Neste trabalho foi realizado um estudo experimental da turbulência e do transporte de partículas e energia induzido por flutuações na borda do plasma do tokamak TBR-1. Para isto, foi utilizado um conjunto de sondas eletrostáticas (incluindo uma sonda tripla de resposta rápida) e magnéticas, especialmente construído para este fim. Técnicas de análise espectral foram aplicadas aos dados e permitiram verificar a influência das flutuações da temperatura nos parâmetros de transporte. Os resultados mostram que o nível relativo das flutuações da temperatura é da ordem de 10% e os da densidade e do potencial variam de ~10 a ~ 30 %. As flutuações eletrostáticas possuem faixas largas de freqüência e números de onda, o que caracteriza a borda do plasma como um meio turbulento. Estas flutuações se propagam no sentido da deriva diamagnética dos íons. A correção das flutuações das grandezas do plasma utilizando as flutuações da temperatura causou mudanças significativas nos transportes de partículas e energia induzidos por flutuações, nas posições mais internas da borda do plasma. O tempo de confinamento de partículas, calculado a partir deste transporte, está na faixa de ~1 a ~ 1,5 ms, que é da mesma ordem do tempo de confinamento obtido por outros métodos, indicando assim que o transporte induzido por flutuações pode ser considerado como o principal processo de perda de partículas na borda do plasma. Utilizando perturbações magnéticas externas, verificamos que a temperatura e a densidade diminuem e há alterações significativas nas características das flutuações eletrostáticas e magnéticas. Os transportes de partículas e de energia também são afetados, diminuindo nas posições mais internas da borda do plasma. Estes efeitos mostram que a borda do plasma torna-se um meio menos turbulento e que estas perturbações são um meio efetivo de controle do transporte nesta região. / In this work we report an experimental study of the turbulence and the particle and energy transport due to fluctuations in the plasma edge of the TBR-1 tokamak. For this study a special set of electrostatic probes (including one fast response triple probe) and magnetic probes have been constructed. The triple probe permitted measurements of temperature fluctuations. Spectral analysis techniques were applied to the data and permitted to verify the influence of temperature fluctuations on the transport parameters. Our results indicate that the relative level of temperature fluctuations is ~ 10 % and the relative levels of density and potential fluctuations are in the range from ~ 10 to ~ 30 %. The electrostatic fluctuations are broadband in frequencies and wave numbers indicating that plasma edge is a turbulent medium. These fluctuations propagate in the ion diamagnetic drift direction. If temperature fluctuations are taken into account, significant modifications in the calculated transport parameters are obtained mainly in the inner positions of plasma edge. The particle confinement time, calculated from the transport corrected by the temperature fluctuations, is in the range from ~ 1 to ~ 1.5 ms. These values are comparable with those calculated by using other methods, indicating that transport induced by fluctuations is the main process of particle loss in the TBR-1 plasma edge. Controlled electrical currents circulating in helical windings were used to produce magnetic perturbations. These perturbations produce a decrease in the plasma mean density and temperature, and a significant alteration in the electrostatic and magnetic fluctuations. The transport parameters are also affected, decreasing at the inner positions of the plasma edge. The effect of these magnetic fields shows that these perturbations are an effective mean to control the transport in this region.

O procedimento de dimensionamento de uma linha lateral de microirrigação necessita avaliar com precisão as perdas de carga distribuídas na tubulação e as perdas de carga localizadas nas inserções dos emissores com os tubos. Estas perdas localizadas podem ser significativas quando comparadas com as perdas de carga totais, devido ao grande número de emissores instalados ao longo da linha lateral. Este trabalho reporta os resultados de um experimento sobre perda de carga distribuída, fator de atrito e perda de carga localizada em conexões de emissores &#34;on-line&#34; em tubos de polietileno de pequeno diâmetro. Foram utilizados cinco tubos com diâmetros internos de 10,0 mm, 13,0 mm, 16,3 mm, 17,4 mm e 19,7 mm. O experimento foi conduzido para números de Reynolds no intervalo de 5000 a 68000, obtidos pela variação da vazão nos tubos, a uma temperatura média da água de 20 &#177; 2 &#176;C. Os resultados foram analisados e concluiu-se que o fator de atrito f da equação de Darcy-Weisbach pode ser estimado com c = 0,300 e m = 0,25. A equação de Blasius com c = 0,316 e m = 0,25 mostrou-se conservadora na estimativa do fator de atrito, porém esse fato não constitui limitação para sua utilização em projetos de microirrigação. As análises mostraram que as duas equações proporcionam estimativas de f com pequeno desvio médio (5,1%). Para um dado conjunto tubo-conexão o coeficiente de carga cinética (KL) foi praticamente independente do número de Reynolds, para R>20000, sugerindo que cada conjunto tubo-conexão pode ser caracterizado por um valor médio de KL. Para desenvolver um procedimento de estimativa de KL, a geometria da conexão entre o emissor e o tubo foi caracterizada por um índice de obstrução IO, que depende da razão (r) entre a área da seção transversal do tubo, onde o conector está localizado, e a área da seção transversal do tubo fora