Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T09:32:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_RaykleisonIgordosReis_D.pdf: 4245831 bytes, checksum: 07427cc907cc6cf8690c510c3dd14a1c (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O presente trabalho consiste na investigação numérica e experimental do carregamento de um leito fixo com material de mudança de fase no interior das cápsulas esféricas. O modelo matemático é baseado na equação da energia e a solução obtida com a técnica numérica em diferenças finitas com o esquema da malha móvel. O acoplamento do fluido de trabalho com as cápsulas foi feita utilizando o balanço de energia com o material de mudança de fase, obtendo a temperatura em função do tempo e da posição no leito. O modelo desenvolvido mostra os efeitos da temperatura de entrada, vazão mássica, diâmetro da cápsula esférica, material das cápsulas, tempo de carregamento e altura do armazenado. A Validação e otimização dos resultados foi feita com base nos resultados experimentais apresentados. As equações empíricas apresentadas podem ser ferramentas úteis como forma alternativa nos projetos de armazenadores com erro médio de ± 11% e a incerteza nos dados experimentais para a temperatura é de ± 0,5oC. Todos os resultados são analisados e discutidos / Abstract: The present work is to investigate numerical and experimental and the charging of fixed bed PCM within the spherical capsules. The mathematical model is based on the energy equation and the solution obtained with the numerical technique of finite difference scheme with mesh mobile. The coupling of the working fluid with the capsules was conducted using the energy balance of the phase change material, obtaining the temperature versus time and bed position. The model shows the effects of the inlet temperature, mass flow rate, diameter of the spherical capsule, the capsule material, charging time and the stored height. Validation and optimization of the results was based on experimental results. The empirical equations presented can be useful tools as an alternative projects in storages with average error of 11% and the uncertainty of the experimental data for temperature is 0.5oC. All results are analyzed and discussed / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Amauri Garcia, Ivaldo Leão Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T13:38:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_LaercioGouvea_D.pdf: 17047245 bytes, checksum: 5fae42e8e6af30ec0ed1e1c1ea889af5 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: As ligas de alumínio para fundição possuem propriedades de grande interesse industrial, como: baixa massa especifica, boa resistência a corrosão, elevadas condutibilidade térmica e elétrica, boas combinações de propriedades mecânicas, boa trabalhabilidade em processos de usinagem e conformação mecânica. Atualmente, essas ligas são produzidas em vários sistemas e dezenas de composições. A literatura apresenta vários estudos tanto teóricos quanto experimentais focando na evolução microestrutural de ligas binárias a base de alumínio. Leis de crescimento celular e dendritico experimentais e teóricas foram propostas e devidamente validadas. As analises de macrossegregação e formação de poros de ligas binárias de alumínio também foram contempladas em vários estudos recentes. Entretanto, são escassos os estudos abordando importantes famílias de ligas multicomponentes a base de alumínio. Nesse sentido, o presente trabalho se propôs a analisar ligas da família Alumínio-Silício-Cobre (A319.1 e A333.1) [Al-5,5%Si-3,0%Cu e Al-9,0%Si-3,0%Cu] no que diz respeito a evolução da microestrutura dendrítica, macrossegregação e formação de porosidade na solidificação. Para a produção das ligas ternárias foram utilizados Alumínio e Silício comercialmente puros e Cobre eletrolítico. A macrossegregação de soluto e a formação de microporosidade são investigadas tanto experimentalmente quanto por meio de simulações numéricas. A microestrutura dendrítica e quantificada através de seus espaçamentos primários, secundários e terciários, que são devidamente correlacionados com os parâmetros térmicos da solidificação. Os perfis de macrossegregação de soluto, densidade teórica e densidade aparente são apresentados ao longo dos comprimentos dos lingotes. Os perfis de segregação de soluto experimentais foram obtidos através da técnica de espectrometria de fluorescência de raios-X e para a simulação foram calculados levando-se em conta transformações de fase secundarias que ocorrem ao longo da solidificação. As medições de microporosidade foram realizadas utilizando-se a técnica de picnometria...