La conception de chambres de combustion de nouvelles génération moins polluantes et fonctionnant sur des plages de stabilité plus grandes nécessite une meilleure connaissance et modélisation de la dynamique de la combustion.De nombreux systèmes sont alimentés avec des carburants liquides atomisés qui interagissent avec des grandes structures de l’écoulement d’air puis avec le front de flamme. Il existe cependant peu de données qui permettent de valider les outils de simulation dans des configurations mettant en jeu des flammes en interaction avec des structures contrôlées pour des écoulements polyphasiques.Certaines de ces interactions fondamentales sont étudiées dans ce travail pour des écoulements laminaires soumis à des modulations de vitesse. Les configurations expérimentales correspondent à des flammes à contre-courant et à des jets inertes libres, avec une injection de combustible liquide vaporisé ou sous la forme de sprays polydisperses. Ces écoulements peuvent être soumis à des modulations de vitesse de manière à reproduire les effets d’instationnarité. En fonction de la fréquence de la pulsation, des tourbillons de tailles contrôlées sont générés à la sortie des brûleurs et sont convectés par l’écoulement. Ils interagissent avec le spray de combustible ou la flamme.Une première partie de la thèse vise à caractériser la dynamique de flammes prémélangées dans des écoulements à point d’arrêt pour des combustibles gazeux. L’étude se concentre tout particulièrement sur l’interaction de structures tourbillonnaires avec une flamme plane. Différentes réponses de la flammes ont identifiées et analysées en fonction de la taille des tourbillons générés.Deux régimes de propagation des perturbations de vitesse sont mis en évidence correspondant à une oscillation en bloc de la zone de combustion ou à des perturbations limitées à la périphérie du front de flamme. Ces constatations remettent en cause le choix des conditions aux limites à imposer dans les simulations numériques unidimensionnelles de ces configurations. Des comparaisons entre des prévisions numériques et des mesures du champ de vitesse supportent nos conclusions. L’analyse de la réponse de ces flammes est ensuite poursuivie par la détermination de leurs fonctions de transfert entre le dégagement de chaleur et les perturbations vitesses imposées à la sortie du brûleur.Ces mesures basées sur l’étude du signal de chimiluminescence rayonné par la flamme mettent à nouveau en évidence une différence de comportement entre la région restreinte au centre de l’écoulement à point d’arrêt et le comportement global de l’ensemble de la zone de combustion. Ces configurations sont ensuite utilisées pour identifier les mécanismes de production de bruit par des flammes parfaitement et partiellement prémélangées.La deuxième partie des travaux est dédiée à la caractérisation de la réponse à des tourbillons d’un spray dilué convecté par un jet inerte ou d’un spray combustible alimentant une flamme plane de diffusion dans un écoulement à contre-courant lorsqu’ils interagissent avec des tourbillons. L’originalité du travail repose sur l’utilisation combinée de diagnostics optiques avancés pour caractériser la dynamique de la phase gazeuse et de la phase dispersée, ainsi que leurs interactions par une prise d’images en moyenne conditionnée à différents instants du cycle de modulation. La distribution de la vapeur de carburant injecté dans les phases gazeuses et liquides est notamment caractérisée grâce à la Fluorescence Exciplex Induite par Laser (LIEF). La distribution de vitesse et la granulométrie des gouttelettes du spray sont déterminées localement par effet Doppler (PDA) et dans un plan par Interférométrie par Imagerie de Particules (IPI). Ces diagnostics sont complétés par l’utilisation de la Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV) pour déterminer la réponse de la phase gazeuse de ces écoulements. / Modern combustion systems benefit from constant technological advanceswhich aim at reducing the emissions of chemical pollutants and at wideningregimes of stable operation. Further progress in the combustion field requiresa better understanding and modelling of the combustion dynamics. In thesesystems, the combustible is often injected as a liquid polydisperse spray. Experimentaldata are thus required to validate simulation tools in configurationswith flames interacting with controlled structures in multi-phase flows.This thesis aims at studying some of these fundamental interactions in wellcontrolledlaminar flows submitted to upstream modulations. Two experimentalconfigurations are investigated comprising counterflow flames and free inertjets, fed with gaseous or liquid combustibles. The flows may be submittedto upstream velocity modulations to reproduce effects of unsteadiness. Dependingon the pulsation frequency, vortices of controlled sizes are shed fromthe burner lips and convected with the flow, while interacting with the sprayand the flame.In the first part of this thesis, the dynamics of a premixed stretched flameis analysed in a stagnation flow. The study focuses on determining the flowand flame structures under upstream modulations, and principally on studyingthe dynamics of flame/vortex