O avanço da capacidade do processamento dos computadores e do desenvolvimento de métodos numéricos tem proporcionado ferramentas de modelagem, projeto e otimização cada vez mais eficientes para a constante melhoria de caldeiras de recuperação química Kraft. Dentre as técnicas utilizadas, os modelos CFD abrangentes tem sido empregados nos últimos anos para representar a operação da caldeira de recuperação considerando o maior número possível processos vinculados ao escoamento dos gases de combustão. O presente trabalho busca desenvolver um modelo CFD abrangente considerando o escoamento turbulento dos gases de combustão, o arraste das gotas de licor, a combustão homogênea dos voláteis em fase gasosa, as etapas de combustão heterogênea do licor preto e uma representação simplificada do leito carbonizado. Os resultados se mostraram coerentes com o comportamento apresentado na literatura. A simulação do modelo permite análise dos projetos e das operações da caldeira. / The advance of computer processing power and the development of numerical methods promote more efficient tools for modeling, design and optimization aiming to increase improvements in Kraft recovery boilers. Among the available techniques, the comprehensive CFD models have been applied in the last years to represent the recovery boiler operation considering as much as possible processes linked with flue gas flow. The objective of present work is the development of a comprehensive CFD model considering turbulent flue gas flow, black liquor droplets drag, volatiles homogeneous combustion in gas phase, the steps of heterogeneous black liquor combustion and the simplified interaction between flue gas flow and char bed. The results have good agreement with boiler behavior presented in the literature. The simulation of the comprehensive model allows the analysis of design and operations of the boiler.

Orientador: Dirceu Noriler. / Coorientador: Henry França Meier. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Orientador: Henry França Meier. / Coorientador: Dirceu Noriler. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Neste trabalho, buscou-se investigar a aplicação de uma modelagem RANS, com a utilização do modelo de turbulência das Tensões de Reynolds (RSTM), na modelagem do escoamento de gás no interior de ciclones, especialmente na simulação do movimento periódico do vórtice, conhecido como Precessing Vortex Core (PVC), com apoio da Fluidodinâmica Computacional. Utilizou-se o pacote de CFD de código aberto OpenFOAM, e as simulações foram realizadas em regime transiente. Dois modelos RSTM foram testados, o modelo LRR com os valores padrões para as constantes e uma modificação das constantes do termo de redistribuição. Compararam-se os resultados obtidos com dados da literatura e verificou-se que ambos os modelos representaram o campo médio de velocidade. No entanto, somente o modelo LRR conseguiu reproduzir o campo de flutuações de velocidade. Detectou-se o movimento de precessão do vórtice, que pode ser visualizado através de imagens sequenciais do escoamento, e uma frequência característica do movimento pode ser calculada através do Espectro de potência. / The flow field of a gas cyclone was simulated with a RANS model using Computational Fluid Dynamics (CFD) and the Precession of the Vortex Core (PVC) was investigated. The CFD simulations were carried out using the open source code OpenFOAM and the simulations were performed in a transient regime. Two Reynolds Stress Turbulence Models (RSTM) were investigated - the LRR model with standard constants and another with modified constants in the pressure-strain term. The results obtained by the models were compared with values of mean velocity taken from the literature and predictions were satisfactory. However, only the LRR model with standard constants predicted with precision the fluctuation velocity field. The precessing vortex was detected and illustrated by the flow field visualization and a characteristic frequency was calculated by Power Spectrum Density.