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: Aluminum casting alloys have properties which are of great industrial interest, such as low density, good corrosion resistance, high thermal and electrical conductivities, good combination of mechanical properties, good workability in machining processes and mechanical forming. Currently, these alloys are produced in various systems and dozens of compositions. The literature presents several studies, both theoretical and experimental, focusing on the microstructural evolution of binary aluminum base alloys. Theoretical and experimental cellular and dendritic growth laws have been proposed and validated. Macrosegregation and pore formation during solidification of binary alloys of aluminum have been the focus of several recent studies. However, there are few studies in the literature addressing important families of multicomponent aluminum base alloys. Accordingly, this study aims to analyze Aluminum- Silicon-Copper alloys (series: A319.1 and A333.1) [Al-5.5wt%Si-3.0wt%Cu and Al-9.0wt%Si- 3.0wt%Cu] with respect to the evolution of the dendritic microstructure, porosity formation and macrosegregation during solidification. For the production of the ternary alloys commercially pure aluminum and silicon and electrolytic copper have been used. Solute macrosegregation and microporosity formation are investigated both experimentally and through numerical simulations. The dendritic microstructure is quantified by their primary, secondary and tertiary arm spacings, which are correlated with solidification thermal parameters. The solute macrosegregation profiles, theoretical and apparent densities have been determined along the castings lengths. The solute segregation profiles were obtained by X-ray fluorescence spectrometry and the simulations were performed taking into account secondary phase transformations that occur during solidification. Microporosity measurements were carried out by the picnometry technique...Note: The complete abstract is available with the full electronic document / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Ricardo Enrique Medrano / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T00:41:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 QuilodranAlarcon_OscarEduardo_D.pdf: 15548788 bytes, checksum: 4505ace06d773524a32cc732adb31371 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Os ferros fundidos cinzentos se classificam conforme sua resistência à tração, mas o ensaio de tração dos corpos de prova é lento e inadequado para ser utilizado no controle da produção. A resistência à compressão entre cunhas, mais fácil e rápida de avaliar, está relacionada com a resistência à tração dos ferros fundidos cinzentos por meio de uma equação linear, permitindo a determinação indireta desta última. O objetivo deste trabalho é retomar a pesquisa das características mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, mediante a utilização dos ensaios de tração e compressão entre cunhas. Os resultados conseguiram-se s através da fabricação, ensaio e análise metalográfica e de fratura de materiais das classes NBR FC150 a FC300, não ligados (com diversos teores de fósforo e tratamentos térmicos de recozido) e levemente ligados no estado bruto de fusão (fundidos em condições diversas). O ensaio de compressão entre cunhas aplica-se para verificar a qualidade de mancais de FC200. Discute-se a influência das fases no comportamento mecânico, define-se a curva de compressão entre cunhas, o significado das regiões das curvas de tração e de compressão entre cunhas, e verifica-se a relação entre ambas resistências. Demonstra-se que a curva de compressão entre cunhas pode ser utilizada no controle estatístico de processos. Os ensaios de tração realizados com ciclos de carregamento e descarregamento sucessivos conduzem a curvas de tensão de tração relativa versus deformações recuperáveis e permanentes, utilizáveis na melhoria do projeto mecânico. Propõe-se a aplicação da curva de compressão entre cunhas na avaliação da tenacidade à fratura / Abstract: Grey cast irons are classified based on of their tensile strength, but tensile test is slow to perform and inadequate to be used for online quality control. The wedge srength is easer and faster to perform and it is related with the tensile strength of grey cast irons trhough a linear equation. This equation allows the indirect determination of the tensile strength. The aim of the present work is to address the research of the mechanical characteristics of grey cast irons, by focusing the study on the use of tensile and wedge penetration tests. The results were obtained by casting, tensile and wedge penetration testings, and through metallographic and fracture analysis on NBR- FC150 to FC300 no alloyed (several phosphor levels and annealing heat treatments) and as-cast low alloyed materials (using different casting conditions). The wedge penetration test is used for verifying the quality of structural bearings ofNBR-FC200 cast iron. It is discussed influence of phases on the mechanical behavior. It is defined the meaning of each region of tensile and wedge penetration curves and verified the relationship between tensile and wedge penetration strengths. It is shown that the wedge penetration curve can be used on statistical process control. The loading and unloading tensile test lead to curves of relative tension versus recoverable and permanent deformation which enhance mechanical projets. It is proposed to evaluate the fracture toughness of grey cast irons by the wedge compression curve / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-24T15:15:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jesus_AntonioBatistade_M.pdf: 