Motivado pela ocorrência de instabilidade do motor do veículo de Fórmula SAE da equipe Poli Racing da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo quando operando em altas rotações, o escoamento no conduto de admissão, mais especificamente no último conduto antes do flange do motor, conhecido como runner, foi então analisado. A suspeita de que o descolamento do escoamento da parede na região interna da curvatura fosse a causa da instabilidade do motor foi então estudada de duas maneiras: um estudo numérico e outro experimental. O estudo numérico se inicia pela caracterização do escoamento real e desenvolvimento de hipóteses simplificadores e considerações sobre os pontos mais relevantes do escoamento. Em seguida, uma malha de elementos é construída no computador com auxílio de um programa de CFD. Ressalta-se que sua geometria reproduz a geometria interna do duto de interesse (runner). Posteriormente, a mesma é simulada utilizando um modelo de duas equações (SST k-w), obtendo-se assim o perfil de pressão ao longo da região interna e externa da parede do runner.O estudo experimental se inicia pela construção do runner em prototipagem rápida, mantendo sua geometria fiel à geometria do runner utilizado no veículo de referência, adaptando a esse, tomadas de pressão ao longo da sua seção meridional. Ele é então montado em laboratório e as pressões nas diversas tomadas de pressão são então medidas para diferentes valores de vazão.Os resultados acima obtidos são então comparados com as referências bibliográficas relevantes.De maneira geral, tanto os resultados numéricos como os resultados experimentais estão de acordo com as referências bibliográficas, indicando que até valores do número de Reynolds iguais a aproximadamente 210000 (o que corresponde para as condições de temperatura e pressão do ar de admissão durante a operação do motor, a uma velocidade média no runner de cerca de 80 m/s) não ocorre descolamento na região interna da curvatura do runner. / Motivated by the occurrence of instability of the engine of the Formula SAE vehicle of the Poli Racing team from the Polytechnic School of University of São Paulo when operating at high engine speeds, the flow in the intake manifold, more specifically in the last duct before the engine flange, known as runner, became focus of deeper analysis. The suspicion that the detachment of the flow from the wall in the inner region of curvature was the cause of engine instability was studied in two approaches: a numerical study and an experimental study. The numerical study begins by characterizing the real flow and development of simplifying assumptions and considerations on the most relevant points of the flow. Then, a mesh is built into the computer with the aid of a CFD program. Its geometry is equal to the internal geometry of the studied duct (runner). Subsequently, the mesh is simulated using a two equations model (SST k-w) and a pressure profile in the inner and outer wall is calculated. The experimental study begins with the construction of the runner using rapid prototyping, keeping its geometry equal to the geometry of the runner used in the reference vehicle, but adapting to this, pressure taps along the inner and outer wall of the curvature. It is then assembled in the laboratory and the pressure in different pressure taps are measured for different flow rates.The above results are then compared with the relevant bibliographic references.In general, both the numerical results and the experimental results are in agreement with the references indicating that up to Reynolds numbers values equal to approximately 210 000 (which considering the air temperature and pressure while engine is operating, corresponds to an average speed in the runner around 80 m/s) does not occur any detachment in the inner region of curvature of the runner.

