Tese de mestr.. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2002

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências da Engenharia na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Fernando Manuel Coutinho Tavares de Pinho

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:51Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-08-02Bitstream added on 2014-06-13T19:06:31Z : No. of bitstreams: 1 ferreira_fo_dr_ilha.pdf: 3193450 bytes, checksum: 3053f58635a1e9e783280706c1adb34f (MD5) / Nesta tese propõem-se investigar os escoamentos com superfície livre de fluidos newtonianos e hiperconcentrados de reologia não-newtoniana, com aplicação no âmbito de catástrofes naturais. Esta temática apresenta duas vertentes: uma visão das ciências sociais sobre riscos e catástrofes e seus impactos de ordem econômica e social; uma segunda vertente no plano da engenharia (visão mais mecanicista) que trata do estudo dos escoamentos de fluidos lamosos em corredores de lavas torrenciais, canais e encostas íngremes, com presença de um tipo específico de instabilidade na superfície livre, as roll waves. O fenômeno roll wave é caracterizado por sua configuração periódica, com frentes de ondas que se deslocam com elevada velocidade. Assim, a capacidade destrutiva do escoamento é potencializada com a presença destas instabilidades. Nesta tese procura-se identificar as condições de geração destas ondas e suas propriedades através de modelagem matemática e numérica. Para se estabelecer um modelo matemático que represente o fenômeno em questão, parte-se das equações fundamentais de conservação da massa e quantidade de movimento (equações de Cauchy), levando-se em consideração as hipóteses de águas rasas, com introdução do modelo reológico de Herschel Bulkley na parte viscosa do tensor de tensões. A técnica de análise de estabilidade linear é usada no equacionamento em variáveis adimensionais, tendo sido estabelecido dois critérios para a geração das roll waves: o primeiro está relacionado com número de Froude > , em que é o número de Froude mínimo necessário para geração de roll waves e o segundo é determinado em função da frequência de perturbação < , onde é a frequência máxima de perturbação possível à geração destas ondas. Identificadas tais condições, um... / This thesis follows the investigation of free surface flows of Newtonian and hyperconcentrated (non-Newtonian) fluids on natural disasters context. This research presents two approaches, being the first approach a vision of natural hazards and disasters and their social consequences; and the second, the engineering plan (mechanical point of view) which is the study of muddy fluids in corridors, steep slopes and open channels with the presence of a specific type of instability on the free surface known as the roll waves. Roll wave phenomenon is characterized by its periodic configuration with moving wavefronts at high speed. Thus, the destructive capability of flow is enhanced by the presence of roll waves. This thesis attempts to identify generation conditions for these waves and also their properties, both through mathematical and numerical modeling. In order to establish a mathematical model that represents the phenomenon, the system of equations composed by mass and momentum conservation (Cauchy’s equations) is used, taking into account the assumptions of shallow water, and introducing the Herschel-Bulkley rheological model on the viscous stress tensor. The technique of linear stability analysis is used on the system on dimensionless variables. Two criteria are established for the generation of roll waves: the first is related to Froude number > , where is the minimum Froude number for the generation of roll waves; and the second is determined by the disturbance < , where is the maximum disturbance frequency possible to the generation of these waves. Identified these conditions, a mathematical model (1D) determines the main properties of roll waves, such as amplitude, length and propagation velocity. This model is established by rewriting the equations in a moving coordinate system. As this model i... (Complete abstract click electronic access below)

El documento digital no refiere un asesor / Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Desarrolla los cálculos para la selección adecuada de una bomba sanitaria para el trasvase de yogurt, esto en base a las ecuaciones que gobiernan a los fluidos no newtonianos y con la ayuda de información determinada experimentalmente en laboratorio, de acuerdo a esto el yogurt es considerado un fluido no newtoniano. Para realizar la correcta selección de la bomba para trasvase de yogurt se deberá determinar correctamente los parámetros de caudal, atura dinámica total, potencia, velocidad de operación, etc. Esto nos permitirá seleccionar un equipo eficiente. / Trabajo de suficiencia profesional

