Simulação numérica da transferência simultânea de energia e umidade através do solo em um sistema trocador-armazenador de calor

O presente trabalho pesquisa o fenômeno da transferência simultânea de calor e umidade em solos insaturados que envolvem dutos enterrados. Estes dutos e o solo envolvente compõem o chamado sistema trocador-armazenador de calor no solo, que é muitas vezes utilizado como fonte complementar de aquecimento em estufas solares agrícolas. O funcionamento do sistema trocador-armazenador de calor é baseado na energia armazenada no solo durante os horários de máxima insolação, sendo que durante a noite parte desta energia é recuperada. Durante o dia o ar quente do meio interno da estufa solar é bombeado para dentro do feixe de tubos enterrados, que devolvem o ar mais frio na outra extremidade. Por outro lado, durante a noite o ar mais frio do meio interno da estufa é bombeado para dentro dos dutos, os quais efetuam troca térmica com o solo envolvente, que neste horário possui a temperatura mais elevada do sistema. O objetivo geral deste trabalho é resolver o problema transiente periódico e tridimensional da transferência simultânea de calor e umidade em solos não-saturados, que compõem o sistema trocador-armazenador de calor, utilizando a simulação numérica. Como objetivos secundários têm-se: o melhoramento do sistema de troca térmica, a quantificação da parcela de calor transportado pela difusão da umidade no solo e a análise dos campos de temperatura e de conteúdo de umidade, sendo que a análise dos campos de umidade permite verificar se existe formação de frentes de secagem significativas na vizinhança dos dutos durante os sucessivos períodos de aquecimento e resfriamento a que o sistema é submetido. Na resolução do problema em questão é empregado o modelo clássico de Philip e De Vries para a transferência simultânea de calor e massa em meios porosos insaturados Neste modelo, as equações de conservação de energia e massa obtidas trazem explicitamente as influências combinadas dos gradientes de temperatura e de conteúdo de umidade nos processos de transporte de calor e umidade. O sistema de equações diferenciais governantes do problema em questão é resolvido numericamente utilizando o Método dos Volumes Finitos e na discretização destas equações é usada uma integração temporal totalmente implícita. Todas as propriedades difusivas e termofísicas empregadas são consideradas variáveis com a temperatura e o conteúdo de umidade. Os dutos de seção transversal circular do sistema trocadorarmazenador de calor no solo, são modelados como dutos de seção transversal quadrada de área equivalente para que coordenadas cartesianas possam ser utilizadas nos modelos analisados. Neste trabalho são simulados quatro modelos computacionais associados ao sistema trocador-armazenador de calor no solo. Estes modelos são compostos por: um duto isolado, um duto com convecção, dois dutos isolados e dois dutos com convecção. A variação da temperatura do ar na entrada do(s) escoamento(s), assim como a temperatura do meio ambiente, para os modelos com convecção, é dada por uma senóide com uma amplitude de 14 ºC. No modelo de um duto isolado, são realizadas simulações utilizando várias combinações dos parâmetros do modelo em questão e os resultados, assim obtidos, são comparados com aqueles encontrados na literatura Visando melhorar o sistema de troca térmica dos modelos computacionais investigados, são selecionados valores e intervalos de valores recomendados para os parâmetros do modelo de um duto isolado. Para este modelo, com um diâmetro de 0,1 m, são escolhidos valores (ou intervalos de valores) recomendados: de 4 m/s para a velocidade do escoamento interno dentro do duto, de 0,25 para o conteúdo de umidade do solo, de 5 até 20 metros para o comprimento do duto e de 0,20 até 0,30 m para a distância entre centros do dutos. As simulações dos quatro modelos computacionais realizadas utilizando as várias combinações dos valores recomendados para os parâmetros destes modelos, mostrou que não há diferença significativa entre os valores de calor volumétrico armazenado no solo empregando a resolução acoplada das equações de energia e de massa e a resolução da equação da temperatura. Mesmo para os modelos de um e de dois dutos com convecção a diferença percentual encontrada foi insignificante. Finalmente, são apresentados e analisados os campos de temperatura e de conteúdo de umidade para os quatro modelos computacionais avaliados. Os perfis de temperatura e de conteúdo de umidade em diferentes horários mostraram que, durante o dia, o solo absorve calor dos escoamentos internos de ar e, uma vez que, junto à superfície dos dutos tem-se regiões de maior temperatura, há, conseqüentemente, uma migração da umidade nestas regiões. Durante a noite, ocorre o contrário, o solo fornece calor aos escoamentos dentro dos dutos, e, desta forma, as regiões próximas aos dutos apresentam níveis de conteúdo de umidade superiores ao inicial. Ainda, os perfis de conteúdo de umidade para todas as situações analisadas mostraram que, não há formação de frentes de secagem significativas nas proximidades dos dutos que compõem os quatro modelos computacionais avaliados.

