Understanding the interactions between ocean and atmosphere in regions of oceanographic fronts is of vital importance for the improvement of numerical models for weather and climate forecasting. In the South Atlantic Ocean (SAO) the meeting between the warm waters of the Brazil Current (BC) and the cold waters of the Malvinas (Falkland) Current (MC) in the region known as the Brazil-Malvinas Confluence (BMC), results in intense mesoscale oceanic activity and, for this reason, this region is considered one of the most energetic of the Global Ocean. The interactions resulting from the thermal contrast in regions oceanographic fronts of the OAS are investigated in this work through estimates of heat fluxes based on data collected in situ and by satellite. The results of this study show that the response to the thermal contrasts found in the ocean is in the form of heat fluxes and these fluxes are critical in modulating the atmospheric boundary layer (ABL). Estimation based on data collected in situ show that in the warm side (north) of the oceanographic front the fluxes are more intense (latent heat: 62 W/m² and sensible heat: 0.6 W/m²) than in the cold side (south) (latent heat: 5.8 W/m² and sensible heat: -13.8 W/m²). In the South Atlantic Current (SAC) along the 30° S parallel, heat fluxes are directly related to the meandering characteristic of the current. The data collected in situ, in addition to allow heat flux estimates at a better spatial resolution, were used to develop a new method for estimating the heat energy exchanged between the atmosphere and the ocean caused by the presence of mesoscale oceanic structures. This methodology consists in the comparison of a radiosonde profile taken over waters of the structure of interest and another taken over waters which do not belong to this structure. The methodology was used to estimate the heat energy transfer between the atmosphere and the ocean over the top of three structures sampled in the OAS. The estimation of the heat energy transferred by a warm eddy detached from the BC points to an energy in the latent (sensible) form of 1.6 1017 J (-2.8 1016 J) which corresponds to approximately 0.011 % of the total heat energy of the eddy transferred to the atmosphere during the field experiment and 0.78 % transferred during the supposed lifetime of the eddy (3 months). Along the CSA two oceanic structures were studied: (i) a cold meander that receives from the atmosphere energy in the latent (sensible) form of 1.4 106 J/m2 (5.4 105 J/m2), and (ii) warmer waters associated with a detached eddy from the Agulhas Current (AC) that transfer to the atmosphe heat energy of approximately 4 106 J/m2 an 5.7 106 J/m2 in the latent and sensible forms, respectively. The estimation of heat energy transfer on top of mesoscale oceanic structures clearly demonstrate the importance of these structures for the heat exchanges between the ocean and the atmosphere and must be taken into account in future works about this subject in the SAO. / A compreensão das interações entre oceano e atmosfera em regiões de frentes oceanográficas é de vital importância para o melhoramento de modelos numéricos de previsão do tempo e clima. No Oceano Atlântico Sul (OAS) o encontro entre as águas quentes da Corrente do Brasil (CB) com as águas frias da Corrente das Malvinas (CM), na região denominada Confluência Brasil-Malvinas (CBM), resulta em intensa atividade oceânica de mesoescala e, por esse motivo, essa região é considerada uma das mais energéticas do Oceano Global. As interações resultantes do contraste termal ao longo de regiões de frentes oceanográficas no OAS são investigadas neste trabalho através de estimativas de fluxos de calor baseadas em dados de satélite e dados coletados in situ. Os resultados do trabalho demonstram que a resposta aos contrastes termais encontrados no oceano se dá na forma de fluxos de calor e que esses fluxos são fundamentais na modulação da Camada Limite Atmosférica (CLA). As estimativas com base em dados coletados in situ demonstram que no lado quente (norte) da frente oceanográfica os fluxos são mais intensos (calor latente: 62 W/m² e calor sensível: 0,6 W/m²) que nos lado frio (sul) (calor latente: 5,8 W/m² e calor sensível: -13,8 W/m²). Na Corrente Sul Atlântica (CSA), ao longo do paralelo de 30° S, os fluxos de calor estão diretamente relacionados a característica meandrante da corrente. Os dados coletados in situ, além de possibilitarem estimativas de fluxo de calor com uma melhor resolução espacial, foram usados no desenvolvimento de uma nova metodologia para estimativa da energia calorífica trocada entre oceano e atmosfera em virtude da presença de estruturas oceânicas de mesoescala. Essa metodologia consiste na comparação entre um perfil de radiossonda tomado sobre águas da estrutura de interesse e outro tomado sobre águas que não pertencem a essa estrutura. A metodologia desenvolvida foi utilizada para determinar a transferência de energia calorífica entre oceano e atmosfera em três estruturas amostradas no OAS. A estimativa da energia calorífica transferida por um vórtice quente desprendido da CB aponta para uma energia na forma latente (sensível) de 1,6 1017 J (-2,8 1016 J) que corresponde a aproximadamente 0,011 % da energia calorífica total do vórtice transferida durante o experimento de campo e de 0,78 % da energia do vórtice transferidos durante o tempo suposto de vida do vórtice (3 meses). Ao longo da CSA, duas estruturas oceânicas foram estudadas: (i) um meandro frio que recebe da atmosfera uma energia na forma latente (sensível) de 1,4 106 J/m2 (5,4 105 J/m2) e (ii) águas mais quentes associadas a um vórtice desprendido da Corrente das Agulhas (CA) que transferem para a atmosfera uma energia calorífica de aproximadamente 4 106 J/m2 e 5,7 106 J/m2 nas formas latente e sensível, respectivamente. As estimativas da transferência de energia calorífica sobre estruturas oceânicas de mesoescala demonstram claramente a importância destas nas trocas de calor entre o oceano e a atmosfera e devem ser levadas em consideração em trabalhos futuros sobre o tema no OAS.

