Os dispositivos oscilantes por translação de ondas correspondem a um dos sistemas de maior potencial de geração de energia elétrica a partir das ondas do oceano, razão pela qual diversos engenheiros e pesquisadores dedicam-se ao desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia. O princípio de funcionamento destes conversores, cujos principais exemplos são o Oyster, o Waveroller e o Langlee, baseia-se no movimento oscilatório de um sistema placapistão, que promove a geração de eletricidade por meio de uma turbina. Os trabalhos existentes acerca destes dispositivos ainda não reúnem informações suficientes que possibilitem a estimativa do comportamento hidrodinâmico e da captação de energia dos mesmos em situações reais de funcionamento. Desta forma, o presente trabalho busca preencher estas lacunas por meio de modelagem numérica bidimensional, baseada em médias de Reynolds (RANS), de ondas regulares atuando sobre os respectivos dispositivos. As simulações são realizadas pelo código computacional livre e aberto OpenFOAM v 4.1 e sua extensão OLAFOAM, ambos fundamentados em volumes finitos e que utilizam a metodologia VOF para o tratamento da superfície livre, solucionando as equações de Navier-Stokes e da continuidade. A representação da dinâmica de corpo rígido dos dispositivos é tratada por uma metodologia que permite a deformação dos elementos de malha e o movimento do fundo do domínio, que oscila juntamente com as placas dos conversores no intuito de assegurar a convergência numérica. Tal metodologia é validada com base na comparação dos resultados numéricos com valores experimentais presentes na literatura. As simulações realizadas permitiram concluir que o método de fundo deformável se mostra adequado no estudo da hidrodinâmica e captação de energia destes conversores, sendo uma alternativa a outras metodologias existentes. Um aumento na largura das placas destes conversores relaciona-se a uma intensificação das velocidades angulares e numa maior captação de energia, sendo a largura ideal de placa aquela cuja dimensão é próxima a duas vezes a sua altura. Um aumento na espessura das placas ocasiona uma diminuição na oscilação e na captação energética dos dispositivos, sendo a espessura ideal com dimensão entre 10 % e 20 % da altura da placa. A captação de energia tende a diminuir com o aumento da profundidade, sendo que, para lâminas de água superiores a duas vezes a altura da placa do conversor, a influência da profundidade torna-se pouco significativa. O aumento do período de onda é responsável por intensificar a ação do campo de velocidades nas regiões próximas ao conversor, sendo o período de máxima captação de energia em torno de 11 s em escala real. Maiores alturas de onda são responsáveis por intensificar o movimento e a captação de energia dos conversores. / The oscillating wave surge converters represents one of the most effective systems to transform the energy of ocean waves into electric power, reason why many researchers and engineers are dedicated to the development and improvement of this technology. The main examples of those kind of converters are Oyster, Waveroller and Langlee, which energy production is related to a oscillating plate-piston mechanism, that drives a secondary hydraulic system, moving a turbine and generating electricity. Recent papers about this technology does not bring enough information to predict the hydrodynamic and the power capture in real operation cases. In order to fulfill those gaps, the present study is focused on bidimensional numerical modelling of regular ocean waves interaction over the converters, based on Reynolds Average Navier Stokes equations (RANS). The numerical simulations are performed by the opensource code OpenFOAM v 4.1 and its extension OLAFOAM, both based on finite volume discretization and VOF method for free surface representation, which solves the Navier-Stokes and continuity equations. The rigid body dynamics is represented by a methodology that uses the mesh morphing method combined with an oscillating bottom, which moves according to the plate movement, in order to ensure numerical convergence. The present method is validated by the comparison of the numerical model results with previous experimental studies. The numerical results led to the conclusion that the oscillating bottom method seems to be adequate to perform a study based on the hydrodynamic and power capture of the oscillating wave surge converters, representing an alternative method to modelling the dynamic of those devices. An increase in plate width are related to an increase on the device oscillation and its power capture. The ideal width is approximately twice the plate height. Thicker plates causes lower angular velocities, as a result, lower electric generation. The more efficient thickness is around 10 % to 20 % of plate height. The power capture decreases according to an increase on water depth, and the depths with values around twice of the plate height does not seem to modify the device hydrodynamics. Higher wave periods causes an intensification of the velocity field near the converter. The pitching period, which is related to the maximum power captured, is near to 11 s in real scale. The highest wave heights are responsible to increase the converter oscillation and electricity generation.