O Texas Helimak é uma máquina toroidal de confinamento de plasma cujas linhas de campo magnético têm forma helicoidal e no qual parâmetros do plasma (como a densidade e a temperatura) são similares aos da borda e da região externa (scrape-off-layer) de um tokamak. Nesta tese foram analisados o equilíbrio e as flutuações do plasma no Texas Helimak. São apresentadas a análise e a interpretação do controle da turbulência eletrostática e do transporte turbulento de partículas pelo potencial elétrico, bias, aplicado externamente. As alterações na turbulência e no transporte causadas pela mudança do potencial elétrico externo foram investigadas em uma região do plasma com gradientes radiais uniformes. As flutuações em descargas com bias positivo ou nulo apresentam espectros de potência de banda larga e uma PDF com uma cauda acentuada que revela a ocorrência intermitente de eventos extremos. Por outro lado, as flutuações em descargas com bias negativo possuem um espectro de potência mais estreito, uma PDF mais Gaussiana e um diagrama de recorrência com mais estruturas. Um modelo de quatro ondas acopladas foi utilizado para relacionar a largura de banda da turbulência com o tempo de interação entre as ondas do modelo. Perfis radiais do transporte turbulento de partículas na direção radial foram calculados, como função do bias, e comparados com os perfis da velocidade do fluxo de plasma e seu cisalhamento. Foi mostrado que o transporte depende do perfil radial da velocidade de fluxo do plasma. Nas descargas em que essa velocidade apresenta um ponto de máximo em seu perfil radial, o perfil do transporte possui um mínimo que foi interpretado, utilizando um modelo Hamiltoniano de ondas de deriva, como sendo resultado de uma barreira de transporte onde o cisalhamento do fluxo é nulo. Em outras descargas, máximos no perfil radial do transporte foram relacionados a ressonâncias que ocorrem onde a velocidade de fase da onda é igual à velocidade do plasma. / The Texas Helimak is a toroidal confinement of plasma device with helically magnetic field lines and which plasma parameters (like the density and temperature) are similar to the edge and the scrape-off-layer of a tokamak. This thesis analyzed the equilibrium and fluctuations in the Helimak Texas plasma. We present the analysis and interpretation of electrostatic control of turbulence and turbulent particle transport by electrical potential, bias, applied externally. Changes in transport and turbulence caused by the change of external electric potential were investigated in a region of uniform radial gradients plasma. Fluctuations in discharges with positive or zero bias have broadband power spectra and a PDF with an accentuated tail that reveals the intermittent occurrence of extreme events. Moreover, fluctuations in discharges with negative bias have narrow power spectra, a more Gaussian PDF and more structures in the recurrence diagram. A four coupled wave model was used to relate the bandwidth of turbulence with the interaction time between the waves in the model. Radial profiles of turbulent transport of particles in the radial direction were calculated as a function of bias and compared to the profiles of the plasma flow velocity and its shear. It was shown that the transport depends on the radial profile of the plasma flow velocity. In that discharges where the velocity radial profile presents a point of maximum, the transport profile has a minimum which was interpreted, using a drift wave model Hamiltonian, as a result of a shearless flow transport barrier. In other discharges, the maxima in the transport radial profiles were related with resonances that occur where the wave phase velocity is equal to the plasma velocity.

