Orientador: Marcos Akira d'Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T01:11:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_NicolaoCerqueira_M.pdf: 2608433 bytes, checksum: 1f09fc99d86a78b7861be6972463c29c (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A eletrohidrodinâmica trata basicamente dos efeitos de um campo elétrico em meios contínuos. Um fluido sob o efeito de um campo elétrico tende a se deformar devido a uma força elétrica que age sobre ele. Essa força elétrica é consequência de alguns fatores que têm como base as próprias propriedades do fluido. Entre elas estão à condutividade elétrica (capacidade do fluido de ionizar-se ou de conduzir corrente elétrica) e a permissividade elétrica (capacidade do fluido de polarizar-se). Diversos processos que utilizam efeitos elétricos em fluidos foram desenvolvidos nas últimas décadas. O fato de estes processos envolverem uma alta complexidade de parâmetros faz com que seja consumido bastante tempo e material durante a fase de testes. Por esse motivo, as simulações numéricas passaram a ser uma boa alternativa para otimizar tais processos, além de aumentar o conhecimento sobre eles. Nesse contexto, no presente trabalho foi implementado um código numérico (solver) no pacote de CFD OpenFOAM baseado no modelo para fluidos pouco condutores (leaky dieletric model) no intuito de descrever escoamentos eletrohidrodinâmicos. Entre eles estão o efeito de um campo elétrico em uma gota condutora e o afinamento de um jato na saída de um tubo capilar. Eventualmente, em processos eletrohidrodinâmicos, são utilizados polímeros. Entretanto, não há na literatura muitos estudos sobre a simulação de escoamentos eletrohidrodinâmicos utilizando fluidos viscoelásticos. Assim, um segundo código foi implementado, baseado em um código já existente. Este é capaz de simular efeitos elétricos em fluidos viscoelásticos, utilizando a equação constitutiva de Giesekus como modelo viscoelástico. Os resultados obtidos para a deformação da gota condutora foram comparados com resultados analíticos para fluidos newtonianos e com observações experimentais para fluidos viscoelásticos. Para o caso do jato na saída de um tubo capilar, ambos os tipos de fluidos (newtonianos e viscoelásticos) foram comparados com resultados experimentais e teóricos / Abstract: Electrohydrodynamics deals basically on the effects of an electric field on a continuum media. A fluid under the effect of an electric field tends to deform due to an electric force that acts on it. This electric force is a consequence of some factors which are based on the fluid properties, including the electric conductivity (ability of the fluid to ionize or to conduct electrical current) and the permittivity (ability of the fluid to polarize). Many processes using electrical effects in fluids have been developed in recent decades. The fact that these processes involve a high complexity of parameters, it consumes time and materials during the test phase. For that reason, the numerical simulations start being a good alternative to optimize such processes, and also to increase the knowledge about them. In this context, on the present work was implemented a solver on the open CFD software OpenFOAM, based on the leaky dielectric model, in order to describe electrohydrodynamic flows. Among them, are the effect of an electric field on a conducting droplet and the thinning of a jet on the exit of a nozzle. Eventually, in electrohydrodynamic processes, polymers are used. However, there aren't many studies about electrohydrodynamic flow simulation using viscoelastic fluids. So, a second solver was made, based on another existing solver. This second solver is able to simulate electric effects on viscoelastc fluids, using the Giesekus model as a constitutive equation. The results of the deformation of a conducting droplet were compared to analytical results, for Newtonian fluids, and with experimental observations, for viscoelastic ones. As for the jet, both types of fluids, Newtonians and viscoelastics, were compared to experimental and theoretical results / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Elizabete Jordão, Moysés Alberto Navarro / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T11:58:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rezende_HugoCesar_D.pdf: 10614958 bytes, checksum: aa2b2ce9d9ec481bd44e74cc217832a2 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O escoamento monofásico termicamente estratificado ocorre em tubulações horizontais onde duas camadas diferentes de um mesmo líquido escoam separadamente, sem que ocorra mistura significativa entre as camadas, devido às baixas velocidades e à diferença de densidade (e temperatura). As consequências desse fenômeno não foram consideradas no projeto da maioria das centrais nucleares atualmente em operação. Entretanto, em alguns componentes de centrais nucleares, as diferenças de temperatura podem atingir cerca de 200 °C em uma região bastante estreita nas proximidades da interface entre as camadas de água fria e quente. Nesta condição, as fortes tensões geradas pelas diferenças de dilatação podem comprometer a integridade estrutural e a vida útil de tubulações relacionadas aos sistemas de segurança dessas centrais nucleares. Com o objetivo de estudar o fenômeno da estratificação foi projetada e construída a Instalação de Testes de Estratificação Térmica (ITET), tendo sido realizada uma série de experimentos simulando o bocal de injeção do gerador de vapor de uma central nuclear tipo PWR. Foram estudadas a evolução e as configurações de escoamento em regime de estratificação térmica, assim como a influência do número de Froude nos gradientes de temperatura, na posição da interface entre as camadas de água fria e de água quente e no aparecimento de oscilações desta interface. Os experimentos foram realizados com número de Froude variando de 0,02 a 0,4...