Estudo fenomenológico e numérico do escoamento estratificado óleo-água ondulado e com mistura na interface

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura.

Modelamento matemático e controle PI de uma válvula borboleta eletrônica.

Este trabalho apresenta uma investigação das propriedades dinâmicas da válvula borboleta eletrônica do sistema de admissão de ar de um motor a combustão interna. O objetivo é utilizar um modelo matemático da válvula borboleta com todos os seus parâmetros identificados para efetuar o controle da válvula e aplica-lo em ambiente real. Tendo o modelo e os parâmetros identificados, compara-se o comportamento real de uma válvula borboleta com o comportamento simulado, utilizando os mesmos sinais de entrada, de tal forma a validar o modelo desenvolvido. Utilizando o controle Proporcional Integral, foi possível mostrar a aplicabilidade da metodologia que pode ser estendida para projetos de controle mais complexos. Com o controle PI, o modelo matemático é validado e pode ser utilizado como base para projetos de controle mais complexos. O modelo aqui desenvolvido representa satisfatoriamente a dinâmica da válvula borboleta, sendo possível utilizá-lo em outros tipos de válvula borboleta.

A contribution on modeling methodologies for multibody systems.

Multibody System Dynamics has been responsible for revolutionizing Mechanical Engineering Design by using mathematical models to simulate and optimize the dynamic behavior of a wide range of mechanical systems. These mathematical models not only can provide valuable informations about a system that could otherwise be obtained only by experiments with prototypes, but also have been responsible for the development of many model-based control systems. This work represents a contribution for dynamic modeling of multibody mechanical systems by developing a novel recursive modular methodology that unifies the main contributions of several Classical Mechanics formalisms. The reason for proposing such a methodology is to motivate the implementation of computational routines for modeling complex multibody mechanical systems without being dependent on closed source software and, consequently, to contribute for the teaching of Multibody System Dynamics in undergraduate and graduate levels. All the theoretical developments are based on and motivated by a critical literature review, leading to a general matrix form of the dynamic equations of motion of a multibody mechanical system (that can be expressed in terms of any set of variables adopted for the description of motions performed by the system, even if such a set includes redundant variables) and to a general recursive methodology for obtaining mathematical models of complex systems given a set of equations describing the dynamics of each of its uncoupled subsystems and another set describing the constraints among these subsystems in the assembled system. This work also includes some discussions on the description of motion (using any possible set of motion variables and admitting any kind of constraint that can be expressed by an invariant), and on the conditions for solving forward and inverse dynamics problems given a mathematical model of a multibody system. Finally, some examples of computational packages based on the novel methodology, along with some case studies, are presented, highlighting the contributions that can be achieved by using the proposed methodology.

Mathematical modeling of drying process of unripe banana slices

Unripe banana flour (UBF) production employs bananas not submitted to maturation process, is an interesting alternative to minimize the fruit loss reduction related to inappropriate handling or fast ripening. The UBF is considered as a functional ingredient improving glycemic and plasma insulin levels in blood, have also shown efficacy on the control of satiety, insulin resistance. The aim of this work was to study the drying process of unripe banana slabs (Musa cavendishii, Nanicão) developing a transient drying model through mathematical modeling with simultaneous moisture and heat transfer. The raw material characterization was performed and afterwards the drying process was conducted at 40 ºC, 50 ºC e 60 ºC, the product temperature was recorded using thermocouples, the air velocity inside the chamber was 4 m·s-1. With the experimental data was possible to validate the diffusion model based on the Fick\'s second law and Fourier. For this purpose, the sorption isotherms were measured and fitted to the GAB model estimating the equilibrium moisture content (Xe), 1.76 [g H2O/100g d.b.] at 60 ºC and 10 % of relative humidity (RH), the thermophysical properties (k, Cp, ?) were also measured to be used in the model. Five cases were contemplated: i) Constant thermophysical properties; ii) Variable properties; iii) Mass (hm), heat transfer (h) coefficient and effective diffusivity (De) estimation 134 W·m-2·K-1, 4.91x10-5 m-2·s-1 and 3.278?10-10 m·s-2 at 60 ºC, respectively; iv) Variable De, it presented a third order polynomial behavior as function of moisture content; v) The shrinkage had an effect on the mathematical model, especially in the 3 first hours of process, the thickness experienced a contraction of about (30.34 ± 1.29) % out of the initial thickness, finding two decreasing drying rate periods (DDR I and DDR II), 3.28x10-10 m·s-2 and 1.77x10-10 m·s-2, respectively. COMSOL Multiphysics simulations were possible to perform through the heat and mass transfer coefficient estimated by the mathematical modeling.