do conector. Uma função potência foi ajustada aos pares experimentais (IO, KL). A seleção do modelo é consistente com o fenômeno físico uma vez que KL = 0 para r = 1 (nenhuma obstrução dentro do tubo). Para 5000<R68000 a relação foi KL = 1,23 (IO)0,51 com R2 = 0,9556 e erro padrão do ajuste igual a 0,04245. As diferenças entre os valores de KL estimados e observados são normalmente distribuídas. / Microirrigation lateral design procedure needs to accuratel evaluation of both the pipe head losses and the local losses that are due to the protrusion of emitter barbs into the flow. These local losses, in fact (in relation to the high number of emitters located along the line) can become significant compared to the overall energy loss. On this paper, the results of an experimental study on the pipe head losses, friction factor and head local losses for small-diameters polyethylene pipes are reported. The experiment was carried out using a range of Reynolds number between 5000 to 68000, obtained by varying discharge at 20 &#177; 2 &#176;C water temperature, with a internal diameter pipes of 10,0 mm, 13,0 mm, 16,3 mm, 17,4 mm and 19,7 mm. According to the results analysis and experimental conditions the friction factor (f) of the Darcy-Weisbach equation can be estimated with c = 0,300 and m = 0,25. The Blasius equation (c = 0,316 and m = 0,25) gives a conservative estimative of f, although this fact is non restrictive for microirrigationsystem design. The analysis shows that both the Blasius and the adjusted equation parameters allow accurate friction factor estimate, characterized by low mean error (5,1%). For a given pipeconnection system, the fraction KL of kinetic head was practically independent of the Reynolds number, for R>20000, which suggested that each system can be characterized by the mean value of KL. To derive an estimating procedure of KL, the geometry of the connection between the emitter and the pipe was characterized by the obstruction index IO, which is dependent on the ratio (r) between the pipe cross-section area corresponding to the section in which the emitter is located, and the pipe cross-section area. A power relationship was then fitted to the experimental IO, KL data pairs. The selection form of thr relationship is consistent with the physical phenomenon since it estimates KL = 0 for r = 1 (no obstruction into the pipe). For 5000<R<68000 the relationship was KL = 1,23 (IO)0,51 with R2 = 0,9556 and standard fit error equal to 0,04245. The differences between KL observed values and the calculated ones are normally distributed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work a parameterization for the transport terms of the turbulent kinetic energy (TKE) budget equation, valid for a convective boundary layer (CBL) is presented. This is a hard task to acomplish from experimental data, especially because of the difficulty associated to the measurements of pressure turbulent fluctuations, which are necessary to determine the pressure correlation TKE transport term. Thus, employing a large eddy symulation (LES), all terms of the TKE budget equation were determined for a CBL. From these data, polynomials that describe the TKE transport terms vertical profiles were adjusted for a CBL. The found polynomial fits are a good description of the LES data, and from them it is shown that a simple formulation that directly relates the transport terms to the TKE magnitude has advantages on other parameterizations commonly used in CBL numerical models. Furthermore, the present study shows that the TKE turbulent transport term dominates over the TKE transport by pressure perturbations and that for most of the CBL these two terms have apposite signs. The simulation consists of a full diurnal PBL cycle utilizing, at the surface, a forcing obtained from experimental data, so that the numerical experiment represents a more realistic case than a idealized CBL. / Neste trabalho, uma parametrização para os termos de transporte da equação de balanço de energia cinética turbulenta (ECT), válida para uma camada limite convectiva (CLC), é apresentada. Esta é uma tarefa complicada de ser realizada a partir de dados experimentais, especialmente devido a dificuldade associada às medidas das flutuações de pressão, que são necessárias para a determinação do termo de correlação de pressão. Desta forma, empregando a simulação dos grandes turbilhões (LES, do inglês Large Eddy Simulation), todos os termos da equação de balanço de ECT foram determinados para a CLC. A partir desses dados, foram ajustados polinômios que descrevem os perfis verticais dos termos de transporte para a CLC. Os polinômios obtidos fornecem uma boa descrição dos dados da simulação LES, e em função deles é mostrado que uma formulação simples, que se relaciona com os termos de transporte a partir da ECT, apresenta vantagens em relação a outras paramametrizações comumente empregadas em modelos numéricos para a CLC. Além disso, o presente estudo mostra que o termo de transporte turbulento domina sobre o transporte devido a flutuações de pressão, e que para a maior parte da extensão vertical CLC estes dois termos tem sinais opostos. A simulação consiste em um ciclo diário da CLP, utilizando como forçante de superfície dados obtidos experimentalmente, assim o experimento numérico representa um caso mais realista que uma simulação de CLC estacionária.