O principal programa de pesquisa do Grupo de Diagrama de Fases e Termodinâmica Computacional do LOM/EEL-USP é o estudo de estabilidade de fases em ligas dos sistemas MR-Si-B (MR = Metal Refratário), os quais apresentam um interesse crescente na área de ligas com potencial para aplicações em altas temperaturas. Destes estudos, este Grupo está construindo uma base de informações termodinâmicas com a finalidade de extrapolá-las para sistemas de ordem superior. Diversos sistemas já foram ou estão sendo estudados. Dando continuidade a este programa, os objetivos principais deste trabalho são a avaliação experimental de pontos críticos do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr e a modelagem termodinâmica completa do sistema. Foram utilizadas informações da projeção liquidus de Chad (2008) e realizadas medidas experimentais para a determinação das composições das fases em diversas relações de equilíbrio a 1200 ºC, ambas na região rica em Cr. As amostras foram produzidas por fusão em forno a arco, a partir de pedaços de Cr, Si e B de alta pureza; tratadas termicamente a 1200oC por 200 horas e caracterizadas via difração de raios X e MEV/Microssonda eletrônica. Nessa condição de preparação das amostras, não houve dificuldade em se alcançar o equilíbrio termodinâmico. De uma forma geral, as relações de fases a 1200oC de Chad (2008) são confirmadas no presente trabalho. Não foi verificada através de medida por análise térmica diferencial até a temperatura de 1550oC a transformação polimórfica ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, que segundo Chang (1968) ocorre a 1505oC. Nenhuma modelagem termodinâmica para este sistema ternário é encontrada na literatura. Para a otimização do sistema ternário foram utilizados os coeficientes de Coughanowr, Ansara e Lukas (1998) para o binário Cr-Si; os coeficientes de Campbell e Kattner (2002) para o binário Cr-B e os coeficientes de Fries e Lukas (1998) para o binário Si-B. Foram usados dois modelos para as fases T1 e T2 para descrever suas solubilidades de B e Si, respectivamente. O modelo adotado para a fase ?Cr5Si3 (T1) foi o de solução com três sub-redes (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 e o modelo adotado para a fase Cr5B3 (T2) foi o de solução com três sub-redes (Cr)5(B,Si)2(B)1. Estes dois modelos estão compatíveis com aqueles adotados para outros sistemas MR-Si e MR-Si-B. Para a fase CrSS (BCC_A2), o modelo escolhido para permitir a solubilidade de B e/ou Si foi o substitucional para o Si e o intersticial para o B, resultando em uma descrição com duas sub-redes (Cr,Si)1(B,Va)3. A adoção destes modelos compatíveis com otimizações já desenvolvidas e publicadas é importante para permitir o desenvolvimento de uma base de dados multicomponentes MRSi- B que possibilitará previsões confiáveis para as relações de fases em sistemas de ordem superior. A otimização atual reproduziu bem a seção isotérmica a 1200oC e a projeção liquidus do sistema Cr-Si-B na região rica em Cr. / Currently, the main research program of the Phase Diagram and Computational Thermodynamics Group of LOM/EEL-USP is the study of phase stability in MR-Si- B ternary systems (MR = Refractory Metal), which presents an increasing interest in the area of alloys with potential for applications at high temperatures. These research activities include the development of a thermodynamic database to evaluate systems of higher order. Several systems have already been studied. In a continuation of this program, the main objectives of this work are the experimental evaluation of the Cr-Si-B ternary system in the Cr-rich region and the thermodynamic modeling of the complete system. Experimental data from the liquidus projection of Chad (2008) were used and experimental measurements were performed to determine the compositions of various phases in equilibrium at 1200°C, both in the Cr-rich region. The samples were produced by arcmelting high-purity pieces of Cr, Si and B, followed by heat treatment at 1200oC for 200 hours. The samples were characterized by X-ray diffraction and SEM/WDS microanalysis. With this preparation procedure, no difficulty was found to bring the samples to the thermodynamic equilibrium condition. In general, the phase relations at 1200oC proposed by Chad (2008) were confirmed in this study. The polymorphic transformation ?Cr5Si3 _ ?Cr5Si3, which according to Chang (1968) occurs at 1505oC, has not been verified by differential thermal analysis experiments performed until 1550oC. No thermodynamic modeling for this ternary system was found in the literature. The binary coefficients of Coughanowr, Ansara and Lukas (1998) for the Cr-Si, Campbell and Kattner (2002) for the Cr-B and Fries and Lukas (1998) for the Si-B were used in the optimization of the ternary system. Two models for T1 and T2 phases were used to describe their B and Si solubilities, respectively. The model adopted for ?Cr5Si3 (T1) was the solution with three sublattices (Cr)4(Cr)1(Si,B)3 and for Cr5B3 (T2) was the solution with three sublattices (Cr)5(B,Si)2(B)1. These two models were consistent with those adopted in other RM-Si and RM-Si-B systems. For the phase CrSS, the substitutional and interstitial models were used to describe the solubility of Si and B in the BCC structure, respectively, resulting in a solution with two sublattices (Cr,Si)1(B,Va)3. These models are compatible with other previously published optimizations. This is important to enable the development of a multicomponent MR-Si-B database, which will enable reliable predictions for the phase relations in higher-order systems. The Cr-rich region of the isothermal section at 1200oC and of the liquidus projection are well reproduced by the coefficients of the present optimization.