interactions. Different responses of the flameare identified and analysed relative to the size of the vortex ring generated atthe burner outlet. Two propagation modes for the velocity perturbations areidentified, corresponding to a bulk oscillation of the entire reaction zone orto a flame perturbed only at its periphery. This leads to a discussion on thechoice of velocity boundary conditions to conduct 1D simulations of theseconfigurations. Comparisons between simulations and measurements of thevelocity field illustrate these conclusions. Flame transfer functions betweenheat release rate and velocity perturbations imposed at the burner outlet areestablished for different flow conditions. These measurements relying on localand global chemiluminescence of the flame show again a distinct behaviourof the emission originating from the flame region close to the burner axis andthe whole flame. Mechanisms of sound production by partially and perfectlypremixed flames are also identified and analysed relative to flame/vortex interactions.In the second part, the dynamics of a spray convected by a free inert jet or impinginga diffusion flame submitted to velocity modulations is analysed. Theoriginality of this work consists in characterizing the flow and spray dynamicsusing a set of advanced diagnostics. Phase-conditioned images at different instantsin the modulation cycle are used to analyse the interactions between thegaseous phase and the spray. The spatial distribution of combustible vapourand liquid phases is determined using Laser Induced Exciplex Fluorescence(LIEF). Velocities and sizes distribution of droplets from the spray are determinedlocally by Phase Doppler Anemometry (PDA) and in a plane by InterferometricParticle Imaging (IPI). Laser Doppler Velocimetry (LDV) andParticle Image Velocimetry (PIV) are also used to determine the response ofgaseous phase. These phase-conditioned analysis highlight some interactionsbetween the gaseous and liquid phases and constitute an interesting databasefor detailed simulation of these two-phase flows.

Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Ricardo Dias M. de Carvalho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-16T20:19:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GrangeiroFilho_FernandoAntonio_M.pdf: 4784973 bytes, checksum: 5e420546996f33fd8f25a4488a55967a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O transporte de misturas complexas, como o escoamento gás-líquido, depende de vários parâmetros, incluindo o padrão de escoamento. O escoamento bifásico é bastante comum na indústria petrolífera. Em operações off-shore, líquido e gás escoam por longos trechos verticais, horizontais e inclinados através de linhas de escoamento e risers antes de serem separados na superfície. No presente trabalho, um aparato experimental, com uma tubulação de 54 mm de diâmetro, foi montado para simular o escoamento horizontal intermitente, água-ar. As características do escoamento foram investigadas usando duas estações de sensores ultrassônicos, separados por uma distância conhecida ao longo da tubulação, e filmagens realizadas com uma câmera ultrarrápida (1000 quadros por segundo). Cada estação ultrassônica consistia de um transdutor pulso-eco (posicionado a 0o) e três sensores receptores posicionados em diferentes ângulos ao longo da circunferência da tubulação (45o, 135o, 180o). Os parâmetros obtidos foram: velocidade da bolha alongada, comprimentos da bolha alongada, do pistão de líquido e da célula unitária, e frequência de passagem da célula unitária. Um algoritmo foi elaborado a fim de identificar qual estrutura (bolha alongada ou pistão de líquido) escoava na frente do sensor. Através desse programa foi possível calcular a espessura do filme de líquido assim como as vazões volumétricas das fases. A técnica de ultrassom se mostrou eficiente e apresentou um custo relativamente baixo para investigar as características do escoamento pistonado. A presença de muitas bolhas na cauda da bolha alongada pode causar erros nas medições que pôde ser observado através da filmagem, porém, dados provenientes de outros sensores em conjunto com os dados do sensor posicionado na parte inferior da tubulação podem auxiliar a detectar a transição da cauda da bolha para o começo do pistão de líquido / Abstract: Transport processes in complex mixtures such as gas-liquid flows depend on various parameters, including the flow pattern. Two-phase flow is very common in petroleum industry. During off-shore production, liquid and gas phases travel long distances through flow-lines and risers before being separated. In the present work, experimental data are presented on the axial flow topology of horizontal, air-water slug flows in a 54-mm inner diameter acrylic pipe. The flow structure was investigated using two stations of an ultrasonic apparatus positioned at a known distance from each other along the flow direction and high-speed motion pictures (1000 fps) of the flow. Each ultrasonic station consisted of one emitter transducer (positioned at 0o) and three receivers at different angles (45º, 135º and 180º) along the pipe circumference. The parameters obtained were: elongated bubble velocity; elongated