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6010.pdf: 3960363 bytes, checksum: bb924b69a99f6fe80ceb63d34a17b457 (MD5) Previous issue date: 2014-03-17 / Universidade Federal de Sao Carlos / Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Nowadays, with the necessity of rethink the energetic use owing to the massive usage of natural resources, new regulations of pollutant emissions, environmental issues and market competition; the enhancement of the distillation process has become essential to the refineries, petrochemicals and a variety of other sectors of the industry. Empirical studies about the flow dynamics in distillation columns are rare due to the large dimensions of this equipment and the high investment, including measurement instrumentation. This lack of experimental data makes difficult the appropriate understanding of the mechanisms that occur in this equipment, as flow patterns and degree of separation, as well as the relation between both. Nevertheless, to improve the distillation process performance is necessary to deeply know the dynamics of the multiphase flow existing on each tray of the column, where the contact between the phases indeed happens. In this study, was proposed the computational simulation of sieve trays of distillation columns using CFD s tools (Computational Fluid Dynamics). The main aim was to conceive a model capable to predict the hydrodynamics and the more volatile component transfer between the liquid and the vapor. Furthermore, the regions that possibly interfere on obtaining higher efficiencies were pointed out. For that, tridimensional, transient and multiphase models with the Euler- Euler framework were used. The main results show liquid velocity profiles, volumetric fraction, clear liquid height, mass fraction and efficiency. The results presented agreement with the literature. In general, the fluid dynamics results obtained here highlight the significance of the application of models that represent the complex behavior existing on sieve trays, since this crucially influence in the separation degree of the process. The CFD evidenced to be and valuable tool to study this sort of flow on columns internals and can be applied in the design and optimization of those equipment. / A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos. Sua suma importância dá-se na capacidade de purificar componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Atualmente, com a necessidade de se repensar o uso energético, com as novas políticas de emissão de poluentes, da preocupação com o ambiente e a concorrência de mercado; o aperfeiçoamento do processo de destilação tem se tornado essencial para as refinarias, petroquímicas e diversos setores da indústria. Estudos empíricos sobre o escoamento em colunas de destilação são raros, em parte devido às grandes dimensões destes aparelhos e ao alto investimento em equipamentos e instrumentos de medição. Esta carência de dados experimentais dificulta o entendimento adequado dos mecanismos que ocorrem neste equipamento, como os padrões de escoamento e o grau de separação, assim como a relação entre estes dois. Contudo, para que se possa melhorar o processo destilatório, é necessário conhecer a fundo a dinâmica do escoamento multifásico existente em cada prato da coluna, onde de fato ocorre o contato íntimo entre as fases. Neste estudo, foi proposta a simulação computacional de pratos perfurados de colunas de destilação usando ferramentas de CFD (Computational Fluid Dynamics). O principal objetivo foi conceber um modelo capaz de prever a hidrodinâmica do prato e a transferência do componente mais volátil entre o líquido e o vapor. Além do mais, foram apontadas as regiões no prato que possivelmente interferem na obtenção de maiores eficiências de estágio. Para isso, foram usados modelos 3D, transientes e multifásicos com abordagem Euler-Euler. Os principais resultados mostram os perfis de velocidade, fração volumétrica, altura de líquido claro, fração mássica e eficiência, os quais apresentaram concordância quando comparados com a literatura. Em geral, os resultados fluidodinâmicos obtidos neste estudo ressaltam a importância da aplicação de modelos que representem o complexo comportamento encontrado em pratos perfurados, já que estes influenciam decisivamente no grau de separação do processo. CFD demonstrou ser uma ferramenta valiosa para estudar o fluxo em internos de torres de destilação e pode ser aplicado para projeto e otimização destes equipamentos.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T20:17:28Z No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:39:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:39:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGHJ.pdf: 12148265 bytes, checksum: 1180759f1c9f8691c3ce486239959cf5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The development of the design of chemical processes has received increasing improvement, incorporating sophisticated mathematical models, which allowed better simulation of its real behavior. Distillation is one of the most important and used separation techniques of components at industrial level, applied in a wide range of processes and its perfect working and optimization are economically crucial factors. Its great importance is due to the capacity of purify components of a mixture using the volatility difference among them as driving force. However, this technique represents 40% of the total energy consumption of an industrial facility. Some of models used for this, such as the models based on equilibrium and non-equilibrium stage concepts, usually provide useful results, but consider empirically many of the fluid dynamics phenomena by assuming a perfect mixture in each phase. Due to the development of the Information Technology (IT), in the numerical methods and improvement in models of multiphase flows, the investigation of complex turbulent flow problems is possible. One way to investigate these problems is to use the Computational Fluid Dynamics (CFD) tecniques. Therefore, it was adopted for this study a CFD model, with the main objective of evaluating the transport phenomena for the isothermal (water-air) and non-isothermal (ethanol-water) flows through the CFD techniques to simulate a distillation sieve tray. The proposed models had the following characteristics in common in the