Estudo da remediação de um aquífero contaminado com sulfato e metais através de barreira reativa permeável orgânica.

Este trabalho teve como objetivo geral estudar a viabilidade técnica de utilizar bagaço de cana como meio reativo de barreiras reativas permeáveis (BRP) para remoção de sulfato e metais de águas subterrâneas contaminadas. O estudo baseou-se em investigação experimental, por meio de ensaios laboratoriais de coluna, e em modelagem matemática, para a qual utilizaram-se também alguns dados obtidos em um estudo de caso de uma unidade industrial contaminada com sulfato e metais. Neste local contaminado, as características hidrogeológicas e topográficas propiciam a utilização de uma barreira reativa permeável como técnica de remediação. Barreiras reativas permeáveis são uma alternativa para remediação de águas subterrâneas que vem progredindo rapidamente na última década, a partir de ensaios de bancada e coluna em laboratório para implementação em escala real em campo. Três colunas bióticas foram montadas utilizando bagaço de cana como meio reativo e um material de base poroso constituído de areia e cascalho para fornecer adequada condutividade hidráulica, com a proporção de 1:28 em massa seca. Também foi adicionado ao meio reativo um inóculo bacteriano composto por esterco bovino dissolvido. Uma quarta coluna, sem inóculo e contendo um agente biocida, compôs o experimento branco (abiótico). Uma solução sintética foi introduzida nas colunas simulando condições da água subterrânea do estudo de caso, com velocidade de Darcy em torno de 2,0x10-7 m/s composta por sulfato e metais (zinco e níquel) com concentrações de 6.000 mg/L e 15 mg/L, respectivamente. Os resultados das análises da fase líquida das colunas bióticas apresentaram: (i) média da taxa de remoção de sulfato durante todo o tempo do experimento de 49 mg/L/dia; (ii) as concentrações de Zn e Ni diminuíram de 15 mg/L para valores não detectáveis pela técnica analítica utilizada (< 0,01 mg/L); (iii) aumento do pH de 5.5-5.8 para valores entre 6,8-8,0; (iv) redução do valor do potencial de óxido redução (Eh) para valores de até -200mV. Não foram observadas reduções das concentrações de metais e sulfato na fase líquida da coluna abiótica e os valores de pH e Eh permaneceram dentro das faixas iniciais. Análises nas fases sólidas das colunas bióticas por MEV e EDS após o término do experimento identificaram a presença de Ni, Zn, S e Mn, indicando a precipitação desses metais em forma de sulfetos. Estes elementos não foram detectados na fase sólida da coluna abiótica. Assim, pôde-se inferir que toda a remoção de sulfato verificada nas colunas bióticas pode ser atribuída a redução bacteriana de sulfato. A partir das condições experimentais dos ensaios, foi realizada a modelagem e o dimensionamento da BRP. Para a estimativa da cinética de redução de sulfato, aplicou-se a solução analítica de Van Genuchten para transporte de contaminantes com degradação, obtendo-se uma taxa de decaimento de primeira ordem de 0,01 dia-1. A determinação da espessura e tempo de residência da barreira foi realizada considerando que a concentração de sulfato na saída da barreira fosse menor ou igual a 250 mg/L. O resultado do dimensionamento de uma BRP preenchida com bagaço de cana e areia nas proporções de 1:28 em massa seca resultaria em uma BRP de 7,1 m de espessura, com tempo de residência de 950 dias, no local de estudo de caso. Caso fosse utilizado o dobro da proporção de bagaço de cana e areia em massa seca (1:14), a implantação da BRP apresentar-se-ia viável, com espessura aproximada de 4 m. Através destes resultados, pôde ser comprovada a hipótese de que bagaço de cana como substrato e esterco bovino como inóculo compõem um meio reativo viável para a redução de sulfato e precipitação de metais em uma BRP.

On the development of advanced techniques for mixed-elastohydrodynamic lubrification modelling of journal and sliding bearing systems.

