A integração da equação da transferência radiante (RTE) é uma tarefa complexa devido a forte variação do coeficiente de absorção com relação ao número de onda. O modelo da soma ponderada dos gases cinza (WSGG) evita a integração linha por linha da RTE reduzindo o esforço computacional na resolução de problemas que envolvam gases participantes. Com a atualização dos coeficientes do WSGG, obtidos através do banco de dados HITEMP 2010, este trabalho se propôs a validá-los por meio de problemas unidimensionais de transferência de calor radiante. Os problemas são resolvidos pelo modelo WSGG e comparados com a solução obtida pela integração LBL (solução benchmark). Nas comparações foram utilizados diferentes perfis de temperatura, distâncias características, gradientes de temperatura e concentrações de espécies. Nos casos analisados é possível verificar uma boa concordância geral entre os resultados WSGG e LBL. O modelo também é testado na resolução de perfis advindos de seções de uma câmara de combustão cilíndrica que apresentaram condições diferentes para os quais os coeficientes WSGG foram propostos. Mesmo assim os resultados obtidos apresentaram uma boa concordância para o termo fonte radiante e para o fluxo de calor, sendo que os maiores erros foram observados na entrada da câmera onde os gradientes de temperatura são mais significativos. / The spectral integration of the radiative transfer equation (RTE) is still a complex task due to the strong variation of the absorption coefficient with the wavenumber. The Weighted-Sumof- Gray-Gases (WSGG) model avoids the Line-by-Line (LBL) integration of RTE. The aim of this study is to evaluate the updated WSGG coefficients, obtained from the database HITEMP 2010, in one-dimensional problems of radiative heat transfer. The problems are solved by the WSGG model and compared with the solution obtained by the LBL integration (benchmark solution). Various temperature and concentration profiles were evaluated and showed a good overall agreement between the WSGG and LBL results. The model was also tested by solving profiles arising from cylindrical combustion chamber and the obtained results showed good agreement for the radiative heat source term and the heat flux. The largest errors were observed near the chamber entrance where the temperature gradients are most significant.

Em processos de combustão, uma determinação precisa dos parâmetros envolvendo transferência de calor influencia diretamente os demais fenômenos envolvidos. Dentre os mecanismos de transferência de calor presentes na combustão a radiação térmica é predominante, mas sua correta determinação impõe uma elevada complexidade, principalmente quando se trata da solução de meios participantes. O cálculo envolve propriedades de absorção que variam com a temperatura e o comprimento de onda, sendo então necessária a utilização de modelos espectrais para obter bons resultados com um baixo tempo computacional. Para o cálculo da transferência radiante, existem diversos modelos espectrais, desde modelos de simples implementação, como, por exemplo, o GG (gás cinza) e o WSGG (soma-ponderada-dos-gases-cinza), até modelos com um grau elevado de detalhamento, como o SLW (soma-ponderada-dos-gases-cinza baseado em linhas espectrais) e o CW (número de onda cumulativa). Como os modelos com maior grau de detalhamento são de complexa implementação, alguns autores preferem empregar modelos simplistas, como o GG (gás cinza), apenas por questões de conveniência, mesmo em detrimento da qualidade dos resultados. Uma forma de executar o cálculo da radiação térmica sem simplificações é levar em conta as absorções em cada comprimento de onda, sendo esses cálculos denominados integração linha-por-linha (LBL), por executar o cálculo da transferência radiante em cada linha de absorção, o que gera resultados benchmark, podendo ser utilizados para avaliar os diversos modelos existentes. Este trabalho tem por objetivo verificar e sintetizar a aplicação dos modelos espectrais, em configurações envolvendo concentração e temperatura não uniformes, onde são realizados cálculos em um meio contendo CO2, H2O e fuligem. São avaliados os modelos GG, WSGG, SLW e CW. Dentre os modelos avaliados, o que apresenta os melhores resultados para as condições apresentadas é o modelo WSGG. De forma a aprimorar o modelo WSGG, uma nova implementação para a solução de misturas é apresentada, a qual apresenta correlações para