O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

[pt] Este trabalho apresenta uma análise do processo de fusão de uma substância pura em uma cavidade retangular; a qual tem uma das paredes verticais aquecida. A fase sólida do material em mudança de fase é mantida isotérmica à temperatura de fusão. Consequentemente, todo o processo é controlado pela convecção natural térmica na fase líquida. Os gradientes de densidade são devidos unicamente ao campo de temperaturas. O escoamento é laminar e a análise é feita de forma bidimensional. O fluido de trabalho é newtoniano. Supõe-se que a hipótese de Boussinesq é válida, ou seja, considera-se que o fluido possui densidade constante, com exceção do termo de força de empuxo da equação de momentum. São propostas algumas aproximações para descrever o comportamento da densidade em função da temperatura neste termo. As aproximações propostas dependem da substância de trabalho e da gama de temperaturas considerada. Materiais com diferentes números de Prandtl, sujeitos à fusão são analisados numericamente. A simulação numérica utiliza o Método dos Volumes Finitos e é baseada em uma hipótese que considera o processo de fusão como uma sucessão de estados quase-estacionários. Assim, a partir de uma dada posição da frente de fusão, resolve-se as equações de convecção natural em uma cavidade fixa. O formato irregular da interface sólido-líquido é levado em conta através de uma transformação de coordenadas não-ortogonais. De posse da solução da transferência de calor na interface, pode-se determinar a posição da frente de fusão no final do passo de tempo considerado. Em seguida, retorna-se o cálculo do escoamento convectivo para a nova cavidade líquida. O processo é repetido até que o processo de fusão chegue próximo ao fim. O caso da água, que passa por um máximo de densidade próximo à temperatura de 4 graus Celsius, recebe atenção especial. O comportamento anômalo da densidade desta substância pode exercer forte influência sobre a transferência de calor durante o processo de fusão do gelo. O interesse particular no caso da água se deve ao fato do máximo de densidade ocorrer em um domínio de temperaturas frequentemente encontrado na natureza e em diversas aplicações tecnológicas. A carência de trabalhos neste campo motivou a realização de uma parte experimental. Os experimentos realizados permitem medidas de temperatura e observações fotográficas do escoamento e do avanço da frente de fusão. Os resultados mostram que a variação não-linear da densidade do termo de força de empuxo afeta a transferência de calor por convecção natural, o movimento da interface e a estrutura do escoamento. / [en] This work presents an analysis of the melting process of a pure substance enclosed in a rectangular cavity heated from one of the verticals walls. The solid phase of the phase-change material is maintained isothermal at the fusion temperature. Consequently, the process is controlled by thermal natural convection in the liquid phase. The density gradients result from the temperature field only. The flow is laminar and the analysis is two-dimensional. The fluid is Newtonian. The Boussinesq hypothesis is assumed, that is the fluid density is considered to be constant, except in the driving term of the momentum equation. Various approximations are proposed for this term to describe the density behavior with the temperature. The proposed approximations depend on the substance and on the temperature range. Materials submitted to the melting phenomena with different Prandtl numbers are numerically investigated using a Finite Volume Method. The numerical simulation is based on the hypothesis of the quasi-stationary processes. So, from a certain position of the melting front, the natural convection equations in a fixed cavity are solved. The shape of the solid-liquid interface creates some difficulties. An algebraic method of transformation of non-orthogonal coordinates is used to map the irregular physical space occupied by the liquid into a rectangular computational space. The resulting local heat transfer at the interface is then used to determine the position of the melting front at the end of the time step. Next, the convective flow at the new liquid cavity is calculated. The procedure is repeated until the substance is almost completely melted. Special attention is given to the case of water, where a maximum density is attained at a temperature close to 4 degrees Celsius. The anomalous behavior of the water density can strongly influence the heat transfer during the melting process of ice. The lack of works in this field have motivated an experimental investigation. The particular interest of ice melting is based on the fact that the maximum density occurs over a wide range of temperature frequently found in nature and many technological applications. The experiments performed allow temperature measurements and photographic observations of the flow and the melting front motion. The results show that the non-linear density variation in the buoyancy term affects the heat transfer by natural convection, the interface motion and the flow structure.