bubble, liquid slug and unit cell lengths, and unit cell frequency and flow rates of liquid and gas phases. An algorithm was made to identify which structure (elongated bubble or liquid slug) was passing in front of the transducer. This program made it possible to calculate the volumetric flow rates. Results shown by both techniques agreed against each other, however, more tests at other flow rates should be held to which for correlations could be made / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Luis Augusto Barbosa Cortez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agricola / Made available in DSpace on 2018-08-05T16:08:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OlivaresGomez_Edgardo_D.pdf: 8788743 bytes, checksum: a9f46559feb8bf5bffe02d7d952fdf6e (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Considerada uma forma inovadora de pirólise de materiais orgânicos, a pirólise rápida caracteriza-se por apresentar temperaturas moderadas, elevadas taxas de transferência de calor e massa e pequenos tempos de residência. Essas características fazem da tecnologia em leito fluidizado a mais apropriada para o melhor desenvolvimento dos processos físico-químicos que têm lugar durante a pirólise rápida. Por meio desse processo de termoconversão em reator de leito fluidizado, borbulhante ou circulante, pode-se obter um rendimento elevado de bio-óleo, considerado seu principal produto. Em plantas pilotos, são observados rendimentos da ordem de 60% a 65% (em massa, base seca) para o bio-óleo, além de gás e carvão vegetal residuais que são aproveitados como insumo energético para o próprio processo. Com o objetivo de melhorar o conhecimento e gerar subsídios para a interpretação teórica do processo de pirólise rápida realizada em reator de leito fluidizado borbulhante, com biomassa vegetal polidispersa, dedicamos este estudo à caracterização das partículas de finos de carvão vegetal primário oriundas do processo, na sua relação direta com as condições operacionais e fluidodinâmicas do reator. A caracterização dessas partículas também atendeu à necessidade de dispor de dados para a modelagem matemática posterior a sua combustão, e para o estudo e desenvolvimento de sistemas mais eficientes de separação destes finos do fluxo de gases e vapores da pirólise, visando-se aumentar a qualidade do bio-óleo. A pesquisa básica na área foi descrita, principalmente baseada nos princípios teóricos sobre a pirólise de materiais lignocelulósicos e variáveis de processo relacionadas, alguns aspectos sobre a modelagem matemática do processo de pirólise, e o seu desenvolvimento tecnológico. Foi realizado, primeiramente, um estudo experimental e teórico em instalações de bancada e condições ambientais, baseado em sistemas do tipo fluidizado, que avaliou as propriedades e características fluidodinâmicas dos sólidos participantes, a biomassa e o inerte. Analisa-se o efeito da granulometria e propriedades físicas dos materiais sobre a velocidade de mínima fluidização e velocidade terminal das partículas. A planta, onde foram realizados os experimentos de pirólise rápida, foi projetada para operar com capacidade máxima de alimentação de 100 kg/h de biomassa (base úmida), de fina granulometria (diâmetro mais provável máximo entre 1 a 2 mm) e baixa densidade aparente a granel (abaixo de 60-70 kg/m3 à umidade de equilíbrio de aproximadamente 10% base úmida). Nos experimentos uma vazão de alimentação de 70 kg/h (base úmida) constante foi utilizada, valor considerado a partir dos experimentos exploratórios realizados. A velocidade superficial do gás de fluidização (parâmetro operacional) variou entre 0,090 m/s e 0,156 m/s com relação à temperatura média de operação do leito. Na mesma faixa de temperatura média do leito a velocidade superficial de mínima fluidização variava entre 0,008 m/s e 0,010 m/s para o inerte utilizado nos ensaios. Para a coleta dos dados experimentais uma modelagem experimental baseada num planejamento fatorial completo e num planejamento central composto ortogonal-PCCO, foi utilizada. O nível de confiança estatística adotado para a análise dos resultados foi de 95% e, para alguns dos modelos matemáticos empíricos obtidos, um coeficiente de determinação de até 70% foi considerado satisfatório. Dois parâmetros foram essencialmente considerados no planejamento experimental, a altura do leito estático de inerte e a relação vazão mássica de ar atual à vazão mássica de ar estequiométrica, a qual, para as diferentes temperaturas médias do leito, estabelece a velocidade superficial do gás (ar entrando pelo distribuidor). Vários outros parâmetros foram desenvolvidos para avaliar as características dos finos de carvão primário. Os modelos matemáticos empíricos gerados foram discutidos à luz do fenômeno da pirólise em desenvolvimento. Analisa-se a influência das condições de operação do leito fluidizado borbulhante e parâmetros que caracterizam o processo de pirólise, nas propriedades que representam os finos de carvão primário obtidos, por exemplo, seu teor de voláteis e cinzas, teor de carbono e oxigênio elementar, a vazão de finos elutriados do reator, entre outras respostas. Uma análise da distribuição de tamanhos das partículas de finos de carvão é também realizada. O comportamento dinâmico do leito fluidizado borbulhante foi avaliado a partir do estudo dos perfis de pressão, temperatura e concentração de sólidos e porosidade ao longo da altura do reator. Uma análise econômica preliminar do processo de pirólise rápida foi realizada, visando-se obter dados econômicos e financeiros relacionados com a produção de bio-óleo, por ser este produto seu principal resultado. Uma simulação econômica posterior permitiu obter as primeiras conclusões acerca da influência de parâmetros de operação nos principais índices econômicos e financeiros da planta na sua escala natural / Abstract: Fast pyrolysis is an inovative process to convert organic materials under moderate temperature, high mass and heat transfer, and short residence time. Such characteristics make the fluid bed the most appropriate technology to process and better develop all physico-chemical biomass changes. Through the fluid bed (bubbling or circulating) thermoconvertion process it is possible to obtain high yields of bio-oil as the main product. In pilot plants bio-oil typical yields are in the range of 60% to 65% wt (dry basis) and residual gas and char are used as an additional energy source in the process. To improve the knowledge and provide subsidies for the theoretic elucidation of the fine biomass bubbling fluid bed fast pyrolysis, this study characterizes the primary fine char produced in the process and its relation to the reactor operational and fluidinamics conditions. The characterization of the fine char particles is also useful for making data avaiable for modelling, studing and developing higher efficient systems to separate these particles from the pyrolysis gases and vapours aiming to improve the bio-oil quality. The research is based mainly on theoretical principles about lignocellulosic material pyrolysis and its process variables, some aspects of the pyrolysis process modelling and its technological development. Firstly, it was carried out an experimental and theoretical study in a bench-scaled facility and under normal conditions based on the fluid systems. The solids fluid-dynamics properties and characteristics such as biomass and inert filling were evaluated. It were also analyzed the particle size and the materials physical properties effect on the minimal fluid velocity and on the particles final velocity. the plant where the fast pyrolysis experiments were carried out was designed to operate with a maximum feed capacity of 100 kg/h (wet basis), fine particle size (approximately 1 to 2 mm diameter) and low bulk density (lower than 60-70 kg/m3 at a approximate 10% moisture content). It was employed a constant 70 kg/h feed rate (wet basis) which was considered an optimum rate based on the experiments carried out. The fluidization gas superficial velocity varied from 0.090 m/s to 0.156 m/s in relation to the bed operation average temperature. At the same bed average temperature, the minimal superficial fluidization velocity varied from 0.008 m/s to 0.010 m/s for the inert material used in the assay. For the experimental data collection it was used an experimental modelling based on a complete factorial planning and on an ortogonal compound central planning (OCCP). It was achieved a 95% statistical data reliability and, for some empirical mathematics models, a 70% determination coeficient was considered satisfactory. It was considered two parameters for the experience planning: the inert material fixed bed height and the relation between the current air mass flow rate and the stequiometric air mass flow rate. This relation defines the gas superficial velocity for the bed different average temperatures. Other parameters were also considered to evaluate the char fines characteristics. The empirical mathematical models were discussed in the light of the pyrolysis phenomena being developed. It was analysed the influence of the bubbling fluid bed operation conditions and the pyrolyisis process parameters in the char fines properties such as volatile and ash content, carbon and oxygen elemental and the char flow rate, etc. A size distribution analysis for char fines was also carreied out. The dynamic behavior of the bubbling fluid bed was evaluated based upon the pressure, temperature, solid concentration and the bed porosity through the reactor height. A preliminary economic assessment of the fast pyrolysis process was carried out aiming to collect financial data related to the bio-oil production. A later economic simulation allowed to obtain the first conclusions about the operational parameters influence in the main financial rates related to the plant in large scale / Doutorado / Construções Rurais e Ambiencia / Doutor em Engenharia Agrícola

Orientador: Leonardo Goldstein Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T10:08:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Domingues_RogerioBolchi_M.pdf: 2485496 bytes, checksum: 9c0c7fc9fca353e68329fa5025091bfb (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Os injetares gás-sólido tipo Venturi são equipamentos utilizados na indústria para transportar materiais particulados. Eles constituem um equipamento de baixo custo e de construção simples, que não possui componentes móveis. No entanto promovem um alto consumi energético. A literatura existente apresenta informações sobre o comportamento deste equipamento na injeção de alguns materiais, tais como, areia, cimento, esferas de vidro, polietileno e trigo. Neste trabalho será testado um catalisador de FCC. A introdução de coeficientes de perda de pressão em um modelo mecanicista proposto por Bohnet e Wagenknecht (1978) tomou as equações obtidas similares às equações clássicas de perda de pressão em dutos. Os testes forneceram dados sobre a distribuição de pressão no injetor, incluindo na câmara de abastecimento, em função da descarga de gás. Foi verificado o efeito da carga de sólidos na distribuição de pressão ao longo do injetor. E por fim foi verificado o comportamento da distribuição de pressão ao longo do injetor e a variação dos coeficientes de perda de pressão em função da variação dos parâmetros geométricos S e dG2' Após coletados os dados foi apresentado uma proposta de um procedimento para o dimensionamento de injetores gás-sólidos tipo Venturi / Abstract: Gas-solid Venturi injectors are used in industry as feeding devices of granulated or pulverized solids into pipelines under pressure for pneumatic conveying. Their advantages are no moving parts, low cost and a simple geometry. On the other hand they have a large energy consumption. Not much work has been reported in the literature on Venturi injectors. Information is available for sand, cement, glass, polyethylene and wheat. Energy conversion efficiencies were introduced in Bohnet and Wagenknecht (1978) equations to evaluate the pressure drop distribution. In this work FCC particulate was injected and measurements were performed to obtain an altemative parameter - the pressure drop coefficients - which allows calculating the total pressure variation in the injector, including the hopper. The solids loading influence on the pressure variation was studied, as well as the influence of the inlet air nozzle diameter, and of the distance between this nozzle and the Venturi entrance section. A procedure to estimate a gassolids injector was proposed. / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Evaldo Miranda Coiado / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2018-07-27T19:20:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soldera_PauloEduardodosSantos_M.pdf: 6673990 bytes, checksum: 24e40e395beaafaa7bb5a785e84f69a2 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: A perda de carga, de misturas sólido-líquidas escoando em condutos forçados horizontais no regime heterogêneo, pode ser calculada, conhecendo-se um parâmetro adimensional «I» de transporte de sedimento. Este adimensional depende: da velocidade média do escoamento, da densidade relativa e do tamanho dos grãos sólidos, do diâmetro do conduto, e de uma constante determinada experimentalmente (KD). Dentro da literatura sobre o assunto, a constante KD assume diversos valores, dependendo do autor, o que deixa dúvidas se realmente ela é uma constante. Para a mistura água-areia, calculou-se os valores de KD, que se trata de um parâmetro que depende da vazão do escoamento, do diâmetro dos sólidos e da concentração da mistura, e não uma constante como se encontra na literatura. Para a mistura água-calcário, não se pode obter valores coerentes para KD. Esse comportamento atípico deve-se ao pequeno diâmetro representativo desse sólido. Foi desenvolvido uma equação para calcular o fator de atrito f da Fórmula Universal de Perda de Carga, de forma que se possa dimensionar uma tubulação de recalque para transporte dessa mistura / Abstract: The head loss of solid-liquid draining mixtures in horizontal forced conduits in the heterogeneous regimen, can be calculated by knowing a parameter «I» of adimensional sediment carrier. This adimensional depends on the draining average speed, on the relative density and the solid grain size, on the conduit diameter, and on experimentally determined constant (KD). In this subject literature, constant KD assumes diverse values, depending on the author, what it means that it is not sure it is really a constant. For the mixture water-sand, one calculated the values of KD, that if deals with a parameter that depends on the outflow of the draining, of the diameter of solids and the concentration of the mixture, and not a constant as if it finds in literature. For the watercalcareous mixture, it is impossible to get coherent values for KD. This atypical behavior is due to the small representative diameter of this solid. An equation was developed to calculate the attrition factor f of the Head Loss Universal formula, on such way it can measure a stresses tubing to carry this mixture / Mestrado / Recursos Hidricos / Mestre em Engenharia Civil

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:43:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 06171.pdf: 4113918 bytes, checksum: f80c43f20a8b10129dced614d40007ba (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A pesquisa e o desenvolvimento de sistemas passivos de resfriamento de emergência são necessários para os sistemas termo-nucleares de nova geração. Algumas informações fundamentais sobre a operação desses sistemas requerem a pesquisa de alguns processos relativos à circulação natural, principalmente em condições de escoamento bifásico envolvendo processos de condensação na presença não-condensáveis, pois muitas situações encontradas são novas. A bancada experimental de circulação natural (BCN) foi utilizada para a realização de testes com diversas concentrações de não-condensáveis e níveis de potência. O não-condensável presente no circuito diminui a taxa de transferência de calor para o secundário do trocador de calor, causando baixo desempenho do trocador de calor. A presença de altas concentrações de não-condensáveis no trocador de calor propicia elevadas variações de pressão, decorrentes do processo de condensação abrupto, determinando a inversão da vazão e de fortes vibrações e esforços nas tubulações do circuito. A concentração inicial de não-condensável e a geometria do circuito, na entrada do trocador de calor, determinam o estabelecimento de transitórios com escoamento bifásico. A BCN foi modelada com o código computacional de Análise de Acidentes e Termo-Hidráulica RELAP5/MOD3.3 e, os valores calculados foram comparados com os dados experimentais, apresentando boa concordância para menores concentrações de ar. Os valores calculados para maiores concentrações de não-condensável foram satisfatórios após o circuito ter atingido a temperatura de saturação no aquecedor elétrico. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Em linhas gerais, esta dissertação de mestrado envolve o estudo de padrões de escoaomento durante a ebulição convectiva em microcanais. Resultados experimentais foram levantados para um tubo com diâmetro de 2,32 mm durante a evaporação convectiva dos refrigerantes R134a e R245fa. Para a investigação, técnicas experimentais e de análise foram desenvolvidas. A caracterização dos padrões de escoamento envolveu o tratamento simultâneo de sinais provenientes dos seguintes dispositivos: um par diodo/sensor-laser tendo um tubo transparente entre eles no interior do qual ocorre o escoamento bifásico; um transdutor de pressão piezo-elétrico de tamanho reduzido com o objetivo de determinar a variação local da pressão do escoamento; e de um micro-termopar em contato com o fluido refrigerante. A técnica de tratamento de dados utilizada envolve a aglomeração progressiva de dados que apresentem características médias similares através do algoritmo k-means. Os sinais de pressão, intensidade de radiação e temperatura foram adquiridos simultaneamente a uma freqüência de 25 kHz. Imagens simultâneas do escoamento bifásico a uma velocidade de captura em torno de 10.000 imagens/s foram levantadas através de uma câmera de filmagem rápida (até 100.000 imagens/s), e os padrões de escoamentos observados contrastados aos resultados fornecidos pelo método proposto. Baseado nesta análise, mapas de escoamento foram propostos, os quais incorporaram não apenas critérios subjetivos como a visualização, mas também objetivos como as variações transientes da pressão local do escoamento e da morfologia do escoamento através do seu efeito na dispersão da radiação emitida pelo foto-diodo. Os resultados previstos pelo método objetivo apresentam concordância razoável com os dados caracterizados com base em visualizações. Adicionalmente, características de bolhas alongadas foram determinadas. / The present research has been focused on the study of flow patterns inside channels of diameter less than 3 mm during the convective evaporation of refrigerants such as R134a and R245fa. For the investigation of such topics, experimental techniques and methods of analysis of results were developed. A broad database was gathered in an experimental test facility. The characterization of flow patterns involved the simultaneous processing of signals from the following devices: a pair diode / laser-sensor having a transparent tube between them, within which occurs the two-phase flow; a micro piezoelectric pressure transducer to determine the local variation of pressure of the flow and a micro-thermocouple fixed within the fluid. The technique used in data processing involves the gradual agglomeration of data having similar average characteristics; this method was developed based on the k-means clustering algorithm. The signals from the transducers were acquired simultaneously at a frequency of 25 kHz. The program for the acquisition and for processing of the signals was developed using LabView. Simultaneous images of two-phase flow at a speed of capture around 10,000 images / s were obtained through a high speed camera and the observed flow patterns were contrasted to the results provided by the objective method. Based on this analysis, flow maps were proposed, which incorporate not only subjective criteria such as visualization, but also objective criteria like the transient variations of local pressure of the flow, temperature of the fluid and the effect of the flow morphology based on the dispersion of light which effect was captured by the photo-diode. The maps obtained by the objective method were compared against flow pattern segregated based on visualization and a reasonable agreement was obtained. Besides the elongated bubble characteristics were determined.