6229768 bytes, checksum: 61cd2624ecc0457d83d065bb7385e84a (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: O processo de solidificação de um material de mudança de fase em região anular ao redor de um cilindro resfriado pela passagem de um fluido em seu interior é estudado numericamente com vistas à aplicação em sistemas de armazenamento de calor latente. A solução do problema de mudança de fase é feita utilizando a técnica de imobilização de fronteira, onde aplica-se uma transformação de coordenadas, de maneira que no novo sistema a fronteira móvel e irregular seja fixa e paralela às demais. A condução de calor no material de mudança de fase é acoplada à condução na parede do cilindro e à convecção no interior deste. O método de volumes finitos é utilizado para a discretização das equações do modelo matemático que são em seguida resolvidas computacionalmente. São analisados aspectos relativos à implementação da técnica de imobilização, como o surgimento de termos pseudo-convectivos e pesudo-anisotrópicos por conseqüência da mudança de variáveis. Também são estudados aspectos relacionados com o acoplamento da condução de calor no cilindro e no material de mudança de fase e a convecção no fluido refrigerante. São apresentadas comparações com outros trabalhos da literatura e um conjunto de resultados para o caso de água como material de mudança de fase / Abstract: Solidification of a phase-change material in an annulus around a cylinder, which carries inside it a coolant fluid, is studied numerically for application in latent heat thermal energy storage. The boundaryimmobilization technique is used for solving the phase-change problem. A coordinate transformation is performed so that in the new system the moving and irregular boundary becomes fixed and parallel to the others. Heat conduction in the phase-change material is coupled with conduction in the inner tube wall and convection in the coolant. The fmite-volume methodology is used for discretization of the equations from the mathematical model which are then solved by a computer programo Some aspects related with the application of the boundaryimmobilization technique are analyzed such as the appearance of pseudo-convective and pseudo-anisotropic terms as a consequence of the change of variables. Aspects related to the coupling of conduction ill the cylinder wall and phase-change material with convection in the coolant fluid are also studied. Comparisons with other solutions available in the literature are presented as well results for the specific case of water being the phasechange material / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

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Phase change in solidification and melting can be described with the aid of discontinuous functions. The aim of this project is to establish effective methodologies for the solution of discontinuous phase-change problems. The classic capacitance method, which distributes the effect of any discontinuity present over a finite region (typically an element), can suffer from inaccurate energy transport. Improvement is possible with the application of the classic non-physical enthalpy method. However, this approach is known to suffer with the imposition of material velocity, which gives rise to negative thermal capacitance providing a source of error and instability. In order to improve on the performance of the capacitance method and the classic non-physical enthalpy method, this research introduces a series of new non-physical variables. Firstly, a new non-physical enthalpy is defined via the weak form of the energy transport equation. The classical non-physical enthalpy was defined using a temporal integral term. In the new definition, the non-physical enthalpy involves both a temporal and an advection term, which is shown to avoid the generation of negative capacitance and improve the stability of advection heat transfer in numerical methods. Secondly, control volume analysis is performed on weighted and unweighted forms of the governing energy equation involving non-physical enthalpy. The analysis is shown to reveal non-physical source terms that facilitate the removal of phase-change discontinuities. Thirdly, it is demonstrated in the thesis how a non-physical heat source must be introduced into the governing non-physical transport equation to remove discontinuities arising from non-physical terms related to advection. To demonstrate the accuracy and stability of the new method, it is implemented in the finite element method for both one-dimensional linear rod elements and two dimensional triangular elements. Update techniques and root finding methods, such as the predictor-corrector method, the secant method and the homotopy method, are applied to solve the non-linear system of equations, which are constructed with the new theory. Results returned from the one-dimensional numerical experiments are compared with exact solutions, which show reasonable accuracy. Numerical experiments for isothermal solidification with advection-diffusion in both one and two dimensions demonstrate the feasibility of the new methodology.