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: One phase thermally stratified flows occur when two different layers of the same liquid at different temperatures flow separately in horizontal pipes without appreciable mixing due to the low velocities and difference in density (and temperature). The phenomenon was not considered in the design stage of most of the operating nuclear power plants. However, temperature differences of about 200 °C have been found in a narrow band around the hot and cold water interface in components under stratified flows. Loadings due to this phenomenon affected the integrity of safety related piping systems. The Thermal Stratification Test Facility (ITET), built to allow the experimental simulation of the thermal stratification, is presented so as the results of some experiments simulating one phase thermally stratified flows in geometry and flow condition similar to a nuclear reactor steam generator nozzle. They have the objective of studying the flow configurations and understanding the evolution of the of thermal stratification process. The driving parameter considered to characterize flow under stratified regime due to difference in specific masses is the Froude number. Different Froude numbers, from 0.02 to 0.4, were obtained in different testes by setting injection cold water flow rates and hot water initial temperatures as planned in the test matrix. Results are presented showing the influence of Froude number on the hot and cold water interface position, temperature gradients and striping phenomenon...Note: The complete abstract is available with the full electronic document / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Reginaldo Guirardello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T13:21:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Yamada_ShinobuTomas_D.pdf: 3876142 bytes, checksum: 951723c2abec9e70853595542ea18fe3 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Esta tese apresenta a cinética e a fluidodinâmica do processo Fischer Tropsch realizado nos softwares científicos Fortran (Formula Translation) e CFX (Fluidodinâmica Computacional) da AEA Technology plc. O presente trabalho é uma simulação computacional de um sistema catalítico, multifásico, multicomponente e não isotérmico com topologia tridimensional, baseado em catalisador de cobalto suportado, recheio de esferas de aço e meio reacional formado por pseudocomponentes, gás combustível - GLP, nafta - gasolina - diesel, ceras de baixo - médio - alto peso molecular e vapor de água, além do gás de síntese (CO + H2) não convertido. As modelagens da cinética de reação e do balanço de massa estão estruturadas na linguagem de programação Fortran com modelos matemáticos da tecnologia Fischer Tropsch e as modelagens dos balanços de energia, momento e turbulência pelo software computacional CFX, com geometria baseada no Reator Arge Sasol em Leito Fixo composto por cinco domínios (recheio - meio reacional - entrada - saída - parede) e um subdomínio (catalisador), configuradas numa malha com mais de cinco milhões de elementos e um milhão de nós. A cinética é o modelo esquematizado por Sarup-Wojciechowski (1989) com a constante cinética definida pela expressão modificada da lei de Arrhenius. A modelagem da fluidodinâmica é tratada pelas equações de Navier Stokes e turbulência através do modelo k-? e "disperse phase zero equation", complementados pela biblioteca de propriedades fisico-químicas Diadem DIPPR, artigos científicos e experimentos em planta piloto realizados na Unidade de Industrialização do Xisto - Petrobras, São Mateus do Sul - (PR) / Abstract: This thesis presents the fluid dynamics and the kinetics of Fischer Tropsch Process in a fixed bed reactor accomplished in the scientific software Fortran (Formula Translation) and CFX (Computational Fluid Dynamics) of AEA Technology plc. The current work is a computational simulation of the catalytic system, multiphase, multicomponent and non isothermal with 3D topology, that is based on the cobalt supported catalyst, column random packing and the reaction mean treated on pseudo components concept, fuel gas - PLG, naphtha - gasoline - diesel oil, low - medium - high molecular weight waxes and water steam, besides non converted syngas (CO + H2). The kinetics reaction modelling and mass balance are structured in Fortran programming language with mathematic models of Fischer Tropsch technology. Also the energy balance, momentum and turbulence phenomena are structured by CFX, with geometry based on the Arge Sasol Fixed Bed Reactor consisted for five domains (packing - reaction media - in- out - wall) and one subdomain (catalyst), configured in a mesh with more than five million of elements and one million of nodes. The kinetic models are schematized by Sarup-Wojciechowski (1989) equation and the kinetic constant defined according to a modified expression of the Arrhenius law. The modelling of the fluid dinamics are considered on the Navier Stokes fundamental equations and turbulence phenomena through k-? and "disperse phase zero equation", complemented by the physical-chemicals library property Diadem DIPPR, scientifc articles and data referred to pilot plant experiments performed in the Unidade de Industrialização do Xisto - Petrobras, located in São Mateus do Sul - (PR) / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Daniella Jorge de Moura / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-27T21:38:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sabino_LuanaAraujo_D.pdf: 5594290 bytes, checksum: 53aedcae8886f70448b204ed245f3d66 