Os processos oxidativos avançados são promissores para a degradação de compostos orgânicos resistentes aos tratamentos convencionais, como o fenol. A fluidodinâmica computacional (CFD) tornou-se uma poderosa ferramenta para analisar processos fotoquímicos por resolver os balanços acoplados de quantidade de movimento, de massa e de radiação. O objetivo deste trabalho é investigar o processo UV/H2O2 num reator fotoquímico anular usando CFD e um modelo cinético mais realista. O modelo em CFD foi criado de forma progressiva. Inicialmente, foram determinados os campos de velocidade para três vazões (30, 60 e 100 L/h). Considerou-se dois diâmetros de lâmpada para reproduzir a configuração experimental do sistema. A discretização foi feita com malhas tetraédricas variando entre 390 000 e 1 200 000 elementos. Quatro modelos de turbulência RANS foram analisados: k-e, k-w, o shear stress transport (SST) e o modelo de tensões de Reynolds (RSM). O campo de velocidades foi validado comparando a DTR com seu levantamento experimental. A próxima etapa foi incluir o mecanismo de degradação de fenol proposto por Edalatmanesh, Dhib e Mehrvar (2008) no modelo em CFD. Trata-se de um modelo cinético baseado em equações dinâmicas para todas as espécies. O campo de radiação foi calculado pelo modelo radial e pela solução da equação de transporte de radiação através do método discrete transfer. As simulações reproduziram dados experimentais abrangendo uma larga gama de concentrações iniciais de fenol, razões molares H2O2/fenol e três potências de emissão das lâmpadas. O campo de velocidades obtido era dependente da vazão: o fluido pode manter movimento helicoidal sobre toda a extensão do reator ou se desenvolver como um escoamento pistonado. O modelo k-e não reproduziu bem o escoamento por não ser adequado para escoamentos rotativos. Os outros modelos geraram curvas de DTR com bom ajuste aos dados experimentais, especialmente o modelo k-w. O desvio médio entre as simulações de degradação de fenol e os dados experimentais é inferior a 8%. Verificou-se que, devido ao escoamento rotativo, os reagentes ficavam concentrados próximos à parede externa e migravam para a região da lâmpada ao longo do reator. A elevada intensidade de radiação na superfície da lâmpada criou uma camada ao seu redor na qual a fotólise do H2O2 ocorreu com grande taxa. Os radicais OH gerados nessa camada eram transportados para a região das paredes por convecção. Isso fez com que a maior parte do fenol fosse atacada na segunda metade do reator e gerou acúmulo do radical próximo à lâmpada na seção de saída do reator, já que o poluente já fora oxidado nessa área. O método discrete transfer previu intensidades de radiação maiores que o modelo radial, e, consequentemente, maior concentração de radicais OH. Os resultados satisfatórios indicam que CFD foi uma ferramenta adequada para analisar este escoamento reativo. / Advanced oxidation processes are a promising technology for degradation of organic compounds resistant to conventional treatments such as phenol. Computational fluid dynamics (CFD) has recently emerged as a powerful tool that allows a deeper understanding of photochemical processes in reactor engineering by solving the coupled momentum, mass and radiation balances. This work aimed to investigate the UV/H2O2 process in an annular photoreactor using CFD and a more realistic kinetic model. A progressive approach was used to develop the CFD reactor model. First, the velocity fields were determined for three volumetric flow rates (30, 60 and 100 L/h). Two lamp diameters were considered to reflect the experimental configuration of the system. Tetrahedral meshes varying form 390,000 to 1,200,000 elements were analyzed to achieve grid independence. For accounting turbulence effects, four RANS models were tested: k-e, k-w, the Shear Stress Transport (SST) and the Reynolds Stress models (RSM). The velocity field was validated through comparison to RTD experimental data. Next step was introducing the mechanism of phenol degradation proposed by Edalatmanesh, Dhib and Mehrvar (2008) into the CFD model. This kinetic model is based on dynamic equations for all species. The fluence rate field was calculated by the radial model and by solving the radiation transport equation with the discrete transfer method. Simulations reproduced experimental data spanning a wide range of initial phenol concentrations, H2O2/phenol molar ratios and three values for lamp power. It was found that the velocity field depends on the volumetric flow rate: either it maintains a swirling motion through the whole reactor or might develop like a plug flow. The k-e model did not represent the RTD data accurately, and the velocity field therefore, since it is not appropriate for swirling flows. The other turbulence models showed good match of RTD, especially the k-w model. Simulations of phenol degradation deviated less than 8% from experimental data. It was possible verified that, due to the swirling inlet effects, reactants got concentrated close to the outer wall and migrated on the lamp direction along the reactor path. High radiation intensities close to the lamp surface created a layer around it where photolysis of H2O2 took place with higher rates. OH radicals were generated in that layer and transported towards the outer wall by convection. This caused most of phenol to be consumed in the second half of the reactor and accumulation of the radical near the lamp and the reactor outlet, since the pollutant in this area was already oxidized. The discrete transfer method predicted higher incident radiation intensity than the radial model, and higher concentrations of OH radicals as a consequence. Satisfactory results indicated that CFD was an appropriate tool for analyzing this reactive flow.

