[pt] Neste trabalho foi desenvolvido um sistema para medição de campos instantâneos de velocidade em regiões extensas do escoamento de fluidos. A técnica utilizada foi a velocimetria por imagem de partículas. Nesta técnica, as medidas de velocidade são obtidas a partir do registro da imagem de partículas traçadoras previamente distribuídas no fluido e iluminadas externamente por um plano de luz pulsada. As imagens capturadas são digitalizadas e processadas com algoritmos numéricos especialmente desenvolvidos para este fim. Estes algoritmos empregam técnicas de correlação cruzada de imagens ou de autocorrelação de imagens. Testes do programa desenvolvido foram realizados com imagens de escoamentos geradas em computador. Um sistema experimental foi desenvolvido para capturar imagens de diversos escoamentos teste de baixa velocidade. Os resultados obtidos foram satisfatórios. / [en] The present work describes the development and testo f a whole-field velocimetry system for measuring transient velocity fields in extensive flow regions. The technique employed is known as Particle Image Velocimetry. In this technique, double-exposure images of tracer particles distributed in the fluid and externally illuminated are registered in film or electronic camera. The images are digitized and processed by specially developed computer algorithms based on cross-correlation and autocorrelation techniques. The computer program developed was tested against computer generated flow images. A experimental setup was constructed to capture and analyze several real flow images. The tests conducted with several low-velocity flows yielded satisfactory results.

Neste trabalho apresenta-se o estudo da transferência de massa (oxigênio) de bolhas de ar para a água, geradas por um difusor de ar, confeccionado com plástico microporoso e de fabricação nacional, em uma coluna de aeração. O processo de aeração conduziu à determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa, coeficiente volumétrico de transferência de massa global, e foi executado na coluna mencionada, construída em material transparente. Utilizou-se água de fonte, existente no abastecimento do Laboratório de Hidráulica Ambiental (SHS/CRHEA). Variou-se a vazão do ar no processo de aeração de 400 l/h a 2.000 l/h e o nível de água dentro da coluna de 0,50 m a 1,80 m. Optou-se pelo método químico para deaerar a água, utilizando sulfito de sódio anidro antes do início de cada ensaio. O aparelho WTW-323, um medidor de oxigênio do tipo membrana permeável, foi usado para determinar a evolução da concentração de oxigênio dissolvido na água durante todo o processo de aeração. Características hidrodinâmicas foram quantificadas, como os campos de velocidade ascensional das bolhas de ar, o diâmetro equivalente das bolhas e sua freqüência de ocorrência. Para essas quantificações utilizou-se equipamento Laser para velocimetria não-intrusiva. As características mencionadas são fundamentais para verificar as previsões para o coeficiente de transferência de massa encontradas na literatura. A coluna usada tem seção transversal quadrada de 0,19 m x 0,19 m, constante em toda sua extensão, e altura de 2,00 m. Através da determinação da eficiência de transferência de massa de oxigênio na água, variando a vazão de aeração e o nível de água na coluna, concluiu-se que a vazão entre 600 l/h e 800 l/h e nível de água de 1.80 m é que apresentou maior eficiência de transferência de massa. / The present work is a study of the oxygen mass transfer from air bubbles into water, generated by a diffuser of air, in a column of aeration. This diffuser was made of microporous plastic and produced in Brazil. The process of aeration in the column built with transparent material determined the volumetric coeficient of the mass transfer Kla. Water from the well located in the Environmental Hydraulic Laboratory (SHS/CRHEA) was used. The air flow in the process of aeration was changed from 400 l/h to 2000 l/h and the level of water, from 0,50 m to 1,80 m. The chemical method was chosen to deoxygenate water and sulfite of anhydrous sodium was used before starting each experiment. The equipment WTW-323, an oxygen gauge with permeable membrane, was used to determine the development of the oxygen concentration dissolved in water during the process of aeration. Several hydrodinamic characteristics were measured, such as the velocity range of the air bubbles, their diameter and their frequency, by using a laser equipment for non-intrusive velocimetry. These characteristics are fundamental to check the mass transfer coeficient that are in literature. The column used for the experiment had a square cross section of 0,19 m x 0,19 m in alI extension and height of 2 meters. After determination of the efficiency of the mass transfer of oxygen into water, changing the air flow rate and the level of water in the column, it was concluded that the air flow between 600 l/h and 800 l/h and the level of water of 1,80 m were the most efficient.

Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:32:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_5788_Versão para Impressão - Felipe Carvalho da Silva.pdf: 4212685 bytes, checksum: b568855df9c318d051ea61a286599fbb (MD5) Previous issue date: 2012-07-25 / Com os recentes descobertas da indústria petrolífera brasileira relacionadas às reservas no pré-sal, a tecnologia de medição de vazão está sendo re-avaliada, tendo em vista as grandes concentrações de CO2 encontradas nessas reservas. Uma tecnologia que possui níveis de precisão semelhantes aos obtidos com os medidores de vazão utilizados atualmente e que possui as características de independência com relação à composição e propriedades termodinâmicas dos gases é a tecnologia de medição de vazão por velocimetria óptica (OFM). O presente trabalho se dedica a estudo experimental, de comparação das leituras de velocidade entre tubo de Pitot e medidor de vazão por velocimetria óptica. Para isso foi efetuada qualificação e quantificação dos perfis de velocidades dentre as configurações possíveis de escoamento no túnel de vento, propondo metodologia de uso de retificadores de fluxo e amortecimento das leituras obtidas com o tubo de Pitot, e análises de leituras realizadas com o sensor óptico visando avaliar os efeitos de instalação do dispositivo nos resultados obtidos. Os resultados indicam que medidores de vazão ópticos por tempo de trânsito, para níveis médios e altos de velocidade, podem fornecer leitura coesa da vazão mesmo estando num desalinhamento do até ±5º, apesar de constar no manual de instalação do fabricante, garantia destes resultados do medidor quando num desalinhamento de, no máximo, até 2%. Com relação ao efeito intrusivo do sensor óptico nas leituras simultâneas com o tubo de Pitot, percebe-se, em geral, que a partir de aproximadamente Re>205x103, o efeito intrusivo desta influência foi suprimido por outros efeitos. Por fim, temos que para uma devida caracterização do escoamento por meio de pitometria, para comparação com a medição Laser, e alcançar satisfatórios resultados com o tubo de Pitot foi necessário fazer-se uso de dispositivos específicos de retificadores de fluxo e de amortecimento (dumping) dos valores medidos. Palavras-chave: medidor de vazão por velocimetria óptica (OFM), Laser two focus (L2F), pitometria, Pré-sal.

Neste trabalho apresenta-se o estudo da transferência de massa (oxigênio) de bolhas de ar para a água, geradas por um difusor de ar, confeccionado com plástico microporoso e de fabricação nacional, em uma coluna de aeração. O processo de aeração conduziu à determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa, coeficiente volumétrico de transferência de massa global, e foi executado na coluna mencionada, construída em material transparente. Utilizou-se água de fonte, existente no abastecimento do Laboratório de Hidráulica Ambiental (SHS/CRHEA). Variou-se a vazão do ar no processo de aeração de 400 l/h a 2.000 l/h e o nível de água dentro da coluna de 0,50 m a 1,80 m. Optou-se pelo método químico para deaerar a água, utilizando sulfito de sódio anidro antes do início de cada ensaio. O aparelho WTW-323, um medidor de oxigênio do tipo membrana permeável, foi usado para determinar a evolução da concentração de oxigênio dissolvido na água durante todo o processo de aeração. Características hidrodinâmicas foram quantificadas, como os campos de velocidade ascensional das bolhas de ar, o diâmetro equivalente das bolhas e sua freqüência de ocorrência. Para essas quantificações utilizou-se equipamento Laser para velocimetria não-intrusiva. As características mencionadas são fundamentais para verificar as previsões para o coeficiente de transferência de massa encontradas na literatura. A coluna usada tem seção transversal quadrada de 0,19 m x 0,19 m, constante em toda sua extensão, e altura de 2,00 m. Através da determinação da eficiência de transferência de massa de oxigênio na água, variando a vazão de aeração e o nível de água na coluna, concluiu-se que a vazão entre 600 l/h e 800 l/h e nível de água de 1.80 m é que apresentou maior eficiência de transferência de massa. / The present work is a study of the oxygen mass transfer from air bubbles into water, generated by a diffuser of air, in a column of aeration. This diffuser was made of microporous plastic and produced in Brazil. The process of aeration in the column built with transparent material determined the volumetric coeficient of the mass transfer Kla. Water from the well located in the Environmental Hydraulic Laboratory (SHS/CRHEA) was used. The air flow in the process of aeration was changed from 400 l/h to 2000 l/h and the level of water, from 0,50 m to 1,80 m. The chemical method was chosen to deoxygenate water and sulfite of anhydrous sodium was used before starting each experiment. The equipment WTW-323, an oxygen gauge with permeable membrane, was used to determine the development of the oxygen concentration dissolved in water during the process of aeration. Several hydrodinamic characteristics were measured, such as the velocity range of the air bubbles, their diameter and their frequency, by using a laser equipment for non-intrusive velocimetry. These characteristics are fundamental to check the mass transfer coeficient that are in literature. The column used for the experiment had a square cross section of 0,19 m x 0,19 m in alI extension and height of 2 meters. After determination of the efficiency of the mass transfer of oxygen into water, changing the air flow rate and the level of water in the column, it was concluded that the air flow between 600 l/h and 800 l/h and the level of water of 1,80 m were the most efficient.

