Modelação dinâmica de sistemas de drenagem em meio urbano

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Caracterização de estruturas coerentes em leitos vegetados

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil

Simulação matemática do regime térmico de sistemas lacustres no sistema climático projectado para o século XXI

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia do Ambiente

Zonas húmidas como depuradoras de poluição. Caso do Paul de Tornada

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente - Perfil Gestão e Sistemas Ambientais

Reologia de materiais compósitos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Controle óptimo de fluidos não newtonianos

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Matemática

Gerador de misturas gasosas binárias de grande diluição

A indústria corticeira em Portugal tem uma grande importância a nível económico, social e ambiental. A cortiça utilizada para a produção de rolhas por vezes encontra-se contaminada com 2,4,6-Tricloroanisole. O TCA é o principal responsável pelo odor a “mofo” do vinho, encontrando-se presente em cerca de 80% dos vinhos contaminados. O objetivo primordial desta tese foi produzir uma fuga de referência rastreável de TCA para ser utilizada como calibrador na indústria corticeira. Desenvolveu-se um sistema capaz de gerar diluições de TCA em Ar e N2 com concentrações abaixo do ppb. A concentração gerada é calibrável a partir da pressão de vapor do TCA, da pressão do árgon que é o gás de arrasto e da densidade de fluxo de N2. A primeira diluição foi obtida colocando dentro de um reservatório TCA sólido e Ar gasoso. De seguida associou-se a esta diluição uma fuga (capilar estrangulado que é uma pequena restrição que proporciona a evacuação de gás com reduzida condutância) com um determinado fluxo. Confirmou-se que o escoamento estava em regime viscoso e que não era seletivo, isto é, se a razão do fluxo do TCA e de Ar seguia a razão das pressões parciais dos mesmos. Esta confirmação foi feita pressurizando o mesmo reservatório com Árgon e Xénon e verificando se o fluxo de cada um dos gases debitado através da fuga era proporcional à respetiva pressão parcial dentro do reservatório. Estas medições foram feitas por comparação com duas fugas de referência de Ar e de Xe utilizando um espectrómetro de massa do tipo quadrupolo. As fugas de referência também foram construídas no âmbito desta dissertação. Depois de verificado que os fluxos debitados pela fuga eram proporcionais às pressões parciais, o fluxo proveniente da primeira diluição, de TCA em Ar, encontra-se com um outro fluxo, muito maior de N2, gerando assim diluições de TCA na ordem dos ppt.

Simulação hidrológica de cheias na Bacia do rio Cavaco em Angola

As cheias são um dos mais comuns riscos naturais para a humanidade. Existe a necessidade de identificar o perigo e o risco associado de forma a sustentar as decisões no âmbito das políticas de gestão às diferentes escalas. A severidade das cheias repentinas na bacia hidrográfica do rio Cavaco, na província de Benguela, em Angola, tem sido frequentemente nefasta tanto a nível humano e material, como para as atividades socioeconómicas no território, especialmente no Vale do Cavaco e nas zonas ribeirinhas da cidade de Benguela. Desta forma, é necessária uma avaliação integrada do regime hidrológico do rio Cavaco e a modelação das condições físicas e meteorológicas. Dada a inexistência de dados hidrométricos para trabalhar foram utilizados unicamente os dados pluviométricos históricos e a informação disponível sobre a bacia hidrográfica para para caraterizar escoamento na bacia. Com recurso à extensão para o ArcGIS HEC-GeoHMS e do modelo matemático HEC-HMS construiu-se um modelo da bacia hidrográfica que permitiu a simulação de diferentes eventos de precipitação intensa, para diferentes condições da bacia hidrográfica. Por último, a introdução de reservatórios no modelo permitiu tirar conclusões quanto aos efeitos de uma possível retenção de água a montante. A construção do modelo da bacia permitiu a caraterização empírica do nível de cheias para episódios de precipitação extrema com duração de 24 horas, tendo-se comparado posteriormente os resultados com a informação encontrada sobre cheias na bacia em estudo. No futuro, uma avaliação do risco de cheia irá permitir a adequação de medidas de prevenção e mitigação dos danos.