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.

The study in formation and evolution of sprays is essential for developing more detailed physical models and new injection strategies for direct injection internal combustion engines. In the present work, the sprays from a multi-hole injector are evaluated in an effort to characterize the effects of the spray development in a constant surrounding air flow. These interactions are studied in terms of the air turbulence characteristics, the inlet air mass flow and the fuel injection pressure. Ethanol sprays are injected in a constant-flow chamber. The apparatus purpose is to isolate the experiment from the fluid flow properties intrinsic to engine operations, such as instabilities and moving walls. The factors that affects the air-spray interactions were assessed with the air velocity fields in the presence of the ethanol spray. The two-phase particle image velocimetry technique was enhanced to allow measuring in the required experimental conditions. In all conditions, the interaction is based in a pressure gradient formed between the inner and outer regions of the spray. The results indicates a different mechanism when compared to quiescent conditions. The recirculation vortex at the spray border is present only in the initial injection stages. However, the end of injection transient, an instability initiated with the injector needle closing, is still present for these conditions. The interaction mechanism accelerates the velocity distributions towards the spray main boundary. The experiments indicate that the increase of the air mass flow modifies the air penetration velocity but without altering the interaction mechanism characteristics. Higher injection pressures suggests a lower degree of air interaction at the initial instants of the spray development. Turbulent intensity distributions are calculated for the air flow during the injection event. The distributions indicate that the sprays attenuate the turbulent intensity in all conditions, consistent with the observations of the velocity fields. To assess the effects of air turbulence, sets of interchangeable perforated plates are used to limit the integral scales of turbulence. The spectrogram analyses indicate turbulence is reduced not only in the integral scales, but also in all the measured frequency scales. The inlet turbulence integral scales of the air flow have little influence in the spray development. In the turbulence field, the power levels at the end of injection were similar regardless of the inlet turbulence integral scales. / O estudo da formação e evolução dos sprays é essencial para o desenvolvimento de modelos físicos mais detalhados e novas estratégias de injeção para motores de combustão interna de injeção direta. No presente trabalho, os sprays de um injetor multi-furos são avaliados em um esforço para caracterizar os efeitos do desenvolvimento do spray em fluxo de ar constante. Estas interações são estudadas em termos de características de turbulência do ar,do fluxo mássico de ar e da pressão de injeção de combustível. Sprays de etanol são injetados em uma câmara de fluxo constante. O objetivo do aparato é isolar o experimento de propriedades do escoamento intrínsecas ao funcionamento de motores de combustão interna, tais como instabilidades e geometrias móveis. Os fatores que afetam as interações de arspray foram avaliados com os campos de velocidade do ar obtidos na presença de spray. A técnica de velocimetria por imagem de partículas de duas fases foi aprimorada para permitir a medição nas condições experimentais. Em todas as condições, a interação é baseada em um diferencial de pressão formado entre as regiões interna e externa do spray. Os resultados indicam um mecanismo diferente quando comparado com condições quiescentes. O vortex formado na fronteira do spray é observado apenas nos estágios iniciais de injeção. No entanto, o transiente de fim de injeção ainda está presente para essas condições. O mecanismo de interação acelera as distribuições de velocidade em direção à fronteira do jato. Os experimentos indicam que o aumento do fluxo de massa de ar modifica a velocidade de penetração do ar, mas sem alterar as características do mecanismo de interação. Distribuições de intensidade turbulenta são calculadas para o fluxo de ar durante o evento de injeção. As distribuições indicam que os sprays atenuam a intensidade turbulenta em todas as condições, consistente com as observações dos campos de velocidade. Para avaliar os efeitos da turbulência do ar, conjuntos de placas perfuradas intercambiáveis são utilizadas para limitar as escalas integrais de turbulência. As análises do espectrograma indicam que a turbulência é reduzida não apenas nas escalas integrais, mas também em todas as escalas de freqüência medidas. Estas escalas integrais de turbulência do fluxo de ar de entrada têm pouca influência no desenvolvimento do spray. No campo de turbulência, os níveis de potência ao final da injeção foram semelhantes, independentemente das escalas integrais de turbulência de entrada.

