Um processo competitivo no mercado atual exige a união de qualidade e produtividade. Além disto, o aumento da eficiência dos processos vem ao encontro da atual preocupação com os impactos ambientais das atividades produtivas, principalmente no que concerne ao uso de combustíveis fósseis. O objetivo principal deste estudo foi verificar a possibilidade de aumento da produtividade de um forno de reaquecimento, passando de 42 para 45 toneladas por hora de tarugos de aço com qualidade similar à AISI/SAE 52100. Para esta finalidade, foram efetuadas simulações numéricas dos ciclos de reaquecimento utilizando um aplicativo computacional. Inicialmente foi efetuada uma revisão da bibliografia referente ao assunto, seguindo-se de um trabalho prático que constou de um procedimento de instrumentação em um tarugo com qualidade similar à de um aço AISI/SAE 52100 para obtenção de dados reais do processo de reaquecimento e sua utilização para verificação do comportamento do software utilizado e, por fim, simulações numéricas com dois diferentes tempos de reaquecimento, relativos a uma produção de 42 e 45 toneladas por hora. Considerando-se o perfil térmico do tarugo de aço, obtido a partir das simulações, verificou-se que o equipamento em questão encontra-se próximo aos limites de produtividade. Diminuições no tempo de reaquecimento, ou seja, aumentos na taxa de produção, provavelmente comprometeriam a qualidade do processo e do produto. / A productive process to be competitive requires the union of quality and productivity. Furthermore, the increased efficiency of processes encounters the current concern with the environmental impacts of production activities, particularly with regard to fossil fuels consumption and emissions. The main objective of this study was to investigate the possibility of increasing the productivity of a reheating furnace from 42 to 45 tons per hour of AISI/SAE 52100 steel billets. For this purpose, numerical simulations of reheating cycles were performed using a computer application. Initially a literature review on the subject was performed, followed by a practical work that consisted of a instrumentation procedure in a AISI / SAE 52100 billet to obtain real data from reheating process. This data was used to validate the numerical simulation and, finally, two different reheating times relating to a production of 42 and 45 tons per hour were simulated. Considering the thermal profile obtained from the simulations, it is likely that the furnace is within its productivity limits. Reductions in the reheat time, thus increasing the production rate, are likely to compromise the quality of the final product.

O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco atual de muitas pesquisas. Em especial, escoamentos ao redor de obstáculos rombudos constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências como, por exemplo, na engenharia automobilística, na concepção de edificações submetidas à ação do vento, no estudo de correntes fluviais e marítimas sobre pilares de pontes, em risers, cabos de ancoragem e plataformas de captação de petróleo. O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo por Simulação Numérica Direta do escoamento ao redor de um cilindro com dois graus de liberdade, submetido a Vibração Induzida por Vórtices (VIV), buscando o esclarecimento a cerca dos fenômenos tridimensionais de formação e evolução do escoamento em função da interação fluido-cilindro. As equações de Navier-Stokes e da continuidade são resolvidas numericamente usando esquemas de diferenças finitas compacto de sexta ordem na discretização espacial, em associação com um método de representação das fronteiras do cilindro, denominado Método de Fronteiras Imersas. Inicialmente foram realizadas simulações para os casos de cilindro fixo e em movimento forçado, onde os resultados mostraram que o código computacional consegue modelar satisfatoriamente os fenômenos físicos de acordo com os resultados encontrados na literatura. Para as simulações com cilindro fixo, em movimento forçado e em VIV, nota-se que as estruturas do escoamento tridimensional apresentam modos com comprimentos de onda alterados em função do movimento imposto. Os resultados das simulações em VIV com dois graus de liberdade, para Re = 1250 mostraram que as estruturas tridimensionais do escoamento sofrem significativas alterações espaciais e temporais em função dos parâmetros do modelo dinâmico. Foram identificados diferentes fenômenos de formação e emparelhamento dos vórtices que são modificados em função das condições impostas ao modelo massa-mola amortecimento. / The study of flow around submerged bodies has been the focus of many researches. In special, the flow around bluff bodies are systems of great practical interest in many fields of engineering and other sciences, e.g., the flow around vehicles, buildings submitted to the action of the wind, river and sea currents over pillars of the bridges, risers and cables in the oil platforms. The present work aims to study through Direct Numerical Simulation (DNS) the flow dynamics around a circular