O estudo do comportamento reológico de fluidos não Newtonianos tem grande importância em diversas áreas da engenharia. O aumento na demanda destes fluidos por exemplo, no uso doméstico, pessoal e em processos químicos acarreta em dificuldades que vão desde o processo de sua mistura ao seu manuseio. Dentre os fluidos não Newtonianos estão os viscoelásticos, os quais exibem deformação aparente quando os níveis de tensões são inferiores ao limite de escoamento do material e, dentro desta classe, alguns ainda podem apresentam comportamento elástico quando submetidos à baixa taxa de cisalhamento. Juntamente com os efeitos elasto-viscoplásticos, os materiais podem apresentar comportamento tixotrópico, onde devido as tensões sua reestruturação não é instantânea. Na presente Tese, fez-se um estudo numérico a fim de analisar o problema especifico de escoamentos de fluidos elasto-viscoplásticos com comportamento tixotrópico em uma expansão planar abrupta na razão de aspecto 4 : 1. O modelo mecânico aplicado consiste de uma equação viscoelástica para o campo de tensões, uma evolutiva para o parâmetro de estrutura do material, bem como as equações de conservação de massa e momento. O modelo mecânico aplicado mostrou-se capaz de prever o comportamento tixotrópico. A aproximação numérica do modelo aplicado foi feita através do método estabilizado de elementos finitos, especificamente o método Galerkin Mínimos-Quadrados (GLS), o qual foi implementado no código de elementos finitos para fluidos não Newtonianos em desenvolvimento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os fenômenos reológicos presentes no problema foram analisados a partir da influência da cinemática do escoamento, da elasticidade e da tixotropia, no nível de estruturação do material, na posição e tamanho das regiões não escoadas e na deformação elástica do material. Os resultados mostraram-se satisfatórios, pois condizem com os apresentados na literatura, apontando a boa predição do modelo mecânico aplicado bem como a robustez de sua implementação computacional. / The rheological behavior of non-Newtonian uids study is of great then importance in many areas of engineering. The increase in demand of these uids - for example, domestic use, personal and processes chemical - causes di culties ranging from the process of mixing it to handling. Among the non-Newtonian uids are viscoelastic, which exhibit apparent deformation when stress levels are lower than the yield limit of the material and, within this class, some still have elastic behavior when subjected to low shear rates. Together with the elastic-viscoplastic e ects, materials may exhibit thixotropic behavior, ie, due the restructuring strain is not instantaneous. In this thesis was made a numerical study to simulate the speci c problem of ow of elastic-viscoplastic uids with thixotropic behavior in abrupt planar expansion { common geometry in industrial systems associated with elastic-viscoplastic uids, whose ratio the aspect is 4:1. The mechanical behavior of most of these structured materials, are highly non-Newtonian, with this, there is need to make them more pseudoplastic, causing undesirable behaviors such as thixotropic which is a phenomenon somewhat characterized and modeled in the literature. The mechanical model applied is able to predict thixotropic behavior and is composed of a viscoelastic equation for the stress eld and an evolutionary to the material structure parameter in addition to the mass and momentum conservation equations. This mechanical model is approximated by a stabilized nite element model, called the Galerkin method of least squares (GLS). In order to study the rheological phenomena present in the problem is analyzed the in uence of the ow kinematics, elasticity and thixotropy in the level of structure of the material, in position and size of unyielded regions and the elastic deformation of the material. The results were satisfactory, since the the study of intensity the U the results agree with those reported in the literature pointing to good prediction of the mechanical model applied well as the hardiness of their computational implementation.The results of the elasticity showed quite spectacular behavior of unyielded regions of the material since for high values of relaxation time, the unyielded region of channel larger has the form of " ngers"because of the high exibility of the material along the line of symmetry of the channel. The results of the analysis of the elastic deformation show, that model correctly dosing the elasticity in the unyielded regions. The thixotropic e ects reported a slower structuring of the material with increasing characteristic time, in response to strain change caused by the expansion, results indicate that for high values of relaxation time, higher the distance between the unyielded regions of smaller channel and larger.

