[pt] A estabilidade do escoamento estratificado de ar e água, sujeito a perturbações periódicas no nível de líquido, é investigada numericamente em um duto horizontal. Selecionou-se o Modelo de Dois Fluidos unidimensional para a simulação do escoamento. As equações de conservação de massa e de quantidade de movimento linear para as fases gás e líquido são discretizadas de acordo com o método dos Volumes Finitos. O acoplamento entre as equações é resolvido sequencialmente com uma versão modificada do método PRIME. Perturbações no nível de líquido foram introduzidas de maneira controlada na entrada da tubulação. A evolução dessas perturbações, ao longo da tubulação, é analisada e os resultados são comparados com as previsões fornecidas por um modelo baseado na teoria linear de Kelvin-Helmholtz. A velocidade de propagação, a frequência e o número de onda das perturbações apresentam excelente concordância entre a simulação e modelo, indicando que, de fato, ambas abordagens são capazes de prever características fundamentais dessas ondas. As taxas de crescimento previstas pelo modelo e as obtidas na simulação, também, foram comparadas apresentando razoável concordância. Os resultados mostram que a frequência da perturbação tem influência na taxa de amplificação e que ondas com frequências mais altas tendem a serem mais instáveis. Para tubulações longas, efeitos não lineares podem ser observados em regiões afastadas da entrada da tubulação. Nesse estágio é possível observar alterações no mecanismo de crescimento das perturbações. / [en] The stability of stratified air-water flow under the influence of periodic disturbances in the liquid level is investigated numerically for a horizontal pipe. One-dimensional two-fluid model is used for flow simulation. Conservation equations for mass and linear momentum are discretized for both phases using a finite volume method. Coupling between equations is achieved by sequentially solving a modified version of PRIME method. Controlled disturbances are introduced in the flow by oscillating the liquid level at the pipe inlet. The evolution of the generated disturbances along the pipe is analyzed and the results are compared with predictions given by a model based on linear theory of Kelvin-Helmholtz (KH). An excellent agreement is obtained for velocity, frequency and wave number of the perturbations. This indicates that both approaches are capable to predict the fundamental characteristics of the waves. Amplifications rates predicted by simulation and model have been also compared and the results show a reasonable agreement. It is found that the frequency of the perturbations plays a role in the amplification rate. For increasingly higher frequencies the disturbances tends to be more unstable. The analysis is extended for long pipes, in such cases the growth rates changes at locations far from the inlet. It is conjectured that non linear mechanisms are related to observations.

Dans le but de prédire l’évolution d’un hypothétique accident au sein d’un réacteur nucléaire, nous nous proposons au travers de cette étude de comprendre la dynamique de bulles de gaz évoluant dans un bain stratifié constitué de deux liquides superposés. Pour ce faire, un dispositif expérimental muni de caméras à haute cadence a été construit afin d’observer en détail la dynamique de bulles d’air isolées et de trains de bulles traversant une interface séparant deux liquides newtoniens immiscibles initialement au repos. En faisant varier la taille des bulles injectées ainsi que les contrastes de viscosité entre les liquides d’un et quatre ordres de grandeur respectivement, ce dispositif a permis d’observer une grande variété de régimes d’écoulement. Dans certaines situations, les bulles de taille millimétrique restent piégées à l’interface liquide-liquide, tandis que les bulles plus grosses parviennent à traverser l’interface, entraînant une importante colonne de liquide lourd derrière elles. Après que l’influence des paramètres physiques a été qualitativement établie à la lumière de modèles simples, des simulations numériques de plusieurs situations sélectionnées ont été réalisées. Celles-ci ont été menées à partir de deux approches basées sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, l’une utilisant une technique de capture d’interface, l’autre une description de type « interface diffuse » de Cahn-Hilliard. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ont confirmé la fiabilité des prédictions numériques dans la plupart des cas, mais ont également souligné le besoin d’améliorer la capture de phénomènes physiques à petite échelle, en particulier ceux liés au drainage de film. / In order to predict the evolution of a hypothetical accident in pressurized water nuclear reactors, this study aims to understand the dynamics of gas bubbles ascending in a stratified mixture made of two superimposed liquids. To this aim, an experimental device equipped with two high-speed video cameras was designed, allowing us to observe isolated air bubbles and bubble trains crossing a horizontal interface separating two Newtonian immiscible liquids initially at rest. The size of the bubbles and the viscosity contrast between the two liquids were varied by more than one and four orders of magnitude respectively, making it possible to observe a wide variety of flow regimes. In some situations, small millimetric bubbles remain trapped at the liquid-liquid interface, whereas larger bubbles succeed in crossing the interface and tow a significant column of lower fluid behind them. After the influence of the physical parameters was qualitatively established thanks to simple models, direct numerical simulations of several selected experimental situations were performed with two different approaches. These are both based on the incompressible Navier-Stokes equations, one making use of an interfacecapturing technique, the other of a diffuse Cahn-Hilliard description. Comparisons between experimental and numerical results confirmed the reliability of the computational approaches in most situations but also highlighted the need for improvements to capture small-scale physical phenomena especially those related to film drainage.