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The root industrial processing in the country, aiming to obtain mainly flour and starch, generates carbohydrate-rich residues (e.g., starch, cellulose, and hemicellulose), which could be used to produce value-added products by enzymatic route, mainly using immobilized enzymes that are more operationally stable, allowing to be easily recovered and reused in the process. Thus, this work aimed the biotransformation of residual starch from cassava processing in maltose, using immobilized β-amylase in a Couette–Taylor–Poiseuille vortex flow reactor, which can promote perfect mixture under lower shear stress in the reactional medium compared to the conventional stirred-tank reactor. Cassava bagasse and peel of two starch-processing industries from São Paulo State were physicalchemically characterized and showed about 47% and 55% (dry mass) of residual starch, respectively. The starch was enzymatically extracted from the residues using a α- amylase, followed by maltose production catalyzed by immobilized barley β-amylase. Among the immobilization methods studied in this work, the best one for β-amylase was protein aggregation using bovine serum albumin (BSA) or soybean protein (PS) as protein feeder, followed by cross-linking with glutaraldehyde (CLEA technique). This protocol yielded immobilized β-amylase with 82.67% and 53.26% of recovered activity, respectively. Besides, the CLEAs were highly stables at 40oC, retaining more than 80% of the initial activity after 12 hours. The maltose syrup production from starch was performed using a Couette–Taylor–Poiseuille vortex flow reactor, in order to evaluate the β-amylase CLEAs (in this case CLEA of β-amylase prepared with soybean protein, here named CLEA-β-PS). It was achieved around 70% of maltose conversion in a short reaction time (4 hours), showing that is viable the use of residual starch as raw material for the production of maltose catalyzed by β-amylase CLEA in a Couette–Taylor– Poiseuille vortex flow reactor. / A mandioca é cultivada em todo mundo, sendo o Brasil o quarto maior produtor. O processamento industrial da raiz no país visa principalmente à produção de farinha e fécula, gerando resíduos ricos em carboidratos (amido, celulose, hemicelulose) que poderiam gerar produtos de valor agregado por biocatálise enzimática, particularmente usando enzimas imobilizadas, por serem mais estáveis operacionalmente e poderem ser facilmente recuperadas e reutilizadas no processo. Assim, este trabalho teve como objetivo a biotransformação do amido residual dos resíduos do processamento da mandioca em maltose, usando a enzima β-amilase imobilizada em reator de fluxo em vórtices (RFV) Couette–Taylor–Poiseuille, reator este que pode promover mistura perfeita com menor tensão cisalhante no meio reacional, comparado a um reator de mistura perfeita convencional. Os resíduos bagaço e casca de mandioca de duas fecularias do interior de São Paulo foram caracterizados físico-quimicamente e apresentaram teores de amido por volta de 47% e 55% (b.s.), respectivamente. A extração do amido dos resíduos foi realizada enzimaticamente utilizando uma α-amilase, então, o amido liquefeito foi utilizado na produção de maltose catalisada pela β-amilase de cevada imobilizada. Dentre os métodos de imobilização estudados, o mais satisfatório para a imobilização de β-amilase foi a reticulação de enzimas agregadas (CLEA), utilizando albumina de soro bovino (BSA) ou proteína de soja (PS) como proteínas inertes, retendo 82,67% e 53,26% da atividade oferecida, respectivamente. Os CLEAs apresentaram estabilidades ao pH ligeiramente maiores que a β-amilase livre em seus respectivos valores de pH mais estáveis. Além disso, os CLEAs foram muito estáveis a 40ºC, retendo mais de 80% da atividade inicial após 12 horas de encubação. A conversão do amido em maltose foi realizada em um RFV, com a finalidade de estudar seu comportamento frente aos CLEAs de β-amilase (neste estudo CLEA de β-amilase preparado na presença de proteína de soja, aqui nomeado CLEA-β-PS). A conversão de amido em maltose foi de aproximadamente 70% em curto tempo de reação (4 horas), demonstrando a viabilidade do uso de amido residual como matéria-prima para a produção de maltose catalisada por CLEA de β-amilase em reator de fluxo em vórtices de Couette–Taylor–Poiseuille. Palavras chave: resíduos de mandioca, amido, maltose, beta-amilase de cevada, imobilização enzimática, CLEA, reator de fluxo em vórtices.