Transferência de calor e controle de temperatura em tubos capilares utilizados em eletroforese capilar

Este trabalho tem por objetivo estudar a transferência de calor em tubos capilares cilíndricos utilizados na técnica de separação de moléculas denominada Eletroforese Capilar. Esta técnica é usada, por exemplo, na análise de biomoléculas e no sequenciamento de DNA, onde o controle da temperatura está diretamente ligado ao desempenho destes métodos e à qualidade dos resultados. Para empregar esta técnica, tensões elétricas da ordem de 20 kV são aplicadas entre as extremidades dos tubos capilares, que possuem normalmente 50 cm de comprimento, 350 µm de diâmetro externo e 50 µm de diâmetro interno, preenchidos por uma solução aquosa. Tais tensões geram uma corrente elétrica na solução, provocando aquecimento distribuído por Efeito Joule. Os tubos capilares são construídos em quartzo amorfo e protegidos por uma camada de material polimérico (poliimida). Para implementar o controle da temperatura, os tubos capilares são colocados em contato com um fluido de resfriamento. Num primeiro momento, os estudos são realizados por simulação numérica, empregando o Método dos Volumes Finitos em rotinas escritas em FORTRAN. São simulados casos onde os tubos são recobertos por camadas cilíndricas de materiais com uma condutividade térmica relativamente boa, com o objetivo de aumentar a superfície de troca de calor com o fluido de resfriamento. Como resultado, obtêm-se curvas da temperatura no centro dos tubos capilares em função do coeficiente de transferência de calor por convecção. Um caso de interesse é quando os tubos capilares são posicionados excentricamente ao recobrimento cilíndrico Num segundo momento, é utilizado o software de simulação numérica ANSYS CFX®, onde é simulado o resfriamento dos mesmos tubos capilares expostos a um escoamento transversal de ar a 15°C. Neste caso, também são aplicados os recobrimentos cilíndricos e, além disso, opta-se por simular o resfriamento de um arranjo de vários tubos (sistema multicapilar) dispostos entre placas de vidro, no formato de um sanduíche. Como resultados mais importantes salientam-se: a) o aumento do raio do recobrimento resulta no aumento da transferência de calor, fazendo com que a temperatura no núcleo do capilar fique estacionada em valores baixos que não comprometem as separações/análises; b) chegou-se a um valor de raio crítico da ordem de 10 mm para a condição de operação mais típicas na área da Eletroforese Capilar; c) as montagens com o tubo capilar concêntrico e excêntrico ao recobrimento não apresentam diferenças significativas no perfil de temperatura da solução tampão; e finalmente d) observa-se que o uso de duas placas de material dielétrico com os capilares posicionados em forma de sanduíche entre elas permite uma eficiente dissipação do calor gerado na solução tampão.

Aumento da eficiência dos métodos següenciais de simulação condicional

O algoritmo de simulação seqüencial estocástica mais amplamente utilizado é o de simulação seqüencial Gaussiana (ssG). Teoricamente, os métodos estocásticos reproduzem tão bem o espaço de incerteza da VA Z(u) quanto maior for o número L de realizações executadas. Entretanto, às vezes, L precisa ser tão alto que o uso dessa técnica pode se tornar proibitivo. Essa Tese apresenta uma estratégia mais eficiente a ser adotada. O algoritmo de simulação seqüencial Gaussiana foi alterado para se obter um aumento em sua eficiência. A substituição do método de Monte Carlo pela técnica de Latin Hypercube Sampling (LHS), fez com que a caracterização do espaço de incerteza da VA Z(u), para uma dada precisão, fosse alcançado mais rapidamente. A técnica proposta também garante que todo o modelo de incerteza teórico seja amostrado, sobretudo em seus trechos extremos.

