Performance evaluation of ventilation radiators

A ventilation radiator is a combined ventilation and heat emission unit currently of interest due to its potential for increasing energy efficiency in exhaust ventilated buildings with warm water heating. This paper presents results of performance tests of several ventilation radiator models conducted under controlled laboratory conditions.   The purpose of the study was to validate results achieved by Computational Fluid Dynamics (CFD) in an earlier study and indentify possible improvements in the performance of such systems. The main focus was on heat transfer from internal convection fins, but comfort and health aspects related to ventilation rates and air temperatures were also considered.   The general results from the CFD simulations were confirmed; the heat output of ventilation radiators may be improved by at least 20 % without sacrificing ventilation efficiency or thermal comfort.   Improved thermal efficiency of ventilation radiators allows a lower supply water temperature and energy savings both for heating up and distribution of warm water in heat pumps or district heating systems. A secondary benefit is that a high ventilation rate can be maintained all year around without risk for cold draught.

Radiation properties of coil-coated steel in building envelope surfaces and the influence on building thermal performance

Recent studies have shown that the optical properties of building exterior surfaces are important in terms of energy use and thermal comfort. While the majority of the studies are related to exterior surfaces, the radiation properties of interior surfaces are less thoroughly investigated. Development in the coil-coating industries has now made it possible to allocate different optical properties for both exterior and interior surfaces of steel-clad buildings. The aim of this thesis is to investigate the influence of surface radiation properties with the focus on the thermal emittance of the interior surfaces, the modeling approaches and their consequences in the context of the building energy performance and indoor thermal environment. The study consists of both numerical and experimental investigations. The experimental investigations include parallel field measurements on three similar test cabins with different interior and exterior surface radiation properties in Borlänge, Sweden, and two ice rink arenas with normal and low emissive ceiling in Luleå, Sweden. The numerical methods include comparative simulations by the use of dynamic heat flux models, Building Energy Simulation (BES), Computational Fluid Dynamics (CFD) and a coupled model for BES and CFD. Several parametric studies and thermal performance analyses were carried out in combination with the different numerical methods. The parallel field measurements on the test cabins include the air, surface and radiation temperatures and energy use during passive and active (heating and cooling) measurements. Both measurement and comparative simulation results indicate an improvement in the indoor thermal environment when the interior surfaces have low emittance. In the ice rink arenas, surface and radiation temperature measurements indicate a considerable reduction in the ceiling-to-ice radiation by the use of low emittance surfaces, in agreement with a ceiling-toice radiation model using schematic dynamic heat flux calculations. The measurements in the test cabins indicate that the use of low emittance surfaces can increase the vertical indoor air temperature gradients depending on the time of day and outdoor conditions. This is in agreement with the transient CFD simulations having the boundary condition assigned on the exterior surfaces. The sensitivity analyses have been performed under different outdoor conditions and surface thermal radiation properties. The spatially resolved simulations indicate an increase in the air and surface temperature gradients by the use of low emittance coatings. This can allow for lower air temperature at the occupied zone during the summer. The combined effect of interior and exterior reflective coatings in terms of energy use has been investigated by the use of building energy simulation for different climates and internal heat loads. The results indicate possible energy savings by the smart choice of optical properties on interior and exterior surfaces of the building. Overall, it is concluded that the interior reflective coatings can contribute to building energy savings and improvement of the indoor thermal environment. This can be numerically investigated by the choice of appropriate models with respect to the level of detail and computational load. This thesis includes comparative simulations at different levels of detail.

Numerical Simulation Of Sediment Transport And Bedmorphology Around A Hydraulic Structure On A River

Scour around hydraulic structures is a critical problem in hydraulic engineering. Under prediction of scour depth may lead to costly failures of the structure, while over prediction might result in unnecessary costs. Unfortunately, up-to-date empirical scour prediction formulas are based on laboratory experiments that are not always able to reproduce field conditions due to complicated geometry of rivers and temporal and spatial scales of a physical model. However, computational fluid dynamics (CFD) tools can perform using real field dimensions and operating conditions to predict sediment scour around hydraulic structures. In Korea, after completing the Four Major Rivers Restoration Project, several new weirs have been built across Han, Nakdong, Geum and Yeongsan Rivers. Consequently, sediment deposition and bed erosion around such structures have became a major issue in these four rivers. In this study, an application of an open source CFD software package, the TELEMAC-MASCARET, to simulate sediment transport and bed morphology around Gangjeong weir, which is the largest multipurpose weir built on Nakdong River. A real bathymetry of the river and a geometry of the weir have been implemented into the numerical model. The numerical simulation is carried out with a real hydrograph at the upstream boundary. The bedmorphology obtained from the numerical results has been validated against field observation data, and a maximum of simulated scour depth is compared with the results obtained by empirical formulas of Hoffmans. Agreement between numerical computations, observed data and empirical formulas is judged to be satisfactory on all major comparisons. The outcome of this study does not only point out the locations where deposition and erosion might take place depending on the weir gate operation, but also analyzes the mechanism of formation and evolution of scour holes after the weir gates.