modeling: heterogeneous, three-dimensional, shear stress transport as turbulence model, and Eulerian-Eulerian approach at 1 atm. The continuity and momentum conservation equations were used to describe the isotherm model and for non-isothermal model it was added the energy and chemical species conservations equations. The simulated sieve trays geometries were based on experimental work of Solari e Bell (1986), to which it were observed the influence of the inlet downcomer presence or not on sieve tray. The results for isotherm flow showed the velocity profiles, the volume fractions, and clear liquid height under the influence of the inlet downcomer. For the non-isotherm flow, the results showed moreover the hydraulic parameters, the temperature profiles and ethanol mass fractions for vapor flow rates. Thus, the simulations of the isothermal system indicated a strong influence of the liquid velocity profile for the domain with downcomer inlet. In the non-isothermal system it was possible to determine the separation efficiency, which varied with the vapor flow rates on the sieve tray. The proposed methodology in this work proved to be appropriate and the computational fluid dynamics techniques presented to be an important tool in the design and optimization of sieve trays. / O desenvolvimento de projetos de processos químicos tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporando modelos matemáticos mais sofisticados, os quais possibilitam uma maior aproximação do seu comportamento real. A destilação é uma das mais importantes técnicas de separação de componentes empregada a nível industrial nos mais diversos processos e o seu perfeito funcionamento e otimização são fatores economicamente cruciais. Sua importância dá-se na capacidade de separar os componentes de uma mistura utilizando a diferença de volatilidade entre eles como força motriz. Entretanto, trata-se de uma técnica que representa cerca de 40% da energia consumida em uma planta industrial. Alguns modelos utilizados nesses dispositivos, tais como os modelos baseados em conceitos de estágios de equilíbrio e não-equilíbrio, geralmente fornecem resultados úteis, mas consideram empiricamente muitos fenômenos fluidodinâmicos e assumem uma mistura perfeita em cada fase. Com o avanço da Tecnologia de Informação (TI), dos métodos numéricos e aperfeiçoamento em modelos de fluxos multifásicos, é possível a investigação de problemas complexos de escoamentos turbulentos. Uma das formas de investigar esses problemas é a aplicação das técnicas da Fluidodinâmica Computacional (CFD). Dessa maneira, foi adotado para o presente trabalho um modelo de CFD, tendo como objetivo principal a avaliar os fenômenos de transportes para os escoamentos isotérmico (água-ar) e não isotérmico (etanol-água) através das técnicas de CFD na simulação de um prato perfurado de destilação. Os modelos propostos, possuem em geral, as seguintes características em comum: modelo heterogêneo, tridimensional, modelo de turbulência shear stress transport e abordagem Euleriana-Euleriana a 1 atm. As equações da continuidade e de conservação da quantidade de movimento foram empregadas no modelo isotérmico e para o modelo não isotérmico foram adicionadas as equações de conservações de energia e das espécies químicas. Os domínios computacionais foram baseados no trabalho de Solari e Bell (1986), onde foram observados a influência da presença ou não do downcomer de entrada no prato perfurado. Os resultados para o escoamento isotérmico mostraram os perfis de velocidades de líquido, as frações volumétricas e a altura de líquido claro sob a influência do downcomer de entrada. Para o escoamento não isotérmico, os resultados mostraram, além dos parâmetros hidráulicos, os perfis de temperatura e das frações mássicas de etanol para várias vazões de vapor. Assim, as simulações do sistema isotérmico indicaram uma forte influência do perfil de velocidade de líquido na entrada prato para o domínio com downcomer. No sistema não isotérmico foi possível determinar a eficiência de separação, a qual variou com a vazão de vapor no prato. A metodologia proposta neste trabalho foi adequada para aplicações em internos de coluna de destilação, mostrando-se uma ferramenta viável e importante no desenvolvimento e otimização de pratos perfurados.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3681.pdf: 6414377 bytes, checksum: 609c96f2a53b8e4143ee1d04df73a40f (MD5) Previous issue date: 2011-03-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / One of the most important parts in a pneumatic conveying is the solids feeding system due its complexity fluid dynamic, besides affecting the operational stability, economical and technical feasibility and system efficiency. The purpose of this wok was to carry out a experimental study of fluid dynamic of feeding configuration for different operational conditions, made of non-mechanicals devices and reduction nozzle combinations, considering the influence in all pneumatic conveying system. The feeders applied were inclined pipe and L-valve, with and without reduction nozzle. Moreover, the spouted bed and the horizontal feeders were analyzed as well, which on their original design has reduction area for the flow. An analyses and a comparison of the fluid dynamic data obtained for feeding configurations in a pneumatic loop with 53,4 mm of internal diameter tube and transporting 1 mm glass spheres showed a relationship between the operational conditions and the type of feeder, resulting in air velocity and solid flow rate characteristics for each case . This study also gives the idea to apply reductions nozzles combined with non-mechanicals solid feeder in order to increase the solid flow rate. Up to the moment, the reduction nozzle was indicated just to get better the operation stability. / Dentre as partes que compõem um