As propriedades da turbulência induzida em um fluido viscoso através da oscilação de uma grade foram investigadas experimentalmente utilizando a técnica DPIV (Digital Particle Image Velocimetry). Perfis verticais da energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia, viscosidade turbulenta e escala de comprimento foram obtidos e comparados com soluções analíticas existentes. Os dados experimentais mostram uma boa concordância com as predições teóricas. Adicionalmente, foi observado que há uma variação significativa da intensidade turbulenta para distâncias próximas da grade. Com o aumento da distância, a turbulência se torna mais homogênea no plano horizontal, e estas variações tendem a desaparecer. Os resultados mostram também que o escoamento somente pode ser considerado livre de cisalhamento para grandes distâncias da grade, onde as tensões de Reynolds se aproximam de zero. Além disso, descobriu-se que são necessários no mínimo 450 campos de vetores para assegurar a precisão das medidas. Também foram realizadas medidas de turbulência em uma configuração de duas grades. Os resultados mostram que a região central entre as duas grades possui certas propriedades similares à turbulência isotrópica. Adicionalmente, foram realizadas comparações com o modelo k-&#949, mostrando que o mesmo pode ser aplicado a uma configuração de duas grades. / The properties of turbulence induced in a viscous fluid by oscillating a grid were investigated experimentally using the digital particle image velocimetry (DPIV). Vertical profiles of the turbulent energy, the dissipation rate, the eddy viscosity and a lengthscale have been obtained and compared with available analytical solutions. The experimental data agree well with the theoretical predictions. In addition, it could be observed that there are significant variations of the turbulent intensities at a small distance from the grid. With increasing distance from the grid, the turbulence becomes more homogeneous in the horizontal plane, and the variations in the turbulent intensities are reduced. The results also show that the turbulence can be considered to be shear-free only at a distance sufficiently far away from the grid, where the Reynolds shear stress aproaches zero. It became evident, furthermore, that at least 450 vector maps should be taken to ensure the accuracy of the measured velocity fluctuations. Turbulence was also measured for a two-grid configuration. It was found that the central region between the grids has certain properties similar to that of isotropic turbulence. The results show good agreement with the k-&#949 model, validating the application of the k-&#949 model to a pair of oscillating-grids.

As propriedades da turbulência induzida em um fluido viscoso através da oscilação de uma grade foram investigadas experimentalmente utilizando a técnica DPIV (Digital Particle Image Velocimetry). Perfis verticais da energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia, viscosidade turbulenta e escala de comprimento foram obtidos e comparados com soluções analíticas existentes. Os dados experimentais mostram uma boa concordância com as predições teóricas. Adicionalmente, foi observado que há uma variação significativa da intensidade turbulenta para distâncias próximas da grade. Com o aumento da distância, a turbulência se torna mais homogênea no plano horizontal, e estas variações tendem a desaparecer. Os resultados mostram também que o escoamento somente pode ser considerado livre de cisalhamento para grandes distâncias da grade, onde as tensões de Reynolds se aproximam de zero. Além disso, descobriu-se que são necessários no mínimo 450 campos de vetores para assegurar a precisão das medidas. Também foram realizadas medidas de turbulência em uma configuração de duas grades. Os resultados mostram que a região central entre as duas grades possui certas propriedades similares à turbulência isotrópica. Adicionalmente, foram realizadas comparações com o modelo k-&#949, mostrando que o mesmo pode ser aplicado a uma configuração de duas grades. / The properties of turbulence induced in a viscous fluid by oscillating a grid were investigated experimentally using the digital particle image velocimetry (DPIV). Vertical profiles of the turbulent energy, the dissipation rate, the eddy viscosity and a lengthscale have been obtained and compared with available analytical solutions. The experimental data agree well with the theoretical predictions. In addition, it could be observed that there are significant variations of the turbulent intensities at a small distance from the grid. With increasing distance from the grid, the turbulence becomes more homogeneous in the horizontal plane, and the variations in the turbulent intensities are reduced. The results also show that the turbulence can be considered to be shear-free only at a distance sufficiently far away from the grid, where the Reynolds shear stress aproaches zero. It became evident, furthermore, that at least 450 vector maps should be taken to ensure the accuracy of the measured velocity fluctuations. Turbulence was also measured for a two-grid configuration. It was found that the central region between the grids has certain properties similar to that of isotropic turbulence. The results show good agreement with the k-&#949 model, validating the application of the k-&#949 model to a pair of oscillating-grids.