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The dynamics process of the atmosphere near Earth ground is controled by two main forcings, termical and machanics. These process are reponsible for the atmospheric flow variability in this layer, and this variability characterizes the atmospheric turbulence. The presence of turbulence phenomena drives to distinguish it from the rest of atmosphere, such layer is commom called Atmospheric Boundary Layer (ABL). So, the importance of studying ABL is the fact of that turbulence represents an effective transport process near the ground surface. Adequate treating of the experimental data gives more truthful so qualitative as quantitavie when we are interpreting and understading these transports. This is very impportant for suitable trustful charaterizing the turbulent fluxes. This dissertation shows an overview about some basics turbulent data treatment techics. The dataset, colected experimentaly and separed into 27 minutes window samples, were subjected to simple mean, running mean through digital recursive filter e and linear detrending. Our focus are the implications of applying this technics and how each of this acts in turbulent time series of temperature and vertical velocity of the wind data, showing and discussing about the results in the estimating fluxes of sensible heat by Eddy Covariance method and also spectral densities estimates of temperature and vertical wind velocity. The main goal of the study done in this dissertation, was identifying that applying corrections on fase lag, not considered in older digital recursive filter (FDR as proposed by McMillen 1988) and, present into the model (FFDR proposed by Franceschi e Zardi 2003) leads for trusties estimatives, mainly for turbulent temperature spectra, which are the hardest ones for minimizing the non statinarity effects. Clearly, observing the graphical results of temperature spectra, we see that those low frequencies were better removed than the others technics, giving to spectral shape the classics espected shape. / A dinâmica da atmosfera próxima á superfície é regida por dois forçantes principais, um mecânico e outro térmico. Esses processos são responsáveis pela variabilidade dos escoamentos na baixa atmosfera e, é essa variabilidade que caracteriza a turbulência atmosférica. A presença do fenômeno de turbulência, permite distinguir uma camada do restante da atmosfera, esta é chamada de Camada Limite Atmosférica ( CLA). A importância de estudos nessa camada, está relacionada com o fato da turbulência representar um processo efetivo de transporte próximo à superfície. O tratamento adequado dos dados experimentais permite maior contabilidade, tanto qualitativa quanto quantitativas, na interpretação e entendimento desse transporte, ou seja, é necessário para uma adequada caracterização dos fluxos turbulentos. Nesta dissertação são investigadas algumas, das principais técnicas básicas, no tratamento de dados e condicionamento em séries temporais turbulentas. Os dados, experimentalmente coletados e separados em conjuntos de amostras com 27 minutos, são submetidos aos tratamentos com técnicas de média simples, média instantânea através de filtros digitais recursivos e remoção linear de tendência. Obeserva-se as implicações da aplicação destas técnicas, como cada uma delas age nas séries temporais turbulentas de temperatura e velocidade vertical do vento, apresentando e discutindo os resultados dessa aplicação, nas estimativas dos fluxos turbulentos de calor sensível através do método de Covariância dos Vórtices (MCV), e também das densidades espectrais de temperatura e velocidade vertical. Um dos grandes benefícios do estudo feito nessa dissertação, foi identificar que a correção do atraso de fase, que não era levada em consideração nos modelos de filtros digitais anteriores (FDR proposto por McMillen 1988) e, presente no modelo (FFDR Franceschi e Zardi 2003) conduz à estimativas satisfatórias, principalmente para espectros de temperatura turbulenta, que são os mais difíceis de se minimizar os efeitos de não estacionariedade. Ficou claro, observando nos resultados gráficos dos espectros, que a remoção de baixas freqüências nos espectros de temperatura, os deixou com o perfil típico de especros clássicamente esperados.

Orientadores: Reinaldo Wilson Vieira, Jorge Humberto Nicola / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Resumo: A circulação extracorpórea (CEC) utiliza-se de um conjunto de máquinas, aparelhos e circuitos, associados a técnicas que permite o isolamento temporário de coração e pulmões. Estudar o comportamento do sangue dentro destes elementos utilizados pela CEC sem alterar substancialmente o seu curso requer técnicas avançadas. A Velocimetria Doppler Laser (VDL) tem se mostrado ideal para estes procedimentos por ter seus sinais de natureza óptica. Dentre as diversas reações suscitadas ao organismo pelo uso da CEC, que produzem alterações do equilíbrio fisiológico de natureza hemodinâmica, fisica e química, ressaltamos, neste estudo, as alterações fisicas geradas pelo trauma mecânico softido pelas células do sangue, principalmente as hemáceas.Objetivos: 1. Estudar e caracterizar os fluxos gerados por bombas centrífugas e de roletes. 2. Estabelecer condições ideais para estudos de turbulência e estagnação do sangue em componente passivo da circulação extracorpórea. 