Orientador : Jacobus Willibrordus Swart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-02T16:34:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_Everson_D.pdf: 3796280 bytes, checksum: 4544421a0e4b0024a8f27ca0c269ac7c (MD5) Previous issue date: 2002 / Doutorado

A microfluídica juntamente com a intensificação de processos são duas áreas de pesquisa interessadas no estudo e desenvolvimento de processos em escala micrométrica capazes de manipular diminutas quantidades de reagentes. Para tanto, estes devem contar com dispositivos de pequena escala de tamanho e ao mesmo tempo serem tão confiáveis e eficientes quanto os de escala industrial. Uma das operações unitárias envolvidas nesses processos é a agitação. Em função da ordem de grandeza dos equipamentos e dos materiais em que são fabricados, grandes diferenciais de pressão não podem ser aplicados nos mesmos e como conseqüência no interior dos micromisturadores, como são conhecidos tais equipamentos, o escoamento se dá em regime laminar, sob está condição o processo de mistura é controlado pela difusão entre os componentes. Uma maneira de superar esta dificuldade é gerar no interior do micromisturador o aparecimento de um escoamento caótico. Para tal, podem-se utilizar fontes de energia externa (micromisturadores ativos) ou a própria energia do escoamento (micromisturadores passivos) através da construção de geometrias especiais. O desenvolvimento em laboratório destes equipamentos demanda tempo e geralmente é oneroso. A principal alternativa para este trabalho é a dinâmica dos fluidos computacional (CFD), ferramenta aplicada no presente estudo para analisar três geometrias diferentes propostas e analisadas experimentalmente no trabalho de Cunha (2007). Para caracterizar o funcionamento dos mesmos foram testadas quatro vazões distintas, com as quais foi possível levantar os perfis de pressão, velocidade e fração mássica de dois componentes que eram misturados. Com o intuito de demonstrar a eficiência dos equipamentos dois parâmetros foram analisados: o avanço da qualidade da mistura e a perda de carga para as diferentes condições operacionais. Apesar da limitação da malha e de não ter-se obtido resultados independentes da malha, foi possível se fazer uma comparação entre as três geometrias e identificouse que os micromisturadores M2 e M3 são os que apresentam o melhor desempenho para a faixa de vazão simulada (120 < Re < 1200). / Microfluidics and process intensification are two research areas interested in the study and development of new micrometric-scale devices capable of manipulating and processing small quantities of reagents. These processes have to deal with small scale equipment and at the same time be as reliable and efficient as the large-scale one. Because of the scale of this equipment and the material it is made of, large pressure differential is not possible, as a consequence in the interior of the micromixers, as they are known; a laminar flow develops, under those circumstances the mixing process is controlled by the diffusion mechanism between the two components. One way to suppress this deficiency is to generate a chaotic flow on the micromixer, which can be done by using external energy (active micromixer) or its own flow energy (passive micromixer) through special geometry construction. The experimental development of such microdevices demands time and, generally, is very expensive. The main alternative for this activity is the use of computational fluid dynamics; this tool was employed on this work with the aim of studying three geometries proposed by Cunha (2007). To characterize their working process, four different volumetric flows were simulated and analyzed the pressure, velocity and mass fraction profiles. Two parameters were calculated in order to characterize their efficiency: the mixture quality along the micromixers cross sections and the pressure drop for different operational conditions. Although we have mesh size limitations and a mesh independent results were not obtained it was possible to compare the three micromixers geometries and it was found out that both M2 and M3 micromixers had the best performance under operational conditions tested (120 < Re < 1200).