o H2O e para o CO2 geradas individualmente, possibilitando misturas com qualquer razão de concentração, mostrando que o modelo apresenta bons resultados em diversas situações e é uma boa opção para a solução de problemas de combustão. / In combustion processes a good determination of the heat transfer parameters are of great importance because of its direct influence in the computation of the chemical reactions rate in the process and, consequently, in the formation of the combustion products. Among the processes of heat transfer in combustion, thermal radiation is predominant, and their determination can be a very complex task, especially with participating medium. The analysis involves absorption properties that vary with the temperature and wavelength, and therefore it is necessary to use spectral models to ensure good results with low computational time. There are several spectral models developed along the years, since the simplistic models such as the GG (gray gas) and WSGG (weighted-sum-of-gray-gases), to more advanced methods such as the SLW (spectral line weighted-sum-of-gray-gases) and CW (cumulative wavenumber). Due advanced models are in general a hard task to implement, the option is to use simplified models, for example the GG, even working with considerably errors. In order to quantify these solutions, for temperature and concentration conditions of the absorbing species, it is necessary to implement the radiation heat transfer taking into account the absorption at each wavelength through line-by-line (LBL) integration, being this solution the exact one, or, the benchmark solution, which it is used to evaluate the spectral models. In this study, the LBL integration is carried out to evaluate some of the existing models in a non-isothermal and inhomogeneous medium containing CO2, H2O and soot. The work involves the GG, WSGG, SLW and CW spectral models. For the presented cases, the best results occur with WSGG model. In order to improve the WSGG model a new implementation for the mixture solution is presented, which solves the correlations for H2O and CO2 generated individually, enabling mixtures containing any concentration ratio, showing the good agreement of the spectral model at any condition, being the WSGG a good option to solve combustion problems.

Modelos numéricos envolvendo a transferência de calor por radiação em gases participantes são bastante complexos de ser resolvidos devido à dependência espectral das propriedades radiantes. Contudo, a radiação térmica não pode ser negligenciada em processos de combustão, onde as elevadas temperaturas envolvidas tornam a radiação o principal fenômeno de transferência de calor. O cálculo da transferência de calor por radiação envolve propriedades de absorção que variam de forma complexa com a temperatura e número de onda, sendo assim necessária a utilização de modelos espectrais para obtenção de resultados confiáveis com baixo tempo computacional. Neste trabalho, o método da soma-ponderada-degases- cinzas (WSGG) foi aplicado na resolução da transferência de calor radiante em um sistema unidimensional formado por duas placas finitas, paralelas e negras, para diferentes perfis de temperatura e de concentração de espécies químicas. Foram obtidas novas correlações para misturas de vapor d’água e dióxido de carbono, além de correlações para as espécies químicas individuais de vapor d’água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A partir do banco de dados HITEMP 2010, as correlações foram geradas para três, quatro e cinco gases-cinzas. A partir das correlações obtidas para o modelo da somaponderada- de-gases-de-cinzas seus resultados são comparados com a solução benchmark obtida pela integração linha-por-linha (LBL). Para todos os casos propostos, é possível verificar uma boa concordância entre os resultados do método da soma-ponderada-de-gasescinzas com o método linha-por-linha. / Problems involving radiation heat transfer in participating media are in general very complex to be solved due to the dependence of the radiative properties with the wavenumber. However, thermal radiation cannot be neglected, especially in combustion processes due to the high temperatures that are involved, making radiation the main heat transfer mode. Calculating the heat transfer by radiation involves absorption properties which varies with the temperature and wavelength, therefore the use of spectral models are required