Temperature Dynamics Investigation At Small And Shallow Lakes Using Hydrodynamic Model

A three-dimensional time-dependent hydrodynamic and heat transport model of Lake Binaba, a shallow and small dam reservoir in Ghana, emphasizing the simulation of dynamics and thermal structure has been developed. Most numerical studies of temperature dynamics in reservoirs are based on one- or two-dimensional models. These models are not applicable for reservoirs characterized with complex flow pattern and unsteady heat exchange between the atmosphere and water surface. Continuity, momentum and temperature transport equations have been solved. Proper assignment of boundary conditions, especially surface heat fluxes, has been found crucial in simulating the lake’s hydrothermal dynamics. This model is based on the Reynolds Average Navier-Stokes equations, using a Boussinesq approach, with a standard k − ε turbulence closure to solve the flow field. The thermal model includes a heat source term, which takes into account the short wave radiation and also heat convection at the free surface, which is function of air temperatures, wind velocity and stability conditions of atmospheric boundary layer over the water surface. The governing equations of the model have been solved by OpenFOAM; an open source, freely available CFD toolbox. As its core, OpenFOAM has a set of efficient C++ modules that are used to build solvers. It uses collocated, polyhedral numerics that can be applied on unstructured meshes and can be easily extended to run in parallel. A new solver has been developed to solve the hydrothermal model of lake. The simulated temperature was compared against a 15 days field data set. Simulated and measured temperature profiles in the probe locations show reasonable agreement. The model might be able to compute total heat storage of water bodies to estimate evaporation from water surface.

Análise das políticas de suprimento praticadas pelas grandes empresas industriais brasileiras

O objetivo principal deste estudo é contribuir para o entendimento das relações de suprimento estabelecidas entre as grandes empresas industriais do Brasil e seus fornecedores. A pesquisa parte do princípio que existem algumas variáveis que afetam as políticas de suprimento e procura verificar as correlações existentes entre estas variáveis e as políticas. Baseia-se em um conjunto de teorias, entre as quais, a teoria geral das organizações, a teoria dos jogos, a economia dos custos das transações, os estudos sobre a importância da confiança nas relações de negócios teoria da confiança e a teoria de compras. Através de um questionário, construído com baseado em escalas de Likert e de diferenc ial semântico, procurou-se validar um modelo de relacionamento que coloca em extremos as relações chamadas de CFD (Contratos de fornecimento discretos) e CFP (Contratos de fornecimento de parcerias). Foram remetidos questionários a 300 empresas e se obteve o retorno de 238. A amostra contém empresas de 14 estados brasileiros e 11 setores. O estudo em sua parte descritiva concluiu que existem diferenças significativas nas ações das empresas de acordo com o ramo no qual atuam. Não existem, no entanto, diferenças significativas entre os diversos estados brasileiros nos quais se situam suas matrizes, o que indica uma homogeneização de práticas em todo o território nacional, ao menos entre as grandes empresas. Foram encontradas correlações significativas entre algumas variáveis independentes e as estratégias de suprimento. Isto pode fornecer subsídios tanto para a definição de posturas para as empresas fornecedores de insumos industriais, quanto para as empresas que estão montando estratégias de suprimento e querem utilizar o estudo como “benchmark” dos seus processos em relação às maiores empresas brasileiras.

Modelagem mecânica e aproximação por métodos estabilizados de escoamentos multicomponentes

Este estudo foi motivado pela possibilidade de se empregar os conhecimentos da engenharia mecânica na solução de problemas de engenharia de alimentos por métodos numéricos, assim como pela utilização da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) em mais um campo de pesquisa. A idéia básica foi a aplicação do método de elementos finitos na solução de problemas de escoamentos envolvendo mistura de diferentes componentes. Muitos alimentos apresentam-se como fluidos, e seu comportamento material pode ser newtoniano ou não newtoniano, às vezes descrito por relações constitutivas bastante complexas. Utilizou-se uma teoria de misturas apoiada nos conceitos de mecânica do contínuo para a modelagem mecânica do que se passou a considerar como um sistema multicomponente. Necessitou-se de uma detalhada revisão sobre os postulados clássicos da mecânica para que se pudesse recolocá-los, com alguma segurança e embasamento teórico, para sistemas multicomponentes. Tendo em mãos a modelagem do balanço de momentum e massa em sistemas multicomponentes, pôde-se aproximar estas equações através do método de elementos finitos. A literatura aponta que o método clássico de Galerkin não possui a eficiência necessária para a solução das equações de escoamento, que envolvem uma formulação mista onde se faz necessário tomar compatíveis os subespaços de velocidade e pressão, e também devido à natureza assimétrica da aceleração advectiva, o que também aparece como uma dificuldade na solução de problemas de advecçãodifusão, nos casos de advecção dominante. Assim, fez-se uso do método estabilizado tipo GLS, o qual supera as dificuldades enftentadas pelo método de Galerkin clássico em altos números de Reynolds, adicionando termos dependentes da malha, construídos de forma a aumentar a estabilidade da formulação de Galerkin original sem prejudicar sua consistência. Os resultados numéricos dividem-se em três categorias: problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos newtonianos, problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos com não linearidade material e problemas de advecção e difusão de massa em misturas. A comparação de algumas aproximações obtidas com as de outros autores se mostraram concordantes. A aproximação de problemas de fluidos segundo os modelos Carreau e Casson geraram os resultados esperados. A aproximação de um problema de injeção axial com mistura de dois fluidos produziu resultados coerentes, motivando a aplicação prática da aproximação por métodos estabilizados de problemas de misturas.