Estudo do motor em disco com o rotor em alumínio e em supercondutor multi-semente

Nesta dissertação é realizado o estudo de um motor em disco polifásico com armadura convencional e rotor que pode ser convencional, em alumínio, ou composto por material supercondutor de alta temperatura multi‐semente. O motor com o rotor em alumínio apresenta um comportamento assíncrono bem definido, baseado na lei geral de indução de eletromotrizes no induzido. Contudo, ao ser mergulhado em azoto líquido, evidencia melhores características eléctricas, tanto do induzido como do indutor, mesmo que o núcleo ferromagnético convencional possa exibir degradação magnética. O motor com o rotor SAT exibe um comportamento distinto, evidenciando ambos os regimes síncrono e assíncrono estáveis. O regime síncrono fica caracterizado pelo fenómeno de aprisionamento de campo, que garante que o rotor gire síncrono com o campo girante do estator. Em regime assíncrono, para um determinado valor de binário resistente aplicado superior ao electromagnético máximo desenvolvido pelo motor, o fenómeno de escoamento de campo está presente, sendo o binário electromagnético motor reforçado por um binário extra de perdas de carácter resistivo desenvolvidas no rotor devido à interacção da densidade de corrente a campos eléctricos que se estabelecem no rotor. Neste caso, o fenómeno de escoamento de campo não é devido a forças de Lorentz que se definem na matriz de Abrikosov, mas sim devido a esta ser “puxada” pelo campo girante do estator, ficando a matriz a deslizar sobre o rotor. De modo a obter as características dos sistemas electromecânicos em estudo é realizada uma análise teórica, baseada na teoria convencional das máquinas eléctricas, com o objectivo de compreender alguns dos fenómenos do motor de fluxo axial, e uma análise baseada num programa comercial de elementos finitos onde o fenómeno da supercondutividade é simulado com base na relação entre o campo elétrico e a densidade de corrente pela lei da potenciação (E‐J power law). O ensaio dos motores referidos é realizado para comparar ambos os sistemas e de realçar o princípio de funcionamento e as características mais relevantes de cada um. Da análise realizada é desenvolvido um modelo que caracteriza o funcionamento da máquina com o rotor com SAT.

Avaliação da resistência à fadiga de instrumentos endodônticos sujeitos a polimento electrolítico e a tratamento térmico específico

Esta dissertação teve como principais objectivos determinar a resistência à fadiga de instrumentos endodônticos de Níquel-Titânio sujeitos a polimento electrolítico e tratamento térmicopor autoclave, assim como estudar o comportamento estrutural dos instrumentos, através de análise numérica pelo método dos elementos finitos, quando sujeitos à curvatura em três regiões distintas. Vinte e dois instrumentos Hyflex (Coltene, Switzerland), com dois tamanhos diferentes (.04/20 e .06/20), foram divididos em 3 grupos: Grupo I, 4 instrumentos (dois de cada tamanho) sem qualquer tipo de tratamento térmico ou superficial; Grupo II, 12 instrumentos (seis de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico; Grupo III, 6 instrumentos (três de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico e tratamento térmico por autoclave. Todos os instrumentos foram sujeitos a testes de fadiga por flexão rotativa. Os instrumentos foram polidos, aplicando uma potência de 30 V, durante 3 segundos, a uma taxa de escoamento da solução electrolítica igual a 1. O tratamento térmico em autoclave foi realizado a uma temperatura e pressão de 134ºC e 2,16 bar, respectivamente, durante 30 minutos. O raio e ângulo de curvatura impostos durante os ensaios experimentais foram de 4,7 mm e 45º, respectivamente. A velocidade de rotação utilizada para testar os instrumentos foi de 500 rpm. O tempo até à fractura foi registado e o número de ciclos à fractura foi calculado. Calculou-se a área circular equivalente do instrumento Hyflex .06/20, em 3 regiões diferentes do mesmo (apical, central e coronal), na secção do instrumento correspondente a metade do comprimento do arco imposto pela curvatura do canal. Os valores de extensão teóricos foram calculados com o objectivo de comparar com a distribuição de tensão e extensão obtida pelo método dos elementos finitos. Os valores calculados analiticamente estão coerentes com os valores obtidos pelo método dos elementos finitos. Existe um grande risco de fractura do instrumento durante o tratamento endodôntico de canais radiculares que imponham curvaturas coronais aos instrumentos. Analisando os resultados obtidos experimentalmente, verifica-se que existem diferenças significativas, na duração e no número de ciclos à fadiga, entre os instrumentos polidos e não polidos e entre os instrumentos com e sem tratamento térmico por autoclave. Conclui-se que o polimento electrolítico tem uma influência significativa na vida à fadiga dos instrumentos Hyflex .04/20 e .06/20. O tratamento térmico por autoclave tem uma influência negativa nos instrumentos Hyflex .04/20 e uma influência positiva nos instrumentos Hyflex .06/20.

