinemático a um veículo de rodas com acionamento diferencial. Neste trabalho foi proposta uma abordagem pouco convencional, em que o modelo cinemático é tratado como um corpo flexível. Baseia-se no fato de que, em um movimento curvilíneo, há um ponto de contato equivalente a um veículo de rodas a um dado instante. O modelo dinâmico proposto neste trabalho inclui a força de arrasto lateral que as esteiras provocam em movimentos curvilíneos, considerando suas não-linearidades, bem como o forte acoplamento entre as esteiras. Ainda como contribuição deste trabalho, apresenta-se o projeto de um sistema de controle capaz de identificar as características de aderência do solo e realizar estratégias de controle para o veículo a partir da interação esteira/solo.

As complexidades das configurações, da geometria e da topologia dos escoamentos encontrados em sistemas tais como câmaras de combustão de turbo-máquinas requerem métodos numéricos eficientes para modelar os escoamentos turbulentos reativos existentes. Este trabalho de modelagem numérica está relacionado com o desenvolvimento de ferramentas numéricas eficientes necessárias ao estudo dos escoamentos turbulentos reativos nessas aplicações. Na primeira parte desta tese, após relembrar os elementos de base que permitem a descrição de um escoamento turbulento reativo prée-misturado, são apresentadas as diversas etapas que presidem a elaboração do programa computacional. Inicialmente, introduz-se a técnica de compressibilidade artificial, que consiste em modificar as equações governantes acrescentando termos não-estacionários no pseudo-tempo, destinados a introduzir uma velocidade do som finita no domínio de cálculo. Em seguida é exposta a discretização por volumes finitos das equações governantes em malhas não-estruturadas bidimensionais híbridas, que contêm elementos triangulares e/ou quadriláteros. A adição de termos de dissipação artificial bem com o uso de um método do tipo Runge-Kutta para integrar os termos temporais no pseudo-tempo das equações governantes, que completam o método, são comentados em seguir. O programa de cálculo, desenvolvido na linguagem C++, foi validado considerando-se o problema de uma chama plana turbulenta, propagando-se livremente em uma turbulência "congelada". Este fenômeno foi modelado com um termo de produção química médio do tipo flamelet, no qual um corte representando extinção foi introduzido com a finalidade de selecionar uma só velocidade possível de propagação. Os resultados obtidos para uma chama lenta (0,5 m/s) ou rápida (10 m/s) foram comparados com aqueles obtidos na literatura. A precisão dos resultados é bastante satisfatória e os gradientes elevados de pressão estática, característicos do termo fonte empregado, são capturados corretamente, tanto no que se refere a sua intensidade quanto à sua localização, dentro da frente de chama média. Uma análise de sensibilidade e precisão da malha foi igualmente conduzida, assim como um estudo das características de convergência em função do valor do coeficiente de compressibilidade artificial. Tendo sido validado, o programa de cálculo foi, em seguida, utilizado com a finalidade de estudar esteiras inertes ou reativas encontradas à jusante de um obstáculo de seção transversal triangular, colocado no meio de um escoamento turbulento em um canal. Um modelo de turbulência do tipo k-e, acoplado a dois tipos de leis de parede foi utilizado. O desprendimento turbilhonar, típico dos escoamentos de esteiras inertes considerados, foi previsto corretamente com, em particular, uma freqüência de Strouhal de desprendimento com boa concordância com os resultados experimentais disponíveis. As esteiras reativas foram calculadas com um modelo de flamelet, onde os transportes turbulentos da variável de avanço da combustão foram calculados por aproximação do tipo gradiente. Três formas do termo de produção química médio, existentes na literatura, foram utilizados. Aparentemente, a estrutura da esteira reativa prevista é fortemente dependente da formulação adotada para o termo fonte médio. Embora os resultados obtidos sejam comparados àqueles apresentados por outro autores, em uma configuração de escoamento similar, a comparação com resultados experimentais mostra que é necessário uma melhoria na modelagem física de forma a prever este tipo de escoamento reativo de maneira satisfatória.