Os mecanismos de transposição de peixes (MTP) são estruturas ou sistemas que possibilitam a migração da ictiofauna entre as partes de jusante/montante/jusante de uma barragem. As escadas para peixes representam um dos tipos de MTP mais conhecidos no mundo e apresentam diversas configurações geométricas. A escolha do tipo de escada deve atender às características natatórias dos peixes selecionados para transporem o obstáculo. Para algumas espécies, como o salmão, já se conhecem geometrias adequadas, entretanto, para a maioria das espécies isto não ocorre e muitos projetos têm demonstrado desempenho insatisfatório. No Brasil, encontra-se uma imensa diversidade de espécies de peixes, cujas características natatórias diferem em muito das apresentadas pelos salmonídeos. Este fato, associado à crescente exigência da implantação de MTP nos barramentos, através de leis estaduais ambientais, torna necessária a definição de estruturas adequadas à ictiofauna brasileira. A validação dos critérios de projeto passa, obrigatoriamente, por estudos que avaliem as características hidráulicas das estruturas propostas e a interação do fluxo com os padrões natatórios da ictiofauna. O número de pesquisas relacionadas ao funcionamento hidráulico de escadas para peixes vem crescendo, entretanto ainda são insuficientes, não existindo um consenso sobre os critérios, seja para sua caracterização completa, seja para definir sobre quais parâmetros devem ser considerados. Os padrões de turbulência do escoamento em escadas para peixes, cujas características supõem-se relacionarem-se com o grau de aceitação ou rejeição das espécies, são praticamente desconhecidos. Neste trabalho realizou-se a caracterização hidráulica através do estudo experimental, de três tipos de escadas para peixes: (1) com ranhura vertical; (2) com descarregador de superfície e (3) com orifício de fundo. As estruturas foram construídas nos laboratórios do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – IPH/UFRGS e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil – LNEC – Portugal. As seguintes medições foram realizadas: velocidades em três direções, em diferentes planos dos tanques, com velocímetros acústicos Doppler (ADV) e níveis de água da superfície livre com pontas linimétricas e réguas graduadas. Para a estrutura com ranhura vertical ainda foram medidas as pressões médias e suas flutuações, junto ao fundo do canal, com transdutores piezoresistivos. Para cada uma das estruturas realizaram-se ensaios com três descargas. Além de definidas as características médias do escoamento, os dados de velocidades, que passaram por um processo de aplicação de filtros sem substituição, possibilitaram a avaliação de parâmetros de turbulência, entre eles a energia cinética da turbulência, a intensidade da turbulência e as tensões de Reynolds. No modelo da escada para peixes com ranhuras verticais verificou-se que os parâmetros hidráulicos estão de acordo com estruturas similares da bibliografia, entre eles, coeficiente de descarga, vazão adimensional e coeficiente de cisalhamento. Os campos de pressão junto ao fundo refletem o comportamento da superfície livre do escoamento. Através do mapeamento das velocidades dentro do tanque da escada do tipo ranhura vertical, foi possível caracterizar as duas zonas de recirculação e a região do jato principal. Os máximos valores médios de velocidade encontram-se na seção da ranhura, não excedendo 1,00 m/s (no modelo). Além disso, foi possível reconhecer as regiões de maior energia cinética da turbulência que apresentaram valores de até 1000 cm2/s2 na região do jato principal, as quais coincidem com as zonas de maiores tensões de Reynolds da ordem de até 30 N/m2. A partir das velocidades médias e em função das velocidades de nado dos peixes obtidos na literatura, foi possível a identificação de locais que atuam como “barreiras” ao deslocamento de determinada espécie. A avaliação qualitativa do comportamento da trajetória dos peixes dentro dos tanques mostrou-se de acordo com a definição destas “barreiras” hidráulicas e com a avaliação do comportamento dos campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. No modelo da escada do tipo descarregador de superfície observaram-se as máximas velocidades médias sobre o descarregador, com valores de até 1,73 m/s. Verifica-se que na maior parte do tanque as velocidades médias não ultrapassam 40% da velocidade potencial. Foram encontrados valores de energia cinética da turbulência até 2000 cm2/s2, com valores na maior parte do tanque em torno de 200 cm2/s2. Quanto aos campos de tensões de Reynolds, têm-se, na maior parte do tanque, os valores entre −5 e 5 N/m2, sendo que na região do jato mergulhante, os valores chegam até 30 