to obtain good results with low computational time. In this dissertation, the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model was applied to resolve the radiation heat transfer in a one-dimensional finite system formed by two parallel plates with black walls, for different temperature profiles and concentrations of the participating species. New WSGG correlations were obtained for mixtures of vapor water and carbon dioxide, besides correlations for the individual chemical species of vapor water, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. From the HITEMP 2010 database correlations were generated for three, four and five gray gases. From the correlations obtained for the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model, their results are compared with the benchmark solution obtained by integrating line-by-line (LBL). For all the proposed cases, in general, it is possible to observe a satisfactory agreement between the results of the weighted-sum-of-gray-gases with the line-by-line method.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico do escoamento laminar em cavidade quadrada aletada sob o efeito de convecção mista. O escoamento proposto é assumido bidimensional, laminar e permanente. Objetiva-se através do “Constructal Design” a obtenção de geometria ótima da aleta de forma a maximizar a transferência de calor entre o fluido que escoa no interior da cavidade e a aleta aquecida cuja base está localizada no centro da base da cavidade. Para isto é fixada a relação das dimensões externas da cavidade (H/L) = 1 e variada a relação entre altura e comprimento da aleta (H1/L1) para otimização da troca térmica. A área da aleta apresenta 5% da área total da cavidade e este valor é mantido fixo. O fluido que escoa no inteiror da cavidade possui as propriedades termofísicas do ar para Pr = 0,7. A variação das forças de empuxo no escoamento é realizada através do uso de diferentes números de Rayleigh no intervalo Ra= 10³ a 106. As diferentes magnitudes das forças inerciais serão aplicadas ao escoamento através da variação do número de Reynolds variando entre ReL = 10 e 1000. Para solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia é utilizado o método de volumes finitos (VFM), programa comercial Fluent®, sendo o acoplamento entre velocidade e pressão realizado através do algoritmo SIMPLEC e a discretização espacial pelo método upwind de primeira ordem. Os resultados apresentam um acréscimo significativo na transferência de calor entre a aleta e o fluido a medida que o número de Rayleigh aumenta. Considerando o caso de maior influência do mecanismo de transferência de calor por convecção mista houve um aumento de 779% em comparação com o mesmo caso considerando apenas convecção forçada, o que comprova a importância da convecção natural na maximização da transferência de calor entre cavidade e fluido para os casos analisados. / The present work shows a numerical study of laminar flow inside C-shaped lid-driven square cavity under mixed convection effect. The flow is assumed to be two-dimensional, laminar and permanent. The main objective of this work is by means of Constructal Design to maximize the heat transfer between the fluid and the heated central fin intruded in the bottom of the cavity. The aspect ratio of the cavity is fixed and the fin aspect ratio (H1/L1) varies from 0.1 to 10 ranges in order to maximize heat transfer. The ratio area between fin and cavity (H/L) = 1 is kept fixed at 5%. The thermophysical properties of fluid the air are set at Pr = 0,71. To vary the magnitude of buoyancy forces the Rayleigh number is ranged between Ra=10³ and 106.The inertial forces of flow are ranged by the use of different Reynolds numbers between ReL=10 and 1000. In order to solve the proposed problem, the commercial software Fluent® based on finite volume method was used to solve mass, momentum and energy equations, making the pressure-velocity couple using SIMPLEC method and the spatial discretization using first order upwind scheme. The results showed a significant increase of heat transfer between fin and fluid as consequence of Rayleigh number increase. Considering the mixed convection most influenced case, an increase of 779% was sense in comparison with the same case with forced convection mechanism only, which makes evident the importance of natural convection in the maximization of heat transfer inside cavity in the analized cases.