leito pneumático, a alimentação de sólidos é uma das áreas mais importantes, devido à complexidade fluidodinâmica dessa região, além de afetar a estabilidade operacional, viabilidade técnica e econômica e eficiência do sistema. O presente estudo tem o objetivo de realizar uma avaliação experimental da fluidodinâmica de configurações de alimentação para diferentes condições operacionais, formadas a partir de combinações de alimentadores não-mecânicos e bocais restritivos, considerando a influência em todo o leito. Os alimentadores avaliados foram o tubo inclinado e a válvula-L, com bocais restritivos dos tipos redutor e Venturi. Além desses, foram avaliados o alimentador tipo jorro e a alimentação horizontal, que já contém em sua configuração original, regiões de constrição da passagem do escoamento. A análise e comparação dos dados fluidodinâmicos obtidos para as configurações de alimentação consideradas num loop pneumático com tubulação de diâmetro interno igual a 53,4 mm, quando este transporta esferas de vidro com diâmetro médio de 1 mm, mostraram uma relação entre as condições operacionais e o tipo de alimentação, produzindo intervalos de velocidades de ar de transporte e vazões de sólidos alcançadas característicos para cada caso. Esse estudo insere ainda a ideia da utilização de bocais restritivos combinados com alimentadores de sólidos não mecânicos, a fim de aumentar a vazão de sólidos transportada no sistema. Até então, o destaque dado aos bocais limitava-se a estabilidade de operação.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4497.pdf: 8936250 bytes, checksum: a23101fb063b44abfcf0e8b680623fc7 (MD5) Previous issue date: 2012-03-26 / The development of the design of chemical processes has received increasing improvement, incorporating sophisticated mathematical models, which allowed better simulation of its real behavior. The distillation column is one of the most widely used separation equipment in the industry and therefore, its perfect working and optimization are economically crucial factors. Thus, the study of the hydrodynamic in distillation column sieve trays has increased over the years with the purpose to optimize the flow patterns, which is of great importance on the mass and energy transfer efficient. Due to the development of powerful computers, advances in numerical methods and improvement in models of multiphase flows, the investigation of complex flow problems is possible. One way to investigate these problems is to use Computational Fluid Dynamics. Thus, in this work we used commercial package CFD software to predict the hydrodynamics in a sieve tray, with the main objective to evaluate the velocity fields and compare them with the experimental work of Solari and Bell (1986). We proposed a two-fluid model with Eulerian-Eulerian framework, three-dimensional (3D), steady-state and the standard k-ε turbulence model for air/water system at 1 atm. The continuity and momentum conservation equations were used to describe the gas and liquid phases. The simulated sieve tray geometry was based on experimental work of Solari e Bell (1986). The simulation domain included the downcomer region. New sieve tray geometry design was proposed to evaluate the hydrodynamics. The results show the velocity profiles, volume fractions and liquid recirculation zones on the sieve tray for several combination of liquid and gas flow rates. The simulation indicated the presence of recirculation and stagnation zones, and it reproduced satisfactorily the results of Solari e Bell (1986) and the new geometry design reduced the liquid recirculation zones on tray. The proposed methodology in this work proved to be appropriate and the Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques presented to be an important tool in the design and optimization of sieve trays. / O desenvolvimento de projetos de processos químicos tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporando modelos matemáticos mais sofisticados, os quais possibilitam uma maior aproximação do seu comportamento real. A coluna de destilação é um dos equipamentos de separação mais empregados na indústria e por isso, o perfeito funcionamento e otimização são fatores economicamente cruciais. Deste modo, o estudo da hidrodinâmica de pratos perfurados em coluna de destilação vem crescendo ao longo dos anos, no intuito de otimizar os fluxos de escoamento, que tem uma grande importância sobre a eficiência na transferência de massa e energia. Com o desenvolvimento de poderosos computadores, avanços em métodos numéricos e aperfeiçoamento em modelos de fluxos multifásicos, é possível a investigação de problemas complexos de escoamentos. Uma das formas de investigar esses problemas é a utilização da Fluidodinâmica Computacional. Assim, neste trabalho foi utilizado um pacote comercial de CFD para prever a hidrodinâmica em um prato perfurado, tendo como objetivo principal avaliar os campos de velocidades e compará-los com o trabalho experimental de Solari e Bell (1986). Foi proposto um modelo de duas equações com abordagem Euleriana-Euleriana, tridimensional (3-D), estado estacionário e o modelo de turbulência k-ε padrão para um sistema ar/água a 1 atm. As equações da continuidade e de conservação de quantidade de movimento foram empregadas no modelo para descrever a fase líquida e a fase vapor. A geometria do prato perfurado foi baseada no trabalho experimental de Solari e Bell (1986), na qual foi incluída a região do downcomer. Uma nova geometria de prato foi proposta para observar a hidrodinâmica. Os resultados mostram os perfis de velocidades, frações volumétricas e zonas de recirculação de líquido no prato perfurado para várias combinações de vazões de líquido e vapor. A simulação indicou a presença de zonas de recirculação e estagnação. A simulação reproduziu satisfatoriamente os resultados experimentais de Solari e Bell (1986) e a nova geometria reduziu as zonas de recirculação de líquido no prato. A metodologia proposta neste trabalho foi adequada e a técnica da Fluidodinâmica Computacional mostrou-se uma ferramenta viável e importante no desenvolvimento e otimização de pratos perfurados.