N/m2. Na escada com orifícios de fundo verificaram-se as maiores velocidades médias nos planos sob influência do fluxo principal proveniente do orifício. Não foi possível a medição da velocidade na seção da abertura, sendo que os valores medidos no tanque não ultrapassaram 50% da velocidade potencial. Os máximos valores de energia cinética da turbulência atingem até 2000 cm2/s2 junto ao fundo, enquanto na região central do tanque, o valor médio é um pouco inferior a 200 cm2/s2. Os valores de tensão de Reynolds encontram-se entre −30 e 30 N/m2, com a maioria das regiões entre −5 e 5 N/m2. Os valores máximos e médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds para os modelos com descarregador de superfície e com orifício de fundo encontram-se na mesma faixa. Isto indica que, sob o ponto de vista técnico, possivelmente o critério de escolha entre essas duas estruturas recai nas características da ictiofauna. A passagem com ranhura vertical permite a escolha da profundidade preferencial de nado. No entanto, nessa estrutura, verificase que as componentes médias e turbulentas, nas regiões de descanso, comparando-as com os valores máximos do jato principal, são superiores proporcionalmente, às observadas nas zonas de recirculação das outras duas estruturas. As informações biológicas disponíveis na literatura não permitem a definição de condições preferenciais em relação aos parâmetros de turbulência entre as estruturas aqui avaliadas. No entanto, as informações obtidas nesse trabalho indicam que a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds podem ser indicativos da tolerância ou preferência dos peixes até certos níveis de turbulência. / Fish facilities are structures or systems that enable fish passage through dams or obstructions. Fishways represent one of the most common fish facilities types worldwide, presenting different geometries and designs. The choice and design of these structures must attend the fish swimming performance and biological characteristics. For some species, as salmon, there are defined designs that can be successfully applied, however, that does not occur for the majority of the species and many projects have showed unsatisfactory efficiency. In Brazil, there is an immense diversity of fish species, whose swimming characteristics are strongly different than the other known species like the salmons. This fact, associated with the increasing requirement of fish facilities implantation in dams, mainly through environmental State Laws, requires the definition of structures adapted to the Brazilian fish. The design criteria validation needs, necessarily, studies to evaluate hydraulic characteristics on structure proposals and the interaction of the flow with swimming abilities. The number of researches related to the hydraulic functioning of fishways is increasing, however they are still insufficient and there is not a consensus on the criteria, either for its complete characterization, either to define which parameters should be considered. The flow turbulence patterns in fishways, whose characteristics are assumed to be related with the degree of acceptance or rejection of the species, are practically unknown. In this study a hydraulic characterization was carried out through an experimental study, including three kinds of fishways: (1) with vertical slots; (2) with rectangular notches and (3) with bottom orifices. The facilities were set up in the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS) and in the National Laboratory of Civil Engineering – LNEC - Portugal. The following measurements were carried out: three-direction velocities, in a 3D-mesh in one pool of each structure, with Acoustic Doppler Velocimeters and water level of the free surface with a point gauge and scales. In the vertical slot fishway it was carried out complementary measurements of pressure in the bottom of the channel, with transducers. For each structure three discharges were tested. Besides defining the mean flow characteristics, the velocity time data, filtered (through a digital process) without substitution, allowed to analyze some turbulence parameters, as turbulence kinetic energy, turbulence intensity and Reynolds’ shear stresses. In the vertical slot fishway model it was verified that the hydraulic parameters are in agreement with similar structures of the literature, among them, discharge coefficient, adimensional discharge and friction factor. The bottom pressure field agrees with the behavior of the free-surface flow. Two recirculation zones and the area of the main jet were characterized through the velocities distribution inside the vertical slot fishway pool. The maximum mean velocity values were found in the slot section, not