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present work is dedicated to perform the mathematical modeling and DNS and LES simulations of a three-dimensional, temporally evolving incompressible plane wake are performed, seeking to evidence differences in stability, transition and onset of both coherent and small scale structures, when the flow is subjected to random perturbations of different amplitudes. The perturbations are generated using the Random-Flow-Generator (RFG) technique, being imposed to the flow as initial conditions. The Navier-Stokes equations are solved in a prismatic domain, with periodic boundary conditions in all directions, using Fourier pseudospectral method. The invariants of the velocity gradient tensor, Q and R, are analyzed for random perturbations with magnitudes 10−3, 10−4 and 10−5, showing the onset of their characteristic teardrop correlation map. Moreover, maps of the second and third invariants of the rate-of-strain tensor, QS and RS, are shown, in order to evidence the differences in local flow strain and topological characteristics of the dissipation of kinetic energy. Isosurface plots of Q and QW, as well as vorticity contours are shown, allowing visual identification of the coherent structures and confirming patterns predicted by the invariant maps. / O presente trabalho se dedica a modelagem matemática e a simulações numéricas DNS e LES de uma esteira tridimensional, incompressível, em desenvolvimento temporal, buscando evidenciar diferenças na estabilidade, transição e no desenvolvimento de estruturas coerentes e de pequena escala, quando o escoamento é submetido a perturbações randômicas de diferentes amplitudes. As perturbações são geradas utilizando-se a técnica Random Flow Generator (RFG), sendo sobrepostas à condição inicial do escoamento. As equações de Navier-Stokes são resolvidas em um domínio prismático, com condições de contorno periódicas em todas as direções, utilizando-se o método pseudoespectral de Fourier. Os invariantes do tensor gradiente de velocidade, Q e R, são analisados para perturbações de magnitude 10−3, 10−4 and 10−5, mostrando a formação de uma correlação no formato de gota, característica da resolução das equações de Navier-Stokes. Além disso, são apresentados mapas do segundo e terceiro invariante do tensor taxa de deformação, QS e RS, a fim de evidenciar as diferenças locais no escoamento e as características topológicas na taxa de dissipação de energia cinética. Isosuperfícies de Q e QW, bem como contornos de vorticidade são apresentados, possibilitando a identificação visual das estruturas coerentes, e confirmando os padrões de estruturas previstos pelos mapas de invariância. / Mestre em Engenharia Mecânica

[pt] Nos últimos anos, os avanços mais recentes em robótica e suas aplicações têm sido usados para reduzir a carga de trabalho e os requisitos de mão-de-obra, melhorando o ambiente, a saúde e a segurança, particularmente nos sistemas de produção agrícola. Robôs autônomos fazem parte de tal inovação tecnológica e os robôs móveis com esteiras, em particular, têm sido amplamente utilizados em campos agrícolas em todo o mundo, já que suas esteiras proporcionam uma grande área de contato em solos úmidos e terrenos irregulares, evitando que o robô fique preso e melhorando a sua mobilidade. Neste trabalho, aborda-se a modelagem e o controle de robôs móveis com esteiras (Tracked Mobiler Robots, TMRs) para executar tarefas de vigilância em campos agrícolas. A metodologia proposta considera que o modelo cinemático do TMR são incertos devido ao escorregamento inerente entre as esteiras e o terreno. Para lidar com as incertezas de modelagem e perturbações externas, utiliza-se uma estratégia de controle robusto baseada na abordagem de modos deslizantes. Uma interface de usuário móvel (Mobile User Interface, MUI) baseada no sistema operacional Android é desenvolvida para controlar o robô movél com esteiras de forma manual ou autônoma. A partir da MUI, o operador humano pode visualizar as informações capturadas de sensores externos e internos. Simulações numéricas em MATLAB são realizadas para verificar o desempenho do controladores, bem como validar o modelo cinemático do robô, em diferentes configurações iniciais. / [en] In recent years, the latest advances in robotics and its applications have been used to reduce the workload and manpower requirements, improving the environment, health and safety (EHS) conditions, particularly in agricultural production and farming systems. Autonomous robots are part of such technological innovation and Tracked Mobile Robots (TMRs), in particular, have being widely used on agricultural fields around the world, since their tracks provide a large contact area on the wet soils and irregular terrains avoiding the robot to get stuck. In this work, we address the modeling and control design of tracked mobile robots (TMRs) able to perform surveillance tasks in agricultural fields. The proposed methodology considers that the kinematic models of the TMRs are both uncertain due to the inherent slippage between the tracks and the terrain. To deal with the modeling uncertainties and external disturbances, we use the sliding mode control (SMC) approach. A Mobile User Interface (MUI) based on Android operating system. is developed to control the TMR manually or autonomously. By using the MUI the human operator can visualize the information captured from external and internal sensors. Numerical simulations in MATLAB are carried out to verify the performance of the controller as well as validate the robot kinematic model under different configurations.