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-30T16:15:44Z No. of bitstreams: 1 TALLES CAIO LINHARES DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2014..pdf: 2048638 bytes, checksum: 8906a39fa89dff7c77323f97499594a3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-30T16:15:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TALLES CAIO LINHARES DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2014..pdf: 2048638 bytes, checksum: 8906a39fa89dff7c77323f97499594a3 (MD5) Previous issue date: 2014-09 / CNPq / O monômero cloreto de vinila (MVC), matéria prima usada para a obtenção do policloreto de vinila (PVC), é produzido comercialmente em larga escala através da decomposição térmica do 1,2-dicloroetano (EDC) em um reator tubular inserido em um forno industrial. O PVC possui aplicações que vão desde produtos médico-hospitalares e embalagens para alimentos até peças de alta tecnologia como as usadas em equipamentos espaciais. O principal problema enfrentado na operação é a formação de uma camada de coque no interior do reator que limita o tempo de operação. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de modelos matemáticos para a previsão do comportamento de um reator de craqueamento térmico de EDC. Um total de três modelos foram formulados, o primeiro modelo serviu para estruturação do algoritmo e para a análise geral da metodologia usada. No segundo modelo uma cinética reacional mais complexa envolvendo composto estáveis e radicais foi implementada, a deposição de coque foi considerada o que possibilitou estimar o seu impacto no tempo de produção e nas variáveis do processo como: pressão, temperatura e conversão. O último modelo foi desenvolvido utilizando técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) e forneceu as distribuições na direção radial e ao longo do reator para as variáveis do processo. Os resultados obtidos de todos os modelos estão em concordância com dados industriais disponíveis. Os modelos I e II podem ser usados para realização de testes no processo sem a necessidade de utilização de unidade piloto e como ponto de partida para a otimização nos fornos de craqueamento, enquanto o modelo em CFD pode contribuir para estudo de melhorias de projeto deste tipo de reator. / The vinyl chloride monomer (MVC) raw material used to obtain the polyvinyl chloride (PVC), is commercially produced on a large scale by thermal decomposition of 1,2dichloroethane (EDC) inserted into a tubular reactor in an oven industrial. PVC has applications ranging from medical products and food containers to high-tech parts like those used in space equipment. The main problem faced in the operation is the formation of a layer of coke inside the reactor which limits the time of operation. The present work is the development of mathematical models for predicting the behavior of reactor thermal cracking of EDC. A total of three models were formulated, the first model was used to structure the algorithm and the overall analysis of the methodology used. In the second model a more complex reaction kinetics involving radicals and stable compound was implemented, coke deposition was found which allowed to estimate their impact on production time and the process variables such as pressure, temperature and conversion. The last model was developed using computational fluid dynamics (CFD) and provided the distributions in the radial direction and along the reactor for the process variables. The results of all the models are in agreement with industrial data available. Models I and II can be used for testing the process without the need of using pilot unit and as a starting point to optimize the cracking furnaces while the CFD model study can contribute to improvements in the design of this type reactor.

Os dispositivos oscilantes por translação de ondas correspondem a um dos sistemas de maior potencial de geração de energia elétrica a partir das ondas do oceano, razão pela qual diversos engenheiros e pesquisadores dedicam-se ao desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia. O princípio de funcionamento destes conversores, cujos principais exemplos são o Oyster, o Waveroller e o Langlee, baseia-se no movimento oscilatório de um sistema placapistão, que promove a geração de eletricidade por meio de uma turbina. Os trabalhos existentes acerca destes dispositivos ainda não reúnem informações suficientes que possibilitem a estimativa do comportamento hidrodinâmico e da captação de energia dos mesmos em situações reais de funcionamento. Desta forma, o presente trabalho busca preencher estas lacunas por meio de modelagem numérica bidimensional, baseada em médias de Reynolds (RANS), de ondas regulares atuando sobre os respectivos dispositivos. As simulações são realizadas pelo código computacional livre e aberto OpenFOAM v 4.1 e sua extensão OLAFOAM, ambos fundamentados em volumes finitos e que utilizam a metodologia VOF para o tratamento da superfície livre, solucionando as equações de Navier-Stokes e da continuidade. A representação da dinâmica de corpo rígido dos dispositivos é tratada por uma metodologia que permite a deformação dos elementos de malha e o movimento do fundo do domínio, que oscila juntamente com as placas dos conversores no intuito de assegurar a convergência numérica. Tal metodologia é validada com base na comparação dos resultados numéricos com valores experimentais presentes na literatura. As simulações realizadas permitiram concluir que o método de fundo deformável se mostra adequado no estudo da hidrodinâmica e