Denomina-se Sistema Corrente do Brasil (CB) ao sistema de correntes de contorno oeste formados pela CB, fluindo para sul-sudoeste, e Corrente de Contorno Intermediária (CCI), fluindo para norte-nordeste, associado aos meandros e vórtices. O sistema bordeja a margem continental brasileira sudeste ao longo de 1200-1800 m. A investigação da dinâmica das ondas baroclínicas de vorticidade superpostas ao Sistema Corrente do Brasil é conduzida através exclusivamente de análise de dados hidrográficos de dois cruzeiros de meso-escala (verão e inverno de 1993) do projeto Circulação Oceânica da Região Oeste do Atlântico Sul - COROAS, a componente brasileira do World Ocean Circulation Experiment - WOCE. Estes cruzeiros foram realizados na porção central do Embaiamento de São Paulo (\'23,5 GRAUS\' - \'27 GRAUS\'S). Objetivando-se a aplicação do Método Dinâmico, estimativa quantitativa de um Nível de Referência (NR) é conduzida comparando-se duas metodologias diferentes e independentes. A primeira utiliza o fato de que a CB transporta Água Tropical (AT) e Água Central do Atlântico Sul (ACAS) e de que a CCI transporta dominantemente Água Intermediária Antártica (AIA). Aplica-se então um Critério Termodinâmico, no qual a interface que separa ACAS e AIA é estimada para os dois cruzeiros via aplicação dos Teoremas de Shtokman. A outra metodologia consiste na obtenção de padrões verticais de velocidade baroclínica absoluta a partir de simulações numéricas com a versão seccional do Princenton Ocean Model - POM inicializados com 14 campos termohalinos interpolados a partir dos dados - é o Critério Dinâmico. Os dois critérios apresentam resultado médio que difere apenas cerca de 7 dbar um do outro. Assim, adota-se valor de 480 dbar como NR para os cálculos geostróficos como nível isobárico que demarca a interface média entre CB e CCI. Mapas de função de corrente geostrófica são gerados através de mapeamento objetivo. Tais mapas apresentam evidências inequívocas de que os ciclones e anticiclones, observados nos experimentos de verão e inverno de 1993, são estruturas de vórtices associadas a meandros do Sistema CB. Este aparecem como estruturas vorticais postadas em lados diametralmente opostos ao eixo da CB: ciclones no lado costeiro, e anticiclones no lado oceânico. A variação vertical das estruturas dos meandros e a existência de uma única inversão de sentido permite comprovar e concluir que são ondas baroclínicas de primeiro modo, corroborando especulações presentes na literatura. A construção de um modelo quase-geostrófico de duas camadas para um oceano não-viscoso no plano \'beta\' e de fundo plano permite a realização de análise de vorticidade potencial. Tal análise permite concluir que o campo de vorticidade básico devido à CB suplanta o planetário e que estas ondas baroclínicas são ondas que devem sua existência ao cisalhamento vertical e horizontal da corrente. A variação frontal em vorticidade potencial baroclínica do Sistema CB é de \'1,7x10 POT.-5 s POT. -1\'. A dominãncia do termo da vorticidade de estiramento, que responde por 60% da variação de vorticidade na frente, permite estabelecer que as ondas capturadas na malha hidrográfica são ondas longas dentro da classe de meso-escala. O princípio de conservação de vorticidade potencial é invocado numa análise que envolve a superposição dos campos de vorticidade potencial e função de corrente para a primeira camada. Esta análise apresenta tanto evidências robustas de propagação das ondas baroclínicas quanto indícios de crescimento do meandro ciclônico, ou seja, de processo de instabilidade. Face aos achados das análises anteriores, teoria linear e método das perturbações são utilizados para obter uma relação de dispersão para as ondas baroclínicas da CB. Esta relação é dependente da velocidade da CB e do gradiente de vorticidade potencial através da corrente / The Brazil Current System is formed by two western boundary currents that flow along the Southeast Brazil continental margin from surface to 1200-1800 m deep. These two currents are the southward-flowing Brazil Current (BC) and the northward-flowing Intermediate Western Boundary Current (IWBC). The investigation of the dynamics of the barociinic vorticity waves superimposed to the BC system is conducted in this work solely from hydrographic data anaiysis and manipulation from two oceanographic meso-scale surveys that were part of the COROAS Project, the Brazilian arm of the Worid Ocean Circulation Experiment. These two cruises sampled the central portion of the São Paulo Bight (23,5°- 27°S) in the summer and winter seasons of 1993. As it was intended to appiy the classical Dynamic Method to the data, a quantitative estimate of the reference levei (RL) is conducted through the comparison of two different and independent methodoiogies. The first uses the previous knowiedge that the BC transports Tropical Water and South Atlantic Central Water (SACW) as well as that the IWBC transports mainly Antarctic Intermediate Water (AAIW). This method, referred here as the Thermodynamic Criterion applies the Shtokman theorems to estimate the interface depth between SACW and AAIW. The second methodology, designated here as the Dynamic Criterion, consists of modeiing absolute baroclinic velocities for all 14 hydrographic transects using the sectional version of the Princeton Ocean Model. The results of the two methods differ oniy in 7 dbar and a RL of 480 dbar is adopted as to represent the average interface isobaric level between BC and IWBC in the following geostrophic calculations. Horizontal distributions of geostrophic stream function are generated using objective mapping. These distributions present unequivocal evidences of cyclonic and anticyclonic structures in both Summer and Winter 1993 cruises. These features are associated to meanders of the BC System. They are depicted in opposing sides of the current core. The cyclone is seen in the BC coastal side as the anticyclone is placed in its oceanic side. The vertical variation of these pattems with a single flow direction inversion confirms that these vortical features are part of a first baroclinic mode wave, which corroborates previous speculations found in the literature. In order to pursue a potential vorticity analysis, a data-derived two-layer quasi-geostrophic model is built assuming an invicid flat-bottomed ocean in the 3-plane. This analysis allowed to conclude that the basic vorticity field associated with both horizontal and vertical shear of the boundary currents are responsible for the baroclinic wave existence. The planetary vorticity gradient is one order of magnitude lower. The frontal variation in baroclinic potential vorticity is 1,7 x i0 s1. The dominance of the stretching vorticity, which accounts for 60% of the gradient variation, leads to classify these oscillatory motions as long meso-scale waves. The potential vorticity conservation principle is invoked on an analysis that consists of superimposing the first layer quasi-gesotrophic potential vorticity and geostrophic stream funtion maps. This analysis revealed that the baroclinic waves are propagating as well as evidences of meander growth, an indication of a possible geophysical instability mechanism, are seen. Given the findings of the previous analyses, linear theory and the perturbation method are used to derive a dispersion relation for the BC System first mode baroclinic waves. The wave frequency is function of the BC velocity as well as the potential vorticity cross-stream gradient.