cylinder under Vortex-Induced Vibration with two degrees of freedom, searching for identify the changes in the three-dimensional structures of the street wake imposed by the interactions between the flow and the immersed cylinder. The simulations were performed using a sixth-order compact finite differences scheme associated to a Immersed Boundary Method (IBM) to represent the cylinder surface. Firstly, simulations of the flow around fixed and forced movement were accomplished. The computational code Incompact3d presented results in agreement with the literature. The validation of the code shown that is possible to obtain satisfactory results relate to the street wake behind cylinder and the force coefficients are in agreement with others experimental and numerical works. In case of free oscillating cylinder, several changes in the three-dimensional vortex shedding modes are observed as the parameters of the oscillating dynamic model was changed. It was observed that different three-dimensional structures are formed in the wake depending on the initial conditions of the mass-stiffness damping model. The results of the simulations at Reynolds numbers equal to 1250 presenting some hydrodynamic phenomena as paring and turbulent structures in the flow that are modifying during the time and in the computational domain.

Desde a exploração até o planejamento de lavra, metodologias para quantificação do risco associado ao empreendimento mineiro podem melhorar drasticamente o processo de tomada de decisão. Pequenas variações nas condições de contorno de um projeto podem ter impacto significativo sobre o retorno final do mesmo. Dentro deste contexto, na mineração, a incerteza geológica é vista como um dos principais fatores que contribuem para o insucesso do projeto. A medição e gerenciamento do risco geológico na avaliação do projeto e tomada de decisão pode ser realizada em varias etapas do empreendimento mineiro, desde a quantificação dos recursos, sequenciamento de lavra até a exaustão das reservas. Além disso, a incerteza geológica pode ser traduzida no risco financeiro associado, proporcionando uma análise sobre a viabilidade econômica do empreendimento. A necessidade da quantificação da incerteza geológica já era reconhecida pela indústria de mineração desde a década de 1970, onde estimativas globais e locais eram consideradas insuficientes para a otimização do planejamento de produção, sequenciamento de lavra ou estratégias de homogeneização de pilhas. Desta forma, a simulação estocástica vem desempenhando um papel crucial na construção de modelos de incerteza de teores em depósitos minerais, proporcionando uma ferramenta para obter uma análise do risco associado. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia que contribua para a construção de cenários de planejamento de lavra e avaliação do impacto provocado pelas incertezas geológicas fornecidas a partir de modelos simulados. As respostas buscadas, usando a abordagem sugerida, compreendem a definição de uma metodologia para controle e planejamento de lavra incorporando a incerteza local associada ao minério, avaliando a sensibilidade do retorno financeiro e o impacto no planejamento de lavra, considerando variações e incertezas relacionadas ao modelo geológico e estimativa de teores. / From exploration to mine planning, methodologies for quantifying the risk associated with mining enterprise can dramatically improve decision making process. Small variations in the boundary conditions of a project may have significant impact on the final return of the same. Within this context, in mining, geological uncertainty is seen as a major factor contributing to the failure of the project. The need to quantify and manage the geological risk for project evaluation and decision making can be translated into the need to assess the geological risk of any parameter at all stages, from the resources quantification, mining sequencing to reserves exhaustion. In addition, the geological uncertainty can be translated into financial risk, providing an analysis of the economic feasibility of the project. However, the need for quantification of geological uncertainty was already recognized by the mining industry since the 1970, where local and global estimates were considered insufficient for the optimization of production planning, sequencing mining, strategies of homogenization. Thus, the stochastic simulation has played a crucial role in the construction of grade uncertainty models in mineral deposits, providing a tool to perform risk analysis. This study aims to develop a methodology able to contribute in building scenarios of mine planning and evaluation of the impact caused by geological uncertainties supplied from simulated models. Answers searched using the suggested approach include understand the definition of a methodology to control and mine planning incorporating the local uncertainty associated with the ore, assessing the sensitivity of financial return and mine planning considering variantions and uncertainty related to the geological model and grade estimation.