captação de energia destes conversores, sendo uma alternativa a outras metodologias existentes. Um aumento na largura das placas destes conversores relaciona-se a uma intensificação das velocidades angulares e numa maior captação de energia, sendo a largura ideal de placa aquela cuja dimensão é próxima a duas vezes a sua altura. Um aumento na espessura das placas ocasiona uma diminuição na oscilação e na captação energética dos dispositivos, sendo a espessura ideal com dimensão entre 10 % e 20 % da altura da placa. A captação de energia tende a diminuir com o aumento da profundidade, sendo que, para lâminas de água superiores a duas vezes a altura da placa do conversor, a influência da profundidade torna-se pouco significativa. O aumento do período de onda é responsável por intensificar a ação do campo de velocidades nas regiões próximas ao conversor, sendo o período de máxima captação de energia em torno de 11 s em escala real. Maiores alturas de onda são responsáveis por intensificar o movimento e a captação de energia dos conversores. / The oscillating wave surge converters represents one of the most effective systems to transform the energy of ocean waves into electric power, reason why many researchers and engineers are dedicated to the development and improvement of this technology. The main examples of those kind of converters are Oyster, Waveroller and Langlee, which energy production is related to a oscillating plate-piston mechanism, that drives a secondary hydraulic system, moving a turbine and generating electricity. Recent papers about this technology does not bring enough information to predict the hydrodynamic and the power capture in real operation cases. In order to fulfill those gaps, the present study is focused on bidimensional numerical modelling of regular ocean waves interaction over the converters, based on Reynolds Average Navier Stokes equations (RANS). The numerical simulations are performed by the opensource code OpenFOAM v 4.1 and its extension OLAFOAM, both based on finite volume discretization and VOF method for free surface representation, which solves the Navier-Stokes and continuity equations. The rigid body dynamics is represented by a methodology that uses the mesh morphing method combined with an oscillating bottom, which moves according to the plate movement, in order to ensure numerical convergence. The present method is validated by the comparison of the numerical model results with previous experimental studies. The numerical results led to the conclusion that the oscillating bottom method seems to be adequate to perform a study based on the hydrodynamic and power capture of the oscillating wave surge converters, representing an alternative method to modelling the dynamic of those devices. An increase in plate width are related to an increase on the device oscillation and its power capture. The ideal width is approximately twice the plate height. Thicker plates causes lower angular velocities, as a result, lower electric generation. The more efficient thickness is around 10 % to 20 % of plate height. The power capture decreases according to an increase on water depth, and the depths with values around twice of the plate height does not seem to modify the device hydrodynamics. Higher wave periods causes an intensification of the velocity field near the converter. The pitching period, which is related to the maximum power captured, is near to 11 s in real scale. The highest wave heights are responsible to increase the converter oscillation and electricity generation.

Producing oil is a complex process where the fluids existing in a deep layer of the subsurface must be raised to the surface through the production well, where oil and natural gas are handled. The primary treatment of oil is basically done in two stages, the separation of gaseous and liquid phase separation, oil, water and other contaminants. Production facilities in offshore fields, which concentrates the largest and most recent discoveries of oil, the relatively small space in the production platforms has led to the employment of more compact process equipment. Pressure vessels are used in the separation of liquid phases, oil and water, imposing greater turbulence to fluids contributing to the formation and stabilization of emulsions of oil. This work aims at using CFD (Computational Fluid Dynamics) a software tool to visualize the behavior of fluid flow to analyze the dynamics of atmospheric flow in gravitational separators. To evaluate the influence of some internal atmospheric gravity separator tank known as Free Water Tank and how some its dimensions interfere with the gravitational separation. We restrict our analysis in a qualitative view of fluid dynamics in the gravitational separator and the occurrence of atmospheric phenomena that may influence its efficiency. For the separator model we could highlight the importance of the inductor tube, since the velocity profiles produced show the influence of its dimensions in the functionality of the equipment. Therefore the gravitational separators type, Free Water Tank height and diameter of the tube inducer, greatly influence the performance of the gravitational separator, thus, appears that supporting devices should be objects of analysis also at existing facilities. / Produzir petróleo é um processo complexo, no qual os fluidos existentes em uma camada profunda do subsolo devem ser elevados através do poço produtor, até a superfície, onde o petróleo e o gás natural são tratados. O tratamento primário do petróleo é realizado basicamente em dois estágios: a separação da fase gasosa e a separação da fase líquida constituída de petróleo, água e outros contaminantes. Nas unidades de produção em campos marítimos, onde se concentram as maiores e mais recentes descobertas de petróleo, o espaço físico relativamente