Visualização em tempo real de dados volumétricos dinâmicos usando hardware gráfico

Dados volumétricos temporais são usados na representação de fenômenos físicos em várias aplicações de visualização científica, pois tais fenômenos são complexos, alteram-se com o tempo e não possuem uma forma de representação definida. Uma solução é usar amostragens sobre um espaço de forma geométrica simples que contém o fenômeno (um cubo, por exemplo), discretizado ao longo de uma grade em células de mesmo formato e usualmente chamado de volume de amostragem. Este volume de amostragem representa um instante da representação do fenômeno e, para representar dados temporais, simplesmente enumera-se tantos volumes quanto forem as diferentes instâncias de tempo. Esta abordagem faz com que a representação seja extremamente custosa, necessitando de técnicas de representação de dados para comprimir e descomprimir os mesmos. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para compressão de volumes de dados temporais que permite a visualização em tempo real destes dados usando hardware gráfico. O método de compressão usa uma representação hierárquica dos vários volumes de dados dentro da memória do hardware gráfico, referenciados pelo hardware como texturas 3D. O método de compressão tem melhor desempenho para dados volumétricos esparsos e com alto grau de coerência (espacial e temporal). A descompressão destes dados é feita por programas especiais que são executados no próprio hardware gráfico. Um estudo de caso usando o método de compressão/descompressão proposto é apresentado com dados provenientes do Projeto MAPEM (Monitoramento Ambiental em Atividades de Perfuração Exploratória Marítima). O objetivo do projeto é propor uma metodologia para o monitoramento dos efeitos das descargas de materiais no ecossistema marinho durante a perfuração de um poço de petróleo. Para estimar certos descarregamentos de fluidos, o projeto usa um simulador CFD que permite mostrar tais descarregamentos, gerando grades planares e uniformes 2D ou 3D em qualquer instante de tempo durante a simulação.

Estudo de cargas impulsivas com ênfase em explosões : estratégias de análises utilizando métodos numéricos

A avaliação da solicitação produzida por explosões, assim como da resposta de estruturas, são temas de muito interesse na engenharia atualmente, tanto pela quantidade crescente de acidentes relacionados com explosões quanto pelas ações terroristas muitas vezes vinculadas a estes tipos de ações. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo explorar técnicas de análise tanto na modelagem da excitação quanto na resposta de estruturas consideradas como alvos. Para isto, são utilizadas metodologias de diferentes tipos: implementações baseadas em sistema de elementos finitos comerciais como Ansys [2000] e LS-Dyna [2003] e técnicas simplificativas que permitem realizar uma avaliação preliminar. As aplicações consideradas são indicadas a seguir: • Análise da Resposta de Estruturas Laminares Submetidas à Ação de Cargas Explosivas: determina-se a pressão produzida por explosivos sólidos a certa distância do epicentro, através de métodos simplificados, determinando a resposta esperada em placas retangulares; • Efeito da Pressão Interna em Vasos de Pressão (Extintores de Incêndio): comparando resultados numéricos e experimentais verifica-se a influência da pressão interna nas propriedades dinâmicas do sistema; • Estudo de Um Vaso Esférico de GLP Sob Ação de Uma Carga Explosiva: aplica-se a ação de uma onda explosiva produzida por um gás inflamável pesado sobre uma estrutura de vaso de pressão esférico com fluido e gás em seu interior, determinando sua resposta, avaliando também a influência de diferentes quantidades de líquido e pressão interna na resposta da estrutura; • Modelamento de uma Camada de Solo / Propagação das Ondas: verifica-se o comportamento da propagação de ondas em um meio elástico, comparando valores encontrados em testes experimentais. Analisa-se numericamente o efeito da inserção de uma valeta na atenuação de tais ondas; • Simulação Numérica Completa de uma Explosão: modela-se um semi-espaço submetido à ação de um explosivo sólido sobre sua superfície, avaliando os campos de pressão gerados. Ao final de cada aplicação são apresentadas conclusões parciais obtidas e as possibilidades de trabalhos futuros vislumbrados. Finalmente, conclui-se que as técnicas empregadas para as simulações são extremamente eficientes, considerando conhecidos todos os parâmetros envolvidos em cada modelo. Neste ponto é fundamental o trabalho do engenheiro, utilizando-se de seus conhecimentos técnicos para transformação do evento real em um modelo numérico, considerando e selecionando as simplificações necessárias.

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.

Modelagem numérica aplicada aos fenômenos de escoamento e mistura em modelos físicos de panelas de aciaria

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.