La faible déformabilité et l'accumulation des neutrophiles (globules blancs) dans les capillaires pulmonaires peuvent entraîner des syndromes de détresse respiratoire. Nous étudions le comportement des neutrophiles grâce à un code numérique diphasique de type Volume Of Fluid dans différentes configurations confinées. Les cellules sont représentées successivement par quatre modèles différents : dans un premier temps, nous les modélisons par un fluide newtonien caractérisé par sa viscosité et sa tension de surface. Le noyau très visqueux qu'elles contiennent est pris en compte dans un second temps sous forme d'un solide non-déformable grâce à une méthode de frontières immergées. Puis les effets élastiques sont considérés en modélisant le cytoplasme de la cellule par un fluide visco-élastique d'Oldroyd-B. Enfin, une membrane élastique est introduite autour du cytoplasme afin de séparer le mouvement du cytoplasme de celui du plasma. Nous examinons le comportement des cellules ainsi modélisées dans trois configurations : une géométrie de canaux en croix générant en son centre des écoulements linéaires, comme le dispositif des rouleaux de Taylor, une contraction isolée et un réseau périodique dans lequel la cellule traverse plusieurs contractions successives. Alors que la première configuration permet de placer les cellules dans des écoulements de déformation ou de cisaillement pur, les deux autres géométries se rapprochent davantage des configurations réelles. Les résultats mettent en évidence les différences de comportement de la cellule selon le modèle choisi. L'introduction d'un fluide visco-élastique diminue la viscosité effective des cellules et facilite ainsi leurs déformations et leur entrée dans les contractions géométriques. La membrane en revanche modifie de manière notable la forme des cellules et diminue leurs déformations. / The low deformability of neutrophils (white blood cells) and their accumulation in pulmonary capillaries may cause acute respiratory distress syndrome. A computational fluid dynamic approach using a Volume Of Fluid method is adapted to simulate the behavior of neutrophils in different confined flow configurations. The white blood cells are successively represented by four different models: in a first time, the cell is modeled as a Newtonian fluid, characterized by a viscosity and a surface tension. In a second step, a non deformable core is added using an immersed boundary method to improve representativity of the model. Then, the cytoplasm of the cell is modeled by a viscoelastic fluid. Finally, the effects of an elastic membrane surrounding the cytoplasm are taken into account so as to separate the motion of the plasma from that of the cell. We discuss the behavior of the cell in three different configurations: an equivalent of the 4-roll mill device obtained with a suitable arrangement of micro-channels joining at right angle, an isolated contraction and a periodic network in which the cell goes through several successive contractions. The results shed light on the differences of the cell behaviors obtained with the various models. The introduction of a viscoelastic fluid in the cytoplasm decreases the effective viscosity of the cell and increases its deformability, allowing an easier entrance in a contraction, whereas the membrane affects the cell shape and decreases its deformation.