exceeding 1.00 m/s (in the model). Moreover, it was possible to recognize the areas with larger turbulence kinetic energy that presented values of up to 1000 cm²/s² in the main jet area, which correspond to the largest Reynolds’ shear stresses values of up to 30 N/m². Considering mean velocities data and fish swimming capabilities, it was possible to identify regions that are insurmountable by the fish. The qualitative approach of the fish trajectory inside the structure agrees with the insurmountable regions described through mean velocities and with the distribution of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses. In the fishway model with rectangular notches, the maximum mean velocities were observed on the weir, with values of up to 1.73 m/s. In the major part of the pool, mean velocities do not surpass 40% of the potential velocity. Values up to 2000 cm²/s² for turbulence kinetic energy were found, with values in the major part of the pool close to 200 cm²/s². For Reynolds’ stresses, the major part of the structure works with values in the range of −5 and 5 N/m², and in the jet entrance pool region the values are of up to 30 N/m². In the fishway with bottom orifices the largest mean velocities were verified in the plans under influence of the main flow connecting consecutive orifices. The measurement of the velocities in the orifice section was not possible and the values measured in the pool did not exceed 50% of the potential velocity. The maximum values of turbulence kinetic energy reached up to 2000 cm²/s² close to the bottom channel, while in the central area of the pool, the mean value is lower than 200 cm2/s2. The values of Reynolds’ shear stresses are between −30 and 30 N/m2, with the major part between−5 and 5 N/m2. The maximum and mean values of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses in the models with rectangular notches and with orifice are in the same range. It indicates that the choice between these two structures relapses in the fish swimming characteristics. The passage with vertical slot allows the choice of the swimming depth preference. However, in the resting areas of this structure, it is verified that the mean and turbulent components when compared with the maximum values of the main jet, are higher proportionally, to the ones observed in the recirculation zones of the other two structures. The biological information available in the literature does not allow the definition of preferential conditions in relation to the turbulence parameters among the structures here appraised. However, the information obtained in this work indicates that the turbulence kinetic energy and Reynolds’ shear stress can be indicatives of the tolerance or preference of the fish to certain turbulence levels.

Orientador: Jose Roberto Nunhez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-10T17:37:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spogis_Nicolas_M.pdf: 4452795 bytes, checksum: 7a20afda92e9e3627bb4f46cbb630b88 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Tanques de mistura são muito usados na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia, onde a eficiência das operações de mistura freqüentemente tem um grande impacto no custo de produção e na qualidade do produto. O objetivo deste trabalho é determinar curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, para os impelidores mais comumente utilizados na indústria química, através da fluidodinâmica computacional. Os principais fluxos gerados pelos impelidores estudados serão determinados tanto para escoamentos laminares quanto turbulentos, calculando-se o bombeamento gerado e os padrões de circulação gerados no tanque. Através dos resultados numéricos gerados pelo modelo proposto, serão determinadas correlações empíricas para as curvas para Número de Potência versus Número de Reynolds, a fim de gerar uma ferramenta útil e prática para utilização em projetos de sistemas de agitação e ¿scale-up¿. O presente trabalho tem como objetivo mostrar que um projeto adequado de um sistema de mistura pode minimizar os gastos energéticos do equipamento e seu tempo de processamento, além de melhorar a uniformidade do processo, impedindo, ou minimizando, a formação de zonas mortas. A fluidodinâmica computacional mostrou que tem um grande potencial para melhorar sistemas de agitação, permitindo aos engenheiros simular o desempenho de sistemas alternativos, tentando emparelhar parâmetros de operação, projeto mecânico e manipulação das propriedades fluidas ou, então, otimizar sistemas reacionais já implantados na indústria / Abstract: Stirred vessels are widely used in chemical, petrochemical, pharmaceutical and food industries, where the mixing