O aumento das ocorrências de VIM em plataformas flutuantes do tipo \"spar\" e monocoluna serviu de motivação para a investigação dos fundamentos do fenômeno de VIV em cilindros com baixa razão de aspecto e pequena razão de massa. Tal investigação também foi motivada pela necessidade de se preencher lacunas de conhecimento a respeito deste assunto, articularmente por conta da escassa disponibilidade de resultados acerca do VIV em cilindros curtos, bem como pela ausência de modelo fluido que justifique os comportamentos dinâmicos conhecidos. Para o entendimento pretendido, três grupos de experimentos com cilindros dotados de razão de aspecto na faixa 0,1 <= L/D <= 2,0 foram realizados em um canal de água circulante na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, sendo: o primeiro grupo focado nos cilindros curtos estacionários; o segundo nos cilindros curtos de baixa razão de massa, 1,00 <= m* <= 4,36, e dois graus de liberdade; e o grupo final interessado no VIV em cilindros flutuantes, ou seja, razão de massa unitária e seis graus de liberdade. De uma maneira geral, a partir dos resultados aqui obtidos e das comparações com os resultados respectivamente encontrados na literatura, conclui-se que o VIV em cilindros curtos somente acontece se L/D > 0,2. Além de original, a determinação deste valor crítico também identificou outras três regiões com comportamentos fluido-dinâmicos distintos, cada qual marcada por especificidades quanto aos impactos nas amplitudes, frequências e coeficientes de força. Assim sendo, para cilindros com L/D > 2,0 a esteira de von Kármán foi a principal responsável pelas forças sustentação; fato não identificado para os cilindros com 0,5 < L/D < 2,0, onde esta mesma esteira sofreu forte contaminação das estruturas partindo da extremidade livre, principalmente aquelas com vorticidade predominante no plano vertical. Para os cilindros na faixa de 0,2 < L/D <= 0,5, apenas estas últimas estruturas foram responsáveis pelas oscilações de VIV. Finalmente, buscando compreender a origem das forças oscilatórias em cilindros com baixíssima razão de aspecto, \"end-plates\" foram aplicadas e confirmaram que o fenômeno de VIV nestes casos está relacionado à liberação de vórtices junto à extremidade livre, o que indica uma solução interessante para a mitigação do VIM de plataformas. / The increase of VIM occurrences on spar and monocolumn platforms was the motivation to study the vortex-induced vibrations of cylinders with low aspect ratio and small mass ratio under a fundamental perspective. The present work was also motivated by the small number of works in the literature dealing with VIV of cylinders with low aspect ratio, as well as by the scarce concerns about the flow models around this cylinders, which justify the dynamic behaviors observed. Aiming to better understand this problem, three groups of experiments with cylinders of 0.1 <= L/D <= 2.0 were carried out in a recirculating water channel at Escola Politécnica of University of São Paulo, as follow: firstly, the flow around stationary cylinders; secondly, VIV of cylinders with two degrees-of-freedom and 1.00 <= m* <= 4.36. finally, VIV of floating cylinder, thus six degrees-of-freedom. The works concluded that VIV occurs only for cylinders with L/D > 0.2. Besides of being original, this result was also related to the observation of three regions of aspect ratio, each of them with different behaviors of the motion amplitudes, frequency ratios and force coefficients. For cylinders with L/D > 2.0, the von Kármán wake was the mainly responsible for the oscillatory lift forces. On the other hand, the von Kármán wake was contaminated by the effects coming from the free end of cylinders with 0.5 < L/D < 2.0, mainly by the vortex structures with vorticity in the vertical plane. And for cylinders with 0.2 < L/D <=0.5, the vortex structures at the free end were predominant, thus the only one responsible for the oscillatory lift forces. Finally, in order to understand the source for oscillatory lift forces on cylinders with very low aspect ratio, end-plates were applied and confirmed that VIV in these cases is related to the vortex-shedding around the free end, which indicates an interesting solution for VIM mitigation of platforms.

