Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.

Jato transversal de gotas: simulações por ALE/FEM e efeitos interfaciais.

Um código computacional para escoamentos bifásicos incorporando metodologia híbrida entre oMétodo dos Elementos Finitos e a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária do movimento é usado para simular a dinâmica de um jato transversal de gotas na zona primária de quebra. Os corpos dispersos são descritos por meio de um método do tipo front-tracking que produz interfaces de espessura zero através de malhas formadas pela união de elementos adjacentes em ambas as fases e de técnicas de refinamento adaptativo. Condições de contorno periódicas são implementadas de modo variacionalmente consistente para todos os campos envolvidos nas simulações apresentadas e uma versão modificada do campo de pressão é adicionada à formulação do tipo um-fluido usada na equação da quantidade de movimento linear. Simulações numéricas diretas em três dimensões são executadas para diferentes configurações de líquidos imiscí veis compatíveis com resultados experimentais encontrados na literatura. Análises da hidrodinâmica do jato transversal de gotas nessas configurações considerando trajetórias, variação de formato de gota, espectro de pequenas perturbações, além de aspectos complementares relativos à qualidade de malha são apresentados e discutidos.

Uma nova descrição para a transferência de massa em meios porosos com transição saturado-insaturado.

Esse texto trata do problema de um fluido contaminado escoando por um meio poroso, tratando os componentes na mistura como meios contínuos. Na primeira parte, desenvolvemos a teoria de misturas de meios contínuos e discutimos equações da continuidade, momento linear e momento angular. A seguir, descrevemos o problema em detalhe e fazemos hipóteses para simplificar o escoamento. Aplicamos as equações encontradas anteriormente para encontrarmos um sistema de equações diferenciais parciais. Desse ponto em diante, o problema se torna quase puramente matemático. Discutimos o caso insaturado, e depois a saturação do meio poroso. Finalmente, adicionamos um contaminante à mistura e, em seguida, N contaminantes.

Determinação por ultrassom de constantes elásticas de pastilhas de alumina utilizadas em varetas combustíveis de reatores nucleares.

Pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são empregadas como combustível nos reatores nucleares de potência, onde as condições operacionais introduzem elevados gradientes térmicos nas pastilhas. Potências elevadas propiciam a fusão da parte central das pastilhas. O inchamento das pastilhas de dióxido de urânio (UO2), decorrente dos produtos de fissão, pode causar o trincamento do material, em função disso, o estudo do seu comportamento mecânico é importante. Esse trabalho avaliou a aplicação de método ultrassônico na obtenção de constantes elásticas. Em função das dificuldades no manuseio do material nuclear, optou-se por um estudo comparativo em pastilhas de alumina (Al2O3). Foram fabricados e usados dois conjuntos de 10 pastilhas de Al2O3 com densidades de 92% e 96%. Foi desenvolvida técnica ultrassônica por transmissão obtendo medidas do tempo de percurso de ondas ultrassônicas, longitudinais e transversais, usadas para a determinação das constantes elásticas do material. Equações relacionando a velocidade da onda ultrassônica ao módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson, permitiram obter essas constantes elásticas, que apresentaram excelente concordância com a literatura disponível para o Al2O3.

Desenvolvimento e implementação de algoritmo para análise de dutos fabricados ou reparados com material compósito carregados com pressão interna utilizando o método dos elementos finitos.

A integridade de dutos ganha importância à medida em que o desenvolvimento da indústria expande a malha para transportar líquidos e gases num contexto de aumento das exigências ambientais. Um importante aliado para manutenção da integridade de dutos são reparos de materiais compósitos. Estes materiais apresentam baixa densidade, capacidade de direcionar resistência de acordo com as direções das solicitações, execução de reparo a frio sem necessidade de interromper produção ou grande maquinário. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de elementos finitos que permita avaliar os esforços e a resistência das paredes de um tubos fabricados ou reparados com laminados de material compósito carregados com pressão interna. Entre as vantagens de desenvolver um programa tem-se: agilidade de avaliação, menor custo com licença, menores exigências computacionais, possibilidade de desenvolver o programa e o melhor entendimento da modelagem dos fenômenos. Utiliza-se como entrada do programa o diâmetro do duto, pressão interna e parâmetros do laminado. A modelagem em elementos finitos é realizada a partir da teoria clássica de laminados. Aplicando o carregamento resultante da pressão interna, determina-se os deslocamentos e são calculadas as tensões e aplicado o critério de falha de Tsai-Hill em cada camada. Estudos experimentais e numéricos encontrados na literatura foram simulados com o programa gerado e os resultados para propriedades do laminado, tensões nos dutos e pressão de ruptura apresentam concordância com os resultados da literatura.O programa ainda tem sua estrutura modificada para encontrar a pressão de falha a partir dos dados do laminado. O programa implementado permite uma avaliação rápida de resistência do reparo e possibilita avaliar rapidamente a resposta a mudanças nos parâmetros de projeto do laminado.

Simulação de problemas de transferência de calor em regime permanente com uma relação entre condutividade térmica e temperatura constante por partes.