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Um dos principais problemas no interior de instalações de criação animal é o controle do ambiente por meio ventilação, sendo de grande importância para a qualidade aérea e conforto térmico de verão e inverno, principalmente em regiões de clima tropical. O uso de técnicas para o estudo do ambiente avança a cada dia em qualidade e precisão dos resultados. Uma das novas técnicas é a modelagem computacional que auxilia, de forma rápida, a solução de diversos problemas, mesmos os complexos, com baixo custo, em comparação com métodos experimentais. Sendo assim, o objetivo deste projeto será de validar um modelo computacional de Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics ¿ sigla em inglês, CFD) com o uso da geoestatística e com o cálculo do erro da variável temperatura de bulbo seco, demonstrando que podem ser utilizadas diferentes metodologias para sua validação. Além disso objetivou-se estudar os efeitos de diferentes malhas no processamento e na qualidade dos resultados obtidos, apresentando ou sugerindo uma metodologia para estudos futuros / Abstract: In animal production, the major problem of animal facilities is the internal temperature control through ventilation systems. This is responsible for maintaining proper air quality and thermal comfort for the animals during the summer and winter conditions, especially in regions with tropical climate. The environment at studies using new techniques, such as Computational Fluid Dynamics (CFD) has became more popular due to the quality and precision of the results. In this respect, the computational modelling is a powerful tool to help in the solution of several problems, including complex ones, with reduced cost when compared with experimental methods. Thus, the goal of this study is to validate a CFD computational model with geostatistics technique and the estimation of the error of the dry bulb temperature prediction by the model in order to validate the CFD model. It also, analyses the effect of different meshing methods in the results, developing thus way a methodology for future researches / Doutorado / Construções Rurais e Ambiencia / Doutora em Engenharia

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T18:43:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaJunior_JoaoLameuda_D.pdf: 4304757 bytes, checksum: 87ed8cbf9a1722317132a9054fbfd782 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Nesta pesquisa investigou-se numericamente as características fluidodinâmicas de colunas de bolhas em leito de lama operando sob diferentes regimes de escoamento e concentrações de sólido particulado empregando a técnica CFD. A síntese de metanol em duas etapas (carbonilação e hidrogenação catalítica) também foi estudada numericamente em um reator em leito de lama. Na análise fluidodinâmica, o papel das interações entre as diferentes fases, a turbulência induzida pelas bolhas e o balanço populacional destas foram estudados. As predições das simulações foram validadas com dados experimentais obtidos da literatura. Na análise fluidodinâmica e cinética, os fenômenos de transferência de massa e de calor entre fases e as taxas das reações químicas foram avaliadas e os resultados foram comparados a dados experimentais de composição da fase líquida e de conversão do gás de síntese obtidos da literatura. As interações disperso-contínuo (arrastes gás-líquido e sólido-líquido) mostraram ser fundamentais na modelagem correta de sistemas trifásicos. As interações entre as fases dispersas (arraste gás-sólido e interação sólido-sólido) apresentaram influências significativas sob certas condições operacionais. O modelo de balanço populacional não-homogêneo promoveu bons resultados para a condição operacional estudada. A turbulência induzida pelas bolhas também demonstrou ser essencial na modelagem correta do escoamento de sistemas gás-líquido-sólido. Os modelos fluidodinâmicos com expressões cinéticas do tipo Langmuir-Hinshelwood para a síntese de metanol representaram bem o sistema reativo estudado. Em síntese, os modelos CFD propostos e simulados foram capazes de predizer o comportamento do escoamento de colunas de bolhas em leito de lama nas condições estudadas / Abstract: In the present work, numerical simulations using CFD were performed to study the fluid dynamic characteristics of a slurry bubble column operating under different flow regimes and particulate solid concentrations. The two-step methanol synthesis (carbonylation and catalytic hydrogenolysis) was also numerically investigated in a slurry bubble column reactor. In the fluid dynamic analysis, the role of phase interactions, bubble induced turbulence and population balance for bubbles were evaluated. The simulations were validated with experimental data from literature. In the fluid dynamic with chemical reactions analysis, mass and heat transfer between phases and reaction rates were evaluated and the results were compared with experimental data of liquid compositions and syngas conversion. Dispersed-continuous interactions (gas-liquid and solid-liquid drag forces) showed to be fundamental to model correctly three-phase systems. Dispersed-dispersed interactions (gas-solid drag force and solid-solid interactions) exhibited expressive influences under certain operating conditions. The inhomogeneous population balance model promoted good results for the operating conditions studied. Bubble induced turbulence is also an essential feature in the modelling of gas-liquid-solid systems. The fluid dynamic model with Langmuir-Hinshelwood-type rate expressions for the methanol synthesis represented well the reaction system studied. The proposed CFD models were capable to predict flow behaviour of slurry systems in the investigated