Estruturas em material compósito possuem excelentes propriedades mecânicas específicas e sua aplicação em estruturas cresce exponencialmente. Entretanto, por apresentarem alto grau de anisotropia aliado a complexos modos de falha, um completo entendimento dessas estruturas ainda é um árduo desafio. A principal motivação do presente trabalho é avaliar o comportamento mecânico de estruturas em material compósito processadas por filament winding (FW), através de abordagens analítica, numérica e experimental. Laminados de fibra de carbono com resina epóxi foram processados por FW com Vf = 72% em diferentes formatos. Laminados planos foram submetidos a condicionamento higrotérmico e a carregamentos trativos, compressivos e cisalhantes. Também se realizou um estudo numérico focando na determinação da capacidade de transferência de carga do liner (selante) para vasos de pressão (COPV) em compósitos de carbono/epóxi pressurizados internamente. Os vasos de pressão foram modelados considerando variação no ângulo de enrolamento e acúmulo de espessura nas zonas de contorno, para selantes com diferentes materiais e espessura. Além disso, propôs-se um modelo de dano e avaliou-se experimentalmente a progressão da falha de tubos de carbono/epóxi submetidos à pressão hidrostática externa. Os resultados indicam que o dano causado pelo condicionamento higrotérmico afetou a interface fibra/matriz, onde um efeito plasticizante foi encontrado através de análise fractográfica. A superfície de falha no plano 22−12, determinada analiticamente, indicou o dano causado após o condicionamento. Já os resultados numéricos para um vaso de pressão pressurizado internamente indicaram que o selante efetivamente transfere tensão no seu regime elástico e sua contribuição diminui para maiores níveis de pressão. Por fim, o modelo de dano proposto para avaliar tubos submetidos à pressão externa apresentou previsões numéricas não maiores que 8,4% em relação aos dados experimentais, além de ser capaz de indicar precisamente o seu modo de falha. / Composite structures have excellent specific mechanical properties, and their application in structures grows exponentially. Nonetheless, due to their high anisotropy degree, and complex failure modes, a complete understanding of these structures is still a tough challenge. The main motivation of the current work is to investigate the mechanical behavior of composite structures manufactured by filament winding (FW) through analytical, numerical and experimental approaches. Carbon fiber reinforced epoxy composite laminates have been manufactured by FW with a Vf = 72% in several shapes. Flat laminates were submitted to hygrothermal conditioning and subjected to tensile, compressive and shear loadings. Also, a numerical study focusing on the determination of the load sharing ability of the liner for carbon/epoxy composite overwrapped pressure vessel (COPV) under internal pressure has been performed. The COPV was modeled accounting for winding angle variation and thickness built-up at the turn-around zones, for liners with different raw materials and thicknesses. Furthermore, a damage model has been proposed, and experiments were carried out to study failure progression in carbon/epoxy composite tubes under hydrostatic external pressure. The results of this research point out that the damage caused by hygrothermal conditioning affected the fiber/matrix interface, where a plasticizing effect was identified through fractographic analysis. The analytically determined failure surface in the 22−12 plan pointed out the damage generated after conditioning. The numerical results for internally pressurized COPV indicated that the liner effectively shared stress on its elastic regime, and its contribution decreased for higher pressure levels. Lastly, the proposed damage model to evaluate composite tubes subjected to external pressure presented numerical predictions not higher than 8.4% in comparison to the experimental results, being able to indicate their failure modes.