Este trabalho estuda a transferência de calor por condução considerando a condutividade térmica como uma função constante por partes da temperatura. Esta relação, embora fisicamente mais realista que supor a condutividade térmica constante, permite obter uma forma explícita bem simples para a inversa da Transformada de Kirchhoff (empregada para tratar a não linearidade do problema). Como exemplo, apresenta-se uma solução exata para um problema com simetria esférica. Em seguida, propôe-se uma formulação variacional (com unicidade demonstrada) que introduz um funcional cuja minimização é equivalente à solução do problema na forma forte. Finalmente compara-se uma solução exata obtida pela inversa da Transformada de Kirchhoff com a solução obtida via formulação variacional.

Uma Metodologia de Estudo de Simulação Tridimensional de Escoamento Turbulento Estratificado no Reservatório de Plantas Hidrelétricas.

Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada.

Métodos sem malha: aplicações do Método de Galerkin sem elementos e do Método de Interpolação de Ponto em casos estruturais.

Apesar de serem intensamente estudados em muitos países que caminham na vanguarda do conhecimento, os métodos sem malha ainda são pouco explorados pelas universidades brasileiras. De modo a gerar uma maior difusão ou, para a maioria, fazer sua introdução, esta dissertação objetiva efetuar o entendimento dos métodos sem malha baseando-se em aplicações atinentes à mecânica dos sólidos. Para tanto, são apresentados os conceitos primários dos métodos sem malha e o seu desenvolvimento histórico desde sua origem no método smooth particle hydrodynamic até o método da partição da unidade, sua forma mais abrangente. Dentro deste contexto, foi investigada detalhadamente a forma mais tradicional dos métodos sem malha: o método de Galerkin sem elementos, e também um método diferenciado: o método de interpolação de ponto. Assim, por meio de aplicações em análises de barras e chapas em estado plano de tensão, são apresentadas as características, virtudes e deficiências desses métodos em comparação aos métodos tradicionais, como o método dos elementos finitos. É realizado ainda um estudo em uma importante área de aplicação dos métodos sem malha, a mecânica da fratura, buscando compreender como é efetuada a representação computacional da trinca, com especialidade, por meio dos critérios de visibilidade e de difração. Utilizando-se esses critérios e os conceitos da mecânica da fratura, é calculado o fator de intensidade de tensão através do conceito da integral J.

Elementos finitos em fluidos dominados pelo fenômeno de advecção: um método semi-Lagrangeano.

Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção.

Utilização de coletor de composto parabólico de concentração solar na indústria de asfalto.

Esta dissertação apresenta a avaliação térmica, econômica e ambiental de um sistema de aquecimento solar (SHS) que é usado em uma usina de asfalto, através de simulação computacional com TRNSYS. O processo escolhido é o aquecimento do betume a partir da temperatura de armazenamento até a temperatura de mistura, usando óleo mineral como fluido de transferência de calor (HTF). Os componentes do sistema são o trocador de calor HTF-betume, o coletor concentrador solar parabólico composto (CPC), o aquecedor auxiliar e a bomba de circulação. A simulação no TRNSYS calcula os balanços de massa e energia no circuito fechado do HTF a cada hora. Dados horários do Ano Meteorológico Típico (TMY) do Rio de Janeiro foram utilizados para executar este trabalho. Em muitos casos, a temperatura do HTF ultrapassou 238C, mostrando que o CPC é apropriado para esta aplicação. Economia de combustível e emissões evitadas foram consideradas para as análises economica e ambiental. Este trabalho descreve as fontes renováveis de energia, os tipos de usinas de asfalto e de aquecedores de betume. Ele também mostra a fração brasileira de algumas destas fontes. Os resultados, portanto, mostram ser possível encorajar políticas públicas ambientalmente corretas para incentivar o uso de energia solar na indústria de asfalto. Além disso, este trabalho pode ajudar na redução da elevada emissão dos gases de efeito estufa a partir da utilização dos combustíveis fósseis nesta indústria.

Formação de nanopadrões em superfícies por sputtering iônico: Estudo numérico da equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky.

Apresenta-se uma abordagemnumérica para ummodelo que descreve a formação de padrões por sputtering iônico na superfície de ummaterial. Esse processo é responsável pela formação de padrões inesperadamente organizados, como ondulações, nanopontos e filas hexagonais de nanoburacos. Uma análise numérica de padrões preexistentes é proposta para investigar a dinâmica na superfície, baseada em ummodelo resumido em uma equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky, em uma superfície bidimensional com condições de contorno periódicas. Apesar de determinística, seu caráter altamente não-linear fornece uma rica gama de resultados, sendo possível descrever acuradamente diferentes padrões. Umesquema semi implícito de diferenças finitas com fatoração no tempo é aplicado na discretização da equação governante. Simulações foram realizadas com coeficientes realísticos relacionados aos parâmetros físicos (anisotropias, orientação do feixe, difusão). A estabilidade do esquema numérico foi analisada por testes de passo de tempo e espaçamento de malha, enquanto a verificação do mesmo foi realizada pelo Método das Soluções Manufaturadas. Ondulações e padrões hexagonais foram obtidos a partir de condições iniciais monomodais para determinados valores do coeficiente de amortecimento, enquanto caos espaço-temporal apareceu para valores inferiores. Os efeitos anisotrópicos na formação de padrões foramestudados, variando o ângulo de incidência.