Este trabalho apresenta a calibração e o desenvolvimento de um tanque de reaeração, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável por meio de grade oscilante. Foram realizadas adequações ao projeto inicial de construção do tanque, idealizado por ROMA, onde se buscou o equilíbrio e as limitações de funcionamento para que, em futuros trabalhos, o tanque possa ser utilizado sob condições adequadas sem a presença de \"ruídos\" que venham a interferir nos resultados. A calibração do tanque foi realizada levantando-se o coeficiente de reaeração \'K IND.2\' para dois tipos de grades, 256 malhas/\'M POT.2\' e 1024 malhas/\'M POT.2\' constituídas por barras de seção medindo 10 x 10 mm, em diversas freqüências de oscilações sob condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar. Com auxílio de um medidor eletroquímico de oxigênio dissolvido e de um contador de rotação, pôde-se acompanhar a reoxigenação da água e avaliar a freqüência de oscilação das grades. A desaeração da massa de água, necessária para a calibração do tanque, foi promovida por Stripping provocado por cavitação forçada à temperatura ambiente com injeção de nitrogênio. A taxa de reaeração \'K IND.2\' foi calculada por medidas da variação do oxigênio dissolvido em função do tempo provocada por agitação mecânica para determinada freqüência de oscilação da grade. Os resultados obtidos forneceram as curvas de reaeração em função da freqüência de oscilação e do tipo de grade utilizada em cada ensaio que, através do uso de planilha eletrônica, determinaram-se os valores de concentração de saturação (Cs) e coeficiente de reoxigenação (\'K IND.2\') com o uso de regressão não linear. / This work presents a reaeration tank development and its calibration, equipment that generates controlled intensity turbulence produced by oscillating grid. An adaptation on the original design idealized by Roma was made improving the equilibrium of the oscillating grid mechanism and defining the limits of functionality of the device. These are important aspects for future research on experimental turbulence generation since that the use of equipment free of undesirable disturbing noise are of fundamental importance. Tank calibration was obtained through the evaluation of the reaeration coefficient \'K IND.2\' using two types of oscillating grids, 256 and 1024 meshes/\'M POT.2\', constructed with 10 x 10 \'MM POT.2\' square section bars. Experimental runs were conducted under controlled conditions of air temperature and humidity, for several oscillating frequencies for each grid. The necessary water mass desaeration was obtained by ambient temperature stripping, induced by forced cavitation and nitrogen injection. Reaeration coefficients were calculated from data obtained from dissolved oxygen concentration measurements as function of time for each grid size and oscillating frequency combination. As results, reaeration curves with reaeration coefficients as function of oscillating frequency and grid type are presented.