Neste trabalho realiza-se um estudo abrangente das estruturas de veículos comerciais do tipo ônibus. Características específicas das partes que a formam; carroceria, chassi, suspensão; são apresentadas. A questão do empenamento de perfis com seção aberta, que eram utilizados em concepções estruturais antigas para este tipo de veículo, é analisada. Apresenta-se uma formulação para estimar a vida útil de um ônibus baseado no processo de fadiga provocado pelo deslocamento do veículo em vias com irregularidades. Esta formulação foi implementada num código computacional resultando numa ferramenta útil para tomar o projeto deste tipo de estrutura mais dinâmico e melhor fundamentado, apesar das simplificações adotadas. / A complete study of commercial vehicle structures such as a bus is accomplished in this work. Specific characteristic of different parts; suspension, chassis and body; are presented. Twísting of thin-walled open sections is also analysed. In spite of the assumed simplifications, a formulation to estimate the fatigue lifetime due to vibrations originated by road irregularities is presented as an useful tool for vehicle design.

Apresenta-se uma tese de doutorado envolvendo uma análise numérica e experimental dos campos de temperatura e velocidade em armazenadores térmicos via calor sensível. A abordagem experimental é desenvolvida em um tanque cilíndrico vertical de aço inoxidável, com razão de aspecto (H/D) de aproximadamente 1,4. Mediu-se de forma sistemática a temperatura em 28 posições no interior do reservatório e 14 ao longo da sua parede. Os sensores utilizados são termopares, sendo a armazenagem e o processamento dos dados realizados em um sistema de aquisição de dados HP75000, associado a um computador. A abordagem numérica é realizada a partir de um modelo bidimensional, transiente, não linear, em coordenadas cilíndricas, utilizando o método dos volumes finitos, tanto em situações de escoamento em forma laminar quanto turbulenta. São apresentados resultados numéricos e experimentais. A validação experimental do modelo numérico é realizada em duas fases. Na primeira delas, chamada de resfriamento rápido, são utilizadas condições de contorno de isolamento perfeito no topo e base do reservatório, enquanto que a parede lateral, sem isolamento térmico, recebe condição de primeira espécie, fornecida pela leitura dos termopares. Na segunda etapa, resfriamento lento, o domínio computacional é aumentado de forma a incluir o isolamento térmico das paredes e demais componentes estruturais do reservatório, que passam a receber a condição de contorno de terceira espécie, mais realista. Também é implementada a condição de convecção mista decorrente da convecção natural e da convecção forçada, imposta pelos fluxos de entrada e saída no reservatório. Uma vez que neste caso haverá a ocorrência de zonas turbulentas e zonas relaminarizadas no interior do reservatório, um modelo de turbulência para baixos números de Reynolds é usado. Os resultados desta simulação também são validados com dados experimentais, os quais são obtidos com a implementação de um circuito hidráulico ao reservatório utilizado na análise da convecção natural. Como aplicação simula-se o resfriamento de tanques com diversas razões de aspecto e isolamentos térmicos. Os campos de temperatura obtidos com estas simulações são utilizados de duas maneiras. Na primeira delas é obtido o número de Nusselt médio em função da diferença de temperatura média do reservatório e a temperatura ambiente. O número de Nusselt é correlacionado em função da razão de aspecto, perdas térmicas para o ambiente e volume do reservatório. Na segunda etapa, estes resultados são comparados com os obtidos com os modelos simplificados de Múltiplos Nós, freqüentes na literatura aplicada no âmbito da energia solar. / This doctoral thesis presents a numerical and experimental analysis of the temperature and velocity fields in sensible heat storage tanks. The experimental analysis utilizes a cylindrical vertical stainless steel water tank, with aspect ratio (H/D) of 1.4. The temperatures at 28 points inside the reservoir were systematically registered as well as other 14 along its walls. Thermocouples were employed to sense these