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Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l’humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l’outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l’ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d’études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l’impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d’étude a été dédié à l’étude de l’efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d’apparition de désordres liés à l’humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s’est focalisée sur l’analyse de l’impact de l’état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l’échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d’étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence d’une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments. / The present PhD thesis work is conducted in the framework of the National Program ANR HUMIBATex Project « How to predict the disorders caused by moisture? What technical solutions to renovate the existing buildings? ». It deals with the numerical and experimental modeling of a coupled heat, air and moisture transfers at different scales: material, envelope and building ambience. In the theoretical part, based on expression of heat and moisture (vapor, liquid and air) balances equations, a phenomenological model describing the coupled heat, air and moisture transfer (HAM) through the wall has been developed. After validation stage (comparison with experimental results and analytical solution), the model has been implemented with confidence in a building energy simulation code (BES). Using this HAM-BES dynamic co-simulation tool, the hygrothermal behavior of the wall and indoor air of buildings were predicted finely. Two cases studies have been undertaken. The aim of the first one was to highlight the impact of hydrothermal transfers on the prediction of building energy consumption. However, the second case study was devoted to study efficiency of different ventilation strategies (extracting or insufflation) on the control and reduction of disorders caused by moisture in residential buildings. In the experimental part, a characterization campaign of physical, hydric and thermophysical properties of construction materials has been carried out. This experimental campaign has been focused on analyzing of the impact of thermal and hydric state of the construction material on the hygrothermal properties values. In another work, several experimental devices, at small-scale and wall scale, were designed in the laboratory to study the hygrothermal response of different building envelopes configuration and validate the developed HAM-BES dynamic co-simulation platform. Results of confrontation have showed good agreement between the numerical solution and experimental measurements.The obtained results in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of a detailed modeling of coupled heat air and moisture transfer through the wall on the hygrothermal behavior prediction of the indoor air, on assessment of pathology indicators and on the evaluation of the buildings energy loads.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EmanueleSRM_DISSERT.pdf: 2423953 bytes, checksum: 516a98f7f1136b2e57265165c2a43b20 (MD5) Previous issue date: 2010-12-21 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Frequency Selective Surfaces (FSS) are periodic structures in one or two dimensions that act as spatial filters, can be formed by elements of type conductors patches or apertures, functioning as filters band-stop or band-pass respectively. The interest in the study of FSS has grown through the years, because such structures meet specific requirements as low-cost, reduced dimensions and weighs, beyond the possibility to integrate with other microwave circuits. The most varied applications for such structures have been investigated, as for example, radomes, antennas systems for airplanes, electromagnetic filters for reflective antennas, absorbers structures, etc. Several methods have been used for the analysis of FSS, among them, the Wave Method (WCIP). Are various shapes of elements that can be used in FSS, as for example, fractal type, which presents a relative geometric complexity. This work has as main objective to propose a simplification geometric procedure a fractal FSS, from the analysis of influence of details (gaps) of geometry of the same in behavior of the resonance frequency. Complementarily is shown a simple method to adjust the frequency resonance through analysis of a FSS, which uses a square basic cell, in which are inserted two reentrance and dimensions these reentrance are varied, making it possible to adjust the frequency. For this, the structures are analyzed numerically, using WCIP, and later are characterized experimentally comparing the results obtained. For the two cases is evaluated, the influence of electric and magnetic fields, the latter through the electric current density vector. Is realized a bibliographic study about the theme and are presented suggestions for the continuation of this work / As Superf?cies Seletivas de Frequ?ncia (FSS) s?o estruturas peri?dicas em uma ou duas dimens?es que atuam como filtros espaciais, podendo ser formadas por elementos do tipo patches condutores ou aberturas, funcionando como filtros rejeita-faixa ou passa-faixa, respectivamente. O interesse no estudo das FSS tem crescido atrav?s dos anos, pois tais estruturas atendem a requisitos espec?ficos como baixo custo, dimens?es e pesos reduzidos, al?m da possibilidade de se integrar com outros circuitos de micro-ondas. As mais variadas aplica??es para tais estruturas t?m sido investigadas, como por exemplo, radomes, sistemas de antenas para avi?es, filtros eletromagn?ticos para antenas refletoras, estruturas absorvedoras, etc. V?rios m?todos t?m sido utilizados para a an?lise de FSS, dentre eles, o M?todo das Ondas (WCIP). S?o diversas as formas de elementos que podem ser utilizados em FSS, como por exemplo, os do tipo fractal, que apresenta uma relativa complexidade geom?trica. Este trabalho tem como objetivo principal propor um procedimento de simplifica??o geom?trica de uma FSS fractal, a partir da an?lise da influ?ncia dos detalhes (fendas) da geometria da mesma no comportamento da frequ?ncia de resson?ncia. De forma complementar ? mostrado um m?todo simples de ajustar a frequ?ncia de resson?ncia atrav?s da an?lise de uma FSS, que utiliza uma c?lula b?sica retangular, na qual s?o inseridas duas reentr?ncias e as dimens?es dessas reentr?ncias s?o variadas, tornando poss?vel o ajuste da frequ?ncia. Para isso, as estruturas s?o analisadas numericamente, utilizando o WCIP, e posteriormente s?o caracterizadas experimentalmente, comparando-se os resultados obtidos. Para os dois casos ? avaliada, a influ?ncia dos campos el?trico e magn?tico, este ?ltimo atrav?s do vetor densidade de corrente el?trica. ? realizado um estudo bibliogr?fico a cerca do tema e s?o apresentadas sugest?es para a continuidade deste trabalho