L'objectif de ce travail de thèse concerne l'étude et la mise en œuvre de deux modèles de cavitation dans le solveur NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks): les modèles HEM (Homogeneous Equilibrium Model) et une équation pour le taux de vide: le modèle à transport de taux de vide (TTV). Le phénomène de cavitation est modélisé par différentes équations d'état de mélange liquide-vapeur (EOS). Des simulations numériques sont réalisées sur des écoulements diphasiques compressibles unidimensionnels et bidimensionnels avec des conditions d'interface et comparées à des solutions de référence. De plus, la méthode TTV basée sur le taux de vide incluant les termes source pour la vaporisation et la condensation dans le logiciel libre open source OpenFOAM est également présentée sur la géométrie Venturi pour capturer le phénomène du jet réentrant. La modélisation de la turbulence joue un rôle majeur dans la capture des comportements instationnaires et un limiteur est introduit pour réduire la viscosité turbulente afin de mieux prédire la structure à deux phases. Une comparaison de divers modèles de cavitation couplés avec des modèles de turbulence est étudiée. Les résultats computationnels sont comparés aux données expérimentales existantes. / The objective of this thesis work concerns the study and implement of two cavitation models in the NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks) flow solver: the Homogeneous Equilibrium Models (HEM) and a void ratio Transport-based Equation Model (TEM). The cavitation phenomenon is modeled by different liquid-vapor mixture equation of state (EOS). Numerical simulation are performed on some one- and two-dimensional compressible two-phase flows with interface conditions and compared with reference solutions. Moreover, The TEM based method for the void ratio including the source terms for vaporization and condensation in the free, open source software OpenFOAM is also presented on the Venturi geometry to capture the re-entrant jet phenomenon. The turbulence modeling plays a major role in the capture of unsteady behaviors and a limiter is introduced to reduce the eddy-viscosity to better predict the two-phase structure. A comparison of various cavitation models coupled with turbulence models are investigated. Computational results are compared with existing experimental data.

Moving contact line problems appear in many natural and industrial processes. A contact line is formed where the interface between two immiscible fluids meets a solid wall. Examples from everyday life include raindrops falling on a window and water bugs resting on water surfaces. In many cases the dynamics of the contact line affects the overall behavior of the system. Industrial applications where the contact line behavior is important include gas and oil recovery in porous media, lubrication, inkjet printing and microfluidics. Computer simulations are fundamental tools to understand and predict the behavior.   In this thesis we look at numerical simulations of dynamic contact line problems. Despite their importance, the physics of moving contact lines is poorly understood. The standard Navier-Stokes equations together with the conventional no-slip boundary condition predicts a singularity in the shear stresses at the contact line. Atomistic processes at the contact line come into play, and it is necessary to include these processes in the model to resolve the singularity. In the case of capillary driven flows for example, it has been observed that the microscopic contact line dynamics has a large impact on the overall macroscopic flow. In Paper I we present a new multiscale model for numerical simulation of flow of two immiscible and incompressible fluids in the presence of moving contact points (i.e. two-dimensional problems). The paper presents a new boundary methodology based on combining a relation between the apparent contact angle and the contact point velocity, and a similarity solution for Stokes flow at a planar interface (the analytic Huh and Scriven velocity). The relation between the angle and the velocity is determined by performing separate microscopic simulations. The classical Huh and Scriven solution is only valid for flow over flat walls. In Paper II we use perturbation analysis to extend the solution to flow over curved walls. Paper III presents the parallel finite element solver that is used to perform the numerical experiments presented in this thesis. Finally, the new multiscale model (presented in Paper I) is applied to a relevant microfluidic research problem in Paper IV. For this problem it is very important to have a model that accurately takes the atomistic effects at contact lines into account.