temperatures, being their output voltages measured by a computer controlled data acquisition system and recorded to the computer hard disk. The numerical analysis is made through a bidimensional, transient, non-linear model, in cylindrical coordinates. The finite volumes method was employed in laminar as well as in turbulent flow conditions. Both numerical and experimental results are presented in this work. The numeric model is experimentally validated in two stages. At the first one, named fast cooling, the boundary conditions are of perfect thermal insulation at the tank top and bottom, while its non-insulated vertical walls are submitted to a prescribed condition, provided by the temperature readings. At the second stage, named slow cooling, the computational domain is enlarged in order to include the walls insulation and other structural components of the tank, submitted then to the more realistic boundary condition of third kind. The mixed convection condition, originated from the natural and forced convection imposed by inlet and outlet flows, is also implemented. Because in this case there will be turbulent and relaminarized regions inside the tank, a model for low Reynolds number was employed. The results from this simulation were also validated with experimental data, obtained from the implementation of an external hydraulic circuit connected to the tank. As an example of application, the cooling of tanks with several aspect ratios and different types of insulation were simulated. The temperature fields obtained from these simulations were used in two ways. In the first one is obtained the average Nusselt number in function of the difference between the average temperature inside the tank and the ambient temperature. These results are correlated to the aspect ratio, thermal losses to the ambient and tank volume. To conclude, these results were compared to those obtained with Multiple Node models, commonly applied at the solar energy field.

Neste trabalho apresenta-se a simulação de fluxos bidimensionais, laminares e incompressíveis entre cilindros rotatórios e placas paralelas (escoamento de Couette), de fluidos Newtonianos e não-Newtonianos, podendo envolver trocas de calor. Determina-se a distribuição de temperatura, velocidade e pressão resolvendo, pelo método de diferenças finitas, baseado no processo de integração temporal de Runge-Kutta e Relaxações Sucessivas, as equações governantes de escoamentos. O sistema de equações considerado envolve as de Navier-Stokes, Maxwell, Poisson e energia, adimensionalizadas, permitindo versatilidade na obtenção e comparação entre os resultados. Usa-se o sistema de coordenadas generalizadas por este possibilitar o emprego de domínios quaisquer. Os resultados obtidos, a baixo custo, utilizando wna estação de trabalho Silicon Graphics Origin200 (LICC) e o supercomputador CRA Y T94 (CESUP/RS), com base num algoritmo computacional eficiente (dinâmico) desenvolvido na linguagem FORTRAN 90, são visualizados graficamente pelos aplicativos Visual3.1 e Graf2d através de linhas de corrente, isotermas e perfis variados, aproximando-se adequadamente dos resultados analíticos, numéricos e experimentais existentes na literatura. / This work presents the numerical simulation of two dimensional incompressible laminar flows between rotating cylinders and parallel plates (Couette flow) for Newtonian and non-Newtonian fluids, with energy dissipation in the form o f heat. Temperature, velocity and pressure distributions are determined nurnerically, by the finite differences explicit Runge-Kutta multistage scheme and Sucessive Relaxation. The system of equations involves the Navier-Stokes, Maxwell model, Poisson and an energy equation, in adimensional form, allowing versatility in order to obtain and compare the results. The boundary fitted coordinates system is employed, because fluids through general forms can be analysed. Obtained results, at low costs, used the Silicon Graphics Origin200 and CRA Y T94 (CESUP-UFRGS), based on an efficient algorithm writen in FORTRAN 90, and they are displayed through streamlines, isotherms and other perfis, and showed to compare well with analytical, numerical or experimental data found in the literature.