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:07:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7875_1.pdf: 957397 bytes, checksum: cb1ba821e9bb830d197ce21762031b04 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2005 / Neste trabalho, demonstramos como o efeito de transparência induzida eletromagneticamente pode ser aplicado à medida de temperaturas de àtomos frios. O princípio da técnica reside na sensibilidade que esta ressonância apresenta com relação ao ângulo entre os feixes de luz incidentes, no limite de baixas intensidades. Este efeito resulta do deslocamento Doppler residual que surge em uma transição de dois fótons devido ao ângulo introduzido entre os feixes. O método foi demonstrado utilizando um sistema de dois níveis degenerados de átomos de Césio resfriados e aprisionados numa armadilha magneto-óptica. A partir da medida desta dependência angular, foi possível estimar a temperatura da amostra, cujo resultado está em bom acordo com medidas feitas no mesmo sistema utilizando outros métodos

[pt] O presente trabalho consiste no projeto, construção e qualificação de um aparato para o estudo experimental de bolhas de separação laminar sobre uma placa plana. A previsão do comportamento das bolhas de separação é importante para o projeto de aeronaves, turbinas e geradores eólicos, pois o desprendimento dessas bolhas tem grande impacto na performance de aerofólios. A dinâmica das bolhas não é bem compreendida, além de ser difícil de ser capturada por simulações numéricas que utilizam modelagem da turbulência. Por isso, ensaios experimentais são muito utilizados para a calibração dos modelos utilizados em simulações de engenharia. Neste trabalho, foram criados equipamentos para simular experimentalmente bolhas de separação laminar sobre uma placa plana. Os dispositivos foram projetados para o canal de água do Laboratório de Engenharia de Fluidos da PUC-Rio. O gradiente de pressão necessário para induzir a separação da camada limite e consequente formação da bolha foi ajustado com uma parede falsa, de modo a criar um canal convergente-divergente com a placa plana. Foi projetado um mecanismo de sucção da camada limite na parede falsa para evitar a separação do escoamento nessa superfície. A localização e as vazões de cada ponto de sução foram determinadas com o auxílio de simulações numéricas. Também foi projetado e testado um sistema de sopro e sucção para a excitação de ondas de instabilidade do tipo Tollmien-Schlichting na camada limite da placa plana. O funcionamento de cada dispositivo foi avaliado através da medição da velocidade do escoamento. Para isso, foram empregadas técnicas de medição por velocimetría laser doppler e velocimetría por imagem de partículas. Os resultados obtidos validam o projeto e qualificam o aparato para o estudo de bolhas de separação laminar. / [en] The present work involves the design, construction and performance test of an apparatus for the investigation of laminar separation bubbles in a flat plate boundary layer. Laminar separation bubbles are relevant for many engineering applications and the dynamic of such bubbles has a strong impact on the performance of aircrafts and turbines. The separated boundary layer reattaches to the surface due to the laminar-turbulent transition in the bubble region. This dynamic process is highly challenging for flow simulation tools used for engineering purposes. Thus, there is a demand for experimental studies that can be used for calibration of models present in those simulation tools. To this end, an apparatus was designed and built for the water channel of the Laboratory of Fluid Engineering at PUC-Rio. The boundary layer separation on the flat plate was induced by imposing a constant adverse pressure gradient to the flow. To this end a false wall was built, in order to form a converging-diverging channel with the flat plate. Flow separation on the false wall was avoided using a suction mechanism that was designed to reduce locally the boundary layer thickness. Location of suction and suction flow rates were determined with aid of numerical simulations. In addition, it was designed and built a disturbance source to generate Tollmien-Schlichting waves in the boundary layer of the flat plate. This device was used to trigger the boundary layer transition in a controlled manner. All equipment were tested and their designs were validated against experimental measurements. Laser Doppler anemometry and Particle Image Velocimetry techniques were adopted for assessment of each equipment. Results validate the design and show that separation bubbles can be investigated in detail using this apparatus.