Este trabalho apresenta a metodologia empregada para desenvolvimento e utilização de um equipamento para medir valores de emissividade hemisférica. O referido equipamento permite efetuar simultaneamente medidas de emissividade através do método calorimétrico e do método radiométrico. O calorímetro mede o fluxo de calor entre duas superfícies paralelas e horizontais, onde a superfície superior é aquecida por uma fonte de corrente elétrica de alta estabilidade. As temperaturas das duas superfícies são determinadas quando o sistema atinge o equilíbrio térmico. A superfície aquecida é protegida por uma guarda térmica fazendo com que toda a potência elétrica seja dissipada à superfície inferior, que por sua vez é refrigerada com um sistema que utiliza pastilhas Peltier. O fluxo de calor é medido e seu valor é utilizado em uma equação onde as emissividades de ambas as superfícies são participantes. O radiômetro utiliza sensores detectores térmicos que convertem em sinal elétrico o efeito de aquecimento decorrente da incidência deste fluxo de calor radiante entre as duas superfícies. A partir de experimentos com superfícies de emissividades conhecidas, parâmetros fixos do equipamento foram determinados estando o mesmo apto a medir superfícies com valores de emissividade desconhecidos. O trabalho analisa também os erros experimentais intrínsecos do instrumento. / This work presents the methodology used for development and use of an equipment to measure values of hemispherical emissivity. The equipment allows to make emissivity measurements simultaneously through the calorimetric method and of the radiometric method. The calorimeter measures the heat transfer between two parallel and horizontal surfaces, where the superior surface is heated up by a source of electric current of high sustainability. The temperatures of the two surfaces are determined when the system reaches the thermal equilibrium. The heated surface is protected by a thermal guard, wich makes all the eletrical power to be dissipated towards the inferior surface that is cooled by a Peltier system. The heat flux is measured and its value is used in an equation where the emissividades of both surfaces are important. The radiometer uses thermal detectors that convert in electric sign, the heating effect due to the incidence of this radiant heat flux between the two surfaces. Starting from experiments with surfaces of known emissivity, fixed parameters of the equipment were determined being the same capable to measure surfaces with unknown emissivity values. The work also analyzes the experimental intrinsic errors of the apparratus.

Atualmente na indústria alimentícia é comum a efetivação do processo de pasteurização em túneis, onde um fluido, geralmente água, é utilizado para transferir para o produto a energia térmica necessária. Por causa disso, um dos fatores importantes deste procedimento é a maneira como este fluido é aspergido por sobre o produto a ser pasteurizado. Existem diversas maneiras de fazer esta aspersão, cada uma com as suas características e eficiência no que diz respeito à transferência de energia no processo de pasteurização. O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes modelos de esguichos utilizados em túneis de pasteurização de cerveja. Para isso é montada uma bancada para a realização ensaios que avaliem uma das etapas do processo de pasteurização da cerveja, onde são instalados os exemplares dos esguichos e uma garrafa de 600 ml de cerveja instrumentada. Todos os testes são realizados com os mesmos parâmetros (vazão e temperatura do fluido), somente alternando os modelos de esguichos. Usa-se a ANOVA para a comparação dos tempos de aquecimento do fluido interno e calcula-se o número de Nusselt para a convecção interna na garrafa para a avaliação dos esguichos. O resultado encontrado mostra uma independência do desempenho do processo de aquecimento em relação à alteração de modelo de esguicho para três dos quatro modelos avaliados e o último apresenta um desempenho pior. / Nowadays, in the food industry, it is usual to carry out the pasteurization process in pasteurization tunnels, where a fluid, generally water, is used to transfer the required thermal energy to the product. Because of this, one of the most important aspects of this procedure is how the fluid is sprinkled on the product that needs to be pasteurized. There are many ways to do this, each one has its own characteristics and efficiency regarding the energy transfer to the pasteurization process. The objective of this work is to evaluate distinct spray models that are used in pasteurization tunnels for beer. For this, a workbench is built to carry out experiences that evaluate one of the stages of the beer pasteurization process, where spray models are installed and an instrumented 600 ml bottle beer is used. All the tests are performed using the same specifications (flow rate and fluid temperature), just varying the spray models. ANOVA, to compare the heating times of the internal fluid, and the Nusselt number of the internal convection are used for the sprays evaluation. The result shows the independence of the performance with regard to the change of the spray model for three of the four tested models and the latter shows a worse performance.

