Numerical prediction of thermal and dynamic characteristics of a fireinduced ceiling-jet

The aim of this thesis is to test the ability of some correlative models such as Alpert correlations on 1972 and re-examined on 2011, the investigation of Heskestad and Delichatsios in 1978, the correlations produced by Cooper in 1982, to define both dynamic and thermal characteristics of a fire induced ceiling-jet flow. The flow occurs when the fire plume impinges the ceiling and develops in the radial direction of the fire axis. Both temperature and velocity predictions are decisive for sprinklers positioning, fire alarms positions, detectors (heat, smoke) positions and activation times and back-layering predictions. These correlative models will be compared with a 3D numerical simulation software CFAST. For the results comparison of temperature and velocity near the ceiling. These results are also compared with a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis, using ANSYS FLUENT.

Estudo do comportamento biomecânico de aneurismas cerebrais

Os aneurismas cerebrais são dilatações patológicas das artérias cerebrais e são conhecidos como um dos eventos cerebrovasculares mais comuns e graves. A maioria dos aneurismas cerebrais não provocam sintomas até que se tornem grandes, começando a vazar sangue ou a romperem-se. O principal objetivo deste trabalho é a caracterização do comportamento biomecânico de aneurismas, tendo em consideração diferentes parâmetros geométricos e fisiológicos, de forma a analisar o comportamento da parede de um vaso sanguíneo aquando a formação de um aneurisma. O estudo numérico foi efetuado considerando diferentes modelos constitutivos híper-elásticos, que é o caso dos vasos sanguíneos, com intuito de verificar qual o que melhor se adequa a este tipo de estudos e de analisar e calcular os deslocamentos e as deformações ocorridas no aneurisma cerebral. Os diferentes modelos constitutivos foram aproximados por uma curva de tensão/deformação que contém valores experimentais de um ensaio de tração até à rutura de uma mucosa vaginal. Foram utilizados dois módulos do software Ansys®, sendo estes o Fluent e o Static Structural. O primeiro utilizou-se determinar a pressão exercida pelo fluido na parede interior do canal, sendo este resultado exportado para o Static Structural, permitindo assim fazer o estudo estrutural do canal com aneurisma. Concluiu-se que a nível qualitativo, qualquer modelo constitutivo estudado pode ser utilizado, pois todos mostram o mesmo tipo de distribuição de deslocamentos e deformações. No entanto, os modelos mais fiáveis a nível quantitativo é o modelo de Mooney-Rivlin 5 Parameter e o Polynomial 2nd Order, pois apresentam os mesmos resultados.

Análise experimental e numérica de quedas de pressão em canais estenosados

O interesse nos estudos relacionados com o escoamento de fluidos em microcanais tem assumido um lugar de destaque na área de biomédica, uma vez que que estes estudos permitem analisar escoamentos sanguíneos evitando questões de ética que se colocam quando se trabalha fisicamente com o sangue. Numa primeira fase deste trabalho foram fabricados modelos anatómicos tridimensionais, mais concretamente canais circulares, um sem patologia e dois com ateromas de alturas diferentes, onde foram efetuadas medições de quedas de pressão. Com os resultados obtidos foi possível concluir que a presença de ateromas influencia o escoamento sanguíneo, verificando-se que as quedas de pressão aumentam com o aumento do grau da estenose. Numa segunda fase os escoamentos estudados experimentalmente foram alvo de um estudo numérico com o objetivo de comparar os resultados da simulação com os obtidos experimentalmente. As simulações numéricas foram efetuadas recorrendo a um software comercial que implementa o método dos volumes finitos e os resultados obtidos revelaram-se concordantes com os obtidos experimentalmente, o que permitiu concluir que a dinâmica de fluidos computacional é de facto uma boa estratégia a ser utilizada. Na fase final do trabalho, procedeu-se à identificação da melhor modelação matemática para caracterizar a diferença de valores obtidos nos estudos experimental e numérico. Após diversas estratégias conclui-se que a diferença de valores pode ser caracterizada por uma função polinomial.