operating conditions / Doutorado / Engenharia Química / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Celso Eduardo Tuna / Resumo: A agroindústria nacional brasileira dispõe de uma grande variedade de unidades agrícolas que geram elevada quantidade de resíduos como o bagaço de cana-de-açúcar. Mesmo diante da crescente utilização desse material, o excedente ainda é da ordem de milhões de toneladas, causando problemas de estocagem e poluição ambiental. Devido a sua estrutura complexa e sua recalcitrância, a etapa de pré-tratamento representa o desafio mais crítico para a viabilização da utilização do bagaço de cana-de-açúcar dentro do contexto de uma biorrefinaria. O pré-tratamento busca facilitar o acesso aos componentes estruturais da biomassa, permitindo sua utilização na cadeia produtiva. Existem diferentes métodos de pré-tratamento como os físicos, químicos e biológicos ou uma combinação de todos esses, de modo que a geração de resíduos ambientalmente perigosos e/ou altos insumos energéticos é o gargalo. Neste sentido, rotas tecnológicas alternativas vem sendo estudadas e a cavitação hidrodinâmica desponta-se como uma promissora rota para o pré-tratamento de biomassa liberando grandes magnitudes de energia e induzindo a transformações físicas e químicas, favorecendo o rompimento da matriz carboidrato-lignina. Neste contexto, este trabalho empregou a cavitação hidrodinâmica para potencializar o pré-tratamento alcalino do bagaço de cana-de-açúcar. Para isto, projetou-se um reator de cavitação hidrodinâmica com tubo de Venturi utilizando como base uma abordagem computacional para a dinâmica dos fluidos. ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The Brazilian national agroindustry has a large variety of agricultural units that generate high amounts of waste such as sugarcane bagasse. Even with the increasing use of this material, the surplus is still in the order of millions of tons, causing problems of stocking and environmental pollution. Due to its complex structure and recalcitrance, the pretreatment stage represents the most critical challenge for the feasibility of using sugarcane bagasse within the context of biorefinery. Pretreatment seeks to facilitate access to the structural components of biomass, allowing its use in the production chain. There are different pretreatment methods such as physical, chemical, physicochemical and biological or a combination of all of these, so that the generation of environmentally hazardous waste and / or high energy inputs is the bottleneck. In this sense, alternative technological routes have been studied and hydrodynamic cavitation emerges as a promising route for biomass pretreatment releasing large energy magnitudes and inducing physical and chemical transformations, favoring the rupture of the carbohydrate-lignin matrix. In this context, this thesis employed hydrodynamic cavitation as a physical means to improve the alkaline pre-treatment of sugarcane bagasse. The hydrodynamic cavitation reactor with Venturi tube was modeled by a computational approach to fluid dynamics, in order to evaluate the influence of the pressure ratio, the length and diameter of the throat and ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Uma família de esquemas upwind denominada FUS-RF (Family of Upwind Scheme via Rational Functions), que é derivada via funções racionais e dependentes de parâmetros, é proposta para o cálculo de soluções aproximadas de equações de conservação. A fim de ilustrar a capacidade dos novos esquemas, vários resultados computacionais para sistemas hiperbólicos de leis de conservação são apresentados. Esses testes mostram a inflluência dos parâmetros escolidos sobre a qualidade dos resultados numéricos. Fazendo o uso de alguns testes de padrões, comparação dos novos limitadores de fluxo correspondentes com o esquema bem estabelecido van Albada e esquema atual EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme) é também realizada. Os testes numéricos realizados em transporte de escalares e problemas de dinâmica dos gases confirmam que alguns esquemas da família FUS-RF são não oscilatórios e fornecem resultados confiáveis quando perfis descontínuos são transportados. Um esquema particular dessa nova família de esquemas upwind é então selecionado e utilizado para resolver escoamentos complexos com superfícies livres móveis / A family of upwind schemes named as FUS-RF (Family of Upwind Scheme via Rational Functions), which is derived via rational functions and dependent of parameters, is proposed for computing approximated solutions of conservation equations. In order to illustrate the capability of the new schemes, several computational results for system of hyperbolic conservation laws are presented. These results clarify the influence of the chosen parameters on the quality of the numerical calculations. Using some standard test cases, comparison of the new corresponding limiters with the well established van Albada and the recently introduced EPUS (Eight-degree Polynomial Upwind Scheme) limiters is also done. Numerical tests on both scalar and gas dynamics problems confirm that some schemes of the FUS-RF family are non-oscillatory and yield sharp results when solving profiles with discontinuities. A particular upwind scheme of this new family is then slected and used for solving complex incompressible moving free surface flows