3. Validar a Velocimetria Doppler Laser como método de estudo de componente utilizado em circulação extracorpórea (reservatório de cardioplegia sangüínea), visando a otimização de projeto de tal componente.Material e Método: Foram realizadas medidas não invasivas de velocidades, utilizando um Velocímetro Doppler Laser, de duas dimensões em um equipamento utilizado na CEC denominado reservatório de cardioplegia sangüínea, que nada mais é que um trocador de calor casco e tubo. Utilizamos como fluido a mistura de 36% de solução de glicerina em água, por ser um fluido com características fisicas (viscosidade e densidade) equivalentes ao do sangue. A visualização foi obtida por meio de suspensão de partículas de poliamida de diâmetro de 5 _m no líquido movimentado por uma bomba centrífuga. Resultados e Conclusões : O caráter oscilante do fluxo de uma bomba de roletes é bastante significativo, enquanto que o fluxo produzido por uma bomba centrífuga é bastante constante. Isto foi possível ser verificado por medidas com o velocímetro Doppler laser. Tal resultado permite para experimentos relacionados à turbulência e estagnação em um componente de circulação extracorpórea, a eleição da bomba centrífuga como ideal. A técnica, não invasiva, de velocimetria Doppler laser, devidamente adaptada aos componentes de circulação extracorpórea, associada ainda a defmições e convenções para o fluxo de um líquido hidrodinamicamente semelhante ao sangue, se mostra ideal para estudo de turbulência e estagnação em componentes passivos da circulação extracorpórea. Observamos que não há grandes variações do perfil do escoamento dentro do reservatório de cardioplegia em função dos fluxos utilizados. Por outro lado observamos que as velocidades dentro do reservatório aumentam com o aumento do fluxo, guardando um padrão de semelhança entre as situações equivalentes para os diferentes fluxos, pois há uma pequena impedância no caminho do fluxo, o que nos dá uma idéia da localização de zonas de grande turbulência. Há também confluência de fluxo, representando uma zona de estagnação do fluido, e as demais zonas podem ser definidas como normais ou de baixa turbulência, o que valida a Velocimetria Doppler a Laser como método de estudo para otimização dos componentes descartáveis utilizados em circulação extracorpórea / Made available in DSpace on 2018-08-03T15:30:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Antunes_Nilson_M.pdf: 10886553 bytes, checksum: 307f8538bb6690d26bbc4fc2e77b7339 (MD5) Previous issue date: 2002 / Abstract: Introduction: Cardiopulmonary bypass ( CBP ) associates techniques that allow a temporary cardiopulmonary isolation through utilization of a set of machines, devices and circuits. Sophisticated techniques must be applied in order to study blood behavior inside cardiopulmonary bypass system without interference. The Laser Doppler Velocimetry (LDV) uses light as source for velocity measurements and therefore, appears to be the ideal method for tOOt kind of study. Among several disturbs induced by CBP that can lead to physiologic, hemodynamic, chemical and physical imbalance, physical alterations created by mechanical trauma over blood cells have received special attention on this study. Objectives: 1. To study and describe the flow generated by centrifugal and roller pumps. 2. To establish ideal conditions for the observation of blood turbulence and stagnation inside passive components of CBP. 3. To validate Laser Doppler Velocimetry as an adequate method of study for CBP components. Material and Method: A Laser Doppler Velocimeter was utilized to measure velocity in two dimensions inside blood cardioplegia reservoir, a shell and tube heat exchanger component of CBP. A blender of 36% glycerin water solution was used because of its similarity with blood. Observation was obtained through dislocation by a centrifugal pump of a 5 µm polyamide partic1es fluid suspension. Results aod Cooclusioos: Flow created by the roller pump has significant oscilattory characteristics. Flow produced by centrifugal pump is linear. The technique of Laser Doppler Velocimetry might permit comprehension of fluid drainage behavior under conditions developed on this study. These results indicate centrifugal pump as the ideal one Non-invasive Laser Doppler Velocimetry, well adapted to CPB components and associated to measure flow of hydrostatically blood-like fluid is ideal for study of fluid turbulence and stagnation inside passive CPB components. No great variations were observed on drainage profile inside cardioplegia reservoir related to type of flow employed. On the other hand, velocity inside the reservoir grew higher as flow increased, maintaining a similar pattern between equivalent situations with different flows, because there is mild impedance on the flow pathway, that leads to identification of severe turbulence zones. There have been observed, in a commercial heat exchanger, zones of flow confluence, representing flow stagnation area, and the remainder were defined as normal and low turbulence zones, which therefore attests Laser Doppler Velocimetry as a method of study for improvement of non reusable components of CBP / Mestrado / Cirurgia / Mestre em Cirurgia

A crescente preocupação ambiental e a necessidade de se criar produtos mais eficientes têm impulsionado os pesquisadores a realizarem estudos acerca da aerodinâmica veicular. Estes dois fatores constituem os principais motivos, pelos quais existe uma grande procura por conhecimento nesta área. Esta ciência pode ser considerada relativamente nova e ainda carece de uma base de dados. Entender como a aerodinâmica se relaciona com o consumo de combustível nos automóveis, à medida que o arrasto impõe resistência ao deslocamento dos mesmos, é algo que tem estimulado as indústrias automotivas a investirem grandes esforços na obtenção de ferramentas, que possam representar as condições de tráfego normais e, assim conseguir prever o desempenho do produto em desenvolvimento. Os túneis de vento e a simulação computacional surgem neste ambiente como as principais ferramentas de análise e predição do escoamento ao redor