Hidratos de gás são importantes em questões que vão desde o bloqueio de tubulações na indústria de produção de óleo e gás, até o sequestro de dióxido de carbono, transporte de gás natural, dessalinização de água salgada e purificação de água contaminada. A fim de investigar estes campos e aplicações, necessita-se determinar inicialmente a temperatura e pressão nas quais os hidratos se formam. Isto pode ser feito por meio de experimentos de formação e/ou dissociação de hidratos, bem como utilizando-se de modelos termodinâmicos, correlações empíricas e métodos computacionais. Estudou-se nesse trabalho o desempenho da PC-SAFT na modelagem da fase fluida no equilíbrio da formação de hidratos, comparando seus resultados com a equação de Peng-Robinson e o modelo proposto por Klauda e Sandler. Para a molécula de água, em especial, avaliaram-se as configurações possíveis para o esquema de associação. Para a fase hidrato, avaliou-se a equação de van der Waals e Platteuw (vdWP), e levou-se em conta o efeito das cascas adicionais na estimativa da constante de Langmuir. Por fim, foram propostas duas equações com termos ajustáveis para a fugacidade da água na fase hidrato em função da temperatura, uma linear e outra quadrática, para utilização conjunta com a equação PC-SAFT. Para comparação, quando possível os sistemas foram avaliados com auxílio do software CSMGem. A utilização da equação PC-SAFT em conjunto com as expressões propostas resultou na melhor predição da pressão de equilíbrio em temperaturas determinadas. / Gas hydrates are important for issues that include flow assurance in oil and gas industries, carbon sequestration, natural gas transport, seawater desalinization, and purification of contaminated water. To investigate those fields and applications, temperature and pressure in which hydrates are formed must be determined. This can be done through hydrate formation and/or dissociation experiments, as well as through thermodynamic models, empirical correlations, and computational methods. In this work, the performance of the PC-SAFT in modeling the fluid phase in hydrate phase equilibrium was investigated. Its results were compared to the Peng-Robinson equation of state and to the model proposed by Klauda and Sandler. For the water molecule, different association schemes were considered. For the hydrate phase, the van der Waals and Platteuw (vdWP) equation was used. The effect of additional shells in the estimation of the Langmuir constant was assessed. Finally, equations for water fugacity in hydrate phase, as a function of temperature, were proposed. These equations were intended to be used with the PC-SAFT equation of state, and both linear or quadratic equations were considered. For comparison, when possible the software CSMGem was used to compute the equilibrium conditions. The use of the PC-SAFT EOS, along with the proposed equations, resulted in a better prediction of the equilibrium pressure as a function of temperature.

Neste trabalho simulou-se numericamente o transiente térmico na cabine de uma aeronave de passageiros utilizando o método dos parâmetros concentrados. Foram analisadas as condições de carga térmica de aquecimento e resfriamento para a aeronave em solo. Os coeficientes globais de troca de calor foram avaliados por meio da abordagem de resistências térmicas equivalentes e as áreas de troca de calor foram determinadas utilizando dados típicos dos elementos constituintes da cabine de uma aeronave para vôos de curta duração. No domínio computacional foram considerados alguns elementos como: piso, compartimento de bagagem, poltronas, fuselagem, e escoamento no interior da cabine. A evolução temporal da temperatura em cada um desses componentes foi representada por uma equação diferencial ordinária resultando em um conjunto de equações que foram resolvidas simultaneamente por meio de um método iterativo. Os resultados permitiram prever o tempo necessário para iniciar o acionamento do sistema de ar condicionado da aeronave a fim de melhorar as condições de conforto térmico dos passageiros antes do embarque e satisfazer o atendimento de requisitos do cliente/operador. O modelo proposto dos coeficientes globais em conjunto com a modelagem térmica da cabine de passageiros retratou o comportamento da temperatura de forma bastante satisfatória. Comparando-se com dados reais de aeronaves comerciais, verifica-se que o modelo proposto ée bastante consistente e mostrou-se uma ferramenta útil para projeto.