A microfluídica juntamente com a intensificação de processos são duas áreas de pesquisa interessadas no estudo e desenvolvimento de processos em escala micrométrica capazes de manipular diminutas quantidades de reagentes. Para tanto, estes devem contar com dispositivos de pequena escala de tamanho e ao mesmo tempo serem tão confiáveis e eficientes quanto os de escala industrial. Uma das operações unitárias envolvidas nesses processos é a agitação. Em função da ordem de grandeza dos equipamentos e dos materiais em que são fabricados, grandes diferenciais de pressão não podem ser aplicados nos mesmos e como conseqüência no interior dos micromisturadores, como são conhecidos tais equipamentos, o escoamento se dá em regime laminar, sob está condição o processo de mistura é controlado pela difusão entre os componentes. Uma maneira de superar esta dificuldade é gerar no interior do micromisturador o aparecimento de um escoamento caótico. Para tal, podem-se utilizar fontes de energia externa (micromisturadores ativos) ou a própria energia do escoamento (micromisturadores passivos) através da construção de geometrias especiais. O desenvolvimento em laboratório destes equipamentos demanda tempo e geralmente é oneroso. A principal alternativa para este trabalho é a dinâmica dos fluidos computacional (CFD), ferramenta aplicada no presente estudo para analisar três geometrias diferentes propostas e analisadas experimentalmente no trabalho de Cunha (2007). Para caracterizar o funcionamento dos mesmos foram testadas quatro vazões distintas, com as quais foi possível levantar os perfis de pressão, velocidade e fração mássica de dois componentes que eram misturados. Com o intuito de demonstrar a eficiência dos equipamentos dois parâmetros foram analisados: o avanço da qualidade da mistura e a perda de carga para as diferentes condições operacionais. Apesar da limitação da malha e de não ter-se obtido resultados independentes da malha, foi possível se fazer uma comparação entre as três geometrias e identificouse que os micromisturadores M2 e M3 são os que apresentam o melhor desempenho para a faixa de vazão simulada (120 < Re < 1200). / Microfluidics and process intensification are two research areas interested in the study and development of new micrometric-scale devices capable of manipulating and processing small quantities of reagents. These processes have to deal with small scale equipment and at the same time be as reliable and efficient as the large-scale one. Because of the scale of this equipment and the material it is made of, large pressure differential is not possible, as a consequence in the interior of the micromixers, as they are known; a laminar flow develops, under those circumstances the mixing process is controlled by the diffusion mechanism between the two components. One way to suppress this deficiency is to generate a chaotic flow on the micromixer, which can be done by using external energy (active micromixer) or its own flow energy (passive micromixer) through special geometry construction. The experimental development of such microdevices demands time and, generally, is very expensive. The main alternative for this activity is the use of computational fluid dynamics; this tool was employed on this work with the aim of studying three geometries proposed by Cunha (2007). To characterize their working process, four different volumetric flows were simulated and analyzed the pressure, velocity and mass fraction profiles. Two parameters were calculated in order to characterize their efficiency: the mixture quality along the micromixers cross sections and the pressure drop for different operational conditions. Although we have mesh size limitations and a mesh independent results were not obtained it was possible to compare the three micromixers geometries and it was found out that both M2 and M3 micromixers had the best performance under operational conditions tested (120 < Re < 1200).

Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências da Engenharia, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Carlos Madureira, e da Doutora Margarida Guimarães

Orientador : Rui Fragassi Souza / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campians / Made available in DSpace on 2018-07-17T04:58:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cesar_AmilcarCareli_M.pdf: 6812958 bytes, checksum: 71dbf57d25e73f58e895b379e038f5a1 (MD5) Previous issue date: 1982 / Resumo: Este trabalho apresenta um breve estudo dos mecanismos de conversão de freqüências em diodos de barreira schottky, dos circuitos misturadores mais usuais e das especificações de desempenho correspondentes. São projetados e construídos, em microfitas, dois misturadores: um desbalanceado serie e um balanceado simples, empregando par casado de diodos. O desbalanceado e composto por um acoplador direcional de 2O dB, retorno de F I e CC rea1izado com indutor de núcleo de ar, e um filtro passa-baixas com características de chebyshev, formado por 4 elementos reativos. O circuito balanceado simples e constituído por um acoplador híbrido de 90o/3dB, com 2 ramos paralelos, retorno de FI e CC antecedendo cada diodo, tocos em aberto de 1/4 de comprimento de onda nas freqüências de RF e do oscilador local, e rede de casamento de impedâncias entre diodos e linha de salda, na configuração T, construída com componentes discretos. As linhas de entrada e salda dos circuitos são de 50O. Os projetos são feitos na freqüência de 1,50GHz, para operação com sinal de oscilador local de 1,57GHz. A perda de conversão medida do misturador desbalanceado é de 7,5 dB e a do ba1anceado 6,5 dB. As isolações entre portas de entrada são de 20dB para o desbalanceado operando com +23dBm de potência de sinal de oscilador local, e 11dB para o balanceado com +3dBm de potência de OL. O ponto de intersecção de 3a ordem e de +10dBm e 11,1 dBm, respectivamente para o desbalanceado e o balanceado, determinados para -10dBm de potência de cada sinal de teste. O ponto de compressão de 1dBm e de +3dBm para o desbalanceado e -1 dBm para o balanceado simples. / Abstract: Not informed / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica

Dispositivos de reação miniaturizados tendem a ganhar espaço na indústria de processos químicos por elevarem o transporte de massa e de calor e a segurança dos processos. Para compreender o papel de cada elemento constituinte de um microrreator sobre seu campo de velocidades e fenômenos de mistura, foram simulados um conjunto de dois canais, uma junção em T, 30 canais em formato de serpentina e um microchip completo através da fluidodinâmica computacional. A seção transversal destes microdispositivos têm dimensões entre 100 e 300 µm, enquanto o comprimento dos canais varia de 3000 a 25190 µm. Os modelos computacionais foram discretizados por malhas hexaédricas e os campos de velocidade em estado estacionário foram calculados para vazões de alimentação entre 12,5 e 2000 µL min-1, considerando regime laminar. A mistura foi avaliada pela injeção de traçadores não-reativos e distribuição das respectivas frações mássicas. As simulações foram validadas usando microvelocimetria por imagens de partículas. Os campos de velocidade possuem magnitudes significativas apesar das dimensões reduzidas e baixas vazões de operação dos sistemas. As imagens experimentais do escoamento evidenciaram o formato parabólico do campo de velocidades e o deslocamento de seu ponto máximo nas regiões curvas causado pela força centrífuga, como estimado pelo modelo computacional. Tal força, em conjunto com as forças viscosas na parede, gera fluxos secundários no escoamento. A distribuição de traçadores não-reativos evidenciou a importância dos fluxos secundários para promover mistura na direção ortogonal ao escoamento principal, ocorrendo sob o regime estacionário nas vazões analisadas. O estudo aqui realizado evidencia o emprego da fluidodinâmica computacional como ferramenta para melhor compreensão da fluidodinâmica e como apoio ao projeto de microdispositivos. / Miniaturized reaction vessels are drawing attention of chemical industries because they promote better mass and heat transfer and also enhance process safety. To understand the relevance of each element of a microreactor on the velocity field of the equipment and the corresponding mixing processes, several microdevices were simulated using computational fluid dynamics: an assembly of two channels, a T-junction, 30 channels in a serpentine assembly and a full microreactor. The cross section of the devices is 100 - 300 µm wide and the length of the channels varies between 3000 and 25190 µm. Computational domains were discretized using hexahedral meshes and steady-state velocity fields were computed considering laminar flow for flow rates between 12,5 and 2000 µL min-1. Mixing was evaluated by injecting inert tracers and monitoring their distribution. Simulations were validated against experimental micro particle image velocimetry data. Velocities throughout the devices are relatively high despite the small dimensions of the cross sections and small flow rates. Experimental images of the flow elucidated the parabolic shape of the velocity profile and its distortion on curved segments caused by centrifugal forces, matching predictions of the computational model. Tracer maps indicated secondary flows play an important role in mixing stream perpendicular to the main flow direction. This study emphasizes the use of computational fluid dynamics as a tool for understating flow throughout microdevices and supporting their design.