CISNE JÚNIOR, Roberto Lima da Costa. Transporte de Fluidos e Partículas em Meios Irregulares. 2014. 113 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-10-26T19:31:09Z No. of bitstreams: 1 2014_tese_rlccisnejunior.pdf: 4679198 bytes, checksum: 53ef0a18b5270d30f9e1fc7f5a1ad112 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-10-26T19:31:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_tese_rlccisnejunior.pdf: 4679198 bytes, checksum: 53ef0a18b5270d30f9e1fc7f5a1ad112 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-26T19:31:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_tese_rlccisnejunior.pdf: 4679198 bytes, checksum: 53ef0a18b5270d30f9e1fc7f5a1ad112 (MD5) Previous issue date: 2014 / O escoamento de fluidos no interior de estruturas irregulares apresenta certa complexidade. De início, investigamos o transporte de partículas no interior de uma estrutura ramificada tridimensional semelhante a um pulmão. Essas partículas são arrastadas por um fluido Newtoniano. Verificamos que a estrutura ramificada se comporta como um separador de partículas por tamanho, e que alguns parâmetros geométricos podem ser ajustados para controlar essa separação. Depois, estudamos o escoamento de um fluido Newtoniano e partículas pontuais no interior de canais catracas bidimensionais. Estes canais foram modelados de forma a permitir uma quebra de simetria espacial na direção do escoamento. No entanto, não encontramos mudanças significativas relacionadas ao perfil de escoamento do fluido. Já em relação às partículas ocorre uma grande assimetria no tempo médio de trânsito devido à existência de caminhos que se estabelecem próximos às paredes de perfil assimétrico. Assim, mostramos como obter um efeito catraca das partículas, podendo ocorrer uma seleção das mesmas em determinadas condições de escoamento. Finalmente, analisamos o escoamento de fluidos não-Newtonianos no interior de meios porosos bidimensionais. O fluido escolhido pode exibir dois principais regimes de escoamento: de altas viscosidades, quando em baixas tensões; e baixas viscosidades, quando em tensões mais elevadas. Para tal, utilizamos o modelo de Herschel-Bulkley usado em fluidos de Bingham (pseudoplásticos). Como resultado encontramos um regime de escoamento peculiar, apresentando uma forte canalização do fluido no interior do meio poroso.

[pt] Este trabalho descreve experimentos relacionamentos com o movimento relativo entre partículas sólidas e fluido não-newtoniano, confinados no interior de um duto circular. Medições da pressão dinâmica adicional, devida unicamente à presença da partícula (fonte de perturbação no escoamento) e do arrasto viscoso foram conduzidas de forma a se verificar a validade da Teoria de Brenner (1962). Esta teoria, já confirmada para fluidos newtonianos, permite que parâmetros característicos do escoamento perturbado sejam determinados, convenientemente, através de parâmetros do escoamento não-perturbado (ausência de partícula). Para o caso de fluido não-newtoniano, denominados puramente viscosos, do tipo Power-law, a teoria se mostrou perfeitamente aplicável. O valor da razão Delta P mais A/D descrito por Brenner foi confirmado com uma precisão de 3 por cento, num total de 70 experimentos realizados. Para fluidos não-newtonianos, viscoelásticos, com função viscosidade tipo Power-law, a validade da teoria parece, entretanto, depender de um parâmetro capaz de descrever na natureza constitutiva do fluido utilizado. Experimentos realizados com três diferentes fluidos viscoelásticos (expoentes power-law n igual 0,303; 0,343; 0,483) conduziram à identificação deste parâmetro, o Segundo Número Elástico, El2. Para valores de El2, inferiores a 14, caracterizando um escoamento predominantemente viscoso, o valor da razão Delta P mais A/D novamente é confirmado com precisão inferior a 4 por cento. Para valores de El2 superiores a 40 a razão Delta P mais A/D não mais pode ser avaliada com base em parâmetros do escoamento perturbado, analogamente ao que havia sido proposto por Brenner para o caso de fluidos newtonianos. Neste trabalho incluem-se também registros contínuos dos experimentos enfatizando os efeitos viscoelásticos envolvidos, bem como uma análise dos efeitos de parede associados ao movimento relativo entre fluidos não-newtonianos e partículas sólidas. Todos os experimentos foram realizados num regime de Reynolds variando de 0,1 a 90 e num regime de Weissenberg (calculando com base no modelo de Powell-Eyring) variando de 850 a 3800. / [en] This work describes experiments related to relative motion between solid particles and mon-newtonian fluid, inside a circular duct. Measurements of the aditional dynamic pressure, due to the presence of the particle (a source of disturbance in the flow) ando f the viscous drag, were conducted to verify the validity of Brenner’s Theory (1962). This theory, already confirmed for newtonian fluids, allows the determination of the characteristic parameters of the disturbed flow using parameters of non-disturbed flow (without particle). In the case of purely viscous non-newtonian fluids, of the power-law type, the theory was confirmed. The value of the ratio Delta P plus A/D, described by Brenner, was confirmed. The value an accuracy of 3 per cent, in a total of 70 experiments. For viscoelastic fluids, with Power-law viscosity function, it appears that the validity of the theory depends on the Second Elastic Number, El2. Experiments conducted with three different viscoelastic fluids (power-law exponents, n equal 0,303; 0,343 and 0,483) shows that for values of El2 bellow 14, which characterizes a predominantly viscous flow, the value of of the ratio Delta P plus A/D is agair confirmed, with na accuracy of 4 per cent. For values of the El2, parameter above 40, the ratio Delta P plus A/D cannot be determined using parameters of the non-disturbed flow, as proposed by Brenner for newtonian fluids. In this work are also included graphic registers of the experiment, showing the complex viscoelastic effects, as well as na analysis of the wall effects associated with the relative motion between non- newtonian fluid and solid particles. All the experiments were conducted with Reynolds number between 0,1 and 90 and a Weissenberg number (based in Powell-Eyring model) between 850 and 38.00.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. / Made available in DSpace on 2012-10-19T23:39:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 198530.pdf: 903453 bytes, checksum: dca03fcc371a6542b8e18e43097262f4 (MD5) / Sistemas de trocas térmicas são de grande importância na indústria de alimentos. O objetivo principal deste trabalho é fazer uma revisão de correlações para transferência de calor em fluidos não-newtonianos em dutos circulares e não-circulares, que são apresentadas em artigos, e ainda não foram divulgadas adequadamente, e também propor modificações em algumas correlações. As correlações foram comparadas, sempre que possível, com os dados experimentais da literatura para condições de temperatura de parede constante e fluxo de calor constante, e condições de escoamento laminar e turbulento, considerando-se as condições geométricas em dutos circulares e não-circulares. Este trabalho apresenta modificações em correlações já existentes, como para transferência de calor em dutos circulares com temperatura de parede constante e termicamente desenvolvido, e transferência de calor em dutos não-circulares com temperatura de parede constante e termicamente em desenvolvimento, e transferência de calor em dutos não-circulares com fluxo de calor constante e termicamente em desenvolvimento, as modificações propostas neste trabalho apresentam um bom desempenho comparadas com dados experimentais e correlações mais antigas. Através da comparação entre as correlações apresentadas para transferência de fluxo de calor constante e termicamente desenvolvido em dutos circulares, com os dados experimentais, demonstra-se que para este caso a dependência é exclusiva de um único parâmetro, que é o índice de comportamento do escoamento. A análise das correlações para temperatura de parede constante e termicamente em desenvolvimento, com os dados experimentais, demonstram a importância de se levar em consideração o índice de consistência do fluido. A transferência de calor em dutos não-circulares, mesmo sendo dependente de duas dimensões, apresenta correlações simples e as aproximações de correlações de dutos circulares, também apresentaram bons resultados.