Medida de porosidade em SiC através de processamento digital de imagens.

Esforços constantes de pesquisa têm sido conduzidos na seleção de materiais, combinando propriedades de interesse (mecânicas, químicas, elétricas ou térmicas), versatilidade de uso, tempo de vida útil elevado e baixo custo de produção. A busca por materiais de elevado desempenho mecânico despertou grande interesse na pesquisa e desenvolvimento dos cerâmicos avançados com aplicações estruturais e funcionais, como o carbeto de silício. Entretanto, a porosidade ainda é vista como fator limitador do alto desempenho destes materiais visto que, acima de determinada porcentagem, reduz largamente sua resistência mecânica. Seu controle atualmente é realizado através de técnicas de alto custo, com a utilização de tomógrafos. Este trabalho buscou validar uma nova técnica, onde a porosidade foi avaliada através de processamento digital de imagens de microscopia ótica do material previamente lixado e polido em diversas profundidades, com controle dos parâmetros de lixamento e polimento. Esta nova metodologia mostrou-se apropriada e menos dispendiosa para a quantificação da porosidade do carbeto de silício, tendo sido validada para o estudo deste material.

Caracterização microestrutural e análise de tensões residuais pelo método do furo cego em tubo de seção quadrada com costura.

Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material.

Morfologia e topografia de superfícies de aço inoxidável duplex UNS S32205, submetidas à erosão por impactos de partículas de alumina em fluxo de ar.

Os aços inoxidáveis duplex vêm sendo cada vez mais utilizados em aplicações que demandam maior resistência à corrosão que os aços inoxidáveis tradicionais. Suas aplicações em estruturas ao ar livre, ou submersas, motivam estudos sobre seu desempenho em variadas situações, como no caso de exposição ao desgaste erosivo.O presente trabalho estuda os efeitos da erosão por impacto de partículas sólidas em superfícies de amostras de um aço inoxidável duplex UNS S32205, tanto do ponto de vista morfológico quanto do topográfico. Superfícies de amostras polidas e posteriormente submetidas a ataques erosivos com partículas de alumina em fluxo de ar, foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura, para verificação das formas de desgaste obtidas, e submetidas a ensaios de rugosidade, para determinação do perfil e avaliação da evolução do processo erosivo. Foi feito um exame mais detalhado de formatos de crateras, para comparação com mecanismos propostos em modelos descritos na literatura e com resultados de simulações pelo método dos elementos finitos. Nesse aspecto, o método utilizado mostrou-se tão eficaz quanto aos métodos tradicionais de estudos balísticos com uma só partícula, além de mais abrangente e econômico. As medidas de rugosidade superficial e as informações estatísticas derivadas sinalizaram a possibilidade de utilização dessa ferramenta para avaliar as condições de efetiva perda de massa, que caracterizam a erosão.

Estudo da precisão e da exatidão da técnica da birrefringência acústica na avaliação de tensões residuais e aplicadas.

Este trabalho apresenta um procedimento numérico para o estudo da precisão e da exatidão da técnica de birrefringência acústica como usada no Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) para avaliação de tensões residuais e aplicadas em estruturas metálicas. Esse procedimento deverá ser incorporado posteriormente ao módulo de processamento de sinal do sistema ultrassônico utilizado no Laboratório de Ultrassom do IEN para levar em conta, de forma automática e sistemática, as incertezas nos dados de entrada e as suas propagações ao longo dos cálculos efetuados. A birrefringência acústica é geralmente definida a partir das velocidades de duas ondas ultrassônicas volumétricas de incidência normal e ortogonais entre si. A birrefringência pode ser definida diretamente a partir dos tempos de percurso dessas duas ondas, uma vez que elas percorrem o mesmo espaço físico. Os tempos de percurso das ondas podem ser assim considerados como as variáveis primárias de interesse. Por meio da teoria da acustoelasticidade é possível relacionar a birrefringência acústica com as tensões atuantes no material explorando o fato da velocidade da onda ultrassônica ser afetada pela presença de um campo de tensões. Nesta dissertação elaborou-se um conjunto de planilhas eletrônicas no aplicativo Microsoft Excel para efetuar de forma automática todos os cálculos necessários ao objetivo proposto, levando em conta as incertezas nos dados, sua propagação ao longo dos cálculos e o número de dígitos significativos nos resultados. Como exemplo do procedimento desenvolvido, o estudo da precisão e da exatidão na determinação das tensões em uma viga de aço sob flexão pela técnica da birrefringência acústica é apresentado. Como valor de referência, para fins do cálculo da exatidão alcançada, utilizou-se uma solução analítica derivada da teoria clássica da resistência de materiais. Os resultados encontrados indicaram uma razoável precisão, com um erro relativo menor do que 8%, e uma baixa exatidão, menor do que 57%, nos pontos da viga sujeitos às maiores tensões principais de flexão.