Simulador de escoamento multifásico em poços de petróleo (SEMPP)

The multiphase flow occurrence in the oil and gas industry is common throughout fluid path, production, transportation and refining. The multiphase flow is defined as flow simultaneously composed of two or more phases with different properties and immiscible. An important computational tool for the design, planning and optimization production systems is multiphase flow simulation in pipelines and porous media, usually made by multiphase flow commercial simulators. The main purpose of the multiphase flow simulators is predicting pressure and temperature at any point at the production system. This work proposes the development of a multiphase flow simulator able to predict the dynamic pressure and temperature gradient in vertical, directional and horizontal wells. The prediction of pressure and temperature profiles was made by numerical integration using marching algorithm with empirical correlations and mechanistic model to predict pressure gradient. The development of this tool involved set of routines implemented through software programming Embarcadero C++ Builder® 2010 version, which allowed the creation of executable file compatible with Microsoft Windows® operating systems. The simulator validation was conduct by computational experiments and comparison the results with the PIPESIM®. In general, the developed simulator achieved excellent results compared with those obtained by PIPESIM and can be used as a tool to assist production systems development

Desenvolvimento de métodos construtivos e de novos materiais empregados na confecção de cartuchos de próteses de membros inferiores

The manufacture of prostheses for lower limb amputees (transfemural and transtibial) requires the preparation of a cartridge with appropriate and custom fit to the profile of each patient. The traditional process to the patients, mainly in public hospitals in Brazil, begins with the completion of a form where types of equipment, plugins, measures, levels of amputation etc. are identified. Currently, such work is carried out manually using a common metric tape and caliper of wood to take the measures of the stump, featuring a very rudimentary, and with a high degree of uncertainty geometry of the final product. To address this problem, it was necessary to act in two simultaneously and correlated directions. Originally, it was developed an integrated tool for viewing 3D CAD for transfemoral types of prostheses and transtibial called OrtoCAD I. At the same time, it was necessary to design and build a reader Mechanical equipment (sort of three-dimensional scanner simplified) able to obtain, automatically and with accuracy, the geometric information of either of the stump or the healthy leg. The methodology includes the application of concepts of reverse engineering to computationally generate the representation of the stump and/or the reverse image of the healthy member. The materials used in the manufacturing of prostheses nor always obey to a technical scientific criteria, because, if by one way it meets the criteria of resistance, by the other, it brings serious problems mainly due to excess of weight. This causes to the user various disorders due to lack of conformity. That problem was addressed with the creation of a hybrid composite material for the manufacture of cartridges of prostheses. Using the Reader Fitter and OrtoCAD, the new composite material, which aggregates the mechanical properties of strength and rigidity on important parameters such as low weight and low cost, it can be defined in its better way. Besides, it brings a reduction of up steps in the current processes of manufacturing or even the feasibility of using new processes, in the industries, in order to obtain the prostheses. In this sense, the hybridization of the composite with the combination of natural and synthetic fibers can be a viable solution to the challenges offered above

Simulação computacional da interação fluido-estrutura em bombas de cavidades progressivas

The pumping through progressing cavities system has been more and more employed in the petroleum industry. This occurs because of its capacity of elevation of highly viscous oils or fluids with great concentration of sand or other solid particles. A Progressing Cavity Pump (PCP) consists, basically, of a rotor - a metallic device similar to an eccentric screw, and a stator - a steel tube internally covered by a double helix, which may be rigid or deformable/elastomeric. In general, it is submitted to a combination of well pressure with the pressure generated by the pumping process itself. In elastomeric PCPs, this combined effort compresses the stator and generates, or enlarges, the clearance existing between the rotor and the stator, thus reducing the closing effect between their cavities. Such opening of the sealing region produces what is known as fluid slip or slippage, reducing the efficiency of the PCP pumping system. Therefore, this research aims to develop a transient three-dimensional computational model that, based on single-lobe PCP kinematics, is able to simulate the fluid-structure interaction that occurs in the interior of metallic and elastomeric PCPs. The main goal is to evaluate the dynamic characteristics of PCP s efficiency based on detailed and instantaneous information of velocity, pressure and deformation fields in their interior. To reach these goals (development and use of the model), it was also necessary the development of a methodology for generation of dynamic, mobile and deformable, computational meshes representing fluid and structural regions of a PCP. This additional intermediary step has been characterized as the biggest challenge for the elaboration and running of the computational model due to the complex kinematic and critical geometry of this type of pump (different helix angles between rotor and stator as well as large length scale aspect ratios). The processes of dynamic generation of meshes and of simultaneous evaluation of the deformations suffered by the elastomer are fulfilled through subroutines written in Fortan 90 language that dynamically interact with the CFX/ANSYS fluid dynamic software. Since a structural elastic linear model is employed to evaluate elastomer deformations, it is not necessary to use any CAE package for structural analysis. However, an initial proposal for dynamic simulation using hyperelastic models through ANSYS software is also presented in this research. Validation of the results produced with the present methodology (mesh generation, flow simulation in metallic PCPs and simulation of fluid-structure interaction in elastomeric PCPs) is obtained through comparison with experimental results reported by the literature. It is expected that the development and application of such a computational model may provide better details of the dynamics of the flow within metallic and elastomeric PCPs, so that better control systems may be implemented in the artificial elevation area by PCP