Neste trabalho são estudados jatos impingentes, bidimensionais confinados incidindo sobre uma placa aquecida que pode estar ou não coberta por uma camada porosa. O problema foi considerado bidimensional e as simulações foram feitas para o escoamento tanto no regime laminar, quanto no regime turbulento. O meio poroso foi considerado rígido, homogêneo e isotrópico. Utilizou-se o conceito da dupla decomposição para a obtenção das equações macroscópicas que modelam o meio poroso. Estas equações foram discretizadas usando-se o método dos volumes finitos e o acoplamento pressão-velocidade foi resolvido usando o conhecido método SIMPLE. Foram investigadas, principalmente, a distribuição do Nusselt local na placa de incidência e a quantidade de calor retirada da placa, com ou sem a presença do meio poroso. Viu-se que, tanto para o regime laminar quanto para o turbulento, o uso do meio poroso possibilitou amenizar os elevados gradientes de temperatura, distribuir o fluxo de calor ao longo da placa e aumentar a transferência de calor.

O objetivo desta tese de mestrado é apresentar e analisar os resultados de cargas térmicas e distribuição de temperatura obtidos a partir da simulação numérica do comportamento térmico do satélite ITASAT (satélite universitário) para os casos críticos de vôo. O ITASAT será o primeiro satélite brasileiro de serviços desenvolvido por universidades. O programa está sendo coordenado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) em conjunto com outras universidades do país, com apoio do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e financiado pela Agência Espacial Brasileira (AEB). Para cumprir esse objetivo, foi utilizada a ferramenta computacional SINDA (System Improved Numerical Differencing Analyser), um software comercial de análise térmica que possui facilidade para aplicações espaciais. Durante a órbita, o satélite sofrerá a influência de cargas térmicas externas (radiação solar, albedo e radiação terrestre), e parâmetros como o tipo de órbita e atitude tem influência direta sobre a intensidade dessas cargas. Associando as cargas térmicas externas às dissipações internas dos equipamentos que compõem o satélite, foi possível obter a distribuição de temperatura prevista para vôo. A geometria utilizada partiu de uma proposta inicial do modelo de satélite, a qual estará sujeita a alterações com o desenvolvimento do projeto. Como os equipamentos que irão compor o ITASAT ainda não foram definidos, neste trabalho o modelo foi implementado com equipamentos de características térmicas, e de potências dissipadas idênticas aos utilizados no satélite de coleta de dados SCD-1 do INPE, lançado em 1993. Este estudo é parte do projeto de controle térmico do satélite ITASAT, e garantirá que as temperaturas limites aceitáveis, máximas e mínimas, para todos os equipamentos possam ser obedecidas, fornecendo assim informações iniciais para a fase de testes que o modelo de vôo do ITASAT será submetido posteriormente. Os resultados apresentados são fisicamente coerentes para satélites em baixa órbita (LEO).

An aeronautical engine is a complex machine composed of different components operating at different temperatures that in conjunction with the nacelle creates a crowded region with the coupled heat transfer mechanisms to be covered by the nacelle cooling/ventilation system. The final configuration of this system is defined through a demanding refinement of the preliminary design. For this reason the preliminary design is considered the key point and as a rule it can be based on the use of similar design scaling or by the use of numerical approaches. The numerical approaches available are the use of a one-dimensional heat transfer analysis or a complete heat transfer analysis via Computational Fluid Dynamics, or CFD. The short lead time usually available to get the nacelle ready leads the using of a more simplified analysis. Even though this simplified analysis is a lesser laborious activity than a more complete heat transfer analysis, it is still a relatively complicated task. Thus this work aims at presenting a simple methodology for supporting the preliminary design of nacelle cooling/ventilation which is basically relies on confirming if such system is really necessary taking into consideration the temperature distribution in the region between the engine/nacelle and the specified limits. In this case, the proposed methodology presented in this work is concerning to the natural convection analysis in a bidimensional engine/nacelle model by the use of CFD. In view of the fact that there is no specific literature reference available about such methodology or the natural convection analysis in an analogous model configuration or even experimental tests results, it was decided to utilize the studies about natural convection in concentric cylinders in the model validation process and to show the suitability of the proposed methodology, it was directly compared to the natural convection analysis in a simplified tridimensional engine/nacelle model by the use of CFD tool which would be performed by the manufacturer.