Calamidades naturais são cada dia mais frequentes e a maior parte delas está relacionada aos danos ocasionados por tempestades severas. Desta forma, são necessários estudos que auxiliam tanto na compreensão desses fenômenos quanto na previsão dos mesmos para que sejam desenvolvidas estratégias mitigatórias e edificações cada vez mais preparadas para as adversidades meteorológicas. Intensas rajadas de vento provocam um dos principais danos provenientes de tempestades severas e podem ser originadas a partir de fenômenos tais como downbursts ou tornados. Downbursts são fenômenos meteorológicos que apresentam distinto perfil de velocidade de vento e turbulência que causam diversos acidentes no mundo e, por meio deste trabalho, verificou-se que são a causa de diversos acidentes também no Brasil, em especial na região da Bacia Amazônica, na Região Sul e Sudeste brasileira e na região próxima ao litoral do nordeste brasileiro. A previsibilidade de downbursts também é abordada nessa pesquisa; buscou-se verificar a relação existente entre altos valores do índice CAPE e baixos valores de CINE na ocorrência de ventos provenientes de downbursts, tendo sido constatado que esses índices não são eficientes se analisados de forma isolada na previsão de downbursts. Por fim, verificou-se que estudos mais aprofundados a respeito das ações de downbursts sobre edificações fazem-se necessários para o Brasil. Por fim desenvolveu-se uma revisão de literatura a respeito da simulação física e numérica do fenômeno, buscando gerar um embasamento teórico para futuros trabalhos nesta área. / Natural disasters are becoming more frequent every day and most of them are related to damages caused by severe storms, thus studies that help both in understanding these phenomena and in predicting are necessary to the development of mitigation strategies and to the development of building increasingly prepared to the weather adversity. Intense wind gusts are responsible for the major damage from severe thunderstorms and can arise from phenomena such as downbursts or tornadoes. Downbursts are meteorological phenomena that exhibit distinctive profiles of wind speed and turbulence causing many accidents in the world and through this work are found to be the cause of many accidents in Brazil too, especially in the Amazon Basin region in the South and Southeast Brazilian’s Regions and in the region next to the coast of Brazilian’s Northeastern. Predictability of downbursts is also addressed in this study, it was valued the relationship between high values of CAPE index and low values of CINE index for the occurrence of winds from downbursts, it was found that these index are not efficient when analyzed in isolation in predicting downbursts. Finally, it was concluded that more intensive studies on the effects of downbursts on structures are up needed in Brazil. Finally it was developed an investigation on literature about the physical and numerical simulation of this phenomena, seeking to generate a theoretical basis for future work in this area.

As estruturas sanduíche são formadas por duas faces externas (geralmente feitas com fibra sintética e resina) e um núcleo no meio. Estas estruturas possuem elevada rigidez em flexão, resistência ao cisalhamento e à compressão, e um peso muito baixo. São muitas vezes produzidos por moldagem líquida, como a infusão. Neste trabalho, foi utilizada resina éster‑vinílica, manta e tecido de fibra de vidro e núcleos de PET e PVC, para obter estruturas sanduíche pelo processo de RTM Light. O principal objetivo desta tese é validar a utilização desse processo para a fabricação dessas estruturas utilizando combinações dos núcleos e da manta ou tecido nas faces. Buscou‑se também estudar numericamente, utilizando o software OpenFOAM, o processo de RTM Light para estruturas sanduíches, sobre o qual há pouco estudo na literatura. A resina éster‑vinílica apresentou propriedades adequadas para utilização nestes compósitos, como viscosidade intermediária e tempo de cura apropriado para o processo de RTM Light, sendo que sua pós‑cura teve um efeito importante nas propriedades finais dos compósitos. Os dois núcleos demonstraram propriedades similares, como resistência à compressão transversal e longitudinal, mas o PVC apresentou uma resistência ao cisalhamento superior ao PET. Quanto ao tipo de reforço, também foram obtidos resultados similares, mas o tecido apresentou uma maior resistência à flexão que a manta. A simulação numérica do processo possibilitou prever o comportamento da resina dentro do molde de tal maneira a identificar padrões de preenchimento, bem como regiões mais propícias à formação de vazios. Sendo, portanto, uma ferramenta importante na construção de moldes, definição dos parâmetros de processo e na escolha das matérias‑primas. / The