Em geral, uma embarcação de planeio é projetada para atingir elevados níveis de velocidade. Esse atributo de desempenho está diretamente relacionado ao porte da embarcação e à potência instalada em sua planta propulsiva. Tradicionalmente, durante o projeto de uma embarcação, as análises de desempenho são realizadas através de resultados de embarcações já existentes, retirados de séries sistemáticas ou de embarcações já desenvolvidas pelo estaleiro e/ou projetista. Além disso, a determinação dos atributos de desempenho pode ser feita através de métodos empíricos e/ou estatísticos, onde a embarcação é representada através de seus parâmetros geométricos principais; ou a partir de testes em modelos em escala reduzida ou protótipos. No caso específico de embarcações de planeio, o custo dos testes em escala reduzida é muito elevado em relação ao custo de projeto. Isso faz com que a maioria dos projetistas não opte por ensaios experimentais das novas embarcações em desenvolvimento. Ao longo dos últimos anos, o método de Savitsky foi largamente utilizado para se realizar estimativas de potência instalada de uma embarcação de planeio. Esse método utiliza um conjunto de equações semi-empíricas para determinar os esforços atuantes na embarcação, a partir dos quais é possível determinar a posição de equilíbrio de operação e a força propulsora necessária para navegar em uma dada velocidade. O método de Savitsky é muito utilizado nas fases iniciais de projeto, onde a geometria do casco ainda não foi totalmente definida, pois utiliza apenas as características geométricas principais da embarcação para realização das estimativas de esforços. À medida que se avança nas etapas de projeto, aumenta o detalhamento necessário das estimativas de desempenho. Para a realização, por exemplo, do projeto estrutural é necessária uma estimativa do campo de pressão atuante no fundo do casco, o qual não pode ser determinado pelo método de Savitsky. O método computacional implementado nesta dissertação, tem o objetivo de determinar as características do escoamento e o campo de pressão atuante no casco de uma embarcação de planeio navegando em águas calmas. O escoamento é determinado através de um problema de valor de contorno, no qual a superfície molhada no casco é considerada um corpo esbelto. Devido ao uso da teoria de corpo esbelto o problema pode ser tratado, separadamente, em cada seção, onde as condições de contorno são forçadamente respeitadas através de uma distribuição de vórtices. / Generally, a planing craft is designed to achieve high speed levels. This performance attribute is directly related to the boat size and to the propeller plant power. Traditionally, during a boat design, performance analyses are carried out using results taken from systematic series or from others boat previously build by the shipyard and/or designer. Furthermore, performance attributes can be calculated by semi-empirical and/or statistic methods or by tests of reduced scale models. In the specific case of planing boats, the costs of reduced scale tests are too high compared to the design cost itself. Because of this, most designers do not perform experimental tests during the development of new boats. During the last years, the Savitsky method was extensively used to estimate planing craft effective power. The method uses a set of semi-empirical equations to calculate the forces acting on the boat, from which the equilibrium position and the required propeller thrust are determined. During the preliminary phases of planing craft design, the hull geometry hasn\'t been fully defined. Therefore, the Savitsky method is widely used during this phase, because it uses only the main geometrical characteristics to estimate the forces acting on the hull. Advancing toward the final phases of the design process, more detailed information is required. To execute the structural design, for example, the pressure field acting on the hull must be known, which can\'t be estimate using the Savitsky method. The main objective of the present study is to implement a computer method that can be used to estimate the fluid flow and pressure field acting on the hull of a boat moving with forward speed constant in calm water. The fluid flow around the hull is treated as a boundary value problem, in which the wetted hull surface is considered a slender body. The slender body theory enables to solve the problem separately, in each transverse section, where boundary conditions are respected by a sheet of vortices.

Em experimentos com um cilindro flexível com rigidez a flexão ortotrópica, proporcionando razão entre frequências naturais longitudinal e transversal muito próximas a quatro (fx1fy1/=4,08), Fujarra et al (2001) [17] revelaram um ramo de resposta em VIV em alta velocidade. Tal ramo de respostas estável, excitado por perturbações a montante, era caracterizado por amplitudes transversais ao escoamento com ordem de 1 diâmetro e componentes de alta frequência no espectro de energia, estendendo-se por faixa de velocidade reduzida 12 < U* < 20 e esvaindo-se a partir da emergência de oscilações no segundo modo de vibração. Almejando aprofundar as investigações acerca deste intrigante achado experimental, uma nova campanha investigativa foi planejada e executada. Quatro cilindros flexíveis com distintas razões de rigidez ortotrópica foram construídos em resina polimérica, com enrijecedores internos de seções retangulares feitos de alumínio, resultando um conjunto com frequências naturais, correspondentes a modos longitudinais e transversais, com razões relativas: 4:1, 3:1, 2:1 e 1:1. Os cilindros foram verticalmente fixados a uma célula de carga 3D. Uma série de ensaios foi conduzida, sob velocidade de escoamento crescente e decrescente. As vibrações dos cilindros flexíveis foram capturadas através de um sistema óptico subaquático, posicionado a jusante, que rastreava a posição de alvos constituídos por fitas refletivas afixadas ao longo do comprimento do cilindro. Clássicas técnicas de análise espectral, decomposição modal no domínio do tempo e a Transformada de Hilbert-Huang foram utilizadas de modo encadeado e recursivo com o fim de determinar as respostas de vibração, em amplitude e frequências dominantes, em função da velocidade reduzida. O ramo de resposta em altas velocidades reduzidas foi recuperado nos experimentos com os quatro cilindros. Análise comparativa sistemática permitiu concluir que o ramo de resposta em tela se deve ao lock-in de modos longitudinais, que são excitados em velocidades reduzidas tão mais altas quanto maior for a razão de frequências considerada. Empregando-se, então, os deslocamentos e velocidades modais medidos em formulação de Mineto (2013) [23], foi realizada estimativa de potência elétrica a ser extraída pelo emprego de finos filmes de material piezelétrico depositados sobre as lâminas enrijecedoras internas aos cilindros. / A previous work by Fujarra et al. (2001) revealed a \"high speed mode branch\" in cantilevered flexible cylinders subjected to VIV. That work studied a flexible cylinder with orthotropic bending stiffness in a recirculating water channel, by setting the ratio between the first natural frequencies, in the in-line and cross-wise directions to the flow, very close to four (fx1fy1/=4,08). Such a new stable response branch, triggered by upstream hydrodynamic perturbations, was characterized by amplitudes, perpendicular to the flow, of order of one diameter and by high frequencies components in the energy spectrum. The branch extends from reduced velocity circa 12 up to 20, being extinguished by the onset of the second vibration mode lock-in. Aiming at investigating further this intriguing experimental finding, a new campaign has been planned and performed. Four flexible cylinders with distinct orthotropic bending ratios were built, by molding thin aluminum stiffeners, of rectangular cross section, inside the cylinders made of a flexible resin. The respective natural frequencies ratio, between in-line and cross-wise bending modes, was set to 4:1, 3:1, 2:1 and 1:1. The flexible cylinders were vertically clamped to a 3D load cell. A series of experimental runs were carried out, under ascending and descending flow speeds. The flexible cylinder vibration was captured trough an underwater optical system, placed downstream, by tracking 3D Cartesian coordinates of reflective strips placed all along the span, at equi-spaced cross sections. Besides standard spectral analysis techniques, modal decomposition in time domain and the Hilbert-Huang Transform have been recursively used together to determine amplitude and dominant response frequencies. The \"high speed mode branch\" revealed for all four cylinders tested. Systematic comparative analysis allowed us to conclude that such a response branch is caused by the lock-in of longitudinal modes, excited at reduced velocities ranges that increase with the frequency ratio considered. Finally, using measured modal responses in Mineto (2013) [23] formulation, the electric power that would be extracted by the use of thin piezoelectric layers deposited over the internal stiffeners blades was estimated.