Drenagem urbana sustentável e o regime de precipitação em Portugal

O comportamento das águas pluviais em meio urbano é muito diferente do que ocorre em ambientes naturais, principalmente devido à elevada percentagem de superfícies impermeáveis nas nossas cidades. Temos maiores volumes de escoamento gerados; maiores velocidades de escoamento; menor retenção de contaminantes difusos; e propagação rápida para jusante de problemas de cheias e de qualidade da água. Presentemente, a gestão de águas pluviais em meio urbano começa a ser encarada numa perspectiva de aproximação ao comportamento dos meios naturais. A Drenagem Urbana Sustentável está a assumir-se como um conceito de gestão que tem como objectivo gerir a água de uma forma “descentralizada”, promovendo localmente a sua infiltração e retenção distribuídas por toda a bacia. O objecto deste trabalho foi a avaliação do efeito da rugosidade dos sistemas de drenagem sobre os caudais de ponta de cheia. Para isso propôs-se uma solução de drenagem com escoamento superficial em paralelo com os colectores pluviais, dividindo a drenagem entre os dois meios. Baseado nas curvas de intensidade-duração-frequência para a maior parte do território nacional, bem como em eventos de precipitação registados, abordou-se o problema criando um modelo conceptual com o programa informático StormWater Management Model (SWMM 5) da Environment Protection Agency (EPA), para comparar os caudais de ponta de sistemas de drenagem pluvial com ou sem o apoio de estruturas de transporte de caudais com rugosidades aumentadas. Foram considerados diversos cenários, com diferentes rugosidades, inclinações do terreno e dimensão dos sistemas. Os resultados das simulações indicam reduções de caudais de ponta na ordem dos 30% resultantes do escoamento superficial de parte dos caudais, principalmente devido ao aumento de rugosidade que a drenagem à superficie pode proporcionar.

Avaliação do comportamento dinâmico de uma chaminé de equilíbrio

As alterações ao escoamento dão origem a transitórios, caracterizados pela variação temporal da velocidade e da pressão ao longo da conduta. No contexto das instalações hidráulicas é de extrema importância quantificar as pressões máximas e mínimas resultantes do regime transitório para poder proceder ao correcto dimensionamento das condutas e se necessário introduzir dispositivos de protecção do sistema. Neste trabalho estudam-se as chaminés de equilíbrio caracterizando o seu efeito no amortecimento do fenómeno transiente. Para simular numericamente sistemas típicos foi utilizado um código numérico baseado no método das características. As instalações simuladas foram escolhidas de forma a estudar separadamente a influência da área transversal da chaminé, da existência de câmaras e de uma perda de carga. Os resultados obtidos permitiram concluir que o contínuo aumento de área da chaminé deixa de ser viável do ponto de vista económico por não representar um amortecimento significativo das variações de pressão, sendo a inclusão de câmaras de expansão e alimentação na chaminé uma melhor solução. O estudo da perda de carga permitiu propor um método para optimizar a perda de carga simétrica óptima para uma dada instalação. O mesmo tipo de metodologia permitiu obter uma melhor solução por inclusão de perda de carga assimétrica.

Propagação de fendas por fadiga quando sujeitas a carregamentos em Modo I ou Modo III

A propagação de fenda sob fadiga pode ser observada em vários componentes mecânicos, que podem ser feitos de chapa fina ou espessa (ou cascas) e, consequentemente, serem sujeitos a estado plano de tensão ou estado plano de deformação, respectivamente. As cargas aplicadas num corpo sólido que contém um entalhe estreito ou uma fenda aguda irão induzir uma zona de escoamento limite de material com uma dimensão que dependerá das propriedades mecânicas do material, bem como a espessura do corpo, o comprimento de fenda e a intensidade das cargas aplicadas. A propagação da fenda pode então ocorrer sob modo I, II, III ou modo misto. Esta tese apresenta as funções integrais JI, JII e JIII , que foram correlacionadas com os factores de intensidade de tensão KI, KII e KIII, para provetes CT espessos e finos. A avaliação dos valores do Integral-J foi feita para diferentes comprimentos de fenda, ao longo da frente de fenda, usando o Método dos Elementos Finitos (MEF), com nós colapsados e intermédios deslocados a ¼ do comprimento da aresta, com o objectivo de simular a singularidade na extremidade da fenda. A interacção entre os modos de abertura, corte e rasgamento é também discutida. Adicionalmente, a propagação de fenda sob o modo I e o modo III foi determinada experimentalmente, à temperatura ambiente, para um aço inoxidável austenítico Cr-Mn de alta resistência.

