Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Modelação e dimensionamento de estruturas

O presente relatório refere-se ao trabalho desenvolvido durante o período de estágio curricular enquadrado no ciclo de estudos do Mestrado em Engenharia Civil do ISEP, Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio desenvolveu-se ao longo de seis meses, desde Fevereiro até Julho de 2015, na empresa FASE S.A., em ambiente de gabinete, para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil. Durante o período de estágio foram desenvolvidos projetos de estabilidade de estruturas metálicas e de betão armado, desde a fase de conceção, pré-dimensionamento, modelação numérica e análise de resultados, dimensionamento final, até à produção das peças desenhas e escritas constituintes de um projeto de estruturas. Foi possível analisar e dimensionar estruturas através de programas de cálculo automático e ferramentas de cálculo que serão referidas no presente relatório. Neste relatório será descrita pormenorizadamente a elaboração de um projeto em betão armado em todas as suas vertentes. Apresentam-se também as metodologias de cálculo empregues. No culminar, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

Cartografia e avaliação geotécnica de blocos rochosos em plataformas costeiras (Gaia, NW Portugal)

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Estruturas de Suporte de Terras Executadas com Pneus - Modelo à Escala Reduzida

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo de Estruturas

Técnicas de deteção de dano estrutural com base na monitorização

Ao longo dos últimos anos, acompanhada da evolução tecnológica, da dificuldade da inspeção visual e da consciencialização dos efeitos de uma má inspeção, verificou-se uma maior sensibilidade para a importância da monitorização estrutural, principalmente nas grandes infra-estruturas de engenharia civil. Os sistemas de monitorização estrutural permitem o acompanhamento contínuo do comportamento de uma determinada estrutura de tal forma que com os dados obtidos, é possível avaliar alterações no comportamento da mesma. Com isso, tem-se desenvolvido e implementado estratégias de identificação de danos estruturais com o intuito de aumentar a fiabilidade estrutural e evitar precocemente que alterações na condição da estrutura possam evoluir para situações mais severas. Neste contexto, a primeira parte desta dissertação consiste numa introdução à monitorização estrutural e à deteção de dano estrutural. Relativamente à monitorização, são expostos os seus objetivos e os princípios da sua aplicação. Conjuntamente são apresentados e descritos os principais sensores e são explicadas as funcionalidades de um sistema de aquisição de dados. O segundo tema aborda a importância da deteção de dano introduzindo os métodos estudados neste trabalho. Destaca-se o método das linhas de influência, o método da curvatura dos modos de vibração e o método da transformada de wavelet. Na segunda parte desta dissertação são apresentados dois casos de estudo. O primeiro estudo apresenta uma componente numérica e uma componente experimental. Estuda-se um modelo de viga que se encontra submetida a vários cenários de dano e valida-se a capacidade do método das linhas de influência em detetar e localizar essas anomalias. O segundo estudo consiste na modelação numérica de uma ponte real, na posterior simulação de cenários de dano e na análise comparativa da eficácia de cada um dos três métodos de deteção de dano na identificação e localização dos danos simulados. Por último, são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e são sugeridos alguns tópicos a explorar na elaboração de trabalhos futuros.

Análise do comportamento de estruturas através de ensaios de carga

A engenharia civil, rege-se pela garantia de segurança e de funcionalidade das obras que projeta e executa. Para cumprir tais requisitos, é necessário durante a sua vida útil, no final da construção, reforço ou reabilitação, proceder à avaliação da conformidade entre o comportamento real da estrutura e os pressupostos subjacentes ao projeto. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão e análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Sorraia, através da realização de ensaios de carga apoiados pela conceção de um modelo numérico devidamente calibrado, capaz de simular a resposta da estrutura, o mais próximo possível do observável na realidade. Para alcançar o objetivo pré definido elencam-se as metodologias relevantes, descrevem-se os tipos de ensaios de carga realizados em pontes/viadutos e faz-se referência aos aparelhos de medição que estão na base da instrumentação aplicada em obras. Esta introdução foca-se ainda na modelação numérica, permitindo o conhecimento básico necessário para a criação e atualização de modelos numéricos de pontes. Relativamente ao caso de estudo expõe-se a realização do ensaio de carga, descrevendo todo o processo, bem como os resultados obtidos ao nível das grandezas de medição estudadas. Aqui é concebido um modelo numérico base da ponte, alvo de discussão ao nível do comportamento estrutural, baseada na validação dos resultados obtidos por via experimental, através da comparação com os obtidos por via numérica. Por fim, o estudo e seleção de diversos parâmetros da modelação, facultando a calibração do modelo numérico da ponte. Os resultados obtidos neste modelo comprovam o seu elevado potencial, no apoio à observação e compreensão do comportamento de estruturas através da realização de ensaios de carga. O sucesso da realização de uma análise do comportamento de estruturas, através de ensaios de carga, depende assim fundamentalmente, da correta execução do ensaio, da correta conceção e atualização do modelo numérico e da interligação entre os resultados experimentais e numéricos.