do veículo. Por isso seu entendimento faz-se de extrema necessidade. Ter conhecimento sobre a concepção do seu projeto, como funcionam, seus pontos fortes e suas fraquezas, são requisitos necessários para a pessoa que deseja estudar esta ciência. O presente trabalho traz uma contextualização histórica da aerodinâmica veicular nas indústrias automotiva e automobilística, além de apresentar aspectos técnicos relacionados aos túneis de vento e simulação computacional. Abordando as vantagens e desvantagens de cada ferramenta, expõe-se o fato de que estas ferramentas são complementares no estudo aerodinâmico. Para exemplificar a utilização dessas ferramentas, foi realizado um estudo aerodinâmico sobre uma geometria básica, que representa com similaridade os veículos tipo hatchback, denominada Modelo SAE em ambiente computacional. Os conceitos acerca do arrasto veicular e estabilidade veicular foram expostos para embasar este estudo. Este modelo foi submetido a diferentes geometrias traseiras e condições de escoamento simétricas e assimétricas. Este estudo demonstrou que o arrasto e a estabilidade veicular compreendem conceitos distintos e, dessa forma, é possível diminuir o arrasto de um veículo sem haver perda de estabilidade. / The growing environmental concern and the necessity to create more efficient products have motivated researchers to conduct studies about the aerodynamic vehicle. These two aspects are the main reasons which are promoting a great demand for knowledge in this theme. This science may be considered relatively new and still lacks more databases. Understand how aerodynamics is related to automobiles fuel consumption such as drag resistance imposed to their displacement, is something that has made the automotive industries invest considerable effort in obtaining tools which may represent the normal traffic conditions and thus, able to predict the performance of the product in development stage. The wind tunnels and computer simulations appear in this environment as the main tools for analysis and prediction of the flow around vehicle. The understanding about them is so of utmost necessity. Knowing how it was designed, how they work, their strengths and weaknesses are essential requirements for the person who wants to study this science. This material presents a historical development of vehicle aerodynamics in automotive and motor-racing industries, indeed technical aspects related to wind tunnels and computational fluid dynamics. Exposing the advantages and disadvantages of both tools, it is evidenced these tools complement each other during an aerodynamic study. To exemplify these tools utility an aerodynamic research was conducted using a basic form geometry known as SAE Model that represents with similarity the hatchback vehicles in the market. Drag and vehicle stability concepts were exposed to build a solid basis for this study. This model was submitted to different rear geometries, symmetric and asymmetric flow conditions. It could be demonstrated that drag and vehicle stability have distinct concepts and therefore it is possible diminish the first without damaging the later.

Foram feitas simulações de um jato plano livre e incompressível usando o modelo de uma equação Spalart-Allmaras padrão e um modelo Spalart-Allmaras modificado através da alteração da escala de comprimento turbulenta. Sabe-se da literatura que no caso de jatos livres o modelo Spalart-Allmaras não consegue predizer adequadamente os resultados observados experimentalmente. Os resultados das simulações foram comparados com experimentos da literatura através de perfis de velocidade e da taxa de expansão do jato. Como esperado, os resultados obtidos das simulações utilizando o modelo Spalart-Allmaras padrão foram considerados insatisfatórios, porém o modelo Spalart-Allmaras modificado teve uma melhor concordância com os resultados experimentais. Além disso, o modelo Spalart-Allmaras modificado foi usado para simular os casos do escoamento sobre uma placa plana sem gradiente de pressão e o escoamento em um degrau com separação e gradiente adverso de pressão. Quando comparados com resultados experimentais da literatura e com resultados obtidos usando o modelo padrão, os resultados do modelo modificado obtidos para ambos os casos foram muito satisfatórios, concluindo-se que a modificação da escala de comprimento permite obter uma maior generalidade para o modelo Spalart-Allmaras. / Simulations of a plane and incompressible free jet using the standard Spalart-Allmaras model and a Spalart-Allmaras model modified by changing the turbulent length scale were carried out. It is known from literature that, in the case of the free jet, the Spalart-Allmaras model fails to adequately predict the experimentally observed results. The results of our simulations were compared with published experiments using the velocity profiles and the jet spreading rate. As expected, the results of simulations using the standard Spalart-Allmaras model were considered unsatisfactory while the modified Spalart-Allmaras model had a better agreement with the experimental results. Furthermore, the modified Spalart-Allmaras model was used to simulate the cases of flow over a flat plate with no pressure gradient and flow through a backward facing step with separation and adverse pressure gradient. When compared with experimental results from the literature and with results obtained using the standard model, the results of the modified model for both cases were very satisfactory, allowing the conclusion that the change in the length scale provided a greater generality for the Spalart-Allmaras model.

