Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2007. / Vita. Includes bibliographical references.

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2007. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ingénierie. CaQCU Bibliogr.: f. 184-186. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thesis (M. S.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Dr. Seyed M. Ghiaasiaan; Committee Member: Dr. Marc K. Smith; Committee Member: Dr. Sheldon M. Jeter

O escoamento bifásico em golfadas está presente em diversos processos industriais, entre eles a produção e transporte do petróleo. Ele se caracteriza pelo escoamento de um pistão de líquido com grande quantidade de movimento seguido por uma bolha de gás compressível. A repetição destas estruturas ocorre de forma intermitente. Nas últimas décadas, surgiram alguns modelos para a simulação deste tipo de escoamento, como os modelos eulerianos de dois fluidos e drift flux, e lagrangeano de seguimento de pistões (slug tracking). Com base no trabalho de Renault (2007), uma metodologia lagrangeana foi desenvolvida para monitorar e acompanhar o processo de iniciação do escoamento em golfadas em tubulações horizontais e levemente inclinadas de modo autônomo. Partindo-se do modelo de dois fluidos com aproximação unidimensional, as equações de conservação de massa e balanço de quantidade de movimento foram simplificadas. O sistema de equações resultante para o domínio de gás foi discretizado utilizando-se o método de diferenças finitas e resolvido através do algoritmo TDMA. O movimento do líquido sob as bolhas foi modelado de modo semelhante às equações de águas rasas (shallow water equations). Um programa computacional na linguagem Intel Visual Fortran foi desenvolvido para simular o processo de iniciação do escoamento em golfadas, a partir do escoamento estratificado líquido-gás. O crescimento das ondas na interface líquido-gás foi monitorado numericamente, assim como os pistões de líquido que se formaram em decorrência do crescimento das ondas. Foram realizadas simulações numéricas, para diferentes condições de vazão de líquido-gás, com a finalidade de avaliar a capacidade do modelo de gerar pistões. Para a validação dos resultados numéricos, foram realizadas medidas experimentais na bancada de escoamento bifásico existente no NUEM/UTFPR. Os dados foram obtidos utilizando-se sensores resistivos. Foi verificada uma forte dependência dos resultados do modelo em relação à malha. Devido a isto, foi proposto um critério para limitar o refinamento máximo da malha. Uma análise linear levou a conclusão que o modelo apresenta maiores taxas de crescimento de onda em relação ao modelo de dois fluidos. Os resultados numéricos mostraram boa concordância com os dados experimentais, porém apresentam melhor desempenho quando próximos à região onde o modelo se encontra mal posto numericamente. / Many industrial processes like crude oil transportation in pipelines operate on two-phase flow regime, especially in slug flow pattern. Slug flows are characterized by the intermittent succession of liquid slugs having a large momentum, followed by long bubbles of compressible gas. This kind of flow has been a topic of research over the last decades; however, few mathematical models for this complex flow can be found in the literature. Among those, one might mention the Eulerian two-fluid and drift flux, and the Lagrangian slug-tracking. Based on the work of Renault (2007), this work presents a Lagrangian methodology to capture the process of slug initiation for horizontal and near horizontal pipes. Starting from one dimensional two-fluid model, the equations of momentum and mass conservation were simplified. The motion generated by the dynamic pressure of the gas was decoupled from the slow movement of the liquid film. The resulting system of equations for the gas phase was discretized using the finite difference method and solved with the tri-diagonal matrix algorithm (TDMA). The liquid motion in the bubbles was then modeled by a modified version of shallow water equations. A software using Intel Visual Fortran language to simulate the process of slug initiation in a gas-liquid stratified flow was developed. Wave growth in the liquid-gas interface was numerically monitored until one of those waves reached the top of the pipe to form a slug. Numerical simulations were performed for different gas-liquid flow conditions, in order to evaluate the ability of the model to generate slugs. Experimental data to validate the code were gathered at the experimental facility of NUEM/UTFPR. The data were acquired using two-wire resistive sensors. The numerical results showed to be strongly dependent on mesh size. Because of this, a limiting criterion for the mesh size was developed. The linear analysis showed higher wave growth rate to this model than the two-fluid model. The results showed consistency when compared to the experimental data, especially in the neighborhoods of the region where the model is ill-posed.

ANP; FINEP / Este trabalho apresenta um estudo sobre parâmetros do sinal de ultra-som que são afetados pelo escoamento bifásico água-ar, muito comuns em diversos processos industriais. Foi utilizado um par de transdutores no modo transmissão-recepção em um duto de acrílico com 54 mm de diâmetro interno. As técnicas utilizadas na análise do sinal foram a medição da velocidade do som por diversos métodos, a análise da energia e da amplitude máxima. Também é proposto o uso da atenuação em banda larga do ultra-som, uma técnica muito comum e utilizada no diagnóstico médico da osteoporose, mas pouco utilizada na indústria. Outra proposta foi utilizar o primeiro vale da onda de ultra-som recebida para normalização do sinal, evitando a necessidade de um sinal referência para a determinação da fração de vazios. É apresentada a metodologia teórica e os resultados dos experimentos que foram realizados em um circuito bifásico instalado no LABPETRO/UNICAMP. O hardware e software do sistema de aquisição de dados foram desenvolvidos no LASCA/UTFPR. / This work presents a study of ultrasound signal parameters that are affected by two-phase flow water-air present in several industrial process. A pair of ultrasound transducers in transmissionreception mode has been installed in a 54 mm inner diameter plexiglass pipe. Velocity measurement is calculated by many methods and also energy and maximum amplitude analysis was applied. Additionally, it is proposed a broadband ultrasound attenuation (BUA) based method to measure the void fraction. BUA is a very common method used to diagnoses osteoporosis but underused in industry. Other method based on a signal normalization by the first valley is developed to avoid the use of a reference signal to calibrate the prototype. Theoretical methods and experimental results are described. The results were obtained in a two phase circuit situated in LABPETRO/UNICAMP. The hardware and software of acquisition system were developed in LASCA/UTFPR.

New technologies are constantly developing towards the goal of increasing the performance of gas turbine engines while reducing pollutant emissions. The design of the combustion system is vital in the drive to reduce pollutants in order to meet legislative targets. As part of this, the fuel injector is crucial in preparing the fuel for combustion through atomization and correct mixing with the air flow. Thus, it is desirable to develop techniques to allow the analysis of performance in these key criteria and improve the understanding of both fuel injector aerodynamics and fuel atomisation. Particle Image Velocimetry (PIV) allows for spatially resolved velocity data of flow fields to be recorded and therefore enables the inspection of flow behaviour.

Data de aprova??o retirada da vers?o impressa do trabalho. / Submitted by Jos? Henrique Henrique (jose.neves@ufvjm.edu.br) on 2018-01-04T19:50:32Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) / Approved for entry into archive by Rodrigo Martins Cruz (rodrigo.cruz@ufvjm.edu.br) on 2018-01-17T18:40:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-17T18:40:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) edgard_ronny_delgado_huamani.pdf: 5898825 bytes, checksum: 78eee370de5fed297b3181e82d98f63d (MD5) Previous issue date: 2017 / Neste trabalho, Carbon Dots (CD) oxidados foram preparados a partir de rea??es de desidrata??o/oxida??o ?cida da celulose, e posteriormente desoxigenados em meio alcalino e rea??o com sulfato de hidrazina. As caracteriza??es dos CD foram feitas com Microscopia eletr?nica de Transmiss?o, FTIR, titula??o potenciom?trica, Resson?ncia Magn?tica Nuclear de 13C e espectroscopia UV-Vis e fluoresc?ncia. Os resultados obtidos com estas caracteriza??es mostraram que a amostra oxidada apresenta um tamanho m?dio aproximadamente de 2,7 nm com uma significativa quantidade de grupos funcionais oxigenados ?cidos, dos quais 63% s?o ?cidos carbox?licos. Ap?s as rea??es de modifica??o superficial foi verificado que em meio alcalino ocorre somente uma elimina??o de nanoestruturas mais oxidadas, enquanto que na rea??o com hidrazina ocorre a redu??o de alguns grupos carbox?licos e ep?xidos com forma??o de grupos funcionais hidrazonas. Como consequ?ncia da modifica??o superficial, as propriedades ?pticas dos CD s?o alteradas significativamente. Com a redu??o, o band gap diminui e a energia da emiss?o aumenta, deslocando-se para a regi?o azul do espectro eletromagn?tico. Uma vez caracterizados, a parti??o de todos os CD preparados foi investigada em diferentes Sistemas Aquosos Bif?sicos (SAB), nos quais foram avaliados os efeitos dos c?tions e ?nions dos sais, dos pol?meros e do pH inicial do sistema no coeficiente de parti??o (K). Em adi??o foi avaliado o efeito da modifica??o superficial das nanopart?culas. A rela??o do K com comprimento da linha de amarra??o (CLA), o par?metro termodin?mico dos SAB foi estudado para todos os sistemas. Os resultados obtidos mostraram que a melhor separa??o ocorreu com o sistema PEO1500+sulfato de l?tio+?gua em pH=3 e usando os Carbon Dots reduzidos com hidrazina. O valor do K para este sistema foi de 64,4. Por outro lado, o menor valor de K foi 0,79, foi obtido para o sistema PEG1500+tartarato de s?dio+?gua em pH=6 e usando Carbon Dots oxidados. As an?lises detalhadas das fases superior e inferior de alguns destes sistemas com espectroscopia de fluoresc?ncia mostraram que os SAB s?o capazes, al?m de particionar, separar as nanopart?culas com diferentes propriedades ?pticas, as quais est?o diretamente associadas ?s propriedades superficiais e tamanho de part?culas. Por fim, n?s avaliamos a atividade catal?tica foto-Fentom dos CD na degrada??o do corante ani?nico ?ndigo de carmim e os resultados mostraram que os CD apresentam atividade fotocatal?tica neste sistema. Devido ? alta parti??o verificada para o sistema PEG1500+ sulfato de l?tio+?gua, este foi usado para avaliar a potencialidade de seu uso em cat?lise de transfer?ncia de fase usando CD como fotocatalisador e o corante ?ndigo de carmim como mol?cula modelo. Apesar da complexidade e da dificuldade de caracteriza??o dos produtos da foto-oxida??o no SAB, os resultados obtidos indicam que o sistema testado pode ser usado em rea??es de transfer?ncia de fase fotocatalisadas. Como conclus?o final, acredita-se que os resultados apresentados, em especial, a parti??o/sele??o das nanopart?culas com distintas propriedades ?pticas s?o de extrema import?ncia para o desenvolvimento de novas e eficazes aplica??es dos CD. / Disserta??o (Mestrado) ? Programa de P?s-Gradua??o em Qu?mica, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, 2017. / In this work, oxidized Carbon Dots (CD) were prepared by a dehydration/oxidation reaction of cellulose and subsequently deoxygenated in alkaline medium and reaction with hydrazine sulfate. The CD characterizations were made with Transmission Electron Microscopy, FTIR, potentiometric titration. 13C Nuclear Magnetic Resonance, UV-Vis and fluorescence spectroscopy. The results obtained with these characterizations showed that the oxidized sample has an average size of 2.7 nm with a significant amount of acid oxygenated functional groups, of which 63% are carboxylic acids. After the superficial modification reactions, it was verified that in alkaline conditions only one elimination of more oxidized nanostructures occurs, whereas in the reaction with hydrazine the reduction of some carboxylic groups and epoxides with formation of hydrazones functional groups. As a consequence of the surface modification, the optical properties of the CD are significantly changed. The band gap decreases and the emission energy increases, shifting to the blue region of the electromagnetic spectrum. Once characterized, the partitioning of all CD prepared was investigated in differente Aqueous two-phase systems (ATPS), in which the effects of the cations and anions of salts, of the polymers and the initial pH of the system in the partition coefficient (K) were evaluated. In addition, the surface modification effect of the nanoparticles was evaluated. The relationship of K with Tie Line Length (TLL), the thermodynamic parameter of the ATPS was studied for all systems. The results showed that the best separation occurred with the system PEO1500 + lithium sulfate + water at pH = 3 and using the reduced carbon dots with hydrazine. The K value for this system was 64,4. On the other hand, the lowest K value was 0,79, it was obtained for the system PEG1500 + sodium tartrate + water at pH = 6 and using oxidized carbon dots. The detailed analysis of the upper and lower phases of some of these systems with fluorescence spectroscopy showed that the ATPS are capable, in addition to partition, to separate the nanoparticles with different optical properties, which are associated directly to the surface properties and particle size. Finally, we evaluated the photo-Fentom catalytic activity of the CD in the degradation of the anionic anion dye indigo carmine and the results showed that the CD present photocatalytic activity in this system. Due to the high partition found for the PEG1500 + lithium + water sulfate system, it was used to evaluate the potentiality of its use in phase transfer catalysis using CD as a photocatalyst and the indigo carmine dye as a model molecule. Despite the complexity and difficulty of characterizing the photo-oxidation products in ATPS the results indicate that the system tested can be used in photocatalysed phase transfer reactions. As a final conclusion, we believe that the results presented, in particular, the partitioning / selection of nanoparticles with different optical properties are of extreme importance for the new and effective applications of CD.

[pt] A produção de óleo diminui e a produção de água aumenta com o passar do tempo na vida de um reservatório. A mistura de óleo e água é geralmente produzida na forma de uma emulsão. A formação da emulsão começa no escoamento bifásico no interior do reservatório e sua estrutura muda na medida em que os líquidos escoam através de tubulações, bombas e válvulas até as instalações de superfície. Durante a produção, as gotas maiores da fase dispersa quebram-se mudando a distribuição do tamanho das gotas. É importante conhecer a distribuição de tamanho de gota da fase dispersa da emulsão a fim de projetar as unidades de separação e prever as quedas de pressão ao longo do escoamento. O objetivo do presente trabalho é o estudo do processo de quebra de gotas em capilares retos e válvulas agulha a fim de prever o tamanho das gotas resultantes em função das condições de escoamento. O principal desafio é entender como os diferentes parâmetros operacionais de escoamento afetam o processo de quebra. Duas bancadas experimentais foram utilizadas para o estudo do processo. Na primeira, foi realizada uma análise paramétrica de formação de emulsões em um escoamento laminar através de capilares retos. Os experimentos foram realizados utilizando duas seringas conectadas através de um capilar. A emulsão óleo-emágua foi forçada a uma passagem de ida e vinda através do capilar. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa foram obtidos em função da vazão de injeção, taxa de cisalhamento, tempo de residência e trabalho dissipado na parede do capilar. Como esperado, o diâmetro médio da fase dispersa diminui com o aumento do tempo de cisalhamento atingindo um valor assintótico e possui uma grande dependência com a taxa de cisalhamento na parede do capilar. Na segunda bancada, foi realizada uma análise paramétrica de um escoamento turbulento de emulsão óleo-em-água através de uma válvula agulha. Os experimentos foram realizados utilizando uma bomba helicoidal para controlar a vazão através da válvula. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa a montante e a jusante da válvula foram obtidos em função da queda de pressão, vazão e taxa de dissipação de energia na válvula. O diâmetro médio da fase dispersa diminui e a superfície específica aumenta com o aumento da queda de pressão na válvula agulha até atingir um valor assintótico. / [en] Oil production decreases and water production increases as time goes by in the life of a hydrocarbon reservoir. The mixture of oil and water is usually produced as an emulsion. Emulsion formation starts in the two-phase flow inside the reservoir. The emulsion structure changes as it flows through pipes, pumps and valves up to the surface facilities. During all stages, large drops of the dispersed phase break up leading to smaller drops. It is important to know the droplet size distribution of the dispersed phase in order to design separation units and predict the pressure drop along the flow. The aim of the this work is to study the droplets break-up process that takes place in capillaries and in a needle valve in order to make predictions of the size of the resulting droplets that emerge from this process. The main challenge is to understand how the different operating flow parameters affect the break up process. In order to achieve this goal, two laboratory scale experimental set-ups have been used. In the first experiment, we conducted a parametric analysis of oil-water emulsion formation in laminar flow through straight capillaries. The experiments were carried out using two syringe pumps connected by a double-hubbed capillary pipe. The oil-water emulsion is forced back and forth through the pipe. The mean diameter and the specific surface area of the dispersed phase were obtained as a function of flow rate, shear rate, residence time and rate of energy dissipation at the capillary wall. As expected, keeping all other variables fixed, the dispersed phase mean diameter decreases with the shearing time, reaching an asymptotic value, which was a strong function of the shear rate at the capillary wall. Secondly, we conducted a parametric analysis of turbulent oil-in-water emulsion flow through a needle valve. The experiments were carried out using a helicoidal pump to control the flow rate through the needle valve. The mean diameter and the specific surface area of the dispersed phase upstream and downstream of the valve were obtained as a function of the pressure drop in the valve, flow rate, and rate energy dissipation of the flow. The dispersed phase mean diameter falls and the specific surface area rises with the pressure drop in the valve until reaching an asymptotic value.

Com a finalidade de estudar processos de fratura em concreto simples, este trabalho propõe uma escala intermediária de análise. Sendo assim, é apresentado um modelo simplificado de duas fases, o qual representa alguns elementos da microestrutra do concreto. Uma fase representa os agregados e a outra a matriz de cimento. Os agregados são considerados elástico-lineares e são representados pelos elementos finitos. Toda a não-linearidade do concreto e do processo de fratura é considerada na matriz de cimento. Tal fase é representada por interfaces coesivas, de espessura zero, entre os elementos finitos. Enquanto o modelo considera propriedades microscópicas do concreto como entrada, tem-se o comportamento macroscópico da estrutura como saída, o que é uma grande vantagem da escala proposta. Efeitos como a relação água/cimento e a densidade de agregados são introduzidos no modelo. Os resultados mostram que o modelo é capaz de captar, pelo menos qualitativamente, efeitos os quais somente são possíveis de obter com um modelo de três fases. / An intermediate scale of analysis is proposed here in order to study the fracture of plain concrete. A simplified two phases model is proposed as a concrete microstructure. One phase is the aggregate and other is the cement matrix. Aggregate is considered elastic linear and is represented by finite elements. All the non-linearity of the concrete and the fracture process is considered in the cement matrix. This phase is represented by a zero thickness cohesive interface between finite elements. While the model considers microscopic properties of the concrete as input, it delivers the macroscopic behavior of the structure as output, which is a great advantage of the proposed scale. Effects like water-cement ratio and density of aggregates are introduced in the model. Results show the model is able to capture, at least qualitatively, effects only possible to obtain by a three phases model.

Dans l'industrie du pétrole et des moteurs, les écoulements de fluides non-miscibles sont fréquemment rencontrés : écoulements d'hydrocarbures dans les conduites, séparation en production, injection de carburant dans les moteurs, procédés de raffinage, etc.Pour modéliser ce type d'écoulement, deux approches sont possibles. Soit l'écoulement est décrit de façon macroscopique et les phénomènes locaux (rupture et coalescence des gouttes, glissement des phases, compaction locale, etc.) sont modélisés à l'aide de lois de fermeture analytiques ou empiriques. Soit l'écoulement est modélisé de manière directe à l'échelle de la goutte et on s'attache à décrire précisément l'interface et les interactions entre les phases. C'est cette dernière approche que nous avons proposé d'adopter pour étudier des écoulements à phase dispersée liquide-liquide, et plus particulièrement les phénomènes de rupture et coalescence, collision ou déformation de gouttes. Ainsi, le but principal de ce travail de thèse a été le développement d'un code de simulation numérique directe capable de modéliser un écoulement diphasique liquide-liquide, afin d'étudier en détail les effets de coalescence et de rupture entre les gouttes. Ce travail a nécessité l’utilisation d’une technique de suivi d’interface appropriée et le développement d’un solveur des équations de Navier-Stokes incompressible pour calculer le champ de vitesse, ainsi qu’une méthode de couplage entre ces deux solveurs pour la simulation des écoulements diphasiques. Notre outil numérique a été validé sur de nombreux cas tests académiques et appliqué à l'étude du processus de séparation liquide-liquide. / The flow of immiscible fluids is a frequent issue in the petroleum industry: hydrocarbon in pipelines, separation process for production, fuel injection in engines, refinery treatment processes, etc.There are two possible approaches to model this type of flow. In the first one, the flow is described macroscopically. In this case, local phenomena (breakage or coalescence of droplets, phase slip, local compaction) are modeled thanks to analytic closure laws or empiric laws. In the second approach, the flow is simulated indirectly on a scale of droplet and we want to describe precisely the interface and the interactions between phases. We propose here to consider the second method to study liquid/liquid dispersed flows and especially the phenomena of breakage or coalescence and collision or distortion of the droplets.Thus, the main purpose of this work was the development of a direct numerical simulation code that is capable to model a liquid-liquid two-phase flow, in order to study in detail the effects of droplets coalescence and breakage. To model a two-phase flow, it is necessary to choose an appropriate interface tracking method and to develop a solver for Navier-Stokes incompressible equations to compute the velocity and pressure values. Also, a coupling method that is able to handle the discontinuous quantities at the interface has to be implemented. Our numerical tool has been validated on numerous academic test cases and applied to study the process of liquid-liquid separation.