Para este trabalho, foram realizadas observações de variáveis climáticas e medidas de fluxo de carbono, durante o período de 2008 a 2010, sobre uma floresta de mata atlântica, buscando estimar o balanço de carbono neste sítio experimental, com o objetivo de melhor compreender as trocas de CO2 entre esta floresta e a atmosfera. Para tanto, foram utilizadas técnicas micrometeorológicas de vórtices turbulentos associadas a medidas de transportes advectivos. Este estudo investigou uma área de características singulares, de intensos gradientes topográficos, na cidade de São Luiz do Paraitinga, estado de São Paulo, região sudeste do Brasil. Com vegetação de dossel irregular e circundada por encostas íngremes de até 30º (em distâncias de 50 metros), uma torre micrometeorológica com 60 m de altura foi instalada ao final de 2007. Em 2010, em uma segunda etapa do estudo, foi finalizado o sistema para medidas de fluxos advectivos composto por outras quatro torres de 27 m de modo a definir um volume de controle em uma das encostas próxima à torre micrometeorológica, assim como sugere a técnica utilizada ao considerar os transportes advectivos na equação da conservação de massa, o que caracteriza uma abordagem mais criteriosa em função do relevo. As análises mostraram que estes transportes 1. atuam na alteração da concentração de CO2, tanto na vertical como na horizontal; 2. apresentam ciclos diários e 3. estão bem correlacionados com o armazenamento vertical de CO2, elemento participante na determinação da produtividade primária líquida de uma vegetação monitorada com a técnica comumente utilizada. Considerados os erros inerentes nas estimativas, ao final de três anos de estudo, esta floresta de mata atlântica mostrou comportar-se como uma modesta fonte de CO2, podendo ainda atuar de forma neutra, mesmo tendo acumulados anuais estimados da forma tradicionalmente encontrada na literatura. Estes resultados concordam com outros obtidos em trabalhos independentes de igual teor científico realizados nesta mesma área investigada. Dessa forma, a exclusão dos transportes advectivos não penalizou o balanço de massa; considerá-los causaria maior incerteza nas somas anuais em função do período de dados disponível e da complexidade da sua determinação, como já discutido em outros trabalhos encontrados na literatura. / For this study, observations of climate variables and measurements of carbon fluxes have been done between the years 2008 and 2010 above a brazilian Atlantic forest, aiming to estimate the carbon balance in this experimental site, in order to better understand the exchanges of CO2 between this forest and the atmosphere. To carry it out, micrometeorological eddy covariance technique was associated with advective transport measurements. This study investigated an specific area with intense topographic gradients located in São Luiz do Paraitinga city, São Paulo state, southeastern Brazil. Surrounded by vegetation with irregular canopy and steep slopes of up to 30° (at distances of 50 meters), a micrometeorological tower 60 m height was installed at the end of 2007. In 2010, the installation has been finished with four towers of 27 m height in order to define a control volume over one of the slopes near the micrometeorological tower, for measurements of advective flows as suggests the technique when advective transports are considered, from equation of mass conservation, which features a more careful approach regarding the relief conditions. The analysis showed that these transports 1. act on changes in CO2 concentration, both vertically and horizontally; 2. show daily cycles and 3. are well correlated with the vertical CO2 storage, a key participant element in determining the net primary productivity of vegetation when monitored by the technique as it is commonly applied. Considering the inherent estimated errors, at the end of three years of study, this forest was a modest source of CO2, and may also acts in a neutral way, even with annual estimated sums obtained as traditionally found in the literature. These results agree with those found through independent studies with considerable scientific content developed in the same investigated area. Thus, the exclusion of advective transport did not penalize the mass balance; consider them could cause greater uncertainty in annual amounts based on the available dataset and the complexity for its determination, as discussed in other works in the literature.

Neste trabalho foi realizado um estudo utilizando os modelos de turbulência Simulação das Grandes Escalas, Large Eddy Simulation (LES), e Simulação dos Vórtices Desprendidos, Detached Eddy Simulation (DES), para simular o escoamento compressível interno em um duto contendo válvulas controladoras na saída dos gases de combustão de um reator de craqueamento catalítico fluido, com o objetivo de comparar o desempenho numérico e computacional de ambas as técnicas. Para isso foi utilizado um programa comercial de dinâmica dos fluidos computacional, Computational Fluid Dynamics (CFD), que possui em seu código os dois modelos de turbulência. / In the present work a study was conducted using Large Eddy Simulation (LES) and Detached Eddy Simulation (DES) turbulence models in order to simulate the internal compressible flow in a duct containing the flue gas discharge control valves of a fluid catalytic cracking reactor so as to compare the numerical and computational behavior of both techniques. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software, which includes these turbulence models in its code, was used.