No atual processo de produção de Propelente Sólido Compósito que é utilizado nos Foguetes de Sondagens e no Veículo Lançador de Satélites, desenvolvidos pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço, estão previstos dois sistemas dedicados para efetuarem a homogeneização da mistura das matérias-primas presentes nesse propelente. Esses sistemas são denominados Macerador I e Macerador II. Com a principal meta de modernizar o referido processo, optou-se por automatizar toda a operação do Macerador II. Nesse contexto, este trabalho apresenta propostas de modelos, elaborados por meio das Redes de Petri, para representarem a atual arquitetura de automatização empregada na operação de comando e controle do Macerdor II. Esses modelos são submetidos às várias seqüências de simulações para avaliar se o comportamento dessa arquitetura é capaz de atender os requisitos de operação e segurança compatíveis com o processo em questão. Nessas simulações são avaliadas as propriedades das Redes de Petri que estão relacionadas com a conservação, a vivacidade e os conflitos do tipo confusão e mortal. Os resultados obtidos nessas avaliações mostram que os modelos propostos são capazes de representar os principais estados alcançados pelos equipamentos previstos no mencionado processo de homogeneização, durante a sua operação, e em função disso são sugeridas alterações que priorizem a segurança e a eficiência na utilização dessa arquitetura.

Este trabalho apresenta o projeto de um bloco LNA-Misturador dentro de um mesmo circuito integrado para aplicações em um receptor Bluetooth 2;45GHz. Uma estratégia de projeto bem clara, concisa e com uma boa base física e matemática foi desenvolvida para auxiliar o processo de projeto de um bloco LNA-Misturador, composto por um LNA cascode em cascata com um misturador de chaveamento de corrente com entradas simples e degeneração indutiva nas fontes dos estágios de transcondutância. Esta estratégia foi adaptada de trabalhos apresentados na literatura. A estratégia de projeto proposta considera o compromisso entre ruído, linearidade, ganho, dissipação de potência, casamento de impedâncias e isolamento de portas, usando as dimensões dos dispositivos e condições de polarização como variáveis de projeto. Com base nesta estratégia se obteve um bloco LNA-Misturador que atinge algumas especificações propostas. Um bloco LNA-Misturador foi projetado e fabricado em uma tecnologia CMOS 0;35µm para validar a estratégia de projeto proposta. Além disso, para atingir os objetivos, durante o desenvolvimento deste trabalho foi dada atenção especial no projeto dos indutores. Foi projetado, fabricado e medido um chip de teste. Para tal fim foram aplicadas técnicas e estruturas de de-embedding nas medidas para conseguir resultados mais confiáveis. Os resultados experimentais obtidos para os indutores e os resultados preliminares do bloco LNA-Misturador s~ao satisfatórios de acordo com as especificações e os esperados das simulações. No entanto, os indutores integrados degradam significativamente o desempenho do bloco LNA-Misturador. Se forem usados processos de fabricação nos quais os indutores apresentem melhor desempenho, os resultados do bloco LNA-Misturador aplicando a estratégia de projeto desenvolvida neste trabalho podem ser melhorados. Finalmente, é importante ressaltar que a estratégia de projeto proposta neste trabalho já está sendo usada e adaptada em outros projetos com o propósito de melhorar os resultados obtidos, e conseguir auxiliar o processo de projeto deste tipo de blocos. / This work presents a fully integrated LNA-Mixer design for a Bluetooth receiver application at 2:45GHz. A concise design strategy with good physics and mathematics basis was developed to assist the design process of a LNA-Mixer block, formed by a cascode LNA in cascade to a single balanced current commutation Mixer with inductive degeneration. This strategy was adapted from literature and considers the trade-offs between noise, linearity, gain, power dissipation, impedance matching and ports isolation, using the device dimensions and bias conditions as design variables. Based on this strategy, the proposed LNA-Mixer design specifications were achieved. To validate the proposed design strategy, the LNA-Mixer were fabricated in a 0:35µm CMOS process. Furthermore, to achieve the specifications, during the development of this work a special attention to the RF CMOS inductors was given. A test chip was designed, fabricated and measured applying de-embedding structures to obtain more reliable results. The experimental results obtained for the inductors and the preliminary results for the LNA-Mixer are satisfactory compared to the specifications and as expected from simulations. However, the integrated inductors degrade the performance of the block significantly and if a manufacturing process in which the inductor has better performance is used, the resulting LNA-Mixer design applying the strategy developed in this work can be improved. Finally, it is important to highlight that the design strategy proposed in this work is already being used and adapted in other designs in order to improve the results, and to assist the design process of such blocks.