[pt] O presente trabalho é um estudo experimental das características de um escoamento de ar em forma de jato espiralado, incidindo ortogonalmente sobre uma placa. Os objetivos do estudo são: avaliar a influência da presença de uma componente circunferencial de velocidade na distribuição dos coeficientes locais de troca de calor, obter campos de velocidade instantâneos no plano axissimétrico assim como informações sobre as características da turbulência no escoamento. Durante os experimentos se investigou a influência da distância jato/placa e da intensidade do escoamento espiralado (número de Swirl). Como etapa preliminar, foi conduzido um experimento de jato livre, para validação das técnicas de medição de velocidade utilizadas. Os resultados foram comparados com os da literartura e uma boa concordância foi obtida. A distribuição espacial dos coeficientes de troca de calor foi avaliada impondo-se um fluxo de calor constante na placa e medindo a distribuição radial de temperatura através de diversos termopares. Coeficientes locais puderam então ser estimados. Os campos de velocidades radial e axial instantâneos foram adquiridos experimentalmente através da utilização da técnica de Particle Image Velocimetry (PIV) e perfis de velocidade tangencial (média e flutuações) foram obtidos a partir da técnica Laser Doppler Velocimetry (LDV). Os resultados mostraram que os padrões de escoamento mudam significativamente quando a componente circunferencial de velocidade é introduzida. Para o valor mais alto do Número de Swirl foram verificadas fortes reversões do escoamento na região de estagnação. / [en] The present work is an experimental study of the characteristics of a swirling impinging air jet. The goals of the study are: to evaluate the influence of the presence of a circumferential velocity component in the distribution of the local heat transfer coefficients, to obtain instantaneous velocity fields in the axisymmetric plane, as well as information about the turbulence characteristics in the flow. During the experiments, the influence of the impingement distance and swirl intensity were investigated. As a preliminary validation of the velocity measurement tecniques, an experimental investigation of an axisymmetric free jet was conducted. The results were compared with literature showing good agreement. The spatial distribution of heat transfer coefficients was evaluated by imposing a constant heat flux condition to the plate and measuring temperature of several points along the radial distance of the plate with thermocouples. Local coefficients could then be estimated. Instantaneous axial and radial velocity fields were obtained with Particle Image Velocimetry (PIV) and tangential velocity profiles (mean and fluctuations) obtained by using Laser Doppler Velocimetry (LDV). The results showed that the flow patterns change significantly when the tangential component is added. For the highest value of Swirl number, strong recirculation zones were observed in the stagnation region.

O presente trabalho considera o problema de oxidação de matéria orgânica e inorgânica em esgoto sanitário através da ozonização, buscando aprofundar o conhecimento nos aspectos dúbios levantados em pesquisas conduzidas no Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC (Escola de Engenharia de São Carlos) na USP (Universidade de São Paulo) e também citadas na literatura da área. O projeto que tem cunho experimental utilizou uma coluna de ozonização de seção transversal quadrada de 0,19 m de lado e 2,00 m de altura, formada por duas faces paralelas de acrílico e duas faces paralelas de vidro, onde as bolhas de ozônio ascensionais eram fornecidas por um difusor microporoso instalado na base da coluna. Gerou-se um banco de dados acerca das características hidrodinâmicas das bolhas ascensionais (velocidade ascensional, porcentagem pontual da concentração, diâmetro equivalente e área interfacial específica), além de alguns parâmetros físicos e químicos (ozônio residual dissolvido e gasoso, temperatura, pH, alcalinidade, condutividade, turbidez, cor verdadeira, sulfeto, DQO, série de sólidos e série de carbono), localizados como relevantes ao processo de oxidação de matéria orgânica e inorgânica através da ozonização, variando a vazão de ozônio de 50 a 300 L/h e o nível líquido de 0,30 a 1,80 m. Constatou-se que o valor de todas as características hidrodinâmicas estudadas aumenta com o aumento da vazão de gás ozônio injetado no difusor microporoso. Vale mencionar que a velocimetria a laser não intrusiva foi a ferramenta utilizada na determinação da velocidade bi-dimensional ascensional das bolhas, além de auxiliar na determinação do diâmetro equivalente. Já a porcentagem pontual da concentração das bolhas foi determinada através da contagem de radiação de uma sonda de Césio-137. As análises dos parâmetros físicos e químicos mostraram de forma geral e