Estudos do escoamento em vertedouros em degraus foram realizados experimentalmente por diversos autores, mas a utilização de ferramentas de computação numérica para a simulação destes casos ainda é muito escassa. Neste trabalho realizou-se um estudo da simulação numérica do escoamento sobre vertedores em degraus, utilizando-se um programa de fluidodinâmica computacional (CFD). As configurações geométricas e hidráulicas de alguns autores da literatura foram reproduzidas através das simulações em CFD. Com as simulações testaram-se as equações propostas experimentalmente ou compararam-se diretamente os resultados experimentais com os numéricos. As características dos escoamentos nos vertedouros em degraus que foram analisadas e comparadas são as seguintes: perda ou dissipação de energia, distribuição da velocidade, distribuição da concentração de ar, perfis de pressão do degrau, um estudo da resistência de atrito e um estudo da cavitação. Foram obtidas boas comparações entre os resultados experimentais e numéricos, desta forma, todas estas análises serviram, tanto para validar a utilização das ferramentas de fluidodinâmica computacional, como para caracterizar os escoamentos para uma possível proposta de melhora no desempenho desta estrutura hidráulica. Conhecendo-se o problema da cavitação, buscou-se uma solução para minimizar a ocorrência deste fenômeno no escoamento em vertedouro em degraus. Assim, foi realizado um estudo do escoamento em um aerador de fundo. Neste estudo do aerador de fundo foram caracterizados numericamente os perfis de concentração de ar, os perfis de pressão sob o salto do aerador, os perfis de velocidade e ainda foi realizado um estudo da vazão de ar que alimenta a aeração sob o jato do aerador. Após este estudo do aerador de fundo, uma nova de configuração geométrica foi proposta para o vertedouro em degrau, com a construção de um aerador de fundo no início do escoamento de forma a minimizar o risco de cavitação ou ainda aumentar as vazões máximas de serviço. / Several experimental studies about stepped spillways flow were carried out by several authors, no ever the use of numeric computation tools is still very scarce. This work study numeric simulation in stepped spillways flow was carried out using a computation fluid dynamic (CFD) software. Several hydraulics conditions from the literature were reproduced through simulations by CFD tools. Those simulation results were compared with experimental results. The characteristics of the flow in stepped spillways were analyzed and compared focusing the following aspects: energy dissipation, velocity distribution, air concentration distribution, pressure profiles in the steps, friction resistance and cavitation. The numerical simulation results had a good approximation to the experimental results. All these analyses could be used to validate the use of the computational fluid dynamic tools, to characterize the flow for a possible improvement proposal of this hydraulic structure. The cavitation problem is the great challenge in thigh velocity flows. One solution to reduce the cavitation in the stepped spillways is the construction of a bottom aerator. A numerical study of a bottom aerator was carried out, focusing out of air concentrations, pressures under jet and velocity profiles. It was studied the discharge of air under the jet. As final result, this work proposes a new geometric configuration for stepped spillways with a bottom aerator. This bottom aerator was suggested to be set in the beginning of the spillway chute in order to reduce cavitation risk or to increase the maximum discharge in spillway.

O avanço da capacidade do processamento dos computadores e do desenvolvimento de métodos numéricos tem proporcionado ferramentas de modelagem, projeto e otimização cada vez mais eficientes para a constante melhoria de caldeiras de recuperação química Kraft. Dentre as técnicas utilizadas, os modelos CFD abrangentes tem sido empregados nos últimos anos para representar a operação da caldeira de recuperação considerando o maior número possível processos vinculados ao escoamento dos gases de combustão. O presente trabalho busca desenvolver um modelo CFD abrangente considerando o escoamento turbulento dos gases de combustão, o arraste das gotas de licor, a combustão homogênea dos voláteis em fase gasosa, as etapas de combustão heterogênea do licor preto e uma representação simplificada do leito carbonizado. Os resultados se mostraram coerentes com o comportamento apresentado na literatura. A simulação do modelo permite análise dos projetos e das operações da caldeira. / The advance of computer processing power and the development of numerical methods promote more efficient tools for modeling, design and optimization aiming to increase improvements in Kraft recovery boilers. Among the available techniques, the comprehensive CFD models have been applied in the last years to represent the recovery boiler operation considering as much as possible processes linked with flue gas flow. The objective of present work is the development of a comprehensive CFD model considering turbulent flue gas flow, black liquor droplets drag, volatiles homogeneous combustion in gas phase, the steps of heterogeneous black liquor combustion and the simplified interaction between flue gas flow and char bed. The results have good agreement with boiler behavior presented in the literature. The simulation of the comprehensive model allows the analysis of design and operations of the boiler.