pequeno nas plataformas de produção tem induzido ao emprego de equipamentos de processo mais compactos. Vasos de pressão são utilizados na separação das fases líquidas, nos quais ocorre grande movimentação dos fluidos, o que contribui fortemente para a formação e estabilização das emulsões de petróleo. Este trabalho objetiva com o uso de CFD (Computacional Fluid Dynamics) uma ferramenta computacional que permite visualizar o comportamento de fluidos em movimento apresentar uma análise da dinâmica de fluxo em separadores gravitacionais atmosféricos. Faz-se a avaliação da influência de alguns internos de um separador gravitacional atmosférico conhecido como Tanque de Água Livre (TAL), verificando-se como algumas dimensões dos mesmos interfere na separação gravitacional. Este trabalho restringiu-se a uma análise da dinâmica dos fluidos no separador gravitacional atmosférico e à ocorrência de fenômenos que possam influir na sua eficiência. Para o separador modelo pôde-se evidenciar a importância do tubo indutor, uma vez que os perfis de velocidade produzidos mostram a influência das dimensões deste dispositivo no desempenho do equipamento. Constatou-se que nos separadores do tipo Tanque de Água Livre a altura e o diâmetro do tubo indutor influenciam sensivelmente no desempenho do separador gravitacional, denotando a importância de analisar o efeito que estes dispositivos coadjuvantes podem ter nas instalações existentes para o tratamento primário de petróleo.

Orientador: Luiz Felipe Mendes de Moura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:00:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_AlexCristiano_M.pdf: 7859697 bytes, checksum: f1415c4744eaf2e3068a564f5afe9f1c (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho apresenta a utilização de um modelo numérico para a determinação das forças hidrodinâmicas atuantes em comportas planas tipo vagão, utilizadas em obras de desvio de Usinas Hidrelétricas. Para isso foi utilizado o software comercial Fluent, onde foi gerado um modelo numérico tridimensional para diversas aberturas da comporta vagão ensecadeira, a qual é responsável pelo fechamento em definitivo do desvio. A validação dos resultados numéricos foi realizada através da comparação de dados de um modelo físico reduzido previamente estudado em laboratório, onde constatou-se a correta captação e interpretação dos fenômenos hidráulicos presentes, permitindo utilizar sua metodologia para aplicações em obras semelhantes. A vazão e seu respectivo coeficiente de descarga apresentaram diferenças médias da ordem de 8%, as pressões atuantes no fundo do canal apresentam diferenças máximas de 3,6%, enquanto que os esforços hidrodinâmicos registraram diferenças médias de 7%. As maiores variações foram observadas nas menores aberturas, quando a vazão é determinada pela comporta, e as velocidades são mais altas. A título de comparação dos fenômenos hidráulicos, foram levantados os dados pertinentes a outros três ensaios físicos de túneis de desvio. Estes resultados foram comparados com o ensaio numérico e a formulação teórica, indicando que esta última, de uma forma geral, possui resultados mais conservadores / Abstract: This work presents a proposal of a numerical model to determine the hydraulic forces acting in fixed wheel gates utilized in hydroelectric power plants. Fluent commercial CFD (computational fluid dynamics) software was used to generate a three-dimensional model of the hydraulic gate; different models were generated for different opening positions of the hydraulic gate. The results obtained from the numerical model were validated by comparing them to results obtained from a reduced model previously built in a hydraulic laboratory. When comparing these results it was possible to realize that the numerical model could well represent the hydraulic effects, allowing possibility of the methodology application for similar works. The volume flow and discharge coefficients presented a average variation of 8%; pressure distribution at the bottom of the canal presented a average variation of 3,6%; and hydraulic forces presented an average of 7% difference. Higher differences occurred at lowest openings, when the flow is mostly controlled by the gate and speed is higher. As a complement to the work, results from three other laboratory reduced models were compared to analytical proposals found in literature and numerical simulation results. These comparisons show that these analytical models are usually conservative / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcelo Cristianini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-13T10:42:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Augusto_PedroEstevesDuarte_M.pdf: 2374617 bytes, checksum: 51b7576f4277bc0fdae47e5122fc60fd (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A crescente busca por alimentos mais seguros e de melhor qualidade nutricional e sensorial cria a necessidade de melhor entendimento dos processos envolvidos na produção dos mesmos. O tratamento térmico é um dos métodos mais utilizados na conservação de alimentos, sendo o processamento dentro da embalagem um dos mais seguros. A utilização de modelamento matemático da transferência de calor na avaliação de tratamentos térmicos vem se mostrando uma poderosa ferramenta na garantia da segurança sem comprometimento da qualidade nutricional e sensorial dos alimentos. A fluidodinâmica computacional (CFD) vem sendo utilizada em diversos trabalhos para melhor entendimento de processos térmicos de alimentos líquidos. Entretanto, a falta de consistência e uniformidade nas modelagens, aliadas as raras avaliações experimentais das simulações, criam a necessidade de avaliações entre metodologias utilizadas e validações criteriosas. O presente trabalho estudou a transferência de calor durante tratamentos térmicos