repetitiva que a redução de pH e alcalinidade não foram influenciadas pela dosagem de ozônio aplicada; que a porcentagem de redução da DQO teve um comportamento oscilatório, ora influenciado ora não influenciado pela dosagem de ozônio aplicada; que a condutividade teve redução nula; e que a turbidez e a cor verdadeira tiveram influência da dosagem de ozônio na eficiência de redução. A observação dos experimentos permitiu inferir que tanto as características físicas como as características de qualidade do efluente influem no tipo de comportamento observado para a DQO em função do tempo de contato. Os comportamentos previstos pela solução de equações básicas geradas para explicar o efeito inibidor de compostos intermediários permitiram obter evoluções monotonicamente crescentes ou monotonicamente decrescentes no tempo, além dos comportamentos oscilatórios da eficiência de redução da DQO observados neste trabalho. Os resultados experimentais das velocidades ascensionais, perfis da concentração das bolhas, diâmetros equivalente e áreas interfaciais específicas, em conjunto com os parâmetros físico-químicos (ozônio residual dissolvido e gasoso, temperatura, pH, alcalinidade, condutividade, turbidez, cor verdadeira, sulfeto, DQO, série de sólidos e série de carbono), formam um banco de dados a ser utilizado nas simulações da coluna de ozonização que virão a decorrer do presente trabalho. As equações governantes aqui apresentadas são merecedoras de estudos posteriores para o entendimento da dinâmica existente nas colunas de ozonização e a busca da otimização de seu uso. / This present work is a study about the oxidation problem of organic and inorganic matter in sanitary effluent by means of the ozonation, trying to improve the knowledge of dubious aspects considered in prior researches conducted in Department of Hydraulic and Sanitation of the EESC (Escola de Engenharia de São Carlos) at USP (Universidade de São Paulo) and also found in specific studies. The project, which has experimental objective, used a column of ozonation of square transversal section of 0.19 m of side and 2.00 m of height with two parallel faces of acrylic and two parallel faces of glass, where bubbles of ozone in ascension were provided by a microporous diffuser installed in the base of the column. A file of data about hydrodynamic characteristics of the bubbles in ascension (velocity in ascension, punctual percentage of the concentration, equivalent diameter and specific interface area) was stored, besides some physical and chemical parameters (waste ozone dissolved and gaseous, temperature, pH, alkalinity, conductivity, turbidity, real color, sulphet, COD, set of solids and set of carbon), important to the process of inorganic and organic matter oxidation by means of ozonation, changing the flow of the ozone from 50 to 300 L/h and the liquid level from 0.30 to 1.80 m. It was noticed that the value of all hydrodynamic characteristics analysed increases when the flow of the ozone injected in the microporous diffuser also increases. It is important to mention that no-indisposition laser velocimetry was used as an instrument to determine the bi-dimension velocity of the bubbles in ascension and to help determine the equivalent diameter, whereas the punctual percentage of the concentration of the bubbles was determined by means of counting Cesium-137 radiation. Analysis of chemical and physical parameters showed in a general and repetitive way that the reduction of the pH and alkalinity was not influenced by the dose of ozone used; the percentage of COD reduction had oscillated behaviour, being or not influenced by the dose of the ozone used. It also showed that conductivity had zero reduction and turbidity and real color here influenced by the dose of the ozone in terms of efficient reduction. The observation of the experiments permitted to infer that both physical and quality characteristics of the effluent influence the type of the behaviour of COD versus contact time. The behaviour expected by the solution of basic equations done to explain the inhibiting effect of intermediate compounds permitted to obtain increasing and decreasing evolutions in time, as well oscillated behaviour of the efficiency of COD reduction observed in this work. The experimental results of the velocities in ascension, the profile of the bubble concentration, equivalent diameter and specific interface area with chemical and physical parameters (waste ozone dissolved and gaseous, temperature, pH, alkalinity, conductivity, turbidity, real color, sulphet, COD, set of solids and set of carbon) organize a file of data to be used in simulations of the ozonation column which will elapse from this present work. Specific equations here presented are worthy of further studies for the understanding of the dynamic present in the ozonation columns and the search of the optimization of its application.