Le travail de cette thèse aborde le sujet de l’influence des particules non-pesantes et de taille macroscopique sur les écoulements en canal dans des conditions proches du seuil de la transition laminaire-turbulent. Les suspensions sont faiblement concentrées (fraction volumique φ = 5%). Le couplage hydrodynamique existant entre la phase dispersée et la phase continue est résolu numériquement par la Force-Coupling Method, et les particules sont suivies d’une façon lagrangienne. Dans un écoulement laminaire de Couette ou de Poiseuille plan, nous montrons que les contraintes induites par la phase solide augmentent avec l’inertie, et l’influence de la concentration est plus faible qu’en régime de Stokes. Les particules avancent avec un retard dans la direction de l’écoulement et migrent à travers les lignes de courant (effet Segré-Silberberg en Poiseuille). Les vitesses de migration et de glissement s’amplifient avec l’inertie et sont du même ordre de grandeur quand Rep = O(1). Quand les particules sont lâchées librement dans un écoulement de Poiseuille plan en-deça du seuil critique de transition à la turbulence, la suspension initiale- ment homogène (φ = 5%) devient stratifiée, après un temps d’écoulement de plusieurs dizaines d’unités de temps (rapport de la hauteur du canal sur la vitesse moyenne de l’écoulement). Après une centaine d’unités de temps, nous observons le développement d’une instabilité à l’interface entre la zone chargée en particules et la zone de fluide pur. Des motifs dunaires prennent place dans la direction de la vorticité. Ces motifs sont soutenus par des écoulements secondaires d’intensités faibles mais non-nulles. Dans un écoulement au-dessus du seuil de transition, nous avons étudié les profils des phases continues et dispersées et réalisé des visualisations 3D afin de comprendre pourquoi les particules macroscopiques diminuent le nombre de Reynolds critique de relaminarisation de l’écoulement. Nous observons que les particules provoquent une augmentation significative des fluctuations de vitesses dans les directions transverses et qu’elles modifient les structures rotationnelles de l’écoulement, qui deviennent plus petites, plus nombreuses et plus énergétiques (plus grandes vitesses de rotation). Le coefficient de frottement pariétal de l’écoulement de suspension en régime de transition est supérieur à celui de l’écoulement monophasique. Quand le nombre de Reynolds est diminué et que l’écoulement devient finalement laminaire, le coefficient de frottement pariétal rejoint la loi laminaire d’un écoulement monophasique, à condition de substituer la viscosité effective de la suspension à la viscosité du fluide dans l’expression du nombre de Reynolds. D’après nos résultats, la turbulence de l’écoulement de suspension est conservée jusqu’à des nombres de Reynolds bien inférieurs à celui de l’écoulement monophasique en canal, en accord avec les observations ex- périmentales de Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) pour une géométrie cylindrique. Par ailleurs, nous montrons que selon le sens de la transition, laminaire → turbulent ou turbulent → laminaire, le nombre de Reynolds critique de transition d’un régime à l’autre n’est pas le même. Nous n’avons pas observé d’influence significative de la concentration en ce qui concerne la valeur du nombre de Reynolds critique de relaminarisation pour les deux concentrations étudiées (φ = 2.5% et 5%). / This PhD addresses the influence of macroscopic and neutrally buoyant particles on the channel flows close to the laminar-turbulent transition regime. The suspension flow is moderately concentrated (solid volumetric concentration _ = 5%). The hydrodynamic coupling between the dispersed and carrier fluid is numerically resolved using the Force-Coupling Method approach. Particle trajectories are obtained by lagrangian tracking. In laminar wall-bounded flows, we show that the stress induced by the solid phase increases with inertia, and that the effect of the concentration is weaker than in the Stokes regime. The particles lag the flow and they migrate across the streamlines (Segré-Silberberg effect in Poiseuille flow). The migration and slip velocities are of the same order of magnitude for Rep = O(1). When the particles are freely suspended in a Poiseuille flow below the transition threshold, the initially homogeneous suspension (_ = 5%) becomes stratified after several ten time units (channel height/average flow velocity). After a hundred time units, the different rheological properties of the suspension segregated parts induce an instability yielding the formation of dune-like patterns, sustained by weak but finite secondary flows. In the fluctuating flow regime, we studied the profiles of the continuous and dispersed phase and realized 3D visualizations in order to understand why finite size particles delay the relaminarization threshold. The particles induce a significant increase of the velocity fluctuations in the transverse directions and they modify the rotational flow structures, which become smaller, more numerous and more energetic (larger rotation velocity). The wall-friction coefficient of the suspension flow in the transition regime is larger than the single-phase flow case. When the Reynolds number is decreased and the flow becomes laminar, the friction coefficient recovers the laminar law of a single phase flow provided that the fluid viscosity is replaced by the effective suspension viscosity in the Reynolds number definition. Our results clearly show that the two-phase channel flow turbulence is conserved down to a threshold well below the single phase flow limit, in agreement with the observations of Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) for a cylindrical geometry. In addition, we show that according to the transition direction, i.e. laminar 7! turbulent or turbulent 7! laminar, the switch from a regime to another does not occur at the same critical Reynolds number. Finally, in the limit of moderately concentrated (_ = 2.5−5%) suspension flow in a channel, the concentration has no significant influence on the critical Reynolds number.