Oriunda da etapa de destilação do caldo do caldo da cana-de-açúcar, a vinhaça é um subproduto da produção de etanol. Apesar de seu difundido uso na agricultura canavieira como fertirrigação, sua disposição no solo tem sido questionada quanto a possíveis riscos ambientais. Uma destinação alternativa à vinhaça e seu tratamento anaeróbio, considerado bastante atrativo haja vista a possibilidade de recuperação de energia na forma de biogás, sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Entre os sistemas de tratamento anaeróbios, os reatores de leito fixo têm sido amplamente utilizados devido à sua estabilidade operacional. A modelagem abrangente destes tipos reatores tende a ser complexa de forma que o estudo dos escoamentos em seu interior do reator é vital. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar e simular numericamente a hidrodinâmica de reator de leito fixo de fluxo ascendente tipo APBR (anaerobic packed bed reactor). Em termos gerais, os resultados obtidos por simulação foram confrontados tanto com os correspondentes valores experimentais como com aqueles obtidos a partir dos modelos uniparamétricos comumente usados para representar reatores não ideais. Para tanto, foram empregados dados pré-existentes de ensaios hidrodinâmicos conduzidos no início e no final da operação, com biorreator alimentado com solução-traçador na forma de degrau a vazões de 4,6 L/dia e 2,3 L/dia. Foram considerados os modelos de dispersão de pequena e grande intensidade bem como o modelo de tanques agitados em série. Quanto às simulações numéricas, foi usado o software de CFD (fluidodinâmica computacional)COMSOL Multiphysics ® 4.3b.As curvas DTR obtidas via simulação e com base nos modelos para reatores não ideais foram confrontadas com as curvas obtidas experimentalmente. Para o reator operando com vazão de 2,3 L/dia, nenhum dos modelos propostos mostrou-se adequado quanto ao final da operação, em razão da incapacidade em representar o surgimento de picos de concentração que podem estar associados ao acúmulo de biomassa no interior do biorreator, mas também ao tipo de traçador utilizado para a realização do experimento. As demais curvas DTR sugerem que o reator em questão aproxima-se do tipo pistonado. O simulador CFD representou de forma bem adequada os dados experimentais em comparação com resultados obtidos a partir dos modelos para reatores não ideais. A simulação numérica de biorreatores para tratamento de efluentes mostrou-se, pois, capaz de fornecer informações mais detalhadas e precisas, geralmente úteis a engenharia do processo. Adicionalmente, foi implementado um simulador com base no método de Boltzmann em rede (lattice Boltzmann method, LBM) capaz de simular escoamento laminar bidimensional em regime permanente no interior de um canal. No escopo de uma linha de pesquisa em simulação LBM de biossistemas agroindustriais, trata-se de um esforço inicial quanto à simulação LBM da hidrodinâmica de biorreatores para tratamento de efluentes em geral. / Resulting from sugarcane juice distillation, vinasse is a by-product from ethanol industry. Despite its widespread use as fertirrigation at crops, direct deposition of vinasse into soils has raised environmental issues. Alternatively, it may undergo anaerobic treatment, which is very attractive in view of energy recovery as biogas while preserving vinasse quality as biofertilizer. Among anaerobic treatment systems, fixed-bed reactors come forward due to their operational stability. Their comprehensive modeling is prone to be complex so that the study of fluid flows prevailing inside is fundamental. Accordingly, the goal of this work was to numerically analyze and simulate the hydrodynamics within a particular upflow fixedbed reactor, namely anaerobic packed bed reactor. In general, results from simulations were compared with experimental counterparts as well as against results from well-known single-parameter models for non-ideal reactors. Existing data from hydrodynamic tests were then used, concerning operation at both start-up and shut-down and bioreactor stepwise feeding with tracer solution flow at 4,6 L/day and 2,3 L/day. Non-ideal reactor models comprised either low or high-dispersion together with continuous stirred-tank reactor model while COMSOL Multiphysics ® 4.3b CFD (computational fluid dynamics) software was employed for simulations. Retention time distribution (RTD) curves from simulations and from model calculations were compared to experimental ones. For operation at 2,3 L/day flow, no models proved to be suitable as far as shut-down operation is concerned, due to biomass accumulation inside the bioreactor. Remaining RTD curves suggested that reactor behavior resembles plug-flow type. Compared to non-ideal reactor models, CFD simulations proved to properly reproduce experimental data while being able to provide detailed and accurate information for process engineering towards effluent treatment. Furthermore, a numerical simulator was implemented as based on the lattice Boltzmann method (LBM) in order to deal with two-dimensional steady-state laminar flow inside a channel. As part of research work on LBM simulation of agroindustrial biosystems, aforesaid simulator contributed to LBM simulation of hydrodynamics within bioreactors for wastewater treatment in general.