In this thesis we investigated two major issues in astrophysical flows: the transport of magnetic fields in highly conducting fluids in the presence of turbulence, and the turbulence evolution and turbulent dynamo amplification of magnetic fields in collisionless plasmas. The first topic was explored in the context of star-formation, where two intriguing problems are highly debated: the requirement of magnetic flux diffusion during the gravitational collapse of molecular clouds in order to explain the observed magnetic field intensities in protostars (the so called \"magnetic flux problem\") and the formation of rotationally sustained protostellar discs in the presence of the magnetic fields which tend to remove all the angular momentum (the so called \"magnetic braking catastrophe\"). Both problems challenge the ideal MHD description, usually expected to be a good approximation in these environments. The ambipolar diffusion, which is the mechanism commonly invoked to solve these problems, has been lately questioned both by observations and numerical simulation results. We have here investigated a new paradigm, an alternative diffusive mechanism based on fast magnetic reconnection induced by turbulence, termed turbulent reconnection diffusion (TRD). We tested the TRD through fully 3D MHD numerical simulations, injecting turbulence into molecular clouds with initial cylindrical geometry, uniform longitudinal magnetic field and periodic boundary conditions. We have demonstrated the efficiency of the TRD in decorrelating the magnetic flux from the gas, allowing the infall of gas into the gravitational well while the field lines migrate to the outer regions of the cloud. This mechanism works for clouds starting either in magnetohydrostatic equilibrium or initially out-of-equilibrium in free-fall. We estimated the rates at which the TRD operate and found that they are faster when the central gravitational potential is higher. Also we found that the larger the initial value of the thermal to magnetic pressure ratio (beta) the larger the diffusion process. Besides, we have found that these rates are consistent with the predictions of the theory, particularly when turbulence is trans- or super-Alfvénic. We have also explored by means of 3D MHD simulations the role of the TRD in protostellar disks formation. Under ideal MHD conditions, the removal of angular momentum from the disk progenitor by the typically embedded magnetic field may prevent the formation of a rotationally supported disk during the main protostellar accretion phase of low mass stars. Previous studies showed that an enhanced microscopic diffusivity of about three orders of magnitude larger than the Ohmic diffusivity would be necessary to enable the formation of a rotationally supported disk. However, the nature of this enhanced diffusivity was not explained. Our numerical simulations of disk formation in the presence of turbulence demonstrated the efficiency of the TRD in providing the diffusion of the magnetic flux to the envelope of the protostar during the gravitational collapse, thus enabling the formation of rotationally supported disks of radius ~ 100 AU, in agreement with the observations. The second topic of this thesis has been investigated in the framework of the plasmas of the intracluster medium (ICM). The amplification and maintenance of the observed magnetic fields in the ICM are usually attributed to the turbulent dynamo action which is known to amplify the magnetic energy until close equipartition with the kinetic energy. This is generally derived employing a collisional MHD model. However, this is poorly justified a priori since in the ICM the ion mean free path between collisions is of the order of the dynamical scales, thus requiring a collisionless-MHD description. We have studied here the turbulence statistics and the turbulent dynamo amplification of seed magnetic fields in the ICM using a single-fluid collisionless-MHD model. This introduces an anisotropic thermal pressure with respect to the direction of the local magnetic field and this anisotropy modifies the MHD linear waves and creates kinetic instabilities. Our collisionless-MHD model includes a relaxation term of the pressure anisotropy due to the feedback of the mirror and firehose instabilities. We performed 3D numerical simulations of forced transonic turbulence in a periodic box mimicking the turbulent ICM, assuming different initial values of the magnetic field intensity and different relaxation rates of the pressure anisotropy. We showed that in the high beta plasma regime of the ICM where these kinetic instabilities are stronger, a fast anisotropy relaxation rate gives results which are similar to the collisional-MHD model in the description of the statistical properties of the turbulence. Also, the amplification of the magnetic energy due to the turbulent dynamo action when considering an initial seed magnetic field is similar to the collisional-MHD model, particularly when considering an instantaneous anisotropy relaxation. The models without any pressure anisotropy relaxation deviate significantly from the collisional-MHD results, showing more power in small-scale fluctuations of the density and velocity field, in agreement with a significant presence of the kinetic instabilities; however, the fluctuations in the magnetic field are mostly suppressed. In this case, the turbulent dynamo fails in amplifying seed magnetic fields and the magnetic energy saturates at values several orders of magnitude below the kinetic energy. It was suggested by previous studies of the collisionless plasma of the solar wind that the pressure anisotropy relaxation rate is of the order of a few percent of the ion gyrofrequency. The present study has shown that if this is also the case for the ICM, then the models which best represent the ICM are those with instantaneous anisotropy relaxation rate, i.e., the models which revealed a behavior very similar to the collisional-MHD description. / Nesta tese, investigamos dois problemas chave relacionados a fluidos astrofísicos: o transporte de campos magnéticos em plasmas altamente condutores na presença de turbulência, e a evolução da turbulência e amplificação de campos magnéticos pelo dínamo turbulento em plasmas não-colisionais. O primeiro tópico foi explorado no contexto de formação estelar, onde duas questões intrigantes são intensamente debatidas na literatura: a necessidade da difusão de fluxo magnético durante o colapso gravitacional de nuvens moleculares, a fim de explicar as intensidades dos campos magnéticos observadas em proto-estrelas (o denominado \"problema do fluxo magnético\"), e a formação de discos proto-estelares sustentados pela rotação em presença de campos magnéticos, os quais tendem a remover o seu momento angular (a chamada \"catástrofe do freamento magnético\"). Estes dois problemas desafiam a descrição MHD ideal, normalmente empregada para descrever esses sistemas. A difusão ambipolar, o mecanismo normalmente invocado para resolver estes problemas, vem sendo questionada ultimamente tanto por observações quanto por resultados de simulações numéricas. Investigamos aqui um novo paradigma, um mecanismo de difusão alternativo baseado em reconexão magnética rápida induzida pela turbulência, que denominamos reconexão turbulenta (TRD, do inglês turbulent reconnection diffusion). Nós testamos a TRD através de simulações numéricas tridimensionais MHD, injetando turbulência em nuvens moleculares com geometria inicialmente cilíndrica, permeadas por um campo magnético longitudinal e fronteiras periódicas. Demonstramos a eficiência da TRD em desacoplar o fluxo magnético do gás, permitindo a queda do gás no poço de potencial gravitacional, enquanto as linhas de campo migram para as regiões externas da nuvem. Este mecanismo funciona tanto para nuvens inicialmente em equilíbrio magneto-hidrostático, quanto para aquelas inicialmente fora de equilíbrio, em queda livre. Nós estimamos as taxas em que a TRD opera e descobrimos que são mais rápidas quando o potencial gravitacional é maior. Também verificamos que quanto maior o valor inicial da razão entre a pressão térmica e magnética (beta), mais eficiente é o processo de difusão. Além disto, também verificamos que estas taxas são consistentes com as previsões da teoria, particularmente quando a turbulência é trans- ou super-Alfvénica. Também exploramos por meio de simulações MHD 3D a influência da TRD na formação de discos proto-estelares. Sob condições MHD ideais, a remoção do momento angular do disco progenitor pelo campo magnético da nuvem pode evitar a formação de discos sustentados por rotação durante a fase principal de acreção proto-estelar de estrelas de baixa massa. Estudos anteriores mostraram que uma super difusividade microscópica aproximadamente três ordens de magnitude maior do que a difusividade ôhmica seria necessária para levar à formação de um disco sustentado pela rotação. No entanto, a natureza desta super difusividade não foi explicada. Nossas simulações numéricas da formação do disco em presença de turbulência demonstraram a eficiência da TRD em prover a diffusão do fluxo magnético para o envelope da proto-estrela durante o colapso gravitacional, permitindo assim a formação de discos sutentados pela rotação com raios ~ 100 UA, em concordância com as observações. O segundo tópico desta tese foi abordado no contexto dos plasmas do meio intra-aglomerado de galáxias (MIA). A amplificação e manutenção dos campos magnéticos observados no MIA são normalmente atribuidas à ação do dínamo turbulento, que é conhecidamente capaz de amplificar a energia magnética até valores próximos da equipartição com a energia cinética. Este resultado é geralmente derivado empregando-se um modelo MHD colisional. No entanto, isto é pobremente justificado a priori, pois no MIA o caminho livre médio de colisões íon-íon é da ordem das escalas dinâmicas, requerendo então uma descrição MHD não-colisional. Estudamos aqui a estatística da turbulência e a amplificação por dínamo turbulento de campos magnéticos sementes no MIA, usando um modelo MHD não-colisional de um único fluido. Isto indroduz uma pressão térmica anisotrópica com respeito à direção do campo magnético local. Esta anisotropia modifica as ondas MHD lineares e cria instabilidades cinéticas. Nosso modelo MHD não-colisional inclui um termo de relaxação da anisotropia devido aos efeitos das instabilidades mirror e firehose. Realizamos simulações numéricas 3D de turbulência trans-sônica forçada em um domínio periódico, mimetizando o MIA turbulento e considerando diferentes valores iniciais para a intensidade do campo magnético, bem como diferentes taxas de relaxação da anisotropia na pressão. Mostramos que no regime de plasma com altos valores de beta no MIA, onde estas instabilidades cinéticas são mais fortes, uma rápida taxa de relaxação da anisotropia produz resultados similares ao modelo MHD colisional na descrição das propriedades estatísticas da turbulência. Além disso, a amplificação da energia mangética pela ação do dínamo turbulento quando consideramos um campo magnético semente, é similar ao modelo MHD colisional, particularmente quando consideramos uma relaxação instantânea da anisotropia. Os modelos sem qualquer relaxação da anisotropia de pressão mostraram resultados que se desviam significativamente daqueles do MHD colisional, mostrando mais potências nas flutuações de pequena escala da densidade e velocidade, em concordância com a presença significativa das instabilidades cinéticas nessas escalas; no entanto, as flutuações do campo magnético são, em geral, suprimidas. Neste caso, o dínamo turbulento também falha em amplificar campos magnéticos sementes e a energia magnética satura em valores bem abaixo da energia cinética. Estudos anteriores do plasma não-colisional do vento solar sugeriram que a taxa de relaxação da anisotropia na pressão é da ordem de uma pequena porcentagem da giro-frequência dos íons. O presente estudo mostrou que, se este também é o caso para o MIA, então os modelos que melhor representam o MIA são aqueles com taxas de relaxação instantâneas, ou seja, os modelos que revelaram um comportamento muito similar à descrição MHD colisional.