Simulação numérica da interação entre uma nuvem incidente de vórtices e uma aerofólio através do método dos vórtices

The study of aerodynamic loading variations has many engineering applications, including helicopter rotor blades, wind turbines and turbo machinery. This work uses a Vortex Method to make a lagrangian description of the a twodimensional airfoil/ incident wake vortex interaction. The flow is incompressible, newtonian, homogeneus and the Reynolds Number is 5x105 .The airfoil is a NACA 0018 placed a angle of attack of the 0° and 5°simulates with the Painel Method with a constant density vorticity panels and a generation poit is near the painel. The protector layer is created does not permit vortex inside the body. The vortex Lamb convection is realized with the Euler Method (first order) and Adans-Bashforth (second order). The Random Walk Method is used to simulate the diffusion. The circular wake has 366 vortex all over positive or negative vorticity located at different heights with respect to the airfoil chord. The Lift was calculated based in the algorithm created by Ricci (2002). This simulation uses a ready algorithm vatidated with single body does not have a incident wake. The results are compared with a experimental work The comparasion concludes that the experimental results has a good agrement with this papper

Desenvolvimento de um núcleo versátil e integrado de ferramentas CAD/CAE para a modelagem e simulação de peças mecânicas

Currently there is still a high demand for quality control in manufacturing processes of mechanical parts. This keeps alive the need for the inspection activity of final products ranging from dimensional analysis to chemical composition of products. Usually this task may be done through various nondestructive and destructive methods that ensure the integrity of the parts. The result generated by these modern inspection tools ends up not being able to geometrically define the real damage and, therefore, cannot be properly displayed on a computing environment screen. Virtual 3D visualization may help identify damage that would hardly be detected by any other methods. One may find some commercial softwares that seek to address the stages of a design and simulation of mechanical parts in order to predict possible damages trying to diminish potential undesirable events. However, the challenge of developing softwares capable of integrating the various design activities, product inspection, results of non-destructive testing as well as the simulation of damage still needs the attention of researchers. This was the motivation to conduct a methodological study for implementation of a versatile CAD/CAE computer kernel capable of helping programmers in developing softwares applied to the activities of design and simulation of mechanics parts under stress. In this research it is presented interesting results obtained from the use of the developed kernel showing that it was successfully applied to case studies of design including parts presenting specific geometries, namely: mechanical prostheses, heat exchangers and piping of oil and gas. Finally, the conclusions regarding the experience of merging CAD and CAE theories to develop the kernel, so as to result in a tool adaptable to various applications of the metalworking industry are presented