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Devido às condições como são criadas as ovelhas, para o processamento industrial dessa lã é indispensável a retirada da maior parte possível de impurezas por meio da lavagem, para então ser transformada em fio pelo processo de cardar e por fim ser fiada e tingida. A alta temperatura e pH que são utilizados na lavagem contribuem significativamente para a geração dos lodos como efluente e a alta quantidade de água utilizada faz com que este efluente fique bastante úmido. O método mais comum de tratamento desse tipo de efluente se dá por meio da decantação ou sedimentação através de tratamento biológico via sistema de lodos ativados. Apesar de apresentar uma boa eficiência, esse método não é suficiente para remoção de compostos orgânicos dissolvidos, além de produzir grande volume de lodo. Algumas opções como a secagem ou hidrociclonagem, contribuem para o espessamento dos lodos gerados durante o tratamento do efluente. Os parâmetros geométricos dos hidrociclones dependem da família a qual ele pertence, as configurações da família Rietema e Bradley são os que aparecem com mais frequência nos trabalhos da literatura quando se trata de equipamentos com boa eficiência para separação de sólido-líquido. O Rio Grande do Sul, dentre os estados brasileiros, se destaca tanto na produção têxtil como no cenário da pecuária, em especial na produção de lãs de ovinos, por isso o objetivo desse trabalho foi projetar, analisar e simular a fluidodinâmica de hidrociclones do tipo Rietema e Bradley para o espessamento do lodo produzido por uma indústria têxtil da cidade de Bagé – RS. Primeiro, foi realizado a caracterização física do lodo do efluente através da obtenção da temperatura, da massa específica da fase fluida e da parte sólida, da sua viscosidade, da sua concentração de sólidos, e da sua distribuição do tamanho médio de partículas. Também foi feita a caracterização química através das medidas do pH, da DQO, da quantidade de matéria orgânica e condutividade elétrica. Com base nesses resultados e nas equações que relacionam a eficiência com diâmetro de corte e com o diâmetro da secção cilíndrica do hidrociclone, foi possível projetar e analisar o comportamento das eficiências dos hidrociclones de configuração Rietema e Bradley. Também foi verificado com base nas relações de Euler e Reynold qual dos hidrociclones tem menor gasto energético para uma mesma faixa de eficiência. Por fim, foi realizada a análise numérica por meio de simulação computacional, por CFD utilizando o programa ANSYS para descrever os perfis de velocidade, pressão e o comportamento da fase líquida e sólida no interior dos hidrociclones. Os resultados da caracterização física demostraram que o lodo possui massa específica de 1000,05 kg/m3 e o sólido contido no lodo possui uma massa específica de 1002,64 kg/m3 e diâmetro de partícula de 586 e uma concentração volumétrica de sólidos de 4,2 %. Na sensibilidade paramétrica, os hidrociclones de configuração Rietema e Bradley se comportaram de maneira bastante semelhante. Os resultados das simulações auxiliaram no conhecimento e na interpretação gráfica de como ocorre o movimento do fluido e a separação das fases no interior do hidrociclone. Na visualização dos perfis de velocidade tangencial, foi observado que esta é maior na região central do hidrociclone, onde retornará por movimento helicoidal ascendente, à fase menos densa. As correntes de pressão mostraram que essa variável é maior próxima nas paredes do hidrociclone, o que provoca a separação das fases. Para análise da eficiência foi utilizado o modelo Lagrangeano com curva de dispersões de sólido em água com mediana de distribuição de 586 . Ambos hidrociclones projetados apresentaram uma eficiência de separação de 74 %. / The disposal of industrial and residential wastewater into water bodies has gained increasing attention of surveillance of environmental agencies. So it is increasing the contribution of scientific research groups to develop new technologies to help ensure that these discharges are less harmful to nature. The textile industry contributes a great generation of pollutants that are not properly treated when they become aggravating environmental problem. One of the raw materials of the textile industry is the sheep wool. Due to the sheep conditions are created for the industrial processing of such wool is essential that the largest possible removal of impurities by washing, then to be transformed into yarn by carding process and finally be spun and dyed. The high temperature and pH which are used in the wash contribute significantly to the generation of effluent and sludge as high amount of water used makes this effluent becomes moist enough. The most common method of treatment of this effluent is through decantation or sedimentation through biological treatment through activated sludge system. Despite presenting a good efficiency, this method is not sufficient for removing dissolved organic compounds, besides being very susceptible to the effluent composition and produce large amounts of sludge. Some options like, drying or hydrocycloning, contribute to the thickening of sludges generated during treatment of the effluent. The geometric parameters of hydrocyclones depend on the family to which it belongs, Rietema and Bradley Family settings are appearing more frequently in the work of literature when it comes to equipment with good efficiency for solid-liquid separation. The Rio Grande do Sul, among the Brazilian states, it is so prominent in the textile production and in livestock scenario, especially in wool production of sheep, so the aim of this study was to design, analyze and simulate the fluid dynamics of hydrocyclones type Rietema and Bradley for sludge thickening produced by a textile city of Bage - RS. First the physical characterization was carried effluent sludge by raising the temperature, the density of the fluid phase and the solid part of its viscosity, its solids concentration and its distribution of the average particle size. Also the chemical characterization was done by raising the pH, COD, the amount of organic matter and conductivity. Based on these results and the equations that relate efficiency with cutting diameter and the diameter of the cylindrical section of the hydrocyclone, it was possible to design and analyze the behavior of the efficiencies of Rietema and Bradley configuration hydrocyclones. It also found based on the relationship of Euler and Reynold which the hydrocyclones has lower energy expenditure for the same range