Este trabalho foi desenvolvido como parte das atividades relacionadas ao projeto de cooperação internacional Brasil-Alemanha intitulado "Bulk metal formed parts for power plants" pertencente ao BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa Colaborativa em Tecnologia de Manufatura), realizado em parceria entre o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH), Alemanha. Este projeto visa o desenvolvimento do processo de forjamento a quente em matriz aberta para a produção de um eixo vazado para aplicação em aerogeradores de energia, em substituição à eixos maciços usualmente obtidos por fundição, visando aumento de desempenho mecânico e redução de peso da estrutura. Neste trabalho buscou-se analisar, por meio de simulação numérica computacional empregando o método de elementos finitos, diferentes parâmetros de forjamento, de modo a indicar a configuração operacional que se mostra mais adequada para a produção de um eixo vazado para a aplicação pretendida. Para isto, foram realizados cinco experimentos numéricos, avaliando a influência de parâmetros de forjamento na qualidade do produto forjado. Alguns parâmetros analisados foram: a sequência operacional de forjamento, geometrias e combinações de matrizes utilizadas industrialmente, razão de mordida, etc. Para as simulações termomecânicas foi utilizado o software de Elementos Finitos PEP/Larstran acoplado ao módulo de simulação de microestrutura Strucsim. O material utilizado nas simulações foi o aço DIN 42CrMo4 (AISI 4140). Os resultados mostraram que, dentre as diferentes combinações e geometrias de matrizes analisadas, o emprego de um par de matrizes côncavas, aplicando a sequência operacional-A analisada, tende a propiciar um produto de mais alta qualidade, promovendo maior uniformidade de deformação e microestrutura mais homogênea. Também, a razão de mordida influencia diretamente na qualidade do produto, sendo que uma razão de mordida na ordem de 0,6 induz graus de deformação maiores e mais profundos na peça forjada, ao mesmo tempo em que exige maiores cargas de conformação. Comparativos entre resultados da simulação e resultados experimentais de ensaios de compressão a quente de corpos de prova cilíndricos foram realizados para validação do software de simulação numérica. Os resultados experimentais mostraram que o software de simulação numérica pode prever com boa aproximação o fluxo de material e a evolução microestrutural durante o forjamento a quente do aço DIN 42CrMo4. / This work was developed as a part of the activities related to the international cooperation project between Brazil and Germany titled "Bulk formed metal parts for power plants" belonging to BRAGECRIM (Brazil-Germany Initiative for Collaborative Research in Manufacturing Technology). This project is in partnership between the Metal Forming Laboratory (LdTM) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) and the Institute of Metal Forming (IBF), from Technical University of Aachen (RWTH), Germany. The project aims the development of an open die forging process to produce a hollow shaft for application in wind turbines, replacing the solid shafts usually obtained by casting, in order to increase the mechanical performance and providing weight reduction to wind turbines. The present work aimed to analyze different forging parameters, using Finite Element Method, in order to indicate most suitable forging configuration to the production of a hollow shaft. Five numerical experiments were performed, evaluating the influence of various forging parameters on the quality of the forged product, such as the forging sequence, tool geometries and tool combinations and bite ratio. For thermomechanical simulations the Finite Element software PEP/Larstran was used, coupled to the microstructure simulation module Strucsim. The material used for the numerical simulations was the DIN 42CrMo4 steel (AISI 4140). The results showed that, among the different parameters analyzed, the use of concave dies, applying the operational sequence-A, tends to provide a forged with higher quality, promoting uniform strain distribution and homogeneous microstructure. Also, results showed that a bite ratio around 0,6 provides higher and deeper strain degrees, but requires higher forming loads. Hot compression tests using cylindrical specimens were performed to validate the numerical simulation software, including microstructure evolution. Comparison between simulation and experimental results showed that the numerical simulation software can predict with good approximation the material flow and microstructure evolution during hot forging for DIN 42CrMo4 steel.