Estudo numérico do fenómeno de vibração induzida por vórtices num cilindro com 1 grau de liberdade em OpenFoam

Esta dissertação tem o intuito de validar o código numérico OpenFoam para problemas de fenómeno de vibração induzida por desprendimento de vórtices num cilindro circular com um grau de liberdade transversal ao escoamento. Na primeira parte é simulado o escoamento em torno de um cilindro circular fixo, e na segunda parte o escoamento em torno do cilindro oscilatório. O número de Reynolds é 200 para todas as simulações e o movimento do cilindro é descrito segundo um sistema massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para o movimento do cilindro utilizou-se o solver sixDoFRigidDisplacement e para a resolução de problemas de malha móvel o solver displacementLaplacian. O código numérico utilizado para o caso do cilindro fixo foi pimpleFoam e para o caso do cilindro oscilatório o pimpleDyMFoam. As simulações foram feitas através da resolução das equações de Navier-Stokes num domínio computacional bidimensional. Na simulação do escoamento em redor do cilindro fixo, os coeficientes de arrasto e sustentação e o número de Strouhal foram calculados e comparados com resultados da literatura. Os resultados estão próximos da realidade, no entanto observa-se que a dimensão da malha é muito importante para a precisão dos mesmos. Na simulação do escoamento em torno do cilindro oscilatório foram calculados os coeficientes de arrasto e sustentação e deslocamento do cilindro, para os sistemas massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para os dois sistemas foi apresentada e comparada a evolução destes resultados em função da velocidade reduzida e por fim foram comparados. Observa-se que o fator de amortecimento afeta as respostas do cilindro, dependo da velocidade reduzida. Os resultados obtidos em ambos os estudos foram satisfatórios e conclui-se que o código OpenFoam é uma boa ferramenta para resolver problemas com o fenómeno de vibração induzida por vórtices.

Estudo numérico da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código IHFOAM

A presente dissertação tem como principal objetivo a validação da ferramenta IHFOAM do código OpenFOAM para problemas de interação de ondas com estruturas costeiras porosas, concretamente a interação de ondas com o quebra-mar poente do porto de pesca de Albufeira. Numa primeira parte deste trabalho analisa-se o comportamento do código com malhas de diferentes tipos, mais especificamente, estuda-se os efeitos sobre o escoamento de uma malha não estruturada no meio poroso em relação a uma malha estruturada. Isto é de extrema importância, devido ao tempo dispensado na construção de uma malha estruturada com elementos rectangulares. É ainda estudada a dependência da simulação numérica com o modelo de turbulência. O estudo mostra que os efeitos dos diferentes tipos de malha na zona porosa influenciam pouco o escoamento, sendo aceitável o recurso a malhas não estruturadas na zona porosa, em contraste com a escolha do modelo de turbulência que se mostra muito importante para a simulação. Numa segunda parte, são calibrados os parâmetros do meio poroso usados pelo modelo numérico. Apresenta-se o método utilizado para a calibração dos parâmetros e são estudados os seus efeitos sobre o comportamento hidráulico da estrutura. O estudo é realizado com duas alturas de ondas, uma altura de onda que não gera galgamento e uma altura de onda que gera galgamento. Foram colocadas várias sondas numéricas ao longo de um canal de ondas que medem a elevação de superfície livre simulada. Para os ensaios com galgamento, mediu-se a altura da água galgada e o volume galgado, podendo-se assim estudar os efeitos dos parâmetros do meio poroso do quebra-mar sobre o galgamento. A calibração sequencial dos parâmetros mostrou-se muito eficaz, gerando resultados muito bons. Ao longo do estudo entende-se a forte dependência do comportamento hidrodinâmico da estrutura, dos parâmetros e a necessidade de os calibrar, para cada caso estudado. Conclui-se que o IHFOAM é muito interessante para o estudo numérico de interação de onda-estrutura porosa, obtendo resultados satisfatórios para a superfície livre dentro e fora do quebra-mar. O galgamento, sendo um processo muito rápido, foi razoavelmente simulado e captado pelo código.