Neste trabalho descrevemos a produção e estudo de excitações topológicas em um condensado de Bose-Einstein em átomos de Rubídio-87. O condensado é produzido através de resfriamento evaporativo forçado por rádio-freqüência em uma armadilha puramente magnética do tipo QUIC. A armadilha magnética é carregada por um sistema de duplo-MOT. A temperatura de transição é de cerca de 150nK. Condensados puros com 1 - 2 × 10^5 átomos de Rb-87 são observados. Realizamos uma caracterização da amostra em relação às suas características fundamentais. Fração condensada, expansão anisotrópica, distribuição espacial e efeitos de temperatura finita são descritos. Com o objetivo de observar excitações coerentes do condensado entre os estados da armadilha, adicionamos um campo magnético do tipo quadrupolo esférico oscilante no tempo. Observamos, no entanto, a transferência de momento angular para a amostra com a formação de vórtices e arranjos de vórtices. Definimos regiões de amplitude que geram números de vórtices crescentes. Observamos a formação de estruturas de três vórtices não convencionais donde supusemos a possibilidade de excitação conjunta de vórtices e anti-vórtices. Observamos evidência de turbulência quântica, um estado onde os arranjos dos vórtices não são regulares nem as linhas de vórtices têm um eixo de rotação comum. / In this work we describe the production and investigation of topological excitations in a Bose-Einstein condensate in Rubidium-87 atoms. The condensate is produced through forced evaporative cooling by radio-frequency in a QUIC-type purely magnetic trap. The magnetic trap is loaded from a double-MOT system. Transition temperature is about 150nK. Pure condensates containing 1-2×105 87Rb atoms are observed. We performed the characterization of the sample in relation to its fundamental aspects. Condensed fraction, anisotropic expansion, spacial distribution and finite temperature effects are described. Aiming to observe coherent topological excitations of the condensate between two states of the trap, we added a spherical quadrupole magnetic fields oscillating in time. We observe, instead, angular momentum tranference to the sample and the formation of vortices and arrays of vortices. We define amplitude regions where an increasing number of vortices are observed. We observe the formation of non-usual three-vortex structures from which we infer the existence of vortices and anti-vortices together in the sample. We observe evidence of quantum turbulence, a state where non-regular vortex arrays appear as well as vortex lines have no preferred direction to form.

O dimensionamento das câmaras dissipadoras para válvulas dispersoras demanda um estudo sobre a interação da operação destes elementos, não somente para um ponto de operação, mas também para a faixa operativa do conjunto, que compreende a faixa de operação da válvula e da câmara de dissipação. Os limites sobre responsabilidade assumem um cenário onde as dimensões da câmara podem não ser adequadas à operação da válvula, e vice-versa. Isto porque durante o processo de dissipação de energia, ocorrem grandes turbulências que podem gerar erosão na estrutura dissipadora. A interação entre a operação das válvulas dispersoras e as dimensões da câmara dissipadora é complexa porque o dimensionamento de um elemento está associado ao outro. Assim, as dimensões necessárias para dissipação de energia na câmara dependem de dados da válvula, resultando em uma interdependência de dados para a dissipação de energia adequada. O dimensionamento do conjunto deve levar em consideração a interdependência de operação dos elementos, caso contrário o funcionamento do sistema poderá ser inadequado devido às turbulências e altas velocidades, que podem gerar cavitação e erosão das estruturas dissipadoras. Os danos na estrutura dissipadora podem causar paradas de geração de energia das usinas hidrelétricas e acidentes nas regiões localizadas a jusante desta estrutura. O dimensionamento adequado do conjunto válvula e câmara dissipadora e o conhecimento de sua faixa operativa admissível pode ser feito com auxílio de simulações numéricas e ensaios em modelo reduzido de forma a prever o comportamento adequado do protótipo. Desta forma, as simulações numéricas em CFD possibilitam maior seletividade dos casos que serão ensaiados em modelo reduzido, proporcionando maior assertividade nestes ensaios. / The sizing of valves and chambers for dissipating purpose demands a study about the interaction between these elements, not only from an operation point of view but also the whole operating range of the set, which comprehends the operating range of the valve and the dissipating chamber. The limits of liability assume a scenario where the dimensions of the chamber may be not suitable for operation of the valve, and vice-versa. This is because during dissipating energy process, major turbulences occur which may cause erosion in the dissipating structure. The interaction between the dissipating valve and the dissipating chamber dimensions is complex because the sizing of an element is associated to other. Thus, the required dimensions to dissipate energy on the chamber rely on valve data, resulting in data interdependency required for adequate energy dissipation. The set sizing must consider the operation interdependency of both elements otherwise the system operation may be inadequate due to turbulence high flow velocities, which may cause cavitation and erosion of the dissipating structures. Damages on the dissipating structure may cause energy generation interruption of hydroelectric power plants and accidents on the regions located downstream this structure. The adequate sizing of the set valve and dissipating chamber as well as the information regarding its operating range can be done with the aid of numerical simulations and physical model tests in order to predict the behavior of the prototype. Therefore, numerical simulations in CFD allow more selectivity of the cases which will be tested in a physical model, proportioning higher assertiveness on those tests.