Orientador: Raimundo Leite Cruz / Banca: Antônio de Pádua Sousa / Banca: Edmar José Scaloppi / Banca: Alexandre Barcelos Dalri / Banca: Jarbas Honório de Miranda / Resumo: Com o desenvolvimento da tecnologia dos plásticos, tornou-se possível à construção de tubos emissores, com padrão de qualidade, a custos relativamente baixos. O emprego da irrigação localizada, pelo sistema de gotejamento, ganhou no Brasil novo impulso a partir dos anos 90, com a instalação de diversas empresas internacionais especializadas neste mercado. As empresas mais importantes do mundo se fazem presente no Brasil e algumas multinacionais estão produzindo aqui parte de sua linha de produção, como: Netafim, Plastro, Amanco, NaanDan e como empresa brasileira fabricante, existe a Petroisa. Esse trabalho teve por objetivo caracterizar e avaliar de forma técnica e hidráulica alguns tubos emissores para gotejamento, comercializados no mercado brasileiro de acordo com as normas ISO 8796:2004 e ISO 9261:2004. O experimento foi conduzido no Laboratório de Irrigação do Departamento de Engenharia Rural, da Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista "Julio de Mesquita Filho" - Campus de Botucatu, São Paulo. A norma ISO 9261:2004 prescreve critérios para avaliar e especificar gotejadores com vazão inferior a 24 L h-1 e tem por característica principal, a flexibilidade para adaptar economicamente qualquer laboratório de irrigação, porque não especifica as características da bancada de ensaios. 2 Os ensaios visaram à determinação dos seguintes parâmetros: Coeficiente de variação de fabricação, equação característica da relação entre pressão e vazão, espessura da parede, diâmetro interno, espaçamento entre emissores, resistência à pressão hidráulica à temperatura ambiente e à temperatura de 40oC, resistência à tensão de 160 N e 180 N, e ensaio de envelhecimento precoce. As análises mostraram um coeficiente de variação de fabricação (CVf) inferior a 0,07 para todos os tubos emissores... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: With the domain of the technology of plastics, it became possible to manufacture quality emitting pipes standard, at relatively low costs. Trickle irrigation method, using emitting pipes, gained in impulse Brazil during last decade 90, with the installation of several specialized international industries. Multinationals industries such as Netafim, Plastro, Amanco, NaanDan and a Brazilian manufacturer, Petroisa are producing here part of its line of production. This work had the objective, to characterize and evaluate emitting pipes, commercialized in Brazil according to ISO 8796 and ISO 9261:2004 standards. The 4 tests were conducted in the Laboratory of Irrigation of the Faculdade de Ciências Agronômicas - Campus of Botucatu, São Paulo, Brazil. The following parameters were evaluated: manufacturing variation, pressure and discharge equation, thickness of the wall, internal diameter, emitters spacing, resistance to the hydraulic pressure at the current temperature and at raised temperature (40oC), resistance to the 160 tension and 180 N, and precocious aging. The analyses had shown manufacturing coefficients of variation below 0,07 for all the emitting pipes, (maximum value allowed by ISO 9261:2004) standard. The exponents of pressure (x), in the pressure discharge e friction were of 0.431, 0.502, 0.450, 0.575, 0.533, 0.480, 0.470 for Petro Drip, Golden Drip, Chapin, Queen Gil, Aqua Traxx, Tiran and Amanco Drip, emitters respectively, classifying them as not compensating. For ISO 9261:2004, the value of x should not exceed 0.2 to be classified as compensating. The evaluated emitters (Ram, Naan PC, Amanco Drip PC and Twin Plus) had values lesser than 0,075. The test of resistance to the tension, as ISO 9261:2004 is a useful tool to classify an emitting in reusable and not reusable pipe. Aqua Traxx emitter was classified as not reusable. It presented probably... (Complete abstract, click electronic address below). / Doutor

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

Materiais compósitos são conhecidos pela alta resistência mecânica e baixo peso, desempenho superior, resistência à corrosão e baixa densidade. A produção de um material composto possui vários processos com particularidades diferentes. O enrolamento filamentar (Filament Winding) é um processo no qual fibras de reforço contínuas são posicionadas de maneira precisa e de acordo com um padrão predeterminado para compor a forma do componente desejado. As fibras, submetidas à tração, são enroladas continuamente ao redor de um mandril que tem a forma do produto final, em geral utilizando equipamentos automáticos. No final do processo, após a cura da resina, o mandril é geralmente removido. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de recursos computacionais adequados para o cálculo das trajetórias e sequenciamento de posicionamento das fibras. Esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de procedimentos matemáticos para cálculo de trajetórias geodésicas no processo de \"Filament Winding\" e implementá-los em um ambiente computacional em linguagem de alto nível Java, considerando-se os casos de revestimento circunferencial, helicoidal e polar. São desenvolvidos dois estudos de caso: tubos cônicos e vasos de pressão, e os resultados apresentados e discutidos, validando os procedimentos e ambiente implementado. / Composite materials are well known by the high strength and low weight, superior performance, resistance to the corrosion and low density. The production of a composite material part involves some processes with different requirements. The filament winding process is an automated process in which continuous reinforcement fibers are lay down in prescribed paths on the surface of a mandrel, which is generally removed after the cure of the resin. In such a way, it is fundamental that the designer uses computational resources for the calculation of the paths and sequence of the fibers. In this work is developed the mathematical procedures for calculation of geodesic trajectories in the Filament Winding process and implements them in a computational environment in high level language Java, considering the circumferential, helical and polar strategies. Two case studies are developed successfully: conical pipes and pressure vessels, and the results presented and discussed, validating the procedures and implemented environment.

Este trabalho apresenta um estudo acerca dos principais parâmetros que caracterizam o fenômeno da biestabilidade em dois tubos dispostos lado a lado submetidos a escoamento cruzado turbulento. A técnica experimental da anemometria de fio quente em canal aerodinâmico é aplicada na medição das flutuações de velocidade do escoamento após os tubos. As séries temporais obtidas são utilizadas como dados de entrada para determinação das funções densidade de probabilidade (PDF) usando um modelo de mistura finita, de acordo com uma função t de Student assimétrica e com o auxílio do método de Monte Carlo. Transformadas de ondaletas discretas e contínuas são aplicadas na filtragem das séries temporais para determinadas bandas de frequências e na análise do conteúdo de energia destes sinais. Através de conceitos de sistemas caóticos, é realizada a reconstrução do atrator do problema pelo método dos atrasos temporais, a partir das séries experimentais de velocidade, permitindo a determinação da dimensão de imersão e o cálculo do maior expoente de Lyapunov. Os resultados mostram a existência de dois patamares distintos de velocidade média nas séries temporais, correspondentes aos dois modos do escoamento, cada qual com números de Strouhal e funções densidade de probabilidade distintas. Uma análise conjunta das componentes axial e transversal do escoamento e suas PDF indicam as regiões no plano de medições onde o fenômeno se manifesta, sendo que reconstruções da trajetória filtrada das séries temporais para determinadas bandas de frequências apresentam características caóticodeterminísticas. O maior expoente de Lyapunov das séries experimentais é positivo, o que é um indício de comportamento caótico. / This work presents a study of the main parameters that characterize the phenomenon of bistability in two tubes placed side by side submitted to turbulent crossflow. The experimental technique of hot wire anemometry in aerodynamic channel is applied in the measurement of velocity fluctuations of the flow after the tubes. The time series obtained are used as input data for determining the probability density functions (PDF) using a finite mixture model, according to an asymmetric Student t function and with the aid of a Monte Carlo method. Wavelet transforms are applied in discrete and continuous filtering of time series for certain frequency bands and in the analysis of the energy content of these signals. By means of chaotic systems concepts, the attractor reconstruction of the problem is performed using the method of time delays from the experimental series of velocity, allowing the determination of the embedding dimension and calculating the largest Lyapunov exponent. The results show the existence of two different levels of mean velocity in time series, corresponding to two flow modes, each one with different Strouhal numbers and probability density functions. A joint analysis of axial and transverse components of flow and its PDF indicate the regions in the measurement plan where the phenomenon is manifested, and reconstructions of the trajectory of the filtered time series for certain frequency bands have chaotic-deterministic characteristics. The largest Lyapunov exponent of experimental series is positive, which is an indication of chaotic behavior.

Embora a órtese de Palmaz tenha sido utilizada para tratamento de graves obstruções da via aérea, em pacientes com traqueomalacia ou estenose após traqueoplastia, não existe nenhum estudo experimental sobre o uso desta órtese. Este trabalho foi então realizado com o objetivo de determinar o efeito do uso experimental da órtese de Palmaz emtraquéias normais e previamente submetidas a cirurgia. A órtese de Palmaz foi colocada, através de broncoscopia e sob controle fluoroscópico, na traquéia intratorácica de quatro grupos de gatos anestesiados. Nos animais dos grupos I (adultos, n=10) e fi (filhotes, n=10), a órtese foi colocada na traquéia normal. Animais do grupo m (adultos, n=15) submeteram-se a toracotomia, incisão e sutura traqueal, e aqueles do grupo IV (adultos, n=15) à toracotomia e traqueoplastia com pericárdio. Nos grupos m e IV, a órtese foi inserida em dez animais, tendo cinco sido utilizados como controle. Balonete de 15 mm de diâmetro foi usado para expandir a órtese nos animais do grupo I; balonete de 8mmfoi usado nos demais grupos. Os animais foram avaliados diariamente. Broncoscopia e radiografia de tórax foram feitas em 2, 5, 8 e 10 semanas. Metade dos animais com órtese foram sacrificados em 5 semanas; todos os demais em 10 semanas. Após sacrificio foram realizados histologia e medida dos diâmetros traqueais. Testes t de student e exato de Fisher foram utilizados, considerando-se 0,05 como o nível mínimo de significância. Um animal do grupo I foi sacrificado após perfuração traqueal provocada pela órtese. A não ser episódios intermitentes de tosse observados em 19 gatos, e recusa alimentar com perda de peso em três do grupo IV, nenhum outro problema clínico foi notado. Em todos os grupos, a média de peso na inserção da órtese foi igualou menor do que aquela observada no momento do sacrificio dos animais. Traqueoscopia revelou tecido de granulação não obstrutivo, caracteristicamente localizado nas extremidades da órtese, em 15 animais dos grupos I e fi, e em 17 dos grupos fi e IV. Tecido de granulação também foi observado na região da cirurgia traqueal prévia, nos animais com órtese dos grupos m, e em todos do grupo IV. Esofagoscopia realizada nos animais com recusa alimentar e perda de peso excluiu esofagite ou obstrução esofágica. No grupo I, a área seccional da traquéia com órtese foi significativamente maior do que aquela da traquéia normal (p<O,02); no grupo IV, a área seccional de traquéia operada sem órtese (controle) foi significativamente menor do que aquela da traquéia normal (p<O,02). Histologia mostrou discretas modificação epitelial e reação inflamatória com formação de tecido de granulação na traquéia de todos os animais com a órtese. Entretanto, estas alterações histológicas foram mais graves naqueles gatos do grupo I (órtese demasiadamente distendida), nos quais também foram observados fibrose e ulceração epitelial. No grupo fi, os animais com órtese apresentaram maior reação inflamatória, formação de tecido de granulação e modificação epitelial do que aqueles animais sem órtese (controle). Com este estudo, podemos concluir que, no gato, (1) a órtese de Palmaz, quando adequadamente expandida, provoca uma reação inflamatória leve na traquéia normal e previamente operada; (2) em caso de expansão demasiada da órtese (grupo I), as alterações histológicas são mais graves e é comum a observação de perfuração traqueal; (3) a órtese, inserida após sutura traqueal, provoca formação de tecido de granulação e maiores danos histológicos; (4) naqueles animais submetidos a traqueoplastia, a órtese de Palmaz mantém a área traqueal na região operada. / Palmaz stents have been used to relieve severe airway obstructions in patients with tracheobronchomalacia and post tracheoplasty stenosis. Experimental data to support their use are lack:ing. This study was undertaken to determine their effect on the normal and fresh1y operated trachea. Palmaz stents were placed bronchoscopically with f1uoroscopic control in thoracic tracheas of 4 groups of anesthetized cats. Gp I (adults, n=10) and Gp fi (kittens; n=lO): normal tracheas; Gp m(adults, n=15): thoracotomy, traeheal incision and closure; Gp IV (adults, n=15): thoracotomy, traeheoplasty with pericardial pateh. In Gp mand IV, stents were inserted in 10 and 5 served as controls. The balloon stents were inflated to 15 mmin Gp I and to 8 mmin the others. Cats were assessed daily, and by bronchoscopy and x-ray at 2, 5, 8 and 10 weeks. Halfthe stented animaIs were sacrificed at 5 weeks; all others at 10. At autopsy, tracheas were evaluated by size, contoU! and histology. Fiseher's and Student's "t" tests were utilized, and 0.05 was the significance leveI. One Gp I animaIs was sacrificed because of tracheal perforation. Except for mild cough in 19 eats, and difficulty of eating with loss ofweight in three, no clinicaI problems were noted. A non obstructing rim of granulation tissue at the upper or lower end of the stent in 15/20 Gp I and fi cats, and in 17/20 Gp m and IV animaIs, and also at the tracheal repair site in stented Gp m and all Gp IV. Endoscopy excluded esophagus inflammation and obstruction in animaIs with difficulty of eating and loss of weight. The difference in cross-sectional area ofthe stented versus the normal trachea in Gp I cats was significant (p<0.02); in Gp IV, the control (unstented) tracheoplasty site was narrower than the normal trachea (p<0.02). Mild epithelial damaged and inflammatory reaction with granulation tissue was observed in all stented animaIs, but Gp I (over distention) the reaction was more severe with epithelial ulceration and fibrosis. Stented tracheas in Gp m had significantly more inflammatory reaction, granulation tissue and epithelial damaged than eontrols. We ean conelude this study that: 1) Adequate expanded Palmaz stents provoke an inflammatory reaetion in the normal and fresh1y operated upon cat trachea; 2) Overexpanded (Gp I) Palmaz stents provoke traeheal perforation and severe histologic damage; 3) Palmaz stents insertion afier tracheal suture in cats provoke more granulation tissue and histologic damage; 4) Palmaz stents maintain the normal lumen size afier pericardial tracheoplasty in eats.

O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar. / The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.

Dissertação para obtenção do grau de Mestre, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

La presente Tesis centra la atención en la simulación numérica y validación experimental del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos (líquido-vapor), así como su aplicación en sistemas y equipos térmicos, propios del campo de la refrigeración y del aire acondicionado. Consecuencia del estudio realizado ha sido la elaboración de códigos informáticos para la simulación numérica de condensadores, evaporadores y dispositivos de expansión del tipo capilar, en base a la formulación de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos. La Tesis también aborda la simulación de sistemas frigoríficos completos en base a algoritmos que acoplan la resolución de los elementos que lo integran.El flujo bifásico se ha modelizado en base a la resolución de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos, escritas en forma unidimensional y estado permanente o transitorio. Las ecuaciones gobernantes se resuelven mediante esquemas numéricos del tipo implícito que avanzan tramo a tramo en la dirección del flujo o bien esquemas numéricos basados en corrección de presiones. La formulación implementada requiere de información empírica para evaluar la interacción entre el fluido y los contornos sólidos limitantes, así como la estructura del flujo bifásico. Las formulaciones matemáticas implementadas han sido suficientemente contrastadas experimentalmente en base a resultados presentados en la literatura científica. El modelo implementado para la simulación del flujo a través de tubos capilares, utiliza la modelización del flujo bifásico, resolviéndose en base a un algoritmo de tipo tramo a tramo. El caudal másico que circula por el capilar, o alternativamente la presión de entrada, se evalúan en base a un algoritmo Newton-Raphson, tanto para las condiciones de flujo crítico (estrangulado) como de flujo no crítico. La comparación realizada entre resultados numéricos y experimentales de diferentes autores muestra un notable grado de correlación. El modelo implementado para la simulación de condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntricos, se ha estructurado en base a un algoritmo que en forma segregada e iterativa resuelve cada una de las partes del dominio: flujo en el interior del tubo, flujo en el ánulo, y los sólidos (tubo interior, tubo exterior, aislante). Para las zonas de flujo de fluido se utiliza el modelo desarrollado para flujo bifásico. Para los sólidos, la ecuación de conducción de calor se ha discretizado en base a un esquema numérico implícito del tipo central difference, resolviéndose el sistema de ecuaciones algebraicas en base a un algoritmo Gauss-Seidel apoyado en un TDMA en las direcciones radiales y axiales alternativamente. El tubo aislado ha recibido un tratamiento tridimensional axialsimétrico, mientras que el tubo interior recibe un tratamiento unidimensional.El estudio de evaporadores y condensadores de tipo compacto (tubos y aletas). La simulación desarrollada del flujo bifásico se ha implementado en un algoritmo numérico detallado de resolución del flujo del aire exterior y de los sólidos. Así de forma acoplada se resuelve el flujo en el interior de los conductos, el flujo de aire exterior y la transferencia de calor por conducción a través de los elementos sólidos (tubos y aletas). Se presentan distintos resultados experimentales con fines a la contrastación y validación de las subrutinas desarrolladas. La integración de los diferentes equipos anteriores mencionados en sistemas de refrigeración por compresión de vapor se realiza mediante un modelo numérico para la resolución tanto de sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, como de sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido. Ambos algoritmos numéricos se basan en un programa principal el cual llama de manera secuencial a diferentes subrutinas que evalúan los diferentes equipos y partes del sistema hasta que se alcanza la convergencia deseada. Se detalla la infraestructura experimental desarrollada con el objeto de validar las simulaciones numéricas para cada uno de los elementos integrantes del sistema y del sistema en su conjunto. Se presenta la contrastación entre resultados experimentales y numéricos para los sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, así como resultados numéricos obtenidos por la simulación para el caso del sistema con sobrealimentación de líquido.

Los aceros inoxidables 13CrNiMo con bajo contenido de carbono, surgen como alternativa para el reemplazo de materiales más caros en el uso como sistemas de transporte de fluidos de las industrias de gas y petróleo, con concentraciones importantes de cloruros, pCO<SUB>2</SUB>, pH<SUB>2</SUB>S y temperatura elevadas. El bajo contenido en carbono permite salvar algunos problemas vinculados a la operación de soldadura. Con el fin de obtener una alta tenacidad, se realizan tratamientos térmicos de precalentamiento y de post soldadura, los mismos se aplican sobre la zona de soldadura, e involucran además al metal base, produciendo en este tipo de materiales en particular, un cambio en el tenor de austenita retenida en toda la matriz a temperatura ambiente, en una clara modificación de la microestructura del metal. En esta tesis se estudia el impacto que las variaciones en la microestructura tienen sobre la película pasiva formada sobre la aleación de acero inoxidable 13CrNiMo y la influencia de esta última sobre la corrosión localizada. Además se determinan las propiedades estructurales y electrónicas de la película pasiva formada, vinculándolas a la susceptibilidad a la corrosión localizada. Para el estudio se tomaron muestras de la aleación sometidas a diferentes tratamientos térmicos post soldadura y se caracterizaron microestructuralmente determinando el contenido de austenita retenida en cada caso. Las muestras fueron sometidas a medidas potenciodinámicas cíclicas para hallar su susceptibilidad a la corrosión localizada. Tanto el potencial de picado como el potencial de repasivación se desplazaron en el sentido anódico a medida que el porcentaje de austenita retenida aumentaba en la muestra. Las muestras sometidas a tratamientos que involucran dobles revenidos promovieron mayor porcentaje de austenita retenida. Dada la correlación hallada entre los potenciales de picado y el tenor de austenita retenida, se dispone de una indicación de que la formación de las películas pasivas formadas sobre la superficie, muestren la misma tendencia. Medidas cronopotenciométricas revelan que el espesor de las películas aumenta en función del mayor contenido de austenita retenida. Los estudios de Mott Schottky, muestran que la película pasiva se comporta como un semiconductor tipo n con una densidad de donores que es esencialmente independiente del potencial en el estado pasivo. La impedancia de la interfase ha sido modelada convenientemente considerando una versión corregida del modelo de defectos puntuales, lo que permite obtener el coeficiente de difusión de esos defectos y una estimación del espesor de la película. La velocidad de auto‐reparación de la película pasiva tiende a ser más rápida en el material cuyo contenido de austenita retenida es mayor. La conformación estructural de película es de doble capa, así como la estructura de las películas anódicas para otros aceros inoxidables.