de alimentos líquidos embalados em garrafas comerciais através de modelagem matemática por CFD. Determinou-se o coeficiente convectivo de transferência de calor (h) para duas garrafas comerciais em um sistema de aquecimento e um de resfriamento em imersão em água. Observou-se que mesmo pequenas diferenças entre geometrias de embalagens resultaram em considerável diferença nos valores de h entre embalagens e sistemas, reforçando a necessidade de avaliação dessa propriedade para cada processo real estudado. Avaliou-se quatro metodologias utilizadas nos trabalhos de CFD para determinação das condições de contorno das simulações, observando-se que as que consideram perfis de temperatura superestimam o fluxo de calor trocado com o produto, podendo comprometer a segurança e conservação do mesmo. A metodologia que considera o fluxo de calor decorrente das condições de contorno h e perfil térmico do meio de aquecimento apresentaram boa concordância com os perfis térmicos experimentais, mostrando-se adequados à modelagem de processos térmicos de alimentos. Caracterizou-se reologicamente um alimento líquido modelo, podendo ser utilizado para simulação de sucos de frutas, assim como a inativação térmica de um microrganismo modelo em processos de pasteurização (Lactobacillus plantarum). Analisou-se as características do tratamento térmico de alimentos líquidos em duas embalagens comerciais, através de perfis de temperatura, velocidade, característica da região de aquecimento mais lento (RAML) e inativação microbiana. Os perfis de temperatura e velocidade obtidos nas simulações de CFD do processo térmico do alimento modelo utilizado se mostraram semelhantes aos reportados na literatura, sendo descritas as características do processo. A análise dos perfis de temperatura obtidos experimentalmente e através do modelo indicaram boa correlação das simulações de CFD, sugerindo a possibilidade de utilização dessa ferramenta para avaliação de perfis térmicos em processos térmicos de alimentos embalados. Entretanto, a análise de validação microbiológica indicou grande desvio entre os valores experimentais e obtidos pelo modelo, atribuído a baixa resistência térmica do microrganismo alvo utilizado nas condições de processo. Nesse caso, mesmo pequenos desvios entre as temperaturas experimentais e obtidas por CFD podem resultar em grande desvio na inativação microbiana final, sugerindo que a utilização de CFD na avaliação de tratamentos térmicos deve ser vista com cautela. Os resultados obtidos comprovam a necessidade de validação dos modelos obtidos através de avaliação de perfil térmico e inativação microbiológica / Abstract: The growing demand for safer and high-quality food products creates the need for better knowledge of the processes involved in food production. Thermal process is one of the safest and most frequently used methods for food preservation, in special when performed in the package. The mathematical modelling of heat transfer is a useful tool for designing safety process while minimizing nutritional and sensory drops. The computational fluid dynamics (CFD) have been widely used for better understand of liquid food thermal process. However, no consistency in the mathematical models built is observed, and just a very few works compare the CFD data with experimental ones. There is a need for the evaluation of the use of CFD for thermal process design. The present work has evaluated the heat transfer in in-package liquid food during thermal process, using mathematical modelling by CFD. The convective heat transfer coefficient (h) among two commercial bottles and a heat and a cooling system were determinated. It was observed that even small differences among packages and heat transfer system result in distinct coefficient and that it must be measured for the exact heat transfer system. Four methodologies were evaluated for the boundary conditions definition of the CFD simulations, based on the previous CFD works. The models that considered the temperature profiles as boundary condition, showed faster heating. By over-estimating the product heating rate, those models are not appropriated for the mathematical modelling of heat process, as it compromises the safety and preservation of food products. The model that considered the measured value of h and temperature profile of the water bath as boundary condition showed good agreement with experimental values, being appropriated for thermal process modelling. The rheological characteristics of a model liquid food was determinated, and the thermal resistance of Lactobacillus plantarum, a target microorganism in pasteurization processes, was evaluated in this model, which can be used as a fruit juice simulator. The thermal process of liquid foods was evaluated in two commercial bottles, using temperature, velocity, slowest heating zone (SHZ) and microbiological inactivation profiles. The temperature and velocity profiles were compatible with those described in CFD works. The thermal profile obtained by CFD shown good correlation with experimental values, suggesting that CFD can be used in thermal process temperature profiles evaluation. Although, the microbiological validation shown large deviation between the experimental values and obtained by the model, probably due the low thermal resistance of the studied microorganism. These results indicate that the CFD utilization in thermal process evaluation might be carefully seen, in especial when the microorganism thermal resistance is low in process conditions. In these situations, even small differences between CFD and experimental temperatures results in considerable microbial inactivation divergence. The results obtained in this work show the need for CFD models evaluation by thermal profile and microbiological inactivation / Mestrado / Mestre em Tecnologia de Alimentos