Este trabalho analisa os efeitos da transferência de calor por radiação térmica em uma chama laminar resultante da combustão de metano com ar. No processo, são resolvidas as equações da continuidade, da quantidade de movimento, da conservação das espécies químicas e da energia. Ainda é utilizado um modelo de formação de fuligem a duas equações e o modelo de combustão de Arrhenius considerando um mecanismo com 112 reações químicas. Para avaliar os efeitos da radiação térmica, o divergente do fluxo radiante é calculado considerando quatro modelos diferentes para os gases: o modelo do gás cinza, a soma ponderada de gases cinzas, e os métodos SLW e CW. Nessa modelagem, é considerado um meio participante composto por monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor d’água e fuligem. No modelo do gás cinza e da soma ponderada de gases cinzas, o coeficiente de absorção da mistura é obtido por correlações que consideram a temperatura local e a concentração do meio. Nos modelos SLW e CW, o coeficiente de absorção é calculado baseado no banco de dados HITEMP. Assim, primeiramente os resultados do divergente do fluxo radiante são confrontados com os diferentes modelos considerando campos pré-estabelecidos de temperatura e concentrações da mistura de gases com a presença de fuligem e, em seguida, é feita uma análise da influência da radiação considerando uma chama difusa oriunda do processo de combustão de metano com ar. Apesar de o meio analisado ser opticamente fino, situação em que os efeitos da absorção são muito baixos, os resultados encontrados para o divergente do fluxo radiante com os modelos de radiação usados na pesquisa mostraram uma diferença média de aproximadamente 20% entre os modelos, chegando a uma diferença máxima local de mais de 50% quando foi considerado o modelo WSGG. Por outro lado, nas situações em que é considerado todo o processo de combustão, a diferença maior ocorre na comparação de casos em que a radiação térmica é negligenciada com os casos em que a radiação é considerada. Os efeitos causados entre os diferentes modelos de radiação no campo de temperaturas e concentrações dos gases foram pequenos. Assim, é observado que, mesmo em meios opticamente finos, a modelagem da radiação térmica é necessária, pois causa diferenças significativas nos resultados e que nesse tipo de meio não é necessário o uso de modelos mais sofisticados de radiação, pois os efeitos da absorção dos gases é muito pequeno. / This work analyses the effects of thermal radiation heat transfer on methane-air laminar diffusion flames. The analysis is based on the solution of the equations of continuity, fluid motion, species mass-fraction and enthalpy. The soot formation is accounted with a twoequation model while a chemistry mecanism with 112 reactions is used for the combustion of methane. To evaluate the effects of thermal radiation, the divergence of the radiative heat flux is calculated based on four different gas models: the gray gas, the weighted sum of gray gases, the SLW and the CW model. In the modeling, it is considered a participating media composed of carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and soot. Both in the gray gas model and in the weighted sum of gray gases model, the absorption coefficient of the mixture is obtained by correlations that depend on the local temperature and concentration of the medium. On the other hand, in the SLW and CW models, the absorption coefficient is calculated based on the HITEMP spectral database. Thus, the results of the divergence of the radiative heat flux are compared with the different gas models based on a temperature and concentration fields previously obtained, and then, the four gas models used are considered in the entire combustion process to verify the influence of the radiation heat transfer. The results obtained for the divergence of the radiative heat flux considering the four different radiation models used showed an avereged difference of 20%, with a maximum local difference of more than 50%, when the WSGG model was considered. On the other hand, in situations where the whole combustion process is considered, the major difference occurs when is compared the results obtained with a radiation model and the ones where it is neglected. The effects observed with the different radiation models in the temperature field and the gas concentrations were small. Thus is observed that, even in optically thin media, the thermal radiation gas modeling is necessary, and in this particular kind of media, the use of sofisticated gas models are not necessary, because the absorption effect fo the gases are small when compared with their emission.