This research is concerned with the development of a mathematical approach for energy and mass transport in solidification modelling involving a control volume (CV) technique and finite element method (FEM) and incorporating non-physical variables in its solution. The former technique is used to determine an equivalent capacitance to describe energy transport whilst the latter technique provides temperatures over the material domain. The numerical solution of the transport equations is achieved by the introduction of two concepts, i.e. weighted transport equations and non-physical variables. The main aim is to establish equivalent transport equations that allow exact temporal integration and describe the behaviour of non-physical variables to replace the original governing transport equations. The variables defined are non-physical in the sense that they are dependent on the velocity of the moving CV. This dependence is a consequence of constructing transport equations that do not include flux integrals. The form of the transport equations facilitate the construction of a FEM formulation that is applicable to heat and mass transport problems and caters for singularities arising from phase-change, which can prove difficult to model. However, applying the non-physical enthalpy method (NEM) any singularity involved in the solidification process is precisely identified and annihilated.

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T13:54:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Boeira_AlexandrePitol_D.pdf: 5616217 bytes, checksum: 09ba745cbcd2adadf17f39376225a70d (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A porosidade é um dos mais importantes defeitos encontrados em componentes fundidos. Neste trabalho, a macrossegregação e a formação de porosidade são investigadas por meio de modelagem numérica e experimentos de solidificação unidirecional vertical ascendente. As composições locais, ao longo dos lingotes, para ligas binárias de alumínio e cobre (AI-4,5%Cu, AI-6,2%Cu e AI-8,1 %Cu) são previstas pelo modelo de macrossegregação e servem de parâmetro de entrada para as simulações da correspondente microporosidade. Os efeitos da gravidade na redistribuição do soluto e na formação da microporosidade também são considerados pelo modelo. Um espectrômetro de tluorescência de raios X foi usado para determinar os perfis de segregação ao longo dos lingotes. As medidas de microporosidade foram realizadas através da análise picnométrica. Os perfis experimentais de segregação e de porosidade nos lingotes são comparados com as previsões teóricas fornecidas pelo modelo numérico, considerando um perfil do coeficiente de transferência de calor metal molde transitório, determinado experimentalmente. Observa-se uma excelente concordância entre os perfis simulados e experimentais de segregação inversa do cobre. A simulação da formação de porosidade, para canais anisotrópicos, mostra-se bastante alinhada com os resultados da análise experimental. Neste contexto, a fração volumétrica de poros apresenta uma tendência ascendente à medida que se distancia da base refrigerada / Abstract: Porosity is one of the most important defects in metaIs casting. In this research macrosegregation and porosity formation are investigated by a numerical modeling technique and by upward vertical unidirectional solidification experiments. The local composition, along the castings length of aluminum cooper binary alloys (AI-4.5 wt % Cu, AI-6.2 wt % Cu and AI-8.l wt % Cu) are predicted by the macrosegregation model and are used as an input parameter for simulation of the corresponding microporosity. The effects exerted by gravity upon the solute redistribution and microporosity formation are also encompassed by this model. X-ray fluorescence spectrometer was used to determine the segregation profiles along the castings. The measurement of microporosity was performed using picnometric analysis. The experimental segregation profiles and porosity evolution along the castings are compared with theoretical predictions furnished by the numerical mo deI, where the transient metal/mold heat transfer coefficient was experimentally determined. An excellent agreement between the simulated and experimental inverse copper profile has been observed. The simulation of porosity formation for anisotropic channels has fitted better the results of the experimental analysis. In this context, the volumetric fraction of pores has shown an ascending trend from the chill to the top of the ingot / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T19:08:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MariaAdrinaPaixaodeSouzada_D.pdf: 5780858 bytes, checksum: b602bf47a710b2fb6f161a596020054f (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Ligas