Esta Dissertação de Mestrado apresenta um estudo experimental sobre os efeitos de interferência das vibrações induzidas pelo escoamento ao redor de cilindros rígidos livres para oscilar transversalmente ao escoamento fluido. Primeiramente, justifica a necessidade de pesquisas experimentais dentro do contexto prático da engenharia offshore, que motiva este trabalho. Apresenta uma revisão bibliográfica sobre escoamentos ao redor de corpos rombudos seguida de uma síntese sobre vibrações induzidas pelo escoamento. Destacam-se as oscilações causadas por VIV – Vibrações Induzidas por Vórtices e “galloping” como os fenômenos até o momento atribuídos às excitações de um cilindro isolado e um par de cilindros alinhados com o escoamento. Apresenta a metodologia experimental empregada, descrevendo a aplicação de bases elásticas fletoras com um grau de liberdade. Introduz as técnicas experimentais e de tratamento de sinais utilizadas e faz rápidas considerações sobre a realização de ensaios nos dois canais de água circulante onde os experimentos foram conduzidos. Os resultados apresentados, discutidos e comparados envolvem: medições da resposta dinâmica em amplitude e freqüência dominante de oscilação; medição instantânea do ângulo de fase entre a força fluida e o deslocamento do cilindro e do ângulo de fase entre as oscilações de dois cilindros; e medições da dinâmica da esteira com PIV. Os arranjos de cilindros estudados são: cilindro isolado; par alinhado com cilindro à montante oscilando; par alinhado com cilindro à jusante oscilando; e par alinhado com ambos os cilindro oscilando. Todas as configurações analisadas em detalhes possuem baixo parâmetro de massa e baixíssimo parâmetro de amortecimento . Os espaçamentos entre os centros dos cilindros alinhados variam entre . A faixa de velocidade reduzida analisada está entre. Um cilindro isolado apresentou resposta típica de VIV com os três ramos de resposta (inicial, superior e inferior) identificados. O fenômeno de intermitência do ângulo de fase instantâneo foi verificado nas regiões de transição. Os modos 2S e 2P de emissão de vórtices foram identificados com PIV. Estes dados mostraram boa concordância com outros experimentos da literatura e serviram de referência para as demais comparações deste texto. A resposta de um cilindro oscilando à montante de outro fixo também apresentou comportamento típico de VIV. Conclui-se que o primeiro cilindro não sofre efeito de interferência do cilindro à jusante para os espaçamento e velocidades analisados. Os principais efeitos de interferência ocorrem para um cilindro oscilando à jusante de outro fixo. Este arranjo, foco deste estudo, não apresenta resposta típica de VIV, uma vez que a amplitude apresenta um ramo crescente após a faixa típica de sincronização. Também não apresenta resposta típica de excitação pura por galloping, já que a força fluida não está em fase com a velocidade do cilindro. Assim, denomina-se um novo fenômeno responsável por estas excitações que combina: captura da freqüência de emissão e faixa de sincronização de VIV; e amplitude assintoticamente crescente típica da resposta de galloping. Trata-se das WIV – Vibrações por Interferência da Esteira. Quando ambos os cilindros estão livres para oscilar, o cilindro à montante continua apresentando resposta típica de VIV, enquanto o segundo cilindro responde com ramos descontínuos também excitados por WIV. Por fim, conclui-se que não é conveniente chamar de “excitações por galloping” os ramos crescentes nas configurações de interferência. Entende-se que esta resposta esteja sendo excitada pelos efeitos de interferência das esteiras formada entre os cilindros e desprendida no cilindro à jusante. Sugere-se que a nomenclatura Vibrações por Interferência da Esteira seja mais adequada à natureza dos fenômenos. As visualizações de PIV foram importantes para a verificação da redução do comprimento de formação de vórtices com o aumento do número de Reynolds, mostrando a necessidade de experimentos de interferência com Reynolds constante. Encerra-se o texto apresentando propostas para trabalhos futuros que continuem nesta linha de pesquisa. / This MSc Thesis presents an experimental study on flow-induced vibrations and interference effects around rigid circular cylinders free to oscillate transversally to the flow. Firstly, it justifies the real needs of an experimental approach within the context of offshore engineering, which motivates this project. After that, presents a review over bluff-bodies flows followed by some consideration concerning flow-induced vibrations. Special attention is found over the oscillations caused by VIV – Vortex-Induced Vibrations and galloping phenomena, which are attributed to excite either a single isolated cylinder or a pair of tandem interfering cylinders. The experimental methodology is shown, describing the applications of elastic bases with one degree of freedom. Experimental techniques and signal analysis procedures are discussed considering the executions of these experiments in two water channel facilities. Presented, discussed and compared results involve: dynamic responses in amplitude and dominant oscillation frequency; instantaneous phase angle between fluid forces and cylinder displacement and phase angle betweens the two cylinders oscillations; and wake dynamics measurements and visualizations employing PIV technique. Cylinders are arranged as follow: single isolated cylinder; tandem pair with upstream one free to oscillate; tandem pair with downstream one free to oscillate; tandem pair with both cylinders free to oscillate. All carefully analyzed arrangements present low-mass parameter and very low damping . Gaps between cylinder centers vary through . Reduced velocity range is comprised in. The isolated cylinder case presented a typical VIV response, with three identified branches (initial, upper and lower). The instantaneous phase angle intermittency phenomenon was observed in transition regions. The 2S and 