O escopo deste trabalho foi o desenvolvimento de microrreatores em tecnologia LTCC para produção de biodiesel, com foco na otimização de uma geometria de micromisturador. Esta proposta é resultado das oportunidades identificadas em três áreas do conhecimento: Microtecnologia, Intensificação de processos e Biocombustíveis. A principal ferramenta de desenvolvimento desta proposta é a fluidodinâmica computacional. Os microcanais baseados em geometrias com sucessivos cotovelos foram os escolhidos, para a investigação computacional e experimental. A metodologia computacional desenvolvida para alcançar os objetivos propostos envolve as etapas de: definição de um padrão de comparação, projeto das distâncias entre cotovelos, escolha de uma geometria com base na comparação entre diversas geometrias baseadas em sucessivos cotovelos e a otimização da geometria em função dos parâmetros fluidodinâmicos. Paralelamente, ensaios para a produção de biodiesel foram realizados, bem como, a investigação da produção de emulsões para avaliar como uma etapa do processo de produção do biodiesel. A geometria escolhida e otimizada foi a serpentina 3D, o que permitiu a otimização do módulo de tempo de residência e o projeto do microrreator. Finalizando, um microrreator foi projetado com parâmetros ótimos, obtendo assim a intensificação de processo por meio de conceitos de microtecnologia, para aplicação na produção de biocombustíveis. / The scope of this work was the development of microreactors in LTCC technology for biodiesel production, with a focus on the optimization of a micromixer geometry. This proposal is resulted from the opportunities identified in three areas of knowledge: Microtechnology, processes intensification and Biofuels. The main tool for development of this proposal is the computational fluid dynamics (CFD). The microchannels geometry with successive elbows were chosen for computational and experimental research. The computational methodology developed to achieve the proposed goals involves the following steps: defining a standard of comparison, a project of the distances between elbows, a choice of geometry based on the comparison between different geometries based on successive elbows and geometry optimization for the parameters hydrodynamic. In addition, tests for the production of biodiesel were being made and the investigations of production of emulsions to evaluate a step in the producing of biodiesel process. The geometry was chosen and optimized serpentine 3D, allowing the optimization of residence time module and the design of the microreactor. Finally, a microreactor was designed with optimal parameters, thus obtaining the intensification process through microtechnology concepts for application in the biofuels production.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-04T19:21:47Z No. of bitstreams: 1 HORTÊNCIA LUMA FERNANDES MAGALHÂES - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3450368 bytes, checksum: f5d98ccec242bacb7a52e66286aa05ee (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-04T19:21:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HORTÊNCIA LUMA FERNANDES MAGALHÂES - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3450368 bytes, checksum: f5d98ccec242bacb7a52e66286aa05ee (MD5) Previous issue date: 2017-04-27 / Capes / A crescente preocupação com o meio ambiente, em especial ao descarte adequado de efluentes industriais, vem despertando a atenção de pesquisadores e engenheiros que visam minimizar essa problemática e atender as exigências dos órgãos de controle ambiental. Os processos de separação utilizando membranas cerâmicas têm se destacado neste cenário como uma importante ferramenta de tratamento de aguas contaminadas, devido ao seu custo-benefício, longa vida útil e baixo consumo de energia. Neste sentido, avaliou-se empregando a fluidodinâmica computacional (CFD), o efeito térmico no processo de separação água/óleo via membrana cerâmica. Adotou-se o modelo de resistências em série em conjunto com as equações de conservação de massa, momento linear e energia, que foram resolvidas usando o ANSYS CFX® 15. Os resultados numéricos mostram que o modelo matemático utilizado é capaz de prever a formação e crescimento da camada limite de concentração ao longo da membrana tubular, como também a permeação do soluto (óleo) na membrana. / The growing concern with the environment, especially the adequate disposal of industrial effluents, has been attracting the attention of researchers and engineers that aim to minimize this problem and meet the requirements of environmental control agencies. The separation processes using ceramic membranes have stood out in this scenario as an important tool of treatment of contaminated water, due to their cost-benefit, long life and low energy consumption. In this sense, it was evaluated using the computational fluid dynamics (CFD), the thermal effect in the water / oil separation process via ceramic membrane. The series resistance model was adopted in conjunction with the conservation equations of mass, linear momentum and energy, which were solved using ANSYS CFX® 15. The numerical results show that the mathematical model used is able to predict the formation and growth of the boundary layer of concentration along the tubular membrane, as well as the permeation of the solute (oil) in the membrane.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-09-13T15:23:53Z No. of bitstreams: 1 JOSEDITE SARAIVA DE SOUZA - TESE (PPGEP) 2014.pdf: 5001055 bytes, checksum: b013c909ca0b39d1d6548d97afc484ce (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-13T15:23:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSEDITE SARAIVA DE SOUZA - TESE (PPGEP) 2014.pdf: 5001055 bytes, checksum: b013c909ca0b39d1d6548d97afc484ce (MD5) Previous issue date: 2014-02-24 / Tecnologias inovadoras são necessárias para atender as normas de tratamento de águas produzidas cada vez mais rígidas, visto que a maioria dos processos de separação é limitada a partículas superiores a 10 m. Os processos de separação utilizando membranas cerâmicas veem despertando grande interesse da comunidade acadêmica e industrial. Mesmo assim, têm sido reportados poucos estudos, especialmente numéricos, referentes à aplicação de membranas inorgânicas na separação água/óleo. Nesse sentido, realizou-se um estudo da fluidodinâmica do escoamento de fluidos em tubos permeáveis (membrana cerâmica porosa tubular), em regime laminar. As equações de conservação de massa, momento linear e transporte de massa foram resolvidas com auxilio de uma malha estruturada usando o pacote comercial ANSYS CFX 12. A velocidade de permeação local foi determinada usando o modelo das resistências em série. A resistência específica da camada polarizada foi obtida pela equação de Carman-Kozeny. Os resultados numéricos foram comparados e avaliados utilizando-se de resultados analíticos e numéricos disponíveis na literatura apresentando boa concordância entre si. Os resultados numéricos indicam que, ao se utilizar o módulo de separação casco/membrana tubular proposto, há um favorecimento da transferência de massa e uma redução da espessura da camada limite polarizada. / Innovative technologies are needed to attend the requirements increasingly strict for produced waters treatment, whereas the most separation processes are limited to particles larger than 10 μm. Separation processes using ceramic membranes is attracting great interest from academic and industrial community. Nevertheless, it has been reported few studies, especially numerical, regarding the inorganic membranes application in the separation water/petroleum. Accordingly, a study of fluid-flow dynamics in porous tubes (tubular porous ceramic membrane) was performed, in a laminar regime. The mass, momentum and mass transport conservation equations were solved with the aid of a structured mesh using ANSYS commercial package CFX 12. The permeation velocity local was determined by using the resistance in series model. The specific resistance of the polarized layer was obtained by Carman-Kozeny equation. The numerical results were compared and evaluated using analytical and numerical results available in the literature presenting good agreement with each other. The numerical results indicate that, using the proposed separation module (shell / tube membrane), there is a mass transfer favoring and a reduction in the thickness boundary layer polarized.

The decline of oil reserves has been observed in recent years and generates interest in developing new technologies that can make the most of existing wells and reservoirs in order to increase oil recovery. For this purpose, methods and enhanced secondary recovery of oil are used, which consist of injecting fluids targeting a certain pressure increase in the tank or changes in physical properties of oil to a larger and more efficient production. The method of secondary recovery that stands out, and the most common is the water injection. This method has proved effective for recovery of heavy oil, though the challenge of the pre-salt environment has promoted further research aimed at removing light oils. This study, then, aims to make the fluid dynamics simulation of a reservoir of oil quadratic dimensions of 80.4 mx 80.4 mx 20 m with injection model five spots (five points) using as guns fluids primarily water and later natural gas and hot water, to observe the evolution of their volume fractions inside the shell, its oil recovery factor, recovery efficiency as a whole and a qualitative analysis of useful life of the producing wells. The developed model is based on two-phase oilwater model and the simulations were carried out in commercial fluid dynamic packet ICEM CFD and ANSYS CFX 13.0 respectively. Thus, a greater than 65% recovery factor for the process of injection water was observed and an overall efficiency of 38% recovery, allowing the case to the oil basins of the pre-salt. Other methods enabled to validate the model because the profiles and characteristics found are plausible and phenomenologically similar to those in the literature. / O declínio das reservas petrolíferas vem sendo observado nos últimos anos e gera interesse no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de aproveitar ao máximo os poços e reservatórios existentes de modo a elevar a recuperação de óleo. Para tanto, são utilizados métodos de recuperação secundária e avançada de petróleo, que consistem em se injetar determinados fluidos visando um aumento do diferencial de pressão no reservatório ou modificações nas propriedades físicas do óleo para uma produção maior e mais eficiente. O método de recuperação secundária que mais se destaca, e também o mais comum é a injeção de água. Tal método já se mostrou eficiente para recuperação de óleos pesados, entretanto o desafio do ambiente pré-sal tem promovido novas pesquisas voltadas para a remoção de óleos leves. O presente trabalho, então, tem como objetivo fazer a simulação fluidodinâmica de um reservatório de petróleo de dimensões quadráticas de 80,4 m x 80,4 m x 20 m com modelo de injeção five spots (cinco pontos) utilizando como fluidos injetores primeiramente a água e posteriormente o gás natural e água quente, para observar a evolução de suas frações volumétricas no interior do reservatório, seu fator de recuperação de óleo, a eficiência da recuperação como um todo e uma análise qualitativa de tempo de vida útil dos poços produtores. A modelagem desenvolvida baseou-se no modelo Água-Óleo bifásico e as simulações foram desenvolvidas nos pacotes fluidodinâmicos comerciais ICEM CFD e ANSYS CFX 13.0 respectivamente. Desse modo, foi constatado um fator de recuperação acima de 65% para o processo de injeção de água, bem como uma eficiência total de recuperação de 38%, viabilizando o processo para o óleo de bacias do pré-sal. Os outros métodos permitiram a validação da modelagem uma vez que os perfis e características encontrados foram fenomenologicamente plausíveis e similares àqueles da literatura.