Embora o tema planejamento de redes geodésicas seja largamente investigado, especialmente a partir da segunda metade da década de 70, no âmbito nacional, poucos estudos são encontrados relativos ao planejamento de redes geodésicas, especialmente por meio de simulações numéricas. Recentemente, KLEIN (2014) propôs um método para o planejamento de redes geodésicas (denominado aqui de Método Klein – MK), solucionado por meio de tentativa e erro. Dentro desse contexto objetivo deste trabalho é propor melhorias e adaptar o MK para redes horizontais por meio de simulações numéricas, algo que ainda não é encontrado na Literatura aplicado à otimização de redes. No referido método, cada vez que a rede é reprovada em algum dos critérios considerados, necessita-se de um incremento feito com base na expertise do usuário. Neste trabalho foi desenvolvido um programa (em código aberto) para tornar o método independente de decisões por parte do usuário com o objetivo de tornar o MK viável. Enquanto o geodesista testa decisões em um espaço limitado de opções (por tentativa e erro), a proposta desenvolvida nessa pesquisa testa à exaustão todas as possibilidades do problema por simulações numéricas. Para isso, o usuário deve informar, além dos parâmetros considerados no MK, as seguintes informações: as coordenadas dos pontos de controle (suas precisões e direção(ões) do(os) azimute(es)); as coordenadas aproximadas dos pontos desconhecidos; quais observações serão usadas inicialmente; possíveis novas observações e, por fim, os equipamentos disponíveis. Foram implementadas três estratégias visando minimizar o custo na etapa de planejamento, em ordem crescente de custo, são elas: repetição das observações originalmente propostas (E1); adição de novas visadas (E2) e troca de equipamento por outro de maior precisão (E3). O programa desenvolvido foi testado em três experimentos usando dados provenientes de uma rede real implantada no entorno do campus Florianópolis do Instituto Federal de Santa Catarina e simulando o uso de três equipamentos distintos. Os resultados obtidos mostram que as adaptações tornaram o MK viável do ponto de vista prático e os objetivos propostos foram concluídos com sucesso. Entre as conclusões obtidas deve-se citar: existe uma limitação para incerteza final da rede em função do equipamento utilizado; as visadas adicionais devem ser combinadas de forma a diminuir o número de estações entre os pontos de controle e os vértices desconhecidos da rede; a melhor maneira de aumentar consideravelmente o nível de confiabilidade de uma observação é repetindo-a. Por fim, são feitas considerações sobre as limitações do método proposto: dificuldade do usuário em encontrar valores ideais para a incerteza final da rede; interface visual pouco amigável; método limitado a redes horizontais; e ausência da variável custo de maneira quantitativa na etapa de planejamento. / Although the topic of geodetic network planning has been extensively investigated, especially since the second half of the 1970s, at the national level, few studies have been carried out regarding the planning of geodetic networks, especially through numerical simulations. Recently, KLEIN (2014) proposed a method for the planning of geodesic networks (here called Klein - MK Method), solved by trial and error. Within this context, the objective of this work is to propose improvements and to adapt the MK to horizontal networks through numerical simulations, something that is not yet found in Literature applied to network optimization. In Klein’s work, each time the network is disapproved in any of the considered criteria, an increment is necessary based on the user's expertise. In this work, a program (open source) was developed to make the method independent of user’s decisions with the objective of disseminating the Klein Method (MK) in the related community. While the geodesist tests decisions in a limited range of options (by trial and error), the proposal developed in this paper exhausts all possibilities of the problem by numerical simulations. For this, the user must inform, in addition to the parameters considered in the MK, the following information: coordinates control points (their precisions and direction (s) of the azimuth (s)); approximate coordinates of the unknown points; which observations will be used initially; new possible observations and, finally, the available equipments. Three strategies were implemented in order to minimize the cost of the designing step, in order of increasing cost, they are: repetition of the originally proposed observations (E1); Addition of new sights (E2) and exchange of equipment for another one of better precision (E3). The developed program was tested in three experiments using data from a real network implanted in the surroundings of Florianópolis