2P vortex modes were verified by PIV technique. These data showed to be in accordance to other literature measurements and are employed as reference results for comparisons throughout this text. The dynamic response of a cylinder oscillating upstream a fixed one showed a typical VIV behavior. From this can be concluded that the downstream cylinder does not imply any interference phenomenon for analyzed gaps and velocities. On the other hand, major interference effects occur when a downstream cylinder is oscillating in the wake of another fixed one. This configuration, which is the focus of this study, does not show a typical VIV response, since amplitude curves present a crescent branch after the typical synchronization regime. It does not either present a typical galloping excitation response, since the fluid forces are not in phase with the cylinder velocity. Thus, a new suggested name, WIV – Wake-Interference Vibrations, describes the phenomenon responsible for these excitations, which combines: lock-in of shedding frequency from VIV; and asymptotically crescent response from galloping-like excitations. When both cylinders are free to oscillate, the upstream one presents the typical VIV response, while the downstream one passes through three branches with discontinuities, excited by WIV. Finally, it can be concluded that is not convenient to call “galloping excitation” these crescent branches for interference arrangements. It can be understood that the dynamic response is being excited by the interference effects from upstream wake and downstream cylinder vortices. The nomenclature Wake-Interference Vibrations is suggested to be more adequate to the nature of this phenomenon. In addition, PIV visualizations showed to be very important to certify that the formation length decreases while increasing Reynolds number, requiring interference experiments with constant Reynolds numbers. To conclude, some suggestions for future work in this research field are presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The turbulent fluxes of carbon dioxide (CO2 ) were investigated in two sites of irrigated rice in southern Brazil, using the eddy covariance technique over 385 days of analysis at the site of Paraiso do Sul and 683 days in site Cachoeira do Sul also used the model of filling the gaps in order to estimate the net ecosystem exchange CO2 -C (NEE). Throughout the growing season, rice fields, both for the site of Paraiso do Sul to the site of Cachoeira do Sul, acted as carbon sinks (C). During fallow periods, these fields were the source of C. The NEE accumulated at the site of Cachoeira do Sul was similar in both cycles and practically equal to the estimated site of Paraiso do Sul. The GPP accumulated during the crop cycle 2010-2011, the rice field of Cachoeira do Sul, was less than 12% of the 2011-2012 cycle and higher than 15% of the site of Paraiso do Sul. The Re accumulated was similar at the site of Paraíso do Sul in the 2010-2011 cycle Cachoeira do Sul, but less than the 2011- 2012 cycle. The values of NEE, GPP and R e for the site of Paraíso do Sul were - 270.53 gCm2 , -821.19gCm2 and 527.59gCm2 , respectively. To the site of Cachoeira do Sul, were -282,53 gCm2 , -933,40gCm2 and 597,05gCm2 for NEE, GPP and Re , respectively, in the 2010-2011 cycle. For the 2011-2012 cycle in the rice field of Cachoeira do Sul, the values of NEE, GPP and Re were -279,69gCm2 , - 1062,64gCm2 and 716,58gCm2 , respectively. The total C accumulated over the period analyzed for the site of Paraíso do Sul was -45,90gCm2 , considering this area of rice cultivation, as a sink for C. While the growing area of Cachoeira do Sul was considered a source of C (19,94 gCm2 ). Showing by this that long periods of fallow contribute significantly to the accumulated fluxes due to constant presence of vegetation. The contribution of this work will assist in the investigation of CO2 in these ecosystems. / Os fluxos turbulentos de dióxido de carbono (CO2 ) foram investigados em dois sítios de cultura de arroz irrigado no Sul do Brasil, utilizando a técnica de covariância de vórtices ao longo de 385 dias de análise no sítio de Paraíso do Sul e de 683 dias, no sítio de Cachoeira do Sul. Além disso, utilizou-se o modelo de preenchimento das lacunas com o objetivo de estimar a troca líquida de C-CO2 no ecossistema (NEE). Ao longo do período de cultivo, os campos de arroz, tanto para o sítio de Paraíso do Sul quanto para o sítio de Cachoeira do Sul, atuaram como sumidouros de carbono (C). Durante os períodos de pousio, esses campos foram fontes de C. O NEE acumulado, no sítio de Cachoeira do Sul foi semelhante em ambos os ciclos e praticamente igual ao estimado no sítio de Paraíso do Sul. A GPP acumulada durante o ciclo de cultivo de 2010-2011, no campo de arroz de Cachoeira do Sul, foi inferior a 12% do ciclo de 2011-2012 e superior em 15% a do sítio de Paraíso do Sul. A Re acumulada foi semelhante no sítio de Paraíso do Sul e no ciclo de 2010- 2011 de Cachoeira do Sul, mas inferior a do ciclo de 2011-2012. Os valores de NEE, GPP e Re para o sítio de Paraíso do Sul foram de -270,53 gCm2 , -821,19gCm2 e 527,59gCm2 , respectivamente. Para o sítio de Cachoeira do Sul, foram de - 282,53gCm2 , -933,40gCm2 e 597,05gCm2 para NEE, GPP e Re , respectivamente, no ciclo de 2010-2011. Para o ciclo de 2011-2012, no campo de arroz de Cachoeira do Sul, os valores de NEE, GPP e Re foram de -279,69gCm2 , - 1062,640gCm2 e 716,58gCm2 , respectivamente. O total de C acumulado ao longo do período analisado para o sítio de Paraíso do Sul foi de -45,90gCm2 , considerando esta área de cultivo de arroz, como um sumidouro de C. Enquanto que a área de cultivo de Cachoeira do Sul foi considerada fonte de C (19,94 gCm2 ). Mostrando com isso, que períodos longos de pousio contribuem consideravelmente para os fluxos acumulados devido a permanência constante de vegetação. A contribuição deste trabalho auxiliará na investigação das emissões de CO2 nesses ecossistemas.