Neste trabalho, um problema de transferência de calor da dinâmica de gases rarefeitos, causado pela diferença de temperaturas nas superfícies de um canal, é abordado. O problema é formulado através dos modelos cinéticos BGK, S e Gross-Jackson da equação linearizada de Boltzmann e resolvido, de forma unificada, pelo método analítico de ordenadas discretas (método ADO). Resultados numéricos para as perturbações de densidade e temperatura e também para o fluxo de calor são apresentados e comparados, mostrando que não se pode dizer que algum dos três modelos seja uma melhor aproximação da solução aos resultados da equação linearizada de Boltzmann. / In this work, a heat transfer problem in the rarefied gas dynamics field, in a plane channel, is studied. In particular, the flow is induced by different temperatures at the wall surfaces. The formulation of the problem is based in an ”unified” kinetic equation which includes the BGK model, the S-model and the Gross-Jackson model of the linearized Boltzmann equation. An analytical version of the discrete-ordinates method (the ADO method) is used to develop the solution and to evaluate the density, temperature and heat-flow profiles. Numerical results are presented and used to establish comparisons with the linearized Boltzmann equation results. It is shown that, for an analysis based in all cases, it is not possible to say that one of the models is a better approximation of the solution of the linearized Boltzmann equation.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2017-12-15T15:17:16Z No. of bitstreams: 1 124028.pdf: 1654608 bytes, checksum: d56d37ab89430de0477d79f2d5d457c6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-15T15:17:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 124028.pdf: 1654608 bytes, checksum: d56d37ab89430de0477d79f2d5d457c6 (MD5) Previous issue date: 1969-02 / A aplicação do método da transformação de similaridade à análise do problema de transferência de calar em escoamento turbulento exige essencialmente que: - Nas equações diferenciais da camada limite térmica e hidrodinâmica, transformadas com a utilização das variáveis de similaridade ξ e η (propostas por Meksyn), sejam considerados desprezíveis os têrmos contendo derivadas com relação a ξ; - Seja especificada, caro dado empírico, una expressão para a viscosidade adimensional efetiva. Considerada a primeira hipótese e indicada para E a expressão de Spalding, a solução do problema torna-se possível por métodos numéricos. A comparação de valores calculados, para a placa plana, de Cf ⁽ˣ⁾ e u⁺= u⁺ (y ⁺) com os de outras análises teóricas e dados experimentais, mostrou ser conveniente a adoção de um novo valor para a constante A da expressão de ε⁺. Foi desta forma possível a determinação direta dos perfis de velocidade e temperatura, do coeficiente de atrito e do número de Staton, no caso de gradiente de pressão nulo. A extensão do método à análise dos escoamentos com gradiente de pressão não nulo, não foi, todavia, possível, pois a expressão adotada para ε⁺ torna desprezível a influência da geometria do escoamento, visto serem superestimados os efeitos da turbulência.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2017-12-15T16:47:23Z No. of bitstreams: 1 121849.pdf: 771845 bytes, checksum: e439d51023300ff6cfc6297b59c9fb17 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-15T16:47:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 121849.pdf: 771845 bytes, checksum: e439d51023300ff6cfc6297b59c9fb17 (MD5) Previous issue date: 1969-03 / Introduzindo um jato de ar quente na secção de teste dum túnel de vento, no qual há um escoamento com turbulência gerada por uma grade, estudamos o efeito desta turbulência sobre o jato, medindo a distribuição de temperatura axial e transversalmente. Equacionando um balanço do fluxo de quantidade de movimento e de entalpia em secções normais do jato, e adotando a hipótese de similaridade dos perfis adimensionais e de axissimetria do jato, obtivemos uma expressão analítica - relacionando a sua espessura e quedas axiais de temperatura e velocidade. As medições diretas ainda nos levaram a aduzir grande influência da turbulência exterior na abertura do jato e no comprimento do seu núcleo, comparados com o caso de escoamento paralelo laminar. Usando a solução da equação da difusão da propriedade de uma fonte fixa e contínua, em ambiente móvel, calculamos a difusividade turbilhonar em vários pontos ao longo da secção de teste do túnel de vento. Observamos outrossim, uma interessante transição do valor da relação de difusividade turbilhonar térmica e de quantidade de movimento, de um valor próprio para jatos livres até um correspondente ao encontrado em esteiras, à medida que aumentávamos a velocidade do túnel de vento, fixando a do jato. Sugerimos assim, um estudo dessa transição que se obtém variando-se simplesmente a relação das velocidades do túnel de vento e do jato, sem necessidade de modificar a geometria.