Simulação de um sistema de tratamento de águas residuais de lamas ativadas

A modelação matemática de Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) tem sido uma ferramenta de enorme utilidade nas fases de projeto e de exploração destas estruturas de tratamento. O presente estudo teve por objetivo principal construir um modelo matemático da ETAR de Bragança, em particular do seu tratamento biológico de lamas ativadas, com vista a avaliar, compreender e otimizar o seu desempenho. A construção do modelo foi efetuada com recurso ao ambiente de simulação WRc STOAT 5.0. O processo de lamas ativadas foi descrito pelo modelo de referência ASAL3. O modelo construído foi calibrado e validado com base em dados experimentais de 2015, obtidos no âmbito do programa de controlo analítico da ETAR. O modelo foi ainda utilizado para avaliar a qualidade do efluente em resposta a alterações do caudal e composição do afluente, a alterações de condições operacionais e a outras alternativas de tratamento. O modelo mostrou-se bastante adequado na descrição da evolução mensal da qualidade do efluente final da ETAR relativamente aos parâmetros Sólidos Suspensos Totais (SST) e Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO5), embora apresente uma tendência para os subestimar em 1,5 e 3,5 mg/L, respetivamente. Em relação ao azoto total, os valores simulados aproximaram-se dos valores reais, quando se aumentaram as taxas de recirculação interna para 400%, um fator de cerca de 4 vezes superior. Os resultados do modelo e dos cenários mostram e reforçam o bom desempenho e a operação otimizada da ETAR em relação a remoção de SST e CBO5. Em relação ao azoto total, a ETAR não assegura de forma sistemática uma eficiência elevada, mas apresenta um bom desempenho, face ao que o modelo consegue explicar para as mesmas condições operacionais. Através do estudo de cenários procurou-se encontrar alternativas de tratamento eficientes e viáveis de remoção de azoto total, mas não se identificaram soluções que assegurassem decargas de azoto abaixo dos limites legais. Os melhores resultados que se alcançaram para a remoção deste contaminante estão associados ao aumento das taxas de recirculação interna do sistema pré-anóxico existente e a uma configuração do tipo Bardenpho de quatro estágios com alimentação distribuída, em proporções iguais, pelos dois estágios anóxicos. Outras soluções que envolvam tecnologias distintas podem e devem ser equacionadas em projetos futuros que visem a melhoria de eficiência de remoção de azoto da ETAR.

Simulação de escoamento sanguíneo em biomodelos digitais de patologias vasculares humanas

Os procedimentos cirúrgicos requeridos no tratamento de diversas patologias podem ser mais simples, baratos e eficientes com o uso das tecnologias de visualização e análise tridimensional de imagens médicas. Além de facilitar o diagnóstico, os modelos virtuais permitem ao cirurgião um planeamento detalhado e simulação de intervenções complexas. Estes modelos virtuais permitem a melhoria da capacidade de visualização, interação e otimização perante a situação clínica, possibilitando a identificação precoce de problemas. O objetivo deste trabalho é a análise do escoamento sanguíneo na aorta abdominal com aneurisma. A primeira etapa do trabalho consistiu na extração de dados anatómicos de um aneurisma, com recurso à imagiologia médica e à reconstrução do biomodelo digital Posteriormente, efetuou-se o estudo numérico do escoamento sanguíneo no biomodelo construído. Nas simulações numéricas, realizadas para escoamento laminar, a reologia do sangue foi descrita por três modelos: modelo Newtoniano, modelo de Carreau e Lei da Potência. Com a utilização destes três modelos foi possível averiguar o impacto das propriedades não-Newtonianas do sangue nos fluxos estudados. Adicionalmente, as simulações realizadas no biomodelo foram efetuadas num domínio geométrico similar ao biomodelo, mas mais simples. Esta análise foi efetuada de modo a averiguar se para as condições estudadas era possível recorrer a um modelo simplificado sem comprometer a análise do escoamento pretendido. Conclui-se que a utilização do modelo simplificado poderá ser vantajoso na análise de determinadas propriedades, uma vez que apresentou resultados compatíveis com os obtidos com o modelo real.