The present thesis is focused on the development of a thorough mathematical modelling and computational solution framework aimed at the numerical simulation of journal and sliding bearing systems operating under a wide range of lubrication regimes (mixed, elastohydrodynamic and full film lubrication regimes) and working conditions (static, quasi-static and transient conditions). The fluid flow effects have been considered in terms of the Isothermal Generalized Equation of the Mechanics of the Viscous Thin Films (Reynolds equation), along with the massconserving p-Ø Elrod-Adams cavitation model that accordingly ensures the so-called JFO complementary boundary conditions for fluid film rupture. The variation of the lubricant rheological properties due to the viscous-pressure (Barus and Roelands equations), viscous-shear-thinning (Eyring and Carreau-Yasuda equations) and density-pressure (Dowson-Higginson equation) relationships have also been taken into account in the overall modelling. Generic models have been derived for the aforementioned bearing components in order to enable their applications in general multibody dynamic systems (MDS), and by including the effects of angular misalignments, superficial geometric defects (form/waviness deviations, EHL deformations, etc.) and axial motion. The bearing exibility (conformal EHL) has been incorporated by means of FEM model reduction (or condensation) techniques. The macroscopic in fluence of the mixedlubrication phenomena have been included into the modelling by the stochastic Patir and Cheng average ow model and the Greenwood-Williamson/Greenwood-Tripp formulations for rough contacts. Furthermore, a deterministic mixed-lubrication model with inter-asperity cavitation has also been proposed for full-scale simulations in the microscopic (roughness) level. According to the extensive mathematical modelling background established, three significant contributions have been accomplished. Firstly, a general numerical solution for the Reynolds lubrication equation with the mass-conserving p - Ø cavitation model has been developed based on the hybridtype Element-Based Finite Volume Method (EbFVM). This new solution scheme allows solving lubrication problems with complex geometries to be discretized by unstructured grids. The numerical method was validated in agreement with several example cases from the literature, and further used in numerical experiments to explore its exibility in coping with irregular meshes for reducing the number of nodes required in the solution of textured sliding bearings. Secondly, novel robust partitioned techniques, namely: Fixed Point Gauss-Seidel Method (PGMF), Point Gauss-Seidel Method with Aitken Acceleration (PGMA) and Interface Quasi-Newton Method with Inverse Jacobian from Least-Squares approximation (IQN-ILS), commonly adopted for solving uid-structure interaction problems have been introduced in the context of tribological simulations, particularly for the coupled calculation of dynamic conformal EHL contacts. The performance of such partitioned methods was evaluated according to simulations of dynamically loaded connecting-rod big-end bearings of both heavy-duty and high-speed engines. Finally, the proposed deterministic mixed-lubrication modelling was applied to investigate the in fluence of the cylinder liner wear after a 100h dynamometer engine test on the hydrodynamic pressure generation and friction of Twin-Land Oil Control Rings.

Desempenho de uma lagoa de infiltração na absorção de cheias e na recarga de aquífero

A type of macro drainage solution widely used in urban areas with predomi-nance of closed catchments (basins without outlet) is the implementation of detention and infiltration reservoirs (DIR). This type of solution has the main function of storing surface runoff and to promote soil infiltration and, consequently, aquifer recharge. The practice is to avoid floods in the drainage basin low-lying areas. The catchment waterproofing reduces the distributed groundwater recharge in urban areas, as is the case of Natal city, RN. However, the advantage of DIR is to concentrate the runoff and to promote aquifer recharge to an amount that can surpass the distributed natu-ral recharge. In this paper, we proposed studying a small urban drainage catchment, named Experimental Mirassol Watershed (EMW) in Natal, RN, whose outlet is a DIR. The rainfall-runoff transformation processes, water accumulation in DIR and the pro-cess of infiltration and percolation in the soil profile until the free aquifer were mod-eled and, from rainfall event observations, water levels in DIR and free aquifer water level measurements, and also, parameter values determination, it is was enabled to calibrate and modeling these combined processes. The mathematical modeling was carried out from two numerical models. We used the rainfall-runoff model developed by RIGHETTO (2014), and besides, we developed a one-dimensional model to simu-late the soil infiltration, percolation, redistribution soil water and groundwater in a combined system to the reservoir water balance. Continuous simulation was run over a period of eighteen months in time intervals of one minute. The drainage basin was discretized in blocks units as well as street reaches and the soil profile in vertical cells of 2 cm deep to a total depth of 30 m. The generated hydrographs were transformed into inlet volumes to the DIR and then, it was carried out water balance in these time intervals, considering infiltration and percolation of water in the soil profile. As a re-sult, we get to evaluate the storage water process in DIR as well as the infiltration of water, redistribution into the soil and the groundwater aquifer recharge, in continuous temporal simulation. We found that the DIR has good performance to storage excess water drainage and to contribute to the local aquifer recharge process (Aquifer Dunas / Barreiras).

Desenvolvimento de um exoesqueleto para movimentação/reabilita-ção de paraplégicos

People bedridden by paralysis/motor disability are subject to several problems due to lack of movement. Then, it is necessary to use equipments that enable the people bedridden stand up and walk, so as to reduce the problems due to lack of movement and the time of rehabilitation, impacting directly on its quality of life. The aim of this work is the development of an exoskeleton to make the movement of people with paralysis / motor impairment in the lower limbs, without help of third parties, to be activated by the user. To provide support, stability and security to the deficient, it was decided to use a structure formed by four legs, being each leg consisting of a parallel chain. The gait was obtained by combining the movement of two mechanisms: crank/rocker, responsible for oscillatory motion of the leg, and cam/follower, responsible for the foot motion on the desired trajectory. To achieve the aim of this work was conducted a study about the types of exoskeletons for locomotion/rehabilitation of people with lower limb paralysis and presented a study on the movement of the lower limb joints. It also presented a mathematical model to obtain the desired path to the foot of the exoskeleton, the static model and the design of the structure elements. In the sequence is presented the simulation of movements of a people during the human gait, experimental tests and the comparison with the human gait developed by a people without disabilities.

Secagem convectiva da microalga spirulina platensis: avaliação das propriedades físicas e bioquímicas

O objetivo no presente estudo foi investigar a operação de secagem da microalga Spirulina platensis em camada delgada através da modelagem matemática e otimização da operação, avaliando as características do produto final através de análises físico-químicas. Foram analisados os dados da umidade de equilíbrio para a isoterma de adsorção a 10, 20 e 30°C e de dessorção a 40, 50 e 60°C, através dos modelos de GAB e BET. O calor isostérico foi determinado pela aplicação da equação de Clausius-Clapeyron. O modelo de GAB apresentou melhor ajuste aos dados experimentais. Os valores da área superficial calculados pelos modelos de GAB e BET foram próximos. O calor isostérico e a entropia diferencial da isoterma de dessorção apresentaram comportamento similar. A teoria da compensação entalpia-entropia foi aplicada nas isotermas, indicando que são controladas pela entalpia. A cinética de secagem foi analisada na faixa de temperatura de 50-70°C, através dos modelos de Lewis, Henderson e Pabis, Henderson, Page e Overhults. O modelo de Henderson e Pabis foi escolhido por apresentar maior significado físico para estimar o valor de difusividade efetiva (Def), sendo os valores encontrados na faixa de 5,54 - 6,60×10-11 m 2 /s, para as temperaturas de 50 e 60°C, respectivamente, e de 1,58×10-10 m2 /s para a temperatura de 70°C. A energia de ativação apresentou um valor de 47,9 kJ/mol. A secagem alterou a cor quando comparada ao material in natura. A secagem foi otimizada na faixa de espessuras e temperaturas do ar de secagem de 3-7 mm e de 50-70ºC, respectivamente, através da metodologia de superfície de resposta para ácido tiobarbitúrico (TBA) e perda de ficocianina no produto final. A melhor condição de secagem foi a 55°C e a 3,7 mm, apresentando uma perda de ficocianina de aproximadamente 37% e valor de TBA de 1,5 mgMDA/kgamostra. Nesta condição de secagem, a composição de ácidos graxos da microalga Spirulina não apresentou diferença significativa (P > 0,05) em relação a microalga in natura.

Conversão da lactose e síntese de galacto-oligossacarídeos: uma abordagem experimental e teórica

O presente trabalho avaliou, na etapa experimental, um processo simultâneo de catálise e fermentação láctica visando obter um iogurte com potenciais características nutracêuticas e, na sua etapa teórica, estabeleceu uma interlocução entre a vivência experimentalista e a teoria da cinética enzimática, no que se refere à conversão da lactose e à síntese de galactooligossacarídeos (GOS). Na abordagem experimental, para um substrato específico, avaliouse biocatálise conduzida simultaneamente à fermentação, defasando a adição da enzima em relação ao início do processo fermentativo. A fermentação foi realizada a partir de cultura láctica liofilizada comercial contendo dois micro-organismos probióticos, Bifidobacterium animalis e Lactobacillus acidophilus, associados aos micro-organismos característicos do iogurte, Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus. Foi utilizado um preparado enzimático contendo -galactosidases obtidas de duas origens distintas: Kluyveromyces lactis e Aspergillus niger. Foram avaliados os efeitos da concentração da enzima e do tempo de adição da enzima em um planejamento experimental 2 2 . As respostas foram às concentrações, ao final do processo, de lactose, de GOS, de glicose e de galactose e a hidrólise dos galactooligossacarídeos ao longo do tempo. No que se refere à abordagem teórica, o presente trabalho considerou modelos matemáticos de hidrólise de dissacarídeos e conversão da lactose, em que a inibição foi representada a partir do incremento da concentração dos produtos da reação. No que se refere à conversão da lactose e síntese de GOS, o presente trabalho buscou estabelecer um modelo matemático em que a inibição ocorreu por efeito do incremento das concentrações de glicose e de galactose, comparando-o com os modelos conhecidos na literatura. Verificou-se que o desempenho do modelo obtido no presente trabalho foi robusto em relação às premissas estabelecidas. Na comparação com resultados experimentais de conversão enzimática, o modelo mostrou-se capaz de minimizar o erro e de ajustar-se aos dados experimentais.

Utilização de restituição aerofotogramétrica para análise da influência das alterações da rede de drenagem e desenvolvimento de voçorocas devido a urbanização no Município de Jacareí (SP)

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Humanas, Departamento de Geografia, 2015.

Estudo da permeação em membranas quitosana

This study proposes to do a study on the mathematical modeling of permeation of films based on chitosan. To conduct the study were obtained membranes with various compositions: a virtually pure membrane-based chitosan; one of chitosan associated with poly (ethylene oxide (PEO). The membranes of pure chitosan were treated with plasma in atmospheres of oxygen, argon and methane. The various types of films were characterized as to its permeation regarding sufamerazina sodium. In the process of mathematical modeling were compared the standard method of obtaining the coefficient of permeation recital straight down the slope of the plot obtained by extinction / time with a the integration process of numerical permeability rate will be calculated from the spectroscopy UV

Síntese de pigmento cerâmico ferrita de cobalto utilizando planejamento experimental

Synthetic inorganic pigments are the most widely used in ceramic applications because they have excellent chemical and thermal stability and also, in general, a lower toxicity to man and to the environment. In the present work, the ceramic black pigment CoFe2O4 was synthesized by the polymerization Complex method (MPC) in order to form a material with good chemical homogeneity. Aiming to optimize the process of getting the pigment through the MPC was used a fractional factorial design 2(5-2), with resolution III. The factors studied in mathematical models were: citric acid concentration, the pyrolysis time, temperature, time and rate of calcination. The response surfaces using the software statistica 7.0. The powders were characterized by thermal analysis (TG/DSC), x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and spectroscopy in the UV-visible. Based on the results, there was the formation of phase cobalt ferrite (CoFe2O4) with spinel structure. The color of the pigments obtained showed dark shades, from black to gray. The model chosen was appropriate since proved to be adjusted and predictive. Planning also showed that all factors were significant, with a confidence level of 95%

Mathematical-modelling simulation of red gum lerp psyllid Glycaspis brimblecombei population dynamics towards the strategy identification for biological control with its parasitoid Psyllaephagus bliteus.

2009

Modelo Estocástico para bloqueio de poros e redução de permeabilidade

Modeling transport of particulate suspensions in porous media is essential for understanding various processes of industrial and scientific interest. During these processes, particles are retained due to mechanisms like size exclusion (straining), adsorption, sedimentation and diffusion. In this thesis, a mathematical model is proposed and analytical solutions are obtained. The obtained analytic solutions for the proposed model, which takes pore and particle size distributions into account, were applied to predict the particle retention, pore blocking and permeability reduction during dead-end microfiltration in membranes. Various scenarios, considering different particle and pore size distributions were studied. The obtained results showed that pore blocking and permeability reduction are highly influenced by the initial pore and particle size distributions. This feature was observed even when different initial pore and particle size distributions with the same average pore size and injected particle size were considered. Finally, a mathematical model for predicting equivalent permeability in porous media during particle retention (and pore blocking) is proposed and the obtained solutions were applied to study permeability decline in different scenarios