Dispositivos de reação miniaturizados tendem a ganhar espaço na indústria de processos químicos por elevarem o transporte de massa e de calor e a segurança dos processos. Para compreender o papel de cada elemento constituinte de um microrreator sobre seu campo de velocidades e fenômenos de mistura, foram simulados um conjunto de dois canais, uma junção em T, 30 canais em formato de serpentina e um microchip completo através da fluidodinâmica computacional. A seção transversal destes microdispositivos têm dimensões entre 100 e 300 µm, enquanto o comprimento dos canais varia de 3000 a 25190 µm. Os modelos computacionais foram discretizados por malhas hexaédricas e os campos de velocidade em estado estacionário foram calculados para vazões de alimentação entre 12,5 e 2000 µL min-1, considerando regime laminar. A mistura foi avaliada pela injeção de traçadores não-reativos e distribuição das respectivas frações mássicas. As simulações foram validadas usando microvelocimetria por imagens de partículas. Os campos de velocidade possuem magnitudes significativas apesar das dimensões reduzidas e baixas vazões de operação dos sistemas. As imagens experimentais do escoamento evidenciaram o formato parabólico do campo de velocidades e o deslocamento de seu ponto máximo nas regiões curvas causado pela força centrífuga, como estimado pelo modelo computacional. Tal força, em conjunto com as forças viscosas na parede, gera fluxos secundários no escoamento. A distribuição de traçadores não-reativos evidenciou a importância dos fluxos secundários para promover mistura na direção ortogonal ao escoamento principal, ocorrendo sob o regime estacionário nas vazões analisadas. O estudo aqui realizado evidencia o emprego da fluidodinâmica computacional como ferramenta para melhor compreensão da fluidodinâmica e como apoio ao projeto de microdispositivos. / Miniaturized reaction vessels are drawing attention of chemical industries because they promote better mass and heat transfer and also enhance process safety. To understand the relevance of each element of a microreactor on the velocity field of the equipment and the corresponding mixing processes, several microdevices were simulated using computational fluid dynamics: an assembly of two channels, a T-junction, 30 channels in a serpentine assembly and a full microreactor. The cross section of the devices is 100 - 300 µm wide and the length of the channels varies between 3000 and 25190 µm. Computational domains were discretized using hexahedral meshes and steady-state velocity fields were computed considering laminar flow for flow rates between 12,5 and 2000 µL min-1. Mixing was evaluated by injecting inert tracers and monitoring their distribution. Simulations were validated against experimental micro particle image velocimetry data. Velocities throughout the devices are relatively high despite the small dimensions of the cross sections and small flow rates. Experimental images of the flow elucidated the parabolic shape of the velocity profile and its distortion on curved segments caused by centrifugal forces, matching predictions of the computational model. Tracer maps indicated secondary flows play an important role in mixing stream perpendicular to the main flow direction. This study emphasizes the use of computational fluid dynamics as a tool for understating flow throughout microdevices and supporting their design.