Made available in DSpace on 2015-12-10T14:23:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-05-05. Added 1 bitstream(s) on 2015-12-10T14:29:17Z : No. of bitstreams: 1 000854404.pdf: 2088993 bytes, checksum: 27755a6a32edbefb5a8292b206c46e82 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho são apresentados os resultados dos estudos teórico e numérico de escoamentos Newtoniano e viscoelástico Poiseuille com base no modelo sPTT (simplified Phan-Thien-Tanner ), considerando uma velocidade de escorregamento na parede descrita pela lei de escorregamento Navier-linear. No estudo teórico foi exposta a solução analítica para o referido problema de escoamentos incompressíveis e isotérmicos. As contribuições numéricas deste trabalho são a extensão da metodologia apresentada em [33] para escoamentos com escorregamento na parede. Nessa extensão, os escoamentos com escorregamento poderão ser de fluidos Newtonianos ou viscoelásticos, entretanto, a implementação foi adaptada e verificada apenas para escoamentos confinados. Nos estudos numéricos, será apresentada a estratégia de imposição da velocidade de escorregamento na parede, a qual depende da derivada da velocidade e, adicionalmente no caso viscoelástico, da componente cisalhante do tensor extra-tensão. Outras pequenas, porém importantes, alterações necessárias em decorrência da condição slip também são destacadas. No contexto numérico, a solução analítica será empregada para a verificação da implementação numérica, possibilitando apresentar as análises de convergência da solução numérica para a solução analítica / In this work we present theoretical and numerical results by studying Newtonian and viscoelastic Poiseuille flow based on sPTT model (simplified Phan-Thien-Tanner ), considering a slip velocity on the wall described by the Navier-linear slip law. The theoretical study aims to expose an analytical solution for the problem mencioned above about incompressible and isothermal flow. The numerical contributions of this work is the extension of the methodology presented in [33] to flows under slip wall condition. In this extension, the flows are either Newtonian or viscoelastic fluids; however, an implementation has only been adapted and verified for confined flows. In the numerical studies will be presented a strategy for imposing the slip velocity on the wall, which depends on the derivative of the velocy and additionally, in the viscoelastic case, the shear component of the extra-stress tensor. Other small, but important, changes due to the wall slip condition will also be highlighted. In numeric context, the analytical solution will be used to verify the numerical implementation, what enables presenting the convergence analysis of the numerical solution to the analytical solution