campus of the Federal Institute of Santa Catarina and simulating the use of three different equipments. Satisfactory results were obtained and the proposed objectives were successfully completed. Among the conclusions obtained should be mentioned: there is a limitation for the final accuracy of the network according to the equipment used; additional sights must be combined in such a way to reduce the number of stations between control points and unknown vertices of the network; The best way to greatly increase the level of reliability of an observation is by repeating it. Finally, considerations are made about the limitations of the proposed method: the difficulty of the user to find ideal values for the final uncertainty of the network; Unfriendly visual interface; Method limited to horizontal networks and absence of quantitative cost analysis in the planning step.

Cette thèse est dédiée à l’étude de l’effet de la configuration des agitateurs (pales planes) et la nature du tensioactif sur la dispersion de gaz dans un liquide en vue d’obtenir un produit foisonné. Cette étude est menée à deux échelles pilote et locale. Le premier chapitre est dédié à une étude à l’échelle pilote. Les résultats ont montré qu’à conditions opératoires fixées, lorsque les agitateurs sont collés et décalés, l’aspect distributif de la dispersion de gaz est amélioré. L’aspect dispersif (taille des bulles), en revanche, reste peu sensible à la configuration des agitateurs. Les protéines sériques« WPI » comme agent tensioactif améliore l’efficacité de la rétention de gaz alors que le Tween 20 la réduit et provoque l’augmentation de la taille des bulles. Le deuxième chapitre concerne une approche locale qualitative (observation optique) et quantitative (détermination de capillaire critique). L’étude qualitative a montré que l’ajout d’un angle de décalage modifie l’écoulement du liquide et les bulles suivent la trajectoire imposée par le liquide. Lorsque les protéines WPI est utilisé comme agent tensioactif, sous l’action de la contrainte de cisaillement, les bulles subissent une déformation qui se termine par une rupture par extrémité. Un système couette a permis de déterminer un nombre capillaire critique correspondant à cette rupture. Par contre, en présence du Tween 20, la déformation ne conduit jamais à une rupture par extrémité. Le troisième chapitre de ce travail est dédié à une étude numérique de l’hydrodynamique de l’écoulement. Cette étude a permis de confirmer les résultats obtenus par l’approche qualitative. A titre d’exemple, un décalage entre deux agitateurs collés conduit à la multiplication des zones de vortex, à l’apparition des élongations supplémentaires et d’effet venturi favorables à l’aspect distributif de la dispersion. L’étude numérique montre également que le gradient maximal et moyen de vitesse reste indépendant de la configuration, ce qui explique pourquoi la taille moyenne est indépendante de la configuration. / Flat-blad impellers configuration coupled with tensioactif agents have been used to study gas dispersion in foaming process. The work has been conducted at pilot and local scales. The first chapter is devoted to a study at the pilot scale. The results showed that under a given operating conditions, a shift between two glued successive impellers promotes distributive aspect of the gas dispersion. However the dispersive aspect (bubble size), remains independent of the impellers configuration. The pilot-scale experiments have also shown that the "WPI" enhance foaming efficiency, while, Tween 20 reduces it and increases the size of the bubbles. The second chapter links with a qualitative (optical observation) and quantitative (determination of critical capillary) at local scale. It has been observed that shifted-impellers modify the flow pattern and promotes the distributive aspect of the mixture. When the WPI is used as a surfactant, shear stress induces bubble deformation until a tip-breakup occurs. Using a Couette system, it has been shown that there exist a critical capillary number corresponding to this rupture. However, the deformation does never induced tip-breakup when using Tween 20. The third chapter of this work is devoted to a numerical study of liquid hydrodynamics under different configuration. It appears that the configuration where the impellers are glued and shifted induces the multiplication of the vortex, the appearance of additional elongations and venturi effect. These effects seem to improve the distributive aspect of mixing in agreement with the results obtained previously. The numerical study also shows that the maximum and average shear gradient is independent of the configuration. This result explains why the mean bubble size remains independent of the configuration.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.