Este trabalho representa o início de uma série de pesquisas que visam o estudo da turbulência e de sua relação com processos de mistura e trocas gasosas entre ar e água, através de experimentos com grades oscilantes. Seu objetivo foi o projeto e a construção de um tanque de grade oscilante, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável. Após a construção do tanque, experimentos para medições de velocidade turbulenta foram feitos, com uso de uma técnica de velocimetria a laser. Uma grade de 9x9 barras foi usada na agitação do fluido, com uma amplitude de oscilação de 3 cm, para 4 diferentes freqüências de oscilação. Adquiriu-se 9600 imagens do movimento do fluido, em 6 regiões do tanque, para a obtenção dos campos de velocidade turbulenta, calculados através do software Visiflow e de um programa computacional desenvolvido neste trabalho. Os gráficos criados a partir dos campos possibilitaram a observação do decaimento espacial da turbulência e da região de sua produção. Os campos médios de velocidade mostraram-se bem inferiores aos campos instantâneos, indicando a existência de baixo escoamento médio do fluido. As condições de isotropia e a homogeneidade espacial da turbulência são mais aproximadas à medida que se afasta da grade. A intensidade turbulenta produzida é diretamente relacionada com a freqüência de oscilação. O número de imagens para a obtenção de uma média representativa da velocidade turbulenta neste equipamento parece ser dependente da freqüência de oscilação da grade. Isto aponta para a necessidade de estabelecer corretamente as condições para os cálculos estatísticos em escoamentos turbulentos / This work presents the project and construction of a tank with an oscillating grid, equipment which provides for the experimental studies of turbulence and its relation to mixing processes and gas transfer across fluid interface. Experiments were carried out with the use of digital particle image velocimetry technique, to investigate the properties of the produced turbulence. A grid made of 9x9 square bars was used to stir the water, with a stroke of 3 cm and 4 different oscillation frequencies. A number of 9600 images were acquired, in 6 regions of the tank, for the generation of the turbulent velocity fields through the software Visiflow and a computational program developed in this work. The results showed that the current equipment, with a new concept for the grid oscillation system, can be conveniently useful for studies in this research field. Average velocity fields appeared to be considerably smaller than the instantaneous velocity fields, which leads to the existence of nearly-stationary turbulence in the water volume. Nearly-isotropic turbulence and spatial homogeneity were approximate as the measurements distanced from the grid. The turbulent intensity was directly dependent on the oscillation frequency. The spatial decay of the turbulence and the region near the grid where it is produced could also be observed. The number of images necessary for the calculus of reliable root-mean-square turbulent velocities seems to be dependent on the oscillation frequency of the grid. It results in the necessity of establishing correct statistical analysis of turbulent flows

A partir da solução analítica obtida para o campo turbulento gerado por duas grades oscilantes em fluido em repouso, considerados os casos de viscosidade constante e viscosidade variável, foram estudados escoamentos turbulentos complexos. A partir de proposta de equação governante linear ainda não publicada de SCHULZ (2003a), foram obtidas soluções promissoras e exploradas possibilidades de generalização. As equações em questão baseiam-se no modelo &#954-&#949. A ferramenta de trabalho no estudo das soluções teóricas foi o programa Mathematica. Embora essa ferramenta simplifique o trabalho mecânico decorrente da busca de soluções viáveis, vale lembrar que a construção do problema depende da criatividade do estudioso. Os objetivos propostos foram atingidos: reproduzir e ampliar os resultados para grades oscilantes de SCHULZ (2001). Adicionalmente, os equacionamentos governantes lineares mostraram possuir soluções compatíveis com a observação. / From the analytical solution of turbulent field generated by two oscillating grids in fluid in rest, complex turbulent flows have been studied considering the cases of constant and variable viscosities. Promising solutions as well as some turbulence generalization possibilities were obtained considering SCHULZ\'s (2003) non-published proposal of linear governing equations. The solutions are based on the &#954-&#949 model. The Mathematica program was used as a tool in the study of the theoretical solutions. Although this tool simplifies the work derived from the search for viable solutions, it is important to remember that the construction of the problem depends on the researcher\'s skills. The aims of reproducing and extending SCHULZ\'s (2001) model for oscillating grids have been achieved. Additionally, the linear governing equations have shown to have compatible solutions with the observation.

A turbulência gerada em equipamentos de grade oscilante presta-se a uma série grande de comprovações experimentais de proposições teóricas. Isto ocorre tanto para a turbulência propriamente dita, como para os fenômenos de transporte a ela associados. Usualmente não se considera a presença de correntes preferenciais nas constatações experimentais conduzidas nesses equipamentos. Entretanto, para que as previsões teóricas possam ser definitivamente corroboradas, é preciso quantificar as correntes preferenciais e a sua forma, de modo que se possa inferir a sua influência nos fenômenos medidos. No presente estudo apresentam-se resultados da quantificação das correntes preferenciais em escoamentos gerados por grades oscilantes. / Turbulence generated by oscillating grids is used in a series of experimental procedures to support or to test theoretical proposals. This way to conduct the studies is usual for turbulence itself and also for associated transport phenomena. Usually the preferential currents are not taken into account during the experiments conducted in oscillating grids equipments. However, to definitively corroborate theoretical predictions, it is necessary to quantify the preferential currents and to determine the shape of the flow, in a way that permits to infer the effects on the measured phenomena. In the present study, results related to preferential currents generated in a stirred grid equipment are presented.