Modelagem e simulação da deposição de parafinas em escoamento turbulento

The flow assurance has become one of the topics of greatest interest in the oil industry, mainly due to production and transportation of oil in regions with extreme temperature and pressure. In these operations the wax deposition is a commonly problem in flow of paraffinic oils, causing the rising costs of the process, due to increased energy cost of pumping, decreased production, increased pressure on the line and risk of blockage of the pipeline. In order to describe the behavior of the wax deposition phenomena in turbulent flow of paraffinic oils, under different operations conditions, in this work we developed a simulator with easy interface. For that we divided de work in four steps: (i) properties estimation (physical, thermals, of transport and thermodynamics) of n-alkanes and paraffinic mixtures by using correlations; (ii) obtainment of the solubility curve and determination the wax appearance temperature, by calculating the solid-liquid equilibrium of parafinnic systems; (iii) modelling wax deposition process, comprising momentum, mass and heat transfer; (iv) development of graphic interface in MATLAB® environment for to allow the understanding of simulation in different flow conditions as well as understand the matter of the variables (inlet temperature, external temperature, wax appearance temperature, oil composition, and time) on the behavior of the deposition process. The results showed that the simulator developed, called DepoSim, is able to calculate the profile of temperature, thickness of the deposit, and the amount of wax deposited in a simple and fast way, and also with consistent results and applicable to the operation

Simulação de Fluxo no Meio Poroso Utilizando o Fluent

The complexity of the Phenomenon of fluid flow in porous way causes a difficulty in its explicit description. Different in the cases where the flow is given through a pipe, where it is possible to measure the length and diameter of the pipe and to determine their ability to flow as a function of pressure, which is a complicated task in porous way. However, we try to approach clearly the equations used to conjecture the behavior of fluid flow in porous way. We made use of the Gambit to create a fractal geometry with the fluent we give the contour´s conditions we would want to analyze the data. The triangular mesh was created; it makes interactions with the discs of different rays, as barriers putted in the geometry. This work presents the results of a simulation with a flow of viscous fluids (oilliquid). The oil flows in a porous way constructed in 2D. The behavior evaluation of the fluid flow inside the porous way was realized with graphics, images and numerical results used for different datas analysis. The study was aimed in relation at the behavior of permeability (k) for different fractal dimensions. Taking into account the preservation of porosity and increasing the fractal distribution of the discs. The results showed that k decreases when we increase the numbers of discs, although the porosity is the same for all generations of the first simulation, in other words, the permeability decreases when we increase the fractality. Well, there are strong turbulence in the flow each time we increase the number of discs and this hinders the passage of the same to the exit. These results permitted to put in evidence how the permeability (k) is affected in a porous way with obstacles distributed in a diversified form. We also note that k decreases when we increase the pressure variation (P) within geometry. So, in front of the results and the absence of bibliographic subsidies about other theories, the work realized here can possibly by considered the unpublished form to explain and reflect on how the permeability is changed when increasing the fractal dimension in a porous way

Efeitos da simulação da solarização do solo com materiais vegetais sobre o crescimento micelial de fungos fitopatogênicos habitantes do solo

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Simulação do comportamento não linear de materiais quase-frágeis via elementos finitos com fissura embebida

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Comparação entre o sistema Autoścan-4 e métodos convencionais na identificação de bacilos Gram-negativos não fermentadores, isolados de materiais clínicos de pacientes em Presidente Prudente - SP

Ninety eight strains of glucose-nonfermenting Gram-negative bacilli were analyzed and isolated from several clinical materials of 95 patients admitted at the Dr. Domingos Leonardo Cerávolo University Hospital and three from outpatients. All of them were assisted in the Laboratory of Clinical Analysis of Unoeste University, Presidente Prudente, SP, from the period of October of 1999 to April of 2001. In this work, the level of agreement between the semi-automated commercial system AutoScan-4 and the conventional system for the identification of those bacteria were studied comparatively. There was agreement in 81 (82.7%), showing that both methodologies are useful for identification; partial agreement in six strains (6.1%) and disagreement in 11 (11.2%). The comercial system did not identify nine (9.2%) of the strains and reported them as very rare biotypes.

Análise da execução de um algoritmo numérico cbs para simulação de escoamento utilizando elementos finitos

This work intends to analyze the application and execution time of a numerical algorithm that simulates incompressible and isothermal flows. It was used the explicit scheme of the Characteristic Based Split (CBS) algorithm and the Artificial Compressibility (AC) scheme for coupling pressure-velocity equations. The discretization was done with the finite element method using a bilinear elements grid. The free software GNU-Octave was used for implementation and execution of routines. The results were analyzed using the classic lid-driven cavity problem. This work shows results for tests with several Reynolds' number. The results for these tests show a good agreement when compared with previous ones obtained from bibliography. The code runtime's analysis shows yet that the matrix's assembly is the part of greater consumption time in the implementation.