of efficiency. Finally, a numerical analysis was carried out through computer simulation by CFD ANSYS software to describe the velocity profile, pressure and performance of liquid and solid phase within the hydrocyclones. The results of the physical characterization showed that the sludge has a specific weight of 1000.05 kg / m3 and the solid contained in the sludge has a specific weight of 1002.64 kg / m3 and a particle diameter of 586 m and a volume concentration of 4 ,2 %. In parametric sensitivity, the configuration hydrocyclones Rietema and Bradley behaved in much the same way. The simulation results helped in knowledge and graphic interpretation of how occurs the fluid motion and phase separation inside the hydrocyclone. In view of the tangential velocity profiles, it was observed that this is higher in the central region of the hydrocyclone, which returns ascending helical movement, the less dense phase. The pressure currents shown that this variable is greater near the walls of the hydrocyclone, which causes phase separation. To analyze the efficiency we used the Lagrangian model with solid dispersions curve in water with a median of distribution of 586 micrometers. Both hydrocyclones designed showed a 74% separation efficiency.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2019-03-11T22:27:03Z No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2018.pdf: 6217665 bytes, checksum: a00620aa466c15bb7a0ac5126e8c3614 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-11T22:27:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2018.pdf: 6217665 bytes, checksum: a00620aa466c15bb7a0ac5126e8c3614 (MD5) Previous issue date: 2018-11-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The objective of this study was to develop a laboratory-scale photobioreactor (PBR) capable of obtaining microalgae cultures with high cell density. For this, the cultivation of Poterioochromonas malhamensis was evaluated in a flat-plate PBR, built with a useful volume of 10 L. The microalga strain was isolated from an artificial lake from Toledo – PR. The whole study was based on the System Analysis Theory, in which the research was divided into four hierarchical levels. In the first level, the mass transfer (MT) parameters were evaluated by means of a fractionated factorial design (FFD) considering four factors: gas inlet flow (Qgas), CO2 in the inlet gas (φCO2), antifoam concentration (CAE) and salinity of the medium (φsal), whose adjustable values may represent the MT for the responses K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Thus, the parameters K_L a_(O_2 ) (14.88 to 79.32 h-1) and K_L a_(CO_2 ) (0 to 125.40 h-1) were verified experimentally, as well as the equilibrium concentration variations: O_2^eq (37.33 to 99.66%) and CO_2^eq (0 to 98.33%) respectively, relative to the equilibrium values of the species dissolved in pure water. Still in the first level, the Euler-Euler model was used for the study of the fluid dynamics inside the PBR, with the software Comsol®, being evaluated three configurations: PBRA – without disperser; PBRB – with simple bubble disperser; and PBRC – with perforated disperser, whose bubble dispersion proposal ensured a higher frequency of the light-dark cycles, according to the simulations of water and bubbles flows performed in mono and multiphase systems, respectively. The influence of the bubble dispersion module on cell growth was verified experimentally with PBRA and PBRC runs, which showed a 175% increase in biomass production (15.7 g L-1) with use of PBRC. In the second hierarchical level, the tolerance of the strain to the adjustable conditions of the system was studied: Qgas, φCO2, in addition to temperature, lighting conditions, nutrient concentrations and organic carbon, using the pulse technique. Within the evaluated ranges, the results did not show inhibition of growth, but was accentuated in values above 30 °C. Also, at this level, assuming the production of 1 g L-1 biomass, M-8 and BG-11 media were optimized by linear mathematical programming, whose objective function subjected to constraints based elemental composition of the biomass. Therefore, the original and optimized media were evaluated regarding biomass production, as well as protein, carbohydrate, lipid and pigment chlorophyll-a, chlorophyll-b and carotenoids content of cells. ANOVA indicated the best medium for the production of biomass (M-8), whose optimized values were prepared in the nitrogen source evaluation cultures. In these, three inorganic sources – NH4NO3, NaNO3 and KNO3; and an organic – urea were compared, and it was verified by ANOVA that the most appropriate source for the production of biomass was urea. In the third hierarchical level, a growth model was proposed based on mass balances and the definitions of specific transformation velocity, conversion definition, CO2 and O2 dissociation reactions in water and Henry's Law. After applying the phenomenological modeling of unstructured and non-segregated models, a set of stoichiometric equations was built, which were used to evaluate kinetic models obtained from the literature, by which the influence of light, dissolved CO2 and O2, pH and temperature on cell growth. Using the results obtained at previous levels, the fourth-level study indicated that the simplified model proposed to describe the experimental data of Poterioochromonas malhamensis culture in closed PBR (cell growth, CO2 consumption in the gas phase, and variation in the pH of the medium) was adequate, whose simulations were also satisfactory for the consumption of the inorganic dissolved carbon species, as well as for the mass transfer between the phases. In this step, 32 kinetic and stoichiometric parameters were estimated in the fit of