O presente trabalho aborda a aplicação de processos combinados de estampagem, processo convencional e incremental em uma mesma chapa metálica. Essa combinação é denominada de processo de estampagem híbrido. Tal processo é realizado através da fabricação de uma pré-forma pelo processo convencional de estampagem, seguido da manufatura pelo processo incremental. O objetivo principal é analisar o comportamento das deformações ocorridas na geratriz, o que até então só havia sido analisado separadamente, sem um aprofundamento aplicado ao processo híbrido. As deformações ocorridas no processo convencional determinam os caminhos de deformações nos elementos da geratriz, influenciando diretamente as deformações geradas pela estampagem incremental. Para alcançar os objetivos, experimentos foram realizados com o material aço DC04, sendo divididos em duas etapas: a estampagem incremental em linha reta e após o processo de estampagem híbrido. A estampagem incremental em linha reta foi realizada para avaliação do material em relação a diferentes estratégias incrementais e às máximas deformações. No processo híbrido, as deformações da estampagem convencional foram realizadas em três direções com graus de deformações diferentes. Na etapa incremental do processo híbrido foi adotada a estratégia de pirâmide com diferentes inclinações de parede nas amostras. Nos experimentos, foram analisadas as deformações verdadeiras, geometrias finais e redução de espessura das amostras. A simulação numérica é uma ferramenta computacional que foi utilizada para comparação e correlação com os dados dos experimentos físicos. Os critérios de falha ou parada das simulações são dependentes dos dados do material (curva limite de conformação) e/ou dos experimentos físicos realizados (profundidade de ruptura). No desenvolvimento da estampagem incremental em linha reta, o punção de ponta hemisférica com diâmetro de 30mm e 1mm de incremento por etapa apresentou as maiores deformações máximas (1,03). No processo de estampagem híbrido, as amostras com pré-deformações de embutimento profundo tenderam a não influenciar as deformações incrementais finais. As amostras com pré-deformações planas foram diretamente proporcionais às deformações máximas incrementais. Já as com pré-deformações de estiramento biaxial influenciaram as deformações incrementais conforme o grau da pré-deformação. / The present work approaches the application of combined forming processes, and conventional and incremental sheet forming processes in the same metal sheet. This combination is denominated hybrid forming processe. This process is done through the manufacture of a pre form by conventional forming process, followed by incremental sheet forming. The main objective is to analyze the behavior of strains occurred in the blank, which until now was only studied separately, without a deepening study applied to hybrid process. The pre strains occurred in the conventional process determine the strain paths in the blank elements, directly influencing the strains produced by the incremental process. To reach these objectives, experiments with DC4 steel were done, and were separated into two stages: first, a test of incremental sheet forming in a straight line, and, after, the hybrid forming process. The incremental sheet forming in straight line was done to evaluate the material in relation to different incremental strategies in this process and to maximum deformations. In the hybrid process, the conventional process deformations were done in three directions with distinct strain rate. In the incremental stage, the pyramid strategy was adopted with different wall inclinations of samples. In the experiments, the true strains, the final geometries and the samples thickness reduction was analyzed. The numerical simulation is a computational tool that was used for the comparison and correlation with the data of the physical experiments. The failure criterion or stopped simulations depend of the material data (Forming Limit Curve) and/or on the physical experiments done (depth of rupture). In the development of the incremental forming in straight line, the hemispherical-headed punch with diameter of 30 mm and 1 mm of increment per step presented the higher maximum strains (1,03). In the hybrid process, the deep drawing samples with pre-strain did not tend to influence the final incremental strains. The samples with plane pre-strain were directly proportional to the maximum incremental strains. Tthe samples with pre-strain biaxial, on the other hand, influenced the incremental strains according to the degree of pre-strain.