efficiency of the mixture frequently has a great impact in the product production cost and quality. The objective of this work is to build curves of Power Number versus Reynolds Number, for the most commonly used impellers in the chemical industry, through the use of CFD -computational fluid dynamics. The main flow generated by the studied impellers, the pumping number and the flow patterns in the tank will be determined. Through the numeric results generated by the proposed model, it is determined empiric correlations for Power Number versus Reynolds Number curve, in order to generate a useful and practical tool to be used in the design and scale-up of agitation systems. The present work aims to show that an optimized project of a mixture system can minimize the equipment power consumption and its processing time, improving uniformity for the whole process, minimizing the formation of dead zones. The computational fluid dynamics has proved to have a great potential to improve agitation systems, allowing the engineers to simulate alternative systems, trying to match operation parameters, equipment design and the fluids properties and also optimizing reactors that already implanted in the industry / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Filtered two-fluid models used to perform large scale simulations of gas-solid fluidized flows of industrial risers require closures for filtered parameters such as filtered and residual stresses, and interphase interaction forces mainly effective drag. Closure models for those filtered parameters may be derived by averaging over results of highly resolved simulations with microscopic two-fluid modeling. This work is a contribution in that context. Recent models for filtered parameters have been written as functions of filter size, filtered solid volume fraction, and filtered slip velocity. A recent study showed that macro-scale variables like domain average solid volume fraction and gas Reynolds number also significantly affect the filtered parameters. In the current work, in addition to these filtered and macro-scale variables, the effects of two new variables over the filtered parameters are investigated: filtered solid kinetic energy and sub-grid gas turbulence. It is shown that the filtered solid kinetic energy should be accounted for in the concerning correlations, thereby improving accuracy. Regarding gas turbulence, literature shows it has no significant effects on the motion of high Stokes particles. Extending on literature, this work investigates the sub-grid gas turbulence effects on meso-scale structures formed of high Stokes particles. Results showed that sub-grid gas turbulence has no significant effects on the meso-scale structures and corresponding filtered parameters. The open source code MFIX was used for all simulations. Ranges of dilute concentration of solid and gas Reynolds number typical of riser flow regimes were considered. A modified two-fluid model with microscopic formulation was used. The sub-grid gas turbulence was generated by means of a forcing function procedure which was implemented in the physical space, over the gravitational term of the momentum conservation equation of the gas phase. First, numerical simulations of the gas phase alone were performed, accounting for literature available data, in order to set a turbulent gas field and calibrate the turbulence intensity. Then, the forcing function was introduced in to the two-fluid model and various gas-solid flows were simulated. While the current results show the necessity of accounting for additional variables in the filtered parameter correlation, they also make it clear the necessity of further developments that are required in the search for better accuracy. / Modelos filtrados de dois-fluidos usados em simulações de grandes escalas de escoamentos fluidizados de gás-sólido de risers industriais exigem fechamentos para parâmetros filtrados tais como as tensões filtradas e residuais, e forças interativas interfases, principalmente arrasto efetivo. Modelos de fechamento para estes parâmetros filtrados podem ser gerados a partir de procedimentos de media aplicados sobre resultados de simulações altamente resolvidas com modelagem microscópica de dois-fluidos. Este trabalho é uma contribuição neste contexto. Modelos de fechamento recentes para parâmetros filtrados tem sido formulados em função de tamanho de filtro, fração volumétrica de sólido filtrada, e velocidade de deslizamento filtrada. Estudo recente mostrou que variáveis de macro-escalas como fração volumétrica de sólido e número de Reynolds de gás médios no domínio também afetam significativamente os parâmetros filtrados. No presente trabalho, além dessas variáveis