the proposed model to the experimental data, through an algorithm based on the Genetic Algorithms implemented in the software Maple®. Therefore, this study presented the use of the perforated bubble disperser module coupled to the proposed PBR, which allowed the achievement of what is characterized by ultra-high density culture, since ≈ 15 g L-1 of biomass were produced by the culture of P. malhamensis. It was also highlighted the possibility of optimizing important conditions for biomass cultivation, as well as for the design of PBRs, through the collection of experimental data, associated to appropriate statistical methodologies of evaluation and to kinetic and fluid dynamics modeling, according to the General Theory of Systems applied. / Este estudo teve por objetivo o desenvolvimento de um fotobiorreator (PBR) em escala laboratorial capaz de obter culturas de microalgas com alta densidade celular. Para isto, avaliou-se o cultivo de Poterioochromonas malhamensis em um PBR de placas planas, construído com volume útil de 10 L. A cepa desta microalga foi isolada de um lago artificial de Toledo – PR. Todo o estudo foi baseado na Teoria Geral de Sistemas em que se dividiu a pesquisa em quatro níveis hierárquicos. No primeiro nível avaliaram-se os parâmetros da transferência de massa, por meio de um planejamento fatorial fracionado (PFF) considerando-se quatro fatores: vazão de entrada de gás (Qgás), CO2 no gás de entrada (ϕCO2), concentração de antiespuma (CAE) e salinidade do meio (ϕsal), cujos valores ajustáveis podem representar a TM para as respostas K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Com isso, foram verificados experimentalmente os parâmetros: K_L a_(O_2 ) (14,88 a 79,32 h-1) e K_L a_(CO_2 ) (0 a 125,40 h-1), bem como as variações de concentração das espécies dissolvidas no equilíbrio: O_2^eq (37,33 a 99,66%) e CO_2^eq (0 a 98,33%), respectivamente relativo aos valores de equilíbrio das espécies dissolvidas em água pura. Ainda no primeiro nível, o modelo de Euler-Euler foi utilizado para o estudo da fluidodinâmica dentro do PBR, por meio do software Comsol®, sendo avaliadas três configurações: PBRA – sem dispersor; PBRB – com dispersor de bolhas simples; e PBRC – com dispersor perfurado, cuja proposta de dispersão de bolhas garantiu maior frequência dos ciclos claro-escuro, de acordo com as simulações de fluxos de água e de bolhas realizadas em sistema mono e multifásico, respectivamente. A influência do módulo dispersor de bolhas sobre o crescimento celular foi verificada experimentalmente por ensaios feitos com o PBRA e o PBRC, a partir dos quais se verificou o aumento de 175% na produção de biomassa (15,7 g L-1) com a utilização do PBRC. No segundo nível hierárquico, foi estudada a tolerância da cepa frente às condições ajustáveis do sistema: Qgás, ϕCO2, CAE, além de temperatura, condições de iluminação, e concentrações de nutrientes e carbono orgânico, utilizando-se a técnica de pulsos. Dentro das faixas avaliadas, os resultados não mostraram inibição do crescimento, porém este foi acentuado em valores acima de 30°C. Também, neste nível, admitindo-se a produção de 1 g L-1 de biomassa, os meios M-8 e BG-11 foram otimizados por programação matemática linear cuja função objetivo sujeita a restrições baseadas na composição elementar da biomassa. Com isso, os meios originais e otimizados foram avaliados quanto à produção de biomassa, e ao teor de proteínas, carboidratos, lipídeos e pigmentos clorofila-a, clorofila-b e carotenoides. A ANOVA indicou o melhor meio para a produção de biomassa (M-8), cujos valores otimizados foram preparados nos cultivos de avaliação da fonte de nitrogênio. Nestes, três fontes inorgânicas – NH4NO3, NaNO3 e KNO3; e uma orgânica – ureia foram comparadas, verificando-se pela ANOVA que a fonte mais indicada para a produção de biomassa foi a ureia. No terceiro nível hierárquico, foi proposto um modelo de crescimento com base em balanços de massa e nas definições de velocidade específica de transformação, definição de conversão, reações de dissociação do CO2 e O2 em água e a Lei de Henry. Após a aplicação da modelagem fenomenológica de modelos não estruturados e não segregados, obteve-se um conjunto de equações estequiométricas, que foram utilizadas para avaliar modelos cinéticos obtidos da literatura, pelos quais se avaliaram a influência da luz, CO2 e O2 dissolvidos, pH e temperatura sobre o crescimento celular. Utilizando-se os resultados alcançados nos níveis anteriores, o estudo do quarto nível indicou que o modelo simplificado proposto para descrever os dados experimentais de cultivo de Poterioochromonas malhamensis em PBR fechado (crescimento celular, consumo de CO2 na fase gasosa, e variação no pH do meio) foi adequado, cujas simulações mostraram-se satisfatórias também para o consumo das espécies de carbono inorgânico dissolvido, bem como para a transferência de massa entre as fases. Nesta etapa, 32 parâmetros cinéticos e estequiométricos foram estimados no ajuste do modelo proposto aos dados experimentais, por meio de um algoritmo baseado nos Algoritmos Genéticos implementado no software Maple®. Portanto, o presente estudo apresentou a utilização do módulo dissipador de bolhas perfurado acoplado ao PBR proposto, o que permitiu a obtenção do que se caracteriza por cultura de densidade ultra alta, uma vez que ≈15 g L-1 de biomassa foram fornecidos pelo cultivo de P. malhamensis. Destacou-se, também, a possibilidade da otimização de condições importantes para o cultivo de biomassa, bem como para o projeto de PBRs, por meio do levantamento de dados experimentais, associado às adequadas metodologias estatísticas de avaliação e à modelagem cinética e fluidodinâmica, conforme se verificou pela Teoria Geral de Sistemas aplicada.