O presente trabalho tem como objetivo propor uma metodologia de análise térmica pelo uso de calorimetria exploratória diferencial (DSC) com altas razões de aquecimento (razões >36 C.min 1). Para isto, é estabelecida uma metodologia de calibração pelo uso de padrões metálicos de índio, estanho, chumbo e zinco, avaliando-se a linearidade e a simetria do forno de DSC. Diferentes massas de índio, na faixa de 0,570 a 20,9mg, são submetidas a diferentes razões de aquecimento (4 a 324 C.min 1) e os valores experimentais de temperaturas de fusão e de entalpia estão em concordância com a literatura. Os eventos térmicos fusão e cristalização do polipropileno e da poliamida 66 são também estudados, tanto pela metodologia convencional como pela de altas razões de aquecimento. Os resultados experimentais mostram que a metodologia proposta pelo uso de altas razões de aquecimento permite a caracterização de eventos térmicos termodinâmicos tradicionais, como temperatura e entalpia de fusão e cristalização, com maior sensibilidade, resolução, exatidão e em menores períodos de tempo, atendendo as especificações ASTM, com a vantagem de se utilizar equipamentos de DSC já disponíveis nos laboratórios.

Propulsores de baixo empuxo possuem a proteção térmica da superfície interna da parede provida pela redução da carga térmica dos gases quentes por meio de um filme líquido de combustível injetado, paralelo e junto à parede. A carga térmica transferida para a parede pode ser determinada conhecendo o coeficiente de transferência de calor por convecção na camada limite. Ambos, o perfil de temperatura do filme de combustível e o perfil do coeficiente de transferência de calor, são difíceis de serem quantificados e possuem grandes incertezas na determinação por meio teórico ou experimental. Determinar o comportamento de ambos os perfis térmicos é muito importante para o projeto e para a escolha do melhor material a ser usado na parede do propulsor. Este trabalho apresenta a técnica do problema inverso usada na determinação dos perfis do filme de combustível e do coeficiente de transferência de calor para a parede de um propulsor de 200N de empuxo, onde através de um perfil de temperatura da superfície externa da parede do propulsor como dado de entrada, os perfis térmicos desejados podem ser determinados. Um algoritmo híbrido composto por GEO4 (Otimização Extrema Generalizada), baseado na técnica da evolução natural somado a um EE (Estratégias Evolutivas) que incluem a auto-adaptação como principal característica, será usado como um algoritmo de otimização associado a um programa de simulação térmica. Casos simulados para a condição de regime permanente e transiente serão estudados usando o Inconel 600 e o Nióbio como materiais de parede. Os resultados obtidos mostram que a técnica do problema inverso apresenta-se como uma boa ferramenta para a solução do problema proposto. Além disso, possibilita o estudo das temperaturas da parede em várias condições de transientes térmicos para simular em que condições a temperatura limite da parede é alcançada, contribuindo para a segurança nos projetos de propulsores.

No presente trabalho, uma simulação numérica foi adotada para resolver o problema da convecção forçada turbulenta acoplada à condução de calor em um duto de seções transversais quadradas e retangulares. As equações utilizadas para a convecção turbulenta são as equações da conservação de massa, quantidade de movimento e energia (equações médias de Navier Stokes, RANS). Estas equações são acopladas à equação da condução de calor aplicada a quatro placas situadas ao redor do canal. Estas placas são acopladas entre si sem resistência térmica. Assunções foram feitas principalmente no escoamento, tais como condição do escoamento turbulento completamente desenvolvido, incompressível e propriedades constantes. A título de comparação, dois modelos de turbulência foram utilizados para resolver as equações da quantidade de movimento e outros dois modelos para resolver a equação da energia. Isto é, para determinar o campo de velocidade, os modelos de turbulência, k-? não linear (NLEVM) e tensão de Reynolds (RSM) (este último simulado em um código comercial) foram adotados e estudados. O campo de temperatura foi determinado a partir de outros dois modelos: Simple Eddy Diffusivity (SED), baseado na hipótese de Prandtl turbulento constante; e Generalized Gradient Diffusion Hypothesis (GGDH). Neste último, como a transferência de calor turbulenta depende das tensões cisalhantes, a anisotropia foi considerada. Cabe ressaltar que estes dois últimos modelos da equação de energia para o fluido, assim como a equação da condução de calor com incorporação da geração de calor para a parte sólida foram adimensionadas e desenvolvidas no código de programação FORTRAN. Os modelos foram validados baseados nos resultados experimentais e numéricos da literatura. Finalmente, os resultados desta investigação permitem avaliar o campo de temperatura do fluido para diferentes seções da seção transversal ao longo da direção principal do escoamento, o qual é influenciado principalmente pela distribuição da temperatura na parede.