Este trabalho apresenta a calibração e o desenvolvimento de um tanque de reaeração, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável por meio de grade oscilante. Foram realizadas adequações ao projeto inicial de construção do tanque, idealizado por ROMA, onde se buscou o equilíbrio e as limitações de funcionamento para que, em futuros trabalhos, o tanque possa ser utilizado sob condições adequadas sem a presença de \"ruídos\" que venham a interferir nos resultados. A calibração do tanque foi realizada levantando-se o coeficiente de reaeração \'K IND.2\' para dois tipos de grades, 256 malhas/\'M POT.2\' e 1024 malhas/\'M POT.2\' constituídas por barras de seção medindo 10 x 10 mm, em diversas freqüências de oscilações sob condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar. Com auxílio de um medidor eletroquímico de oxigênio dissolvido e de um contador de rotação, pôde-se acompanhar a reoxigenação da água e avaliar a freqüência de oscilação das grades. A desaeração da massa de água, necessária para a calibração do tanque, foi promovida por Stripping provocado por cavitação forçada à temperatura ambiente com injeção de nitrogênio. A taxa de reaeração \'K IND.2\' foi calculada por medidas da variação do oxigênio dissolvido em função do tempo provocada por agitação mecânica para determinada freqüência de oscilação da grade. Os resultados obtidos forneceram as curvas de reaeração em função da freqüência de oscilação e do tipo de grade utilizada em cada ensaio que, através do uso de planilha eletrônica, determinaram-se os valores de concentração de saturação (Cs) e coeficiente de reoxigenação (\'K IND.2\') com o uso de regressão não linear. / This work presents a reaeration tank development and its calibration, equipment that generates controlled intensity turbulence produced by oscillating grid. An adaptation on the original design idealized by Roma was made improving the equilibrium of the oscillating grid mechanism and defining the limits of functionality of the device. These are important aspects for future research on experimental turbulence generation since that the use of equipment free of undesirable disturbing noise are of fundamental importance. Tank calibration was obtained through the evaluation of the reaeration coefficient \'K IND.2\' using two types of oscillating grids, 256 and 1024 meshes/\'M POT.2\', constructed with 10 x 10 \'MM POT.2\' square section bars. Experimental runs were conducted under controlled conditions of air temperature and humidity, for several oscillating frequencies for each grid. The necessary water mass desaeration was obtained by ambient temperature stripping, induced by forced cavitation and nitrogen injection. Reaeration coefficients were calculated from data obtained from dissolved oxygen concentration measurements as function of time for each grid size and oscillating frequency combination. As results, reaeration curves with reaeration coefficients as function of oscillating frequency and grid type are presented.

A turbulência gerada em equipamentos de grade oscilante presta-se a uma série grande de comprovações experimentais de proposições teóricas. Isto ocorre tanto para a turbulência propriamente dita, como para os fenômenos de transporte a ela associados. Usualmente não se considera a presença de correntes preferenciais nas constatações experimentais conduzidas nesses equipamentos. Entretanto, para que as previsões teóricas possam ser definitivamente corroboradas, é preciso quantificar as correntes preferenciais e a sua forma, de modo que se possa inferir a sua influência nos fenômenos medidos. No presente estudo apresentam-se resultados da quantificação das correntes preferenciais em escoamentos gerados por grades oscilantes. / Turbulence generated by oscillating grids is used in a series of experimental procedures to support or to test theoretical proposals. This way to conduct the studies is usual for turbulence itself and also for associated transport phenomena. Usually the preferential currents are not taken into account during the experiments conducted in oscillating grids equipments. However, to definitively corroborate theoretical predictions, it is necessary to quantify the preferential currents and to determine the shape of the flow, in a way that permits to infer the effects on the measured phenomena. In the present study, results related to preferential currents generated in a stirred grid equipment are presented.