de alumínio dispersas com bismuto, chumbo e índio apresentam aplicações promissoras em componentes automotivos resistentes ao desgaste. Essas dispersões de elementos de baixa temperatura de fusão diminuem a dureza e escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Muitos estudos têm sido realizados a fim de melhor compreender as distintas morfologias obtidas pela reação monotética Algumas pesquisas assumem que a evolução do espaçamento interfásico (?) nas Iigas monotéticas ou obedece à clássica relação utilizada para eutéticos: ?2v = C, ou ainda a relação de crescimento dentrítico ?.va.Gb = C, onde v é a velocidade de solidificação e C uma constante para ambos os casos, G é o gradiente de temperatura e a e b são constantes. Tais estudos utilizaram fornos de aquecimento à resistência do tipo Bridgman para produzir a solidificação direcional de ligas monotéticas. Existe uma falta de estudos consistentes no desenvolvimento microestrutural de ligas monotéticas durante condições de fluxo de calor transitório, que são de importância primordial, uma vez que esse tipo de fluxo de calor engloba a maioria dos processes industriais e de solidificação. No presente estudo, foram realizados experimentos de solidificação unidirecional em regime não-estacionário com as Iigas hipomonotéticas Al-0,9%Pb e Al-5,5%In, com a liga monotética Al-1,2% Pb e com as Iigas hipermonotéticas Al-5,0%Bi, Al-7,0%Bi e Al- 2,1%Pb, além da análise da rnacrossegregação da liga monotética Al-3,2%Bi. Os parâmetros térmicos como velocidades de crescimento, taxas de resfriamento e gradientes térmicos foram determinados experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento do lingote. A evolução microestrutural foi caracterizada por técnicas metalográficas e os espaçamentos foram correlacionados com os parâmetros térmicos de solidificação. Verificou-se que a lei de crescimento ?2v= C é válida apenas para os casos onde há ocorrência de partículas de soluto dispersas irregularmente na matriz e que esta lei não se aplicou nos casos onde foi observado uma frente monotética celular e morfologia de fibras e cordões de pérolas. Já a lei ?.va.Gb = C se mostrou aplicável em todos os casos ascendentes. O aumento do teor de soluto das ligas e o fluxo convectivo induzido provocaram mudanças nas morfologias das fases, na magnitude dos espaçamentos interfásicos e nos diâmetros das partículas / Abstract: Aluminum alloys dispersed with bismuth, lead and indium show promising applications in wear­resistant automotive components. Such dispersions of low melting temperature elements decrease hardness and flow easily under sliding conditions, resulting in favorable tribological behavior. Much research has been devoted in order to better comprehend the distinct morphologies obtained by monotectic reactions. Some researches assume that the interphase spacing evolution in monotectic alloys follows the classical relationship used for eutectics: ?2v = C, or the dendritic growth relationship ?.va.Gb = C, where v is the solidification velocity and C a constant value for both cases, G is the thermal gradient and a and b are constants. Such studies have used Bridgman type het resistance furnaces to produce the directionally solidified monotectic samples. There is a lack of consistent studies on the microstructural development of monotectic alloys during transient heat flowconditions, which are of prime importance since this class of heat flow encompasses the majority of solidification industrial processes. In the present study, directional unsteady-state solidification experiments were carried out with hypomonotectic Al-0.9wt%Pb and Al-5.5wt%In, monotectic Al-1.2wt%Pb and hypermonotectic Al-5.0wt%Bi, Al-7.0wt%Bi and Al-2.1wt%Pb alloys, besides the macrosegregation analysis of the monotectic Al-3.2wt%Bi alloy. Thermal parameters such as the growth rate, cooling rate and thermal gradient were experimentally determined by cooling curves recorded along the casting length. The microstructural evolution was characterized by metallography and the spacings were correlated with the thermal parameters. It is show that the ?2v = C growth law is valid only for the cases where there is a morphology of solute particles irregularly arranged in the matrix and it is not applied on the cases where a cellular monotectic front or fibers and strings of pearls morphologies were observed. On the other hand, ?.va.Gb = C law seems to be able to characterize all the upward cases. The increase in the alloy solute content and induced convective flow affected the morphologies of the resulting phases, the magnitude of the interphase spacing and the diameters of the solute-rich particles / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica