No presente trabalho é apresentado um estudo do efeito da diluição com inertes sobre as características da transferência de calor por radiação em chamas laminares não pré-misturadas de metano. O trabalho também apresenta um estudo sobre a modelagem do fluxo radiativo proveniente de chamas turbulentas visando à obtenção de fatores de ponderação para o modelo das múltiplas fontes pontuais. Em ambos os estudos, a distribuição do fluxo radiante é obtida através de medições ao longo do eixo da chama e os valores de fração radiante são calculados a partir da integração dessa distribuição. É mostrado qualitativamente que a adição de gás inerte ao combustível propicia a inibição da formação de fuligem. É mostrado quantitativamente que a adição de gás inerte pode reduzir ou ampliar a fração radiante da chama, dependendo do tipo de gás, dos níveis de diluição e do tempo de residência característico da chama. São reportados valores para os fatores de ponderação utilizados no modelo de múltiplas fontes pontuais obtidos experimentalmente a partir de medições nas chamas. O formato da curva formada pelos fatores de ponderação é semelhante para os diferentes níveis de diluição com gás carbônico. A utilização desses fatores de ponderação no modelo de múltiplas fontes pontuais apresenta resultados satisfatórios em comparação com a distribuição dos fluxos radiativos medidos ao longo do eixo da chama. / In this work it is presented a study of the effect of fuel dilution with inerts on the radiative heat transfer characteristics of laminar non premixed methane flames. A study on the radiative flux distribution from turbulent flames is conducted in order to obtain weighting factors for the model of multiple point sources. The distribution of radiative heat flux is obtained by measuring the fluxes along the axis of the flame and the radiant fraction is calculated by the integration of such distribution. It is qualitatively shown that the addition of inert gas in the fuel leads to the inhibition of soot formation. It is quantitatively shown that the addition of inert may decrease or increase the radiant fraction depending on gas type, dilution levels and characteristic residence times of the flame. It is also reported values for the weighting factors used in the model of multiple point sources experimentally obtained from measurements. The shapes of the curves formed by the weighting factors are similar for the different dilution levels of carbon dioxide. The use of these weighting factors in the multi-point source model shows satisfactory results in comparison to the distribution of radiative fluxes measured along the flame axis.

O presente trabalho simula numericamente os efeitos na transferência de calor radiativa a partir da injeção de fuligem no interior de uma câmara cilíndrica que opera com chama turbulenta. São resolvidas equações de conservação de massa, de energia, de quantidade de movimento, da variância da flutuação de temperatura, de espécies químicas gasosas e de fuligem para um problema físico conhecido, partindo da combustão da mistura de metano e ar dentro de uma câmara com dimensões e condições de contorno já exploradas em outros trabalhos a fim de possibilitar comparações de resultados. Para a turbulência é utilizado o modelo k - E padrão. Na modelagem das interações turbulência-radiação, é considerada a correlação combinada entre coeficiente de absorção e temperatura e a autocorrelação de temperatura. Foram adotados os modelos de Eddy Break-Up – Arrhenius para a combustão, utilizando a reação de combustão em duas etapas. O método de ordenadas discretas, considerando a soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG – do inglês: weighted-sum-of-graygases) é utilizado para calcular o termo fonte de calor radiativo. A dependência espectral das propriedades radiativas do meio participante foi modelada pelo método WSGG, que permite a solução de problemas com concentração variável das espécies participantes com alto nível de confiabilidade. A simulação da injeção de fuligem foi realizada alterando as condições de contorno do problema, resolvendo-se os cálculos de forma acoplada. Os resultados obtidos após a injeção externa da fuligem foram comparados com simulações que apenas consideravam a formação natural e a posterior oxidação das partículas. Foram analisados os campos do termo fonte de calor radiante em toda a câmara, que mostraram aumento sensível da radiação após a injeção ser considerada. Comparou-se também o fluxo de calor que atinge as paredes da câmara, como principal análise do presente trabalho, indicando que mesmo injetando pequenas quantidades de fuligem, há um aumento no fluxo de calor. O campo de temperatura não apresentou alterações consideráveis, apenas reduzindo-se a temperatura máxima no interior da câmara. De uma forma geral, o efeito da fuligem é mais significativo nas regiões de alta temperatura. / This work simulates numerically the effects on radiative heat transfer after the soot injection into a cylindrical combustion chamber that operates with turbulent flames. A known physical problem of burning methane with air inside a chamber is considered. The dimensions and boundary conditions were already considered in other papers to enable comparisons between the results. Conservation equations for mass, momentum, gaseous chemical species and soot, energy, and temperature variance equations, are solved. The turbulence is modeled by standard k -E model. Consideration of TRI (Turbulence-Radiation Interactions) effects is made through a methodology that considers both cross-correlation between absorption coefficient and temperature self correlation. The combustion model is Eddy Break-Up – Arrhenius, with two steps for the combustion reaction. The radiative heat source term is calculated with the discrete ordinates method, considering the weighted-sum-of-gray-gases model (WSGG). The spectral dependence of the participant media radiative properties was modeled by WSGG method, which allows the solution of problems with varying concentration of the participating species with high level of reliability. The simulation of soot injection was performed by changing the contour conditions of the problem. The calculation was solved in a coupled way. The results obtained after foreign soot injection were compared with simulations which only considered the natural formation and subsequent oxidation of the particles. The fields of the radiative heat source term showed significant increase of radiation after the soot injection was considered. The radiative heat flow that reaches the chamber walls is compared between the cases, as one of the main analysis of this work. It indicates that even when small amounts of soot injection are considered, there is an increase in the radiative heat flow to the walls. The temperature behavior showed no significant change, except on reducing the maximum temperature within the chamber. In general, the effects on the radiative heat transfer after the soot injection are greater in the high temperature areas.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

Problemas de resfriamento de circuitos, presentes nas indústrias de eletrônicos e miniaturizados, têm sido amplamente estudados com o propósito de desenvolver mecanismos capazes de reduzirem a taxa de falha nos equipamentos devido às altas temperaturas. O presente trabalho utiliza o método Design Construtal associado com algoritmos de otimização, busca exaustiva e algoritmo genético, para realizar o estudo numérico de corpos sólidos com geração de calor uniforme onde são inseridos caminhos altamente condutivos em forma de “Y”, “Y-Y”, duplo “Y-Y” e “T”. O objetivo principal das otimizações realizadas consiste em minimizar a resistência ao fluxo de calor, quando as áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes, variando-se os comprimentos e espessuras dos caminhos condutivos. Para a solução numérica da equação da difusão do calor com as condições de contorno estabelecidas em cada caso, foi utilizado o PDETool do software MatLab. A formulação para o caminho condutivo em forma de “Y” apresenta a construção de volumes elementares, mantendo a mesma condutividade térmica para todo o caminho condutivo. Na configuração em forma de duplo “Y – Y” foi utilizado o método de busca exaustiva associado ao algoritmo genético (GA). Nas simulações realizadas com o caminho condutivo em forma de “T”, a configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes para a base e para a parte superior, enfatizando que a geometria depende das condições impostas pelo ambiente. Para o caso com um volume elementar, a configuração em forma de “Y” degenera-se gerando um caminho condutivo em forma de “U” e com dois volumes, a variação ocorre no comprimento dos ramos do caminho condutivo. Para a configuração com quatro volumes, a configuração ótima tem a forma de “X”. No caso do caminho em forma de “T”, a configuração que minimiza a máxima temperatura em excesso tem a forma de um “I”. Como previsto no princípio da ótima distribuição das imperfeições, a geometria ótima para os casos estudados é aquela que melhor distribui as imperfeições do sistema. / Problems that embody cooling of circuits that appears in electronics and miniaturized industries, have been widely studied to develop mechanisms capable of reducing the failure rate of the equipment due to high temperatures. The present work applies the Constructal Design method associated with optimization algorithms, exhaustive search and genetic algorithm, to perform the numerical study of solid bodies with uniform heat generation in which are inserted high-conducting pathways with “Y”, “Y–Y”, double “Y–Y” and “T” shapes. The main goal of the performed optimizations consists in minimizing the resistance to the heat flux when the occupied areas of high and low conductivity materials are maintained constant, varying the lengths and thickness of conductive paths. For the numerical solution of the heat diffusion equation with the boundary conditions established in each case, it was used the PDETool from MatLab software. The formulation for the conductive pathway with "Y" shape presents the construction of elementary volumes, maintaining the same thermal conductivity across the entire conductive pathway. In the configuration in double “Y–Y” form it was used exhaustive search method associated with genetic algorithm (GA). In the simulations performed with the T-shaped conductive pathway, the configuration provides combinations of different thermal conductivity for the base and the top, emphasizing that the geometry depends on the conditions imposed by the environment. For the case with one elementary volume, the Y-shaped configuration degenerates producing a conductive pathway with U-shape; and with two volumes, the variation occurs in the length of branches of the conductive pathway. For the configuration with four volumes, the optimum configuration has the form of “X”. In the case of T-shaped pathway, the configuration that minimizes the maximal excess of temperature is I-shaped. As predicted by the principle of optimal distribution of the imperfections, the optimal geometry for the cases studied is the one that promotes the best distribution of the imperfections of the system.

O presente trabalho objetiva estudar a eficiência térmica do arco elétrico e de fusão para o processo de soldagem MAG, do inglês Metal Active Gas, em diferentes geometrias de juntas soldadas. As soldas foram feitas inicialmente em um calorímetro de fluxo contínuo de água, seguidas de deposição de cordão sobre chapa e soldagem de juntas em ângulo “T”, sempre em aço carbono. A metodologia de projeto de experimentos Box-Behnken foi empregada para a avaliação da influência da variação dos parâmetros de soldagem (tensão, velocidade de alimentação do eletrodo e velocidade de soldagem) nas eficiências, dentro do modo de transferência metálica por curto circuito. Diferentes equações propostas na literatura para o cálculo da eficiência de fusão são comparadas. Para a adequada aquisição da eficiência térmica pelo calorímetro, preliminarmente é avaliada a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico. Com base nos resultados descritos, a eficiência térmica do arco elétrico foi avaliada com a vazão de 4 l/min para o projeto de experimentos Box-Behnken, os valores obtidos estão na faixa de 72 a 82% conforme a combinação dos parâmetros de soldagem. A velocidade de soldagem e a tensão do arco se mostraram como os parâmetros de maior influência na eficiência térmica do arco. Os resultados relativos à eficiência de fusão indicam maiores valores nas soldas realizadas no calorímetro e por simples deposição sobre chapa. A junta T apresentou os menores valores de eficiência de fusão e de diluição para todos os casos. O parâmetro de maior influência na eficiência de fusão foi a corrente de soldagem. / The main aim of the present work is to study arc thermal efficiency and fusion efficiency to Gas Metal Arc Welding – GMAW, using different joint geometries. At first, the welds were performed in a continuous water flow calorimeter, followed by bead on plate and T – joint deposits. The Box-Behken design of experiments methodology was used to analyze the effect of welding parameters (arc voltage, wire feed speed and welding speed) on the efficiencies, when using short circuit metal transfer. The results of the fusion efficiency calculation were compared using different equations found in the literature. To correctly evaluate the thermal efficiency, it was necessary to analyze the influence of water flow rate and calorimeter inlet geometry. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error. Based on these results, the arc thermal efficiency was evaluated using 4 l/min water flow to the Box-Behnken Design, resulting values in the 72 to 82% range, depending on the welding parameters. The welding speed and arc voltage were the parameters that significantly affect arc thermal efficiency. The fusion efficiency results of the welds performed on the calorimeter and bead on plate were. The welds performed in T joints exhibit lowest fusion efficiency and dilution to each welding parameters combination tested. The fusion efficiency is strongly affected by the welding current.

O presente trabalho utiliza o método Constructal Design para desenvolver o estudo numérico da configuração de materiais de alta condutividade térmica em forma de “Y” que minimiza a resistência ao fluxo de calor, quando áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes. Para a solução numérica da equação diferencial da difusão do calor e suas respectivas condições de contorno, foi utilizado o software MATLAB ®, mais especificamente a ferramenta PDETOOL, Partial Differential Equations Tool. O objetivo deste trabalho é a minimização da resistência térmica do sistema gerador de calor com baixa condutividade térmica com a utilização de vias em formato de Y com material de alta condutividade térmica e volume constante, sendo variáveis os comprimentos e espessuras do material dos ramos simples e bifurcados. Todas as possibilidades geométricas foram avaliadas e a geometria ótima foi aquela que conduziu a menor resistência térmica. Duas condições são apresentadas, a primeira tem os ramos e a base da geometria “Y” com igual condutividade térmica. Os resultados para esta configuração mostram que existem valores específicos para os graus de liberdade que minimizam a resistência térmica. Nesse caso, os ramos se degeneraram e a configuração ótima tem a forma de um “V”. A segunda configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes, para os ramos e a bases. Para estes casos obteve-se um valor otimizado próximo de 1 para a razão entre os comprimentos dos ramos simples e bifurcados, indicando que a configuração otimizada tem realmente a forma de um “Y” o que demonstra a dependência entre a geometria e as condições impostas pelo meio. Embora o design inicial do Y possa assumir diversas configurações, quando comparado o primeiro design com o design final, no caso do Y com iguais condutividades térmicas se conseguiu uma melhora superior a 28% e no caso do Y com condutividades diferentes mais de 30 %. Finalmente, este trabalho mostra que a geometria otimizada é aquela que melhor distribui as imperfeições, isto é, os pontos quentes (pontos de temperatura máxima), o que está de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições. / The present work used the method Constructal Design to develop numerical analyses of pathways of high thermal conductivity in "Y" shape which minimizes the thermal resistance when areas occupied by the materials of high and low conductivities are kept constant. For the numerical solution of the differential equations of heat diffusion and their boundary conditions, we used the MATLAB ® software, specifically the PDETOOL tool. The aim was to minimize the thermal resistance of the heat generator system with low thermal conductivity with the use of Y-shaped pathways with high thermal conductivity and constant volume, with variable lengths and thicknesses of material from stem and forked branches. All geometric possibilities were evaluated and the optimal geometry was that which resulted in lower thermal resistance. Two conditions were studied. In the first one the stem and branches of the "Y" have equal thermal conductivity. The results for this configuration show that there are specific values for the degrees of freedom to minimize the thermal resistance. In this case, the branches have degenerated and the optimum configuration has the shape of a "V". The second configuration offers different combinations of thermal conductivity, for branches and bases. For these cases we obtained a optimized value close to 1 for the ratio between the lengths of stem and bifurcated branches, indicating that the optimized configuration actually has the shape of a "Y" which shows the dependency of geometry and condition imposed by the environment. Although the initial design of Y can take various configurations, when compared the first design to the final design, in the case of Y with equal thermal conductivity it this improvement was achieved an improvement greater than 28% and in the case of Y with different conductivities over 30%. Finally, this study showed that the optimized geometry is the one that better distributes imperfections, this is, hot spots (points of maximum temperature), which is in accordance with the principle of the optimal distribution of imperfections.

Este trabalho tem como propósito investigar através do método Design Construtal a influência do espaçamento (S0) entre cilindros de seção transversal elíptica na maximização da densidade de transferência de calor em um escoamento externo sob efeito de convecção forçada. A razão de aspecto (r) entre os eixos vertical e horizontal dos cilindros elípticos também é um parâmetro avaliado. O estudo proposto é assumido bidimensional, incompressível, laminar e permanente. O regime de escoamento é dirigido por uma diferença de pressão ΔP, que se mantém através do domínio e é governada pelo número de Bejan (Be). Foram avaliados escoamentos com quatro diferentes números de Bejan, Be = 102, 103, 5.103, 104. O fluido que escoa através do domínio possui as propriedades termofisicas definidas pelo número de Prandtl, Pr = 0,72. O método Design Construtal, associado à busca exaustiva, foi empregado para determinar as restrições, graus de liberdade e o objetivo na avaliação geométrica do sistema A solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas baseadas no método de volumes finitos, através do código comercial de dinâmica dos fluidos computacional FLUENT®. As geometrias e malha do domínio computacional foram desenvolvidas no pacote GAMBIT®. Como resultados, obteve-se que os casos ótimos apresentaram resultados consideravelmente melhores do que as demais configurações, onde se obteve ganhos de desempenho na densidade de transferência de calor de 50% a 97% em relação às configurações de menor desempenho estudadas. Além disso, foi possível verificar que o sistema adapta sua geometria ótima para cada condição de escoamento, a fim de proporcionar a melhor arquitetura de fluxo para atender ao objetivo térmico de maximizar a transferência de calor em um menor espaço físico, atendendo os princípios da Teoria Construtal. / This work investigates, through the Construtal Design method, the influence of the spacing (S0) between cylinders with elliptic cross in the maximization of the heat transfer density in an external flow with forced convection. The aspect ratio (r) between the vertical and horizontal axes of the elliptical cylinders is also evaluated. The proposed study is assumed twodimensional, incompressible, laminar and permanent. The flow regime is directed by a pressure difference ΔP, which is governed by the Bejan number (Be). The flows were evaluated for different values of the Bejan number, Be = 102, 103, 5.103, 104. The fluid flowing through the domain has its thermophysical properties defined by Prandtl number, Pr = 0.72. The Construtal Design method, associated with the exhaustive search, was used to determine the restrictions, degrees of freedom and objective in the geometric evaluation of the system. The numerical solution of the mass conservation, momentum and energy equations is solved based on the finite volume method, using the commercial fluid dynamics software FLUENT ®. The geometries and mesh of the computational domain were developed in the GAMBIT® package. The results show that the optimal cases performs considerably better than the other configurations, with an increase in the heat transfer density of 50% to 97% in comparison to the performance of lower level cases studied. In addition, it was possible to verify that the system adapts its optimal geometry to every flow condition in order to provide a better flow architecture that meets the thermal objective of maximizing a heat transfer in a smaller physical space in agreement with the principles of the Constructal Theory.

Este trabalho propõe um modelo de transferência de calor e massa para prever a formação de gelo em um container preenchido com legumes congelados. O problema físico é modelado como um meio poroso composto pelo próprio produto e o ar em seu entorno. O regime de convecção natural é assumido dentro do container, o qual promove o transporte de massa. Como uma primeira validação, o modelo é simulado considerando diferentes temperaturas de ar externo, causadas por flutuações da vizinhança. Resultados para quatro ciclos de temperaturas foram comparados, variando separadamente a temperatura média do ar, amplitude e frequência de oscilação. De modo geral, é observado que a temperatura do produto se comporta assim como era esperado e este resultado é diretamente associado à formação de gelo dentro do container. A formação de gelo cresce com uma maior amplitude de oscilação, porém decresce com um aumento na frequência e na temperatura média. Os parâmetros do modelo foram obtidos para dois diferentes produtos: fatias de cenouras congeladas e vagens congeladas, ambos em meio ao ar. As definições de parâmetros são oriundas de revisão bibliográfica, medições experimentais e simulações numéricas. Os parâmetros encontrados para a caracterização desses meios porosos foram similares para ambos os produtos, mesmo eles possuindo diferentes geometrias. A validação experimental foi feita para as fatias de cenoura considerando dois ciclos de temperatura O modelo numérico é capaz de prever o campo de velocidades do ar, as temperaturas do produto e a formação de gelo local. Os resultados foram validados em relação a um grupo independente de resultados numéricos, tal comparação apresentou uma boa concordância. A circulação de ar encontrada é, de fato, devido à convecção natural. O comportamento da temperatura dos produtos simulados concorda com os valores medidos e os valores de temperaturas diferem por menos de 12%. Com respeito à formação de gelo, o modelo é capaz de prevê-la corretamente nas regiões mais suscetíveis a este fenômeno. Porém, a quantidade de gelo formado prevista pelo modelo (1,56 g/semana) é menor do que a experimental (4,67 g/semana), apesar de serem de mesma ordem de magnitude. O efeito de cada parâmetro no modelo é estudado visando detectar maneiras de aprimorar o modelo. Foi encontrado que os parâmetros mais importantes para a formação de gelo total são a difusividade de massa efetiva e o coeficiente de transferência de calor convectivo dentro do container. Ajustando estes parâmetros duas vezes foi possível encontrar resultados melhores com respeito à formação de gelo (3,09 g/semana). / A model of heat and mass transfer is proposed in order to predict frost formation into a closed container filled with frozen vegetables. The physical problem is modeled as a macroporous media composed by the product itself and the surrounding air. Natural convection air flow is assumed into the container, who promotes water mass transport. As a first validation, the model is simulated for several exterior air temperatures, under environmental fluctuations (boundary conditions). Results of four temperature cycles were compared, varying average air temperature, amplitude and frequency of oscillation, one by one. As a general result, it is observed that the product temperature behavior is as expected, and it is directly associated with frost formation into the container. Frost formation increases with large amplitude of oscillation, but decreases with higher frequencies and higher mean temperatures. Model parameters were obtained for two assembling: frozen slices of carrots and air, and frozen extra thin green beans and air. Parameter definition and evaluation combines literature review, measurements and numerical simulation. In general, parameters which characterize these porous media were similar for both products, even though they display different geometries. The experimental validation is performed for carrot slices with two temperature cycles The numerical model is able to predict air velocity field, air and product temperatures, and local frost formation. Results are validated in respect to a set of independent experimental results that shown a good agreement. Air flow circulation is as expected due to natural convection. Product temperature simulated behavior agrees with measurements, and temperature values differ by less than 12%. Respect to frost formation predictions, the model predicts correctly the most susceptible regions to frost formation. However, the quantity of frost formed predicted by the model (1.56 g/ week)is lower than the experimental one (4.67g/week), despite being of the same order of magnitude. The effect of each parameter in the model is study in order to detect how to improve the model. The most important parameters affecting total frost formation are effective mass diffusivity and convective heat coefficient into the storage container. Adjusting these parameters to twice, better results in terms of frost formation could be obtained (3.09 g/ week).

O trabalho apresenta uma modificação do modelo do número de onda cumulativo (CW – Cumulative Wavenumber) para atender ao balanço de energia na determinação da transferência radiante de gases participantes não uniformes. De um modo geral, o modelo CW fornece resultados que se mostram precisos para o divergente do fluxo de calor radiante (ou taxa volumétrica de geração de energia) quando comparados à solução benchmark (integração linhapor- linha). No entanto, conforme é apresentado nesta pesquisa, uma hipótese importante feita pelo modelo o torna não conservativo e, não garantindo o balanço de energia radiante quando um meio não uniforme é considerado. Como conseqüência, o fluxo de calor radiante pode apresentar desvios consideráveis em relação à solução exata. O modelo do número de onda cumulativo modificado (CWM) foi desenvolvido de forma a manter o mesmo valor para a taxa volumétrica de geração de energia, mas satisfazendo ao balanço de energia radiante. O modelo CWM é aplicado juntamente com o método das ordenadas discretas para resolver a transferência de calor radiante em sistemas unidimensionais formados por placas planas infinitas e paralelas, contendo camadas uniformes e não uniformes de gases típicos da combustão de metano ou óleo combustível. As paredes são negras para a radiação térmica. A aquisição de dados das linhas de absorção espectrais é feita pela utilização dos bancos de dados HITRAN e HITEMP. São apresentados os bancos de dados, bem como a forma em que é efetuada a extração destes e, posteriormente, a elaboração dos espectros de absorção das espécies químicas. São analisados meios uniformes (isotérmicos e homogêneos) primeiramente, evidenciando que o modelo original (CW) não apresenta problemas nesses casos. Posteriormente, meios não uniformes (nãoisotérmicos e homogêneos; ou não-isotérmicos e não homogêneos) são avaliados. Os resultados para ambos os modelos, CW e CWM, são comparados com a solução linha-por-linha (LBL). Casos com diferentes perfis de temperatura e concentração da espécie química são considerados. A solução a partir da nova metodologia se apresentou mais dispendiosa computacionalmente devido ao acréscimo de novos passos iterativos. Os resultados mostram que o CWM leva a resultados mais precisos para o fluxo de calor radiante, satisfazendo ao balanço de energia com um desvio que se deve principalmente à discretização espacial da equação de transporte radiante. / This work presents a modification of the cumulative wavenumber (CW) method to determine the radiative transfer in non-uniform participating gases to enforce the radiative energy balance to be satisfied. In particular, the CW model leads to results for the divergent radiative heat flux (or radiative volumetric heat source) that proved accurate in comparison to the benchmark solution ( LBL integration) for non-isothermal medium. However, as will be shown in this work, one important assumption of the method prevents it of satisfying the radiative energy balance when a non uniform medium is considered. As consequence, the radiative heat flux can present considerable deviation of the correct solution. The modified cumulative wavenumber (CWM) model was developed to keep the same value of the radiative volumetric heat source, but also to satisfy the radiative energy balance. The CWM model is applied together with the discrete ordinates method to solve the radiation heat transfer in a one-dimentional slab containing a uniform/non-uniform layer of typical gases from the methane or fuel oil combustion. The walls are black for the thermal radiation. The HITRAN and HITEMP are used to extract the spectral lines information that is required for modeling. The database are briefly presented as well as the procedure that is used to extract the data and the spectra drawing. Firstly, uniform media (isothermal and homogeneous) are analyzed proving that the original model (CW) presents accurate results in those cases. Next, non-uniform media (non-isothermal and homogeneous; or non-isothermal and non-homogeneous) are taken into account. The results of both the CW and the CWM modeling are compared to the benchmark line-by-line (LBL) integration. Different temperature and concentration profiles are considered. The solution obtained from the new model presents an increase in the computational time due to the insertion of new iterative loops. The results show that the CWM leads to accurate estimation of both the radiative heat flux and volumetric heat source, satisfying the radiative energy balance with an error that is mostly due to the spatial discretization of the radiative transfer equation.

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