A crescente demanda de energia dos dias de hoje, aliada aos graves problemas ambientais advindos da sua produção tem estimulado a procura de formas alternativas de energia. Dentre as diversas fontes de energia, as renováveis ganham expressão particularmente significativa. Neste contexto, a energia eólica revela-se uma aposta correta, a nível econômico, energético e ambiental. Por outro lado, a microprodução é apontada como uma das soluções para os problemas supracitados. Assim, a combinação de ambas as áreas tem sido alvo de especial interesse. Este trabalho visa caracterizar o vento em ambiente urbano, com particular interesse na possibilidade de seu aproveitamento energético. Um dos principais aspectos para determinar a viabilidade técnica e econômica de uma instalação eólica é a avaliação precisa da distribuição das velocidades de vento na área de aproveitamento. A instalação de turbinas eólicas em áreas urbanas tem determinado a necessidade de aprimorar a metodologia de previsão do campo de velocidades do vento visando à melhor determinação da distribuição dos equipamentos e aproveitamento do potencial existente. Neste contexto, esta dissertação apresenta um estudo sobre a aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional - CFD para avaliação do potencial eólico e o comportamento do vento sobre um modelo de área urbana. Resultados numéricos com diferentes alternativas de modelagem do problema são comparados com dados de um experimento em túnel de vento e dados obtidos com CFD publicados na literatura, visando determinar uma metodologia adequada para avaliação do problema proposto. As simulações numéricas do escoamento de ar em área urbana são realizadas com o uso do programa ANSYS Fluent 13.0, que utiliza o método de volumes finitos para a solução das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e Simulação de Grandes Escalas (LES). O estudo é dividido em dois casos. No primeiro caso, a simulação da área em questão é realizada com as médias de Reynolds de forma a validar o modelo criado. No segundo caso, a simulação é realizada com o método de grandes escalas, cujos resultados serão explorados e comparados com o método RANS. Os resultados obtidos mostram essencialmente duas realidades, a primeira diz respeito à intensidade do recurso eólico e a segunda a sua particular complexidade. / The growing demand for today’s energy, combined with the serious environmental problems of its production, has stimulated the demand for alternative forms of energy. Among the various forms of energy, those that are based on renewable sources have been gaining a particularly significant space for discussion. In this context, the wind energy has proved to be a reliable source, energetically, economically and environmentally speaking. Furthermore, the micro production has been appointed as one of the solutions for the aforementioned problems. Thus, the combination of both these areas has particular interest. This work aims to characterize the wind in the urban environment, with particular interest for the possibility to carry out its energy. In this context this work presents a study on the application of computational fluid dynamics to evaluate the wind potential and the behavior of the wind on urban area. Numerical results with different alternatives for modeling the problem are compared with data from an experiment in wind tunnel and CFD simulation to determine one appropriate methodology for evaluation of the problem. The numerical simulations of the air flow over urban area are performed using the ANSYS Fluent 13.0 which uses the finite volumes method for solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large-Eddy Simulation (LES). The study is divided in two cases. In the first one, the simulation of the area is performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes to validate the model created. In the second case, the simulation is performed with the Large-Eddy Simulation, which will be explored and compared with the results with RANS method. The results obtained show essentially two realities, the first is related to the intensity of wind resource and the second due to its high complexity. It was noted that in the urban areas turbulence intensity is significantly higher than in the rural environment. The non-horizontal flow components showed a high dependence on geometry of the building. The brief comparison of results obtained by simulation software shows an acceptable approach to the wind velocity field. In terms of turbulence intensity, it’s over estimated by the software. It is concluded from the results obtained that the energy use in urban environment provides a delicate task, due to the low wind intensity and complexity of the resource.