Avaliação do comportamento de uma ponte metálica centenária sujeita à ação de tráfego ferroviário ligeiro

A presente dissertação tem como objetivo principal a análise numérica do comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário. Neste contexto são apresentados alguns fundamentos teóricos a ter em conta nestes domínios, visando uma melhor compreensão dos fenómenos existentes no comportamento dinâmico de pontes ferroviárias quando sujeitas ao tráfego. O caso de estudo teve como foco a ponte Luiz I, uma ponte metálica situada sobre o rio Douro, que liga as cidades do Porto e Vila Nova de Gaia, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário no seu tabuleiro superior para a condição anterior aos trabalhos de reabilitação e reforço realizados entre 2004 e 2005. Para o efeito foi desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos da ponte realizado com recurso ao programa ANSYS, assim como um modelo numérico do veículo do Metro de Lisboa. Com base nestes modelos foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração de toda a estrutura e do veículo. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis e de interação veículo-estrutura, através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos veículos de passageiros das redes de Metros do Porto e Lisboa. Nestas análises é estudada a resposta da estrutura em função da variabilidade ao nível da secção transversal, dependência do tramo, influência do veículo, da sua velocidade de circulação e impacto das frequências de vibração estimadas pelo modelo numérico.

Modelação da furação de laminados por elementos finitos

Furação de estruturas em compósitos de matriz polimérica

A modelação nas tecnologias de tratamento de água – o caso particular do arrastamento por ar

Os recursos hídricos subterrâneos constituem a maior fonte disponível de água doce e são, cada vez mais, utilizados no abastecimento de água para consumo humano e em múltiplas actividades industriais e agrícolas. A poluição destes recursos, fruto de acidente ou negligência, é uma realidade que se verifica com uma frequência alarmante e que atinge níveis preocupantes no nosso país. Nestas Jornadas pretende-se apresentar, numa primeira fase, uma breve alusão à operação de arrastamento por ar em colunas com enchimento desordenado, e suas vantagens face a outros processos de despoluição e, numa segunda fase, a utilidade de desenvolvimento de modelos de simulação e optimização numérica desta operação unitária. Para tal, é exposta a formulação do modelo matemático fenomenológico concebido por Castro e Fiúza (Castro, 1997) desenvolvido sob uma fundamentação teórica com carácter sistémico, em termos de equações de balanço de massa para uma determinada secção de volume infinitesimal, traduzido num sistema de EDOs e num sistema de EDPs, para situações de estado estacionário e transiente respectivamente e são apresentados os resultados entretanto obtidos.

Modelação do transporte e dispersão atmosférica de poluentes produzidos por uma refinaria: estudo de caso

Mestrado em Engenharia Química.Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Contribuição da fluorescência de Raios–X na avaliação e modelação de georrecursos

O presente estudo diz respeito a um trabalho de pesquisa no âmbito de uma Tese de Mestrado compreendida no segundo ciclo de estudos do curso de Engenharia Geotécnica e Geoambiente, realizado sobre a contribuição da Fluorescência de Raios – X (FRX) no Zonamento de Georrecursos, com particular ênfase para a utilização do instrumento portátil e de ferramentas tecnológicas de vanguarda, indispensáveis à prospecção e exploração dos recursos minerais, designadamente na interpretação e integração de dados de natureza geológica e na modelação de métodos de exploração e processamento /tratamento de depósitos minerais, assim como do respectivo controlo. Esta dissertação discute os aspectos fundamentais da utilização da técnica de Fluorescência de Raios-X (portátil, FRXP), quanto à sua possibilidade de aplicação e metodologia exigida, com vista à definição de zonas com características químicas análogas do georrecurso e que preencham as exigências especificadas para a utilização da matéria-prima, nas indústrias consumidoras. Foi elaborada uma campanha de recolha de amostras de calcário proveniente da pedreira do Sangardão, em Condeixa–a–Nova, que numa primeira fase teve como objectivo principal a identificação da composição química da área em estudo e o grau de precisão do aparelho portátil de FRX. Para além desta análise foram, também, realizadas análises granulométricas por peneiração e sedimentação por Raios-X a amostras provenientes das bacias de sedimentação e do material passado no filtro prensa. Validado o método de análise por FRXP, realizou-se uma segunda fase deste trabalho, que consistiu na elaboração de uma amostragem bastante significativa de pontos, onde se realizaram análises por FRXP, de forma a obter uma maior cobertura química da área em estudo e localizar os locais chave de exploração da matéria-prima. Para uma correcta leitura dos dados analisados recorreu-se a ferramentas aliadas às novas tecnologias, as quais se mostraram um importante contributo para uma boa gestão do georrecurso em avaliação, nomeadamente o “XLSTAT” e o “Surfer” para tratamento estatístico dos dados e modelação, respectivamente.