sandwich structures are comprised of two external faces (usually made of synthetic fiber and resin) and a core in between. These structures have high stiffness in bending, shear and compression strength, with a very low weight. They are often produced by liquid molding, such as infusion. In this work, vynil‑ester resin, glass mats and cloths and PET and PVC cores were used to obtain sandwich structures by Light RTM process. The main objective of this thesis is to validate the use of this process for the manufacture of these structures produced with a combination of cores and mats/clothes on the faces. The study was also based on a numerical study of the RTM Light process using the OpenFOAM software, for sandwiches structures, about which very little is available in the literature. The vinyl ester resin showed suitable properties for use in these composites, such as intermediate viscosity and adequate curing time for the Light RTM process, and its post‑cure had an important effect on the final properties of the composites. Both cores showed similar properties, such as resistance the transverse and longitudinal compression, but PVC showed greater shear strength than PET. The two types of reinforcement also produced similar results, but the use of cloths increased flexural strength. Numerical simulation of the process enabled prediction of the behavior of the resin inside the mold in a way to identify the filling pattern, as well as regions more prone to void formation. Thus, being an important tool for mold construction, definition of process parameters and the selection of raw materials.

Este trabalho contém uma descrição de um ambiente matematico-computacional e das condições necessárias para o desenvolvimento de software numérico com finalidades aplicativas e instrucionais. É apresentada também, uma metodologia abrangente e instrucional para o estudo e pesquisa de métodos de resolução de equações algébricas, através de fichas instrucionais. É apresentada ainda uma parte de um software interativo numérico aplicativo e instrucional em micro de 16 bits, o SINAI-16. / This work contains a description of a mathemathical enviroment and of the needed conditions compu ter for the development of numerical software with aplicable and instructive ends. A comprising and instructive methodology for the study and research of algebraic equations' resolution, through instructive cards is also presented. Besides it contains a part of an aplicable and instructive interactive numerical software in a 16-bits microcomputer, the SINAI-16.

Um algoritmo para a simulação numérica de escoamentos laminares incompressíveis tridimensionais de fluidos viscosos é proposto neste trabalho. A equação de conservação da energia, assim como as forças de flutuação devido à ação da gravidade, calculadas através da aproximação de Bousinessq, são implementadas para analisar problemas não-isotérmicos. Emprega-se o esquema de Taylor-Galerkin de um passo para a dicretização no tempo e no espaço, respectivamente. O elemento finito empregado é o hexaédrico isoparamétrico de oito nós. Adota-se um enfoque de pseudo-compressibilidade o que permite escrever a equação da continuidade em termos da pressão, a qual é resolvida implicitamente através do Método dos Gradientes Conjugados com Precondicionamento, enquanto as equações de conservação de quantidade de movimento e de energia são resolvidas explicitamente. A integração das matrizes de elemento é efetuada analiticamente considerando o elemento não distorcido e usando um único ponto de integração para avaliar a matriz Jacobiana. O programa é codificado na linguagem FORTRAN 90 e vetorizado para aproveitar as características dos processadores vetoriais existentes nos atuais supercomputadores. / The formulation and application of an algorithm to simulate numerically 3-D incompressible laminar flows is presented in this work. The energy equation and buoyancy forces, which are calculated by Bousinessq approximation, are also implemented to analyse non-isothermic problems. The one-step Taylor-Galerkin scheme is used in order to obtain a useful numerical model. The eight node isoparametric hexahedron finite element is employed. A pseudocompressibility approach is adopted, allowing to write the continuity equation in terms of the pressure. The continuity equation is solved implicitly by the Conjugate Gradient Method with a preconditioning technique, whereas the Equation of Momentum and Energy Conservation are solved explicitly. Element matrices are calculated analytically considering undistorted elements and using one integration point to evaluate the Jacobian Matrix. The code is written in FORTRAN 90 language, and is vectorized in order to take advantage of fast vectorial processors existing in modern supercomputers.