filtradas e de macro-escala, os efeitos de duas novas variáveis sobre os parâmetros filtrados são investigados: energia cinética filtrada do sólido e turbulência submalha do gás. Em relação à energia cinética filtrada do sólido, mostra-se que a sua consideração refina as correlações em questão, contribuindo assim para melhor acuracidade. Com relação à turbulência do gás, a literatura mostra que não tem efeitos significativos no movimento de particulados de elevados números de Stokes. Acrescentando à literatura, este trabalho investiga os efeitos da turbulência sub-malha do gás sobre estruturas de meso-escala formados de particulados de elevados números de Stokes. Os resultados mostraram que a turbulência sub-malha do gás não tem efeitos significativos sobre estruturas de meso-escalas e parâmetros filtrados correspondentes. O código aberto MFIX foi usado para todas as simulações. Faixas de concentração diluída de sólido e número de Reynolds típicos de escoamentos em risers foram considerados. Um modelo modificado de dois fluidos com formulação microscópica foi utilizado. A turbulência sub-malha do gás foi gerada por meio de um procedimento de \'forcing function\' que foi implementado no espaço físico, sobre o termo fonte gravitacional da equação de momentum da fase gás. Primeiramente, simulações numéricas da fase gás foram realizadas separadamente, levando-se em conta dados disponíveis na literatura, a fim de gerar um campo de gás turbulento e calibrar a intensidade de turbulência. Posteriormente, a \'forcing function\' foi introduzida no modelo de dois-fluidos e vários escoamentos de gás-sólido foram simulados. Enquanto os resultados obtidos mostram a necessidade de consideração de variáveis adicionais para correlação de parâmetros filtrados, também deixam claro a necessidade de desenvolvimentos mais aprofundados na busca de melhor acuracidade.

A busca por uma nova matriz energética intensificou significativamente o desenvolvimento de fontes renováveis de energia. Dentre essas, o álcool teve grande destaque, dado que sua utilização industrial já é intensa no Brasil. Em concordância com a tendência industrial, o comportamento do álcool em vários fenômenos físico-químicos tornou-se foco de intensa pesquisa e desenvolvimento, o que levou a parcerias entre faculdades e empresas. O presente trabalho objetiva ao desenvolvimento de simulações numéricas que consigam descrever com exatidão o comportamento de chamas de sprays turbulentos de etanol. Para a verificação da aderência da simulação a processos reais, serão utilizados dados experimentais. Esses dados serviram como base comparativa de validação do modelo numérico. A descrição do spray segue a abordagem Euler-Lagrange, na qual a fase líquida segue uma abordagem lagrangeana e a fase gasosa uma abordagem euleriana. Foi considerado o acoplamento completo entre as duas fases, considerando o impacto da fase líquida no regime turbulento da fase gasosa. A turbulência da fase gasosa é descrita pelo modelo RSM (Reynolds Stress Model), baseado na média temporal e decomposição da turbulência, enquanto o escoamento interno da fase líquida é negligenciado. A chama do spray caracterizada pelo modelo flamelet, o qual utilizará um mecanismo de cinética química reduzido da oxidação do etanol. / The research for a new energy source to substitute fossil fuels intensified the development of renewable energy sources. Among all, ethanol has been given great attention, once it has been widely used in many Brazilian industrial branches. In agreement with industrial trends, the behavior of ethanol became the center of innumerous researches and developments, which led to partnerships between academic and private companies. This thesis aims the development of numerical simulations that describe with accurately the behavior of ethanol turbulent spray flames. To verify correlation between model results and real process behavior, experimental data will be used for validation of the numerical model. The spray physical description is made through the use of the Euler- Lagrange approach, in which the liquid phase is described by the lagrangean approach and the gaseous phase is described by the eulerian approach. There is full coupling between both phases. The turbulent flow of the gaseous phase is modeled through the use of the Reynolds Stress Model (RSM), based on Reynolds decomposition and time averaging process. The liquid phase has no internal flow, the droplets behave as a solid sphere translating through the domain (gaseous phase). The spray flame is modeled by the flamelet model which will use a simplified chemical mechanism.

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.

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.