Modelação do transporte e dispersão de um marcador corado no Rio Febros

O rio Febros é um pequeno curso de água, situado no concelho de Vila Nova de Gaia, com cerca de 15 km de extensão, cuja bacia hidrográfica ocupa uma área de aproximadamente 35,4 km2. Nasce em Seixezelo e desagua na margem esquerda do Rio Douro no Cais do Esteiro, em Avintes. Em Maio de 2008, um acidente de viação teve como consequência o derrame de cerca de quatro toneladas de ácido clorídrico que rapidamente convergiu às águas do rio. Apenas um dia depois, o pH desceu para três e muitos foram os peixes que morreram. A solução adoptada para evitar o desaire foi introduzir milhares de litros de água de modo a diluir o ácido presente, ao longo de todo o curso de água. Tal facto não evitou a destruição de parte de um ecossistema, que ainda nos dias de hoje se encontra em recuperação. De forma a avaliar-se o impacto destas possíveis perturbações sejam estas de origem antropogénica ou natural é necessário possuir conhecimentos dos processos químicos tais como a advecção, a mistura devida à dispersão e a transferência de massa ar/água. Estes processos irão determinar o movimento e destino das substâncias que poderão ser descarregadas no rio. Para tal, recorrer-se-á ao estudo hidrogeométrico do curso de água assim como ao estudo do comportamento de um marcador, simulando uma possível descarga. A rodamina WT será o marcador a ser utilizado devido à panóplia de características ambientalmente favoráveis. Os estudos de campo com este corante, realizados em sequência de descarga previamente estudada, fornecem uma das melhores fontes de informação para verificação e validação de modelos hidráulicos utilizados em estudos de qualidade de águas e protecção ambiental. Escolheram-se dois pontos de descarga no Febros, um em Casal Drijo e outro no Parque Biológico de Gaia, possuindo cada um deles, a jusante, duas estações de monitorização. Pelo modelo ADE os valores obtidos para o coeficiente de dispersão longitudinal para as estações Pontão d’ Alheira, Pinheiral, Menesas e Giestas foram, respectivamente, 0,3622; 0,5468; 1,6832 e 1,7504 m2/s. Para a mesma sequência de estações, os valores da velocidade de escoamento obtidos neste trabalho experimental foram de 0,0633; 0,0684; 0,1548 e 0,1645 m/s. Quanto ao modelo TS, os valores obtidos para o coeficiente de dispersão longitudinal para as estações Pontão d’ Alheira, Pinheiral, Menesas e Giestas foram, respectivamente, 0,2339; 0,1618; 0,5057e 1,1320 m2/s. Para a mesma sequência de estações, os valores da velocidade de escoamento obtidos neste trabalho experimental foram de 0,0652; 0,0775; 0,1891 e 0,1676 m/s. Os resultados foram ajustados por um método directo, o método dos momentos, e por dois métodos indirectos, os modelos ADE e TS. O melhor ajuste corresponde ao modelo TS onde os valores do coeficiente de dispersão longitudinal e da velocidade de escoamento são aqueles que melhor se aproximam da realidade. Quanto ao método dos momentos, o valor estimado para a velocidade é de 0,162 m/s e para o coeficiente de dispersão longitudinal de 9,769 m2/s. Não obstante, a compreensão da hidrodinâmica do rio e das suas características, bem como a adequação de modelos matemáticos no tratamento de resultados formam uma estratégia de protecção ambiental inerente a futuros impactos que possam suceder.