A partir da solução analítica obtida para o campo turbulento gerado por duas grades oscilantes em fluido em repouso, considerados os casos de viscosidade constante e viscosidade variável, foram estudados escoamentos turbulentos complexos. A partir de proposta de equação governante linear ainda não publicada de SCHULZ (2003a), foram obtidas soluções promissoras e exploradas possibilidades de generalização. As equações em questão baseiam-se no modelo &#954-&#949. A ferramenta de trabalho no estudo das soluções teóricas foi o programa Mathematica. Embora essa ferramenta simplifique o trabalho mecânico decorrente da busca de soluções viáveis, vale lembrar que a construção do problema depende da criatividade do estudioso. Os objetivos propostos foram atingidos: reproduzir e ampliar os resultados para grades oscilantes de SCHULZ (2001). Adicionalmente, os equacionamentos governantes lineares mostraram possuir soluções compatíveis com a observação. / From the analytical solution of turbulent field generated by two oscillating grids in fluid in rest, complex turbulent flows have been studied considering the cases of constant and variable viscosities. Promising solutions as well as some turbulence generalization possibilities were obtained considering SCHULZ\'s (2003) non-published proposal of linear governing equations. The solutions are based on the &#954-&#949 model. The Mathematica program was used as a tool in the study of the theoretical solutions. Although this tool simplifies the work derived from the search for viable solutions, it is important to remember that the construction of the problem depends on the researcher\'s skills. The aims of reproducing and extending SCHULZ\'s (2001) model for oscillating grids have been achieved. Additionally, the linear governing equations have shown to have compatible solutions with the observation.

Este trabalho representa o início de uma série de pesquisas que visam o estudo da turbulência e de sua relação com processos de mistura e trocas gasosas entre ar e água, através de experimentos com grades oscilantes. Seu objetivo foi o projeto e a construção de um tanque de grade oscilante, equipamento que gera turbulência com intensidade controlável. Após a construção do tanque, experimentos para medições de velocidade turbulenta foram feitos, com uso de uma técnica de velocimetria a laser. Uma grade de 9x9 barras foi usada na agitação do fluido, com uma amplitude de oscilação de 3 cm, para 4 diferentes freqüências de oscilação. Adquiriu-se 9600 imagens do movimento do fluido, em 6 regiões do tanque, para a obtenção dos campos de velocidade turbulenta, calculados através do software Visiflow e de um programa computacional desenvolvido neste trabalho. Os gráficos criados a partir dos campos possibilitaram a observação do decaimento espacial da turbulência e da região de sua produção. Os campos médios de velocidade mostraram-se bem inferiores aos campos instantâneos, indicando a existência de baixo escoamento médio do fluido. As condições de isotropia e a homogeneidade espacial da turbulência são mais aproximadas à medida que se afasta da grade. A intensidade turbulenta produzida é diretamente relacionada com a freqüência de oscilação. O número de imagens para a obtenção de uma média representativa da velocidade turbulenta neste equipamento parece ser dependente da freqüência de oscilação da grade. Isto aponta para a necessidade de estabelecer corretamente as condições para os cálculos estatísticos em escoamentos turbulentos / This work presents the project and construction of a tank with an oscillating grid, equipment which provides for the experimental studies of turbulence and its relation to mixing processes and gas transfer across fluid interface. Experiments were carried out with the use of digital particle image velocimetry technique, to investigate the properties of the produced turbulence. A grid made of 9x9 square bars was used to stir the water, with a stroke of 3 cm and 4 different oscillation frequencies. A number of 9600 images were acquired, in 6 regions of the tank, for the generation of the turbulent velocity fields through the software Visiflow and a computational program developed in this work. The results showed that the current equipment, with a new concept for the grid oscillation system, can be conveniently useful for studies in this research field. Average velocity fields appeared to be considerably smaller than the instantaneous velocity fields, which leads to the existence of nearly-stationary turbulence in the water volume. Nearly-isotropic turbulence and spatial homogeneity were approximate as the measurements distanced from the grid. The turbulent intensity was directly dependent on the oscillation frequency. The spatial decay of the turbulence and the region near the grid where it is produced could also be observed. The number of images necessary for the calculus of reliable root-mean-square turbulent velocities seems to be dependent on the oscillation frequency of the grid. It results in the necessity of establishing correct statistical analysis of turbulent flows