Two-dimensional numerical simulations of shock waves in micro convergent-divergent nozzles

The steady two-dimensional Navier-Stokes equations with the slip wall boundary conditions were used to simulate the supersonic flow in micro convergent-divergent nozzles. It is observed that shock waves can take place inside or outside of the micronozzles under the earth environment. For the over-expanded flows, there is a boundary layer separation point, downstream of which a wave interface separates the viscous boundary layer with back air flow and the inviscid core flow. The oblique shock wave is followed by the bow shock and shock diamond. The viscous boundary layer thickness relative to the whole nozzle width on the exit plane is increased but attains the maximum value around of 0.5 and oscillates against this value with the continuous increasing of the nozzle upstream pressures. The viscous effect either changes the normal shock waves outside of the nozzle for the inviscid flow to the oblique shock waves inside the nozzle, or transfers the expansion jet flow without shock waves for the inviscid flow to the oblique shock waves outside of the nozzle. 

水冷塔空气涡流导引装置的数值模拟

使用FLUENT软件, 对水冷火电厂的水冷塔换热进行了数值模拟, 解决了物模实验难以模拟热力因素的困难. 同时还对采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔和传统水冷塔, 在不同环境风影响下的换热效率进行了对比. 结果表明, 采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔换热效果优于传统水冷塔, 抵抗大风的能力更强

A model to predict the life of pneumatic conveyor bends

A new approach to the prediction of bend lifetime in pneumatic conveyors, subject to erosive wear is described. Mathematical modelling is exploited. Commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software is used for the prediction of air flow and particle tracks, and custom code for the modelling of bend erosion and lifetime prediction. The custom code uses a toroidal geometry, and employs a range of empirical data rather than trying to fit classical erosion models to a particular circumstance. The data used was obtained relatively quickly and easily from a gas-blast erosion tester. A full-scale pneumatic conveying rig was used to validate a sample of the bend lifetime predictions, and the results suggest accuracy of within ±65%, using calibration methods. Finally, the work is distilled into user-friendly interactive software that will make erosion lifetime predictions for a wide range of bends under varying conveying conditions. This could be a valuable tool for the pneumatic conveyor design or maintenance engineer.

Half-precessional dynamics of monsoon rainfall near the East African Equator

External climate forcings-such as long-term changes in solar insolation-generate different climate responses in tropical and high latitude regions(1). Documenting the spatial and temporal variability of past climates is therefore critical for understanding how such forcings are translated into regional climate variability. In contrast to the data-richmiddle and high latitudes, high-quality climate-proxy records from equatorial regions are relatively few(2-4), especially from regions experiencing the bimodal seasonal rainfall distribution associated with twice-annual passage of the Intertropical Convergence Zone. Here we present a continuous and well-resolved climate-proxy record of hydrological variability during the past 25,000 years from equatorial East Africa. Our results, based on complementary evidence from seismic-reflection stratigraphy and organic biomarker molecules in the sediment record of Lake Challa near Mount Kilimanjaro, reveal that monsoon rainfall in this region varied at half-precessional (similar to 11,500-year) intervals in phase with orbitally controlled insolation forcing. The southeasterly and northeasterly monsoons that advect moisture from the western Indian Ocean were strengthened in alternation when the inter-hemispheric insolation gradient was at a maximum; dry conditions prevailed when neither monsoon was intensified and modest local March or September insolation weakened the rain season that followed. On sub-millennial timescales, the temporal pattern of hydrological change on the East African Equator bears clear high-northern-latitude signatures, but on the orbital timescale it mainly responded to low-latitude insolation forcing. Predominance of low-latitude climate processes in this monsoon region can be attributed to the low-latitude position of its continental regions of surface air flow convergence, and its relative isolation from the Atlantic Ocean, where prominent meridional overturning circulation more tightly couples low-latitude climate regimes to high-latitude boundary conditions.

Rotational Molding Cycle Time Reduction Using a Combination of Physical Techniques

Rotational molding is a process used to manufacture hollow plastic products, and has been heralded as a molding method with great potential. Reduction of cycle times is an important issue for the rotational molding industry, addressing a significant disadvantage of the process. Previous attempts to reduce cycle times have addressed surface enhanced molds, internal pressure, internal cooling, water spray cooling, and higher oven air flow rates within the existing process. This article explores the potential benefits of these cycle time reduction techniques, and combinations of them. Recommendations on a best practice combination are made, based on experimental observations and resulting product quality. Applying the proposed molding conditions (i.e., a combination of surface-enhanced molds, higher oven flow rates, internal mold pressure, and water spray cooling), cycle time reductions of up to 70% were achieved. Such savings are very significant, inviting the rotomolding community to incorporate these techniques efficiently in an industrial setting. POLYM. ENG. SCI., 49:1846-1854, 2009. (C) 2009 Society of Plastics Engineers

Improving the Fuel Economy of a Tuned 600cc FSAE Engine

To maintain its relevance, motorsport cannot be exempt from
the trend of increasing fuel economy. This bears obvious
competitive benefits as well, either in decreasing the
frequency of pit stops or the mass of fuel carried. Given the
increased points weighting of fuel economy for the Formula
Student (FS) competition, a complete analysis was performed
on the Queen's Formula Racing 600cc motorcycle engine in
preparation for the 2011 competition.
The criteria for such high performance fuel economy differ to
a degree from most mass transportation counterparts and were
divided into three distinct regimes; full load, part load and no
load conditions.
Full load positions naturally demand maximum torque for
performance but that does not imply that fuel savings cannot
be made whilst preserving this. The point at which maximum
torque is produced with minimum air -fuel ratio, Leanest
mixture for Best Torque (LBT), was therefore sought and
mapped for full load.
At part load, torque is less of a concern, and maintaining a
sustainable engine temperature and transient response become
more important. With decreasing AFR, engine temperatures
can rise dramatically so temperatures were measured close to
the exhaust port for a wide range of air-fuel ratios.
Competition track data was analysed to highlight key part load
operating regions and these were mapped according to
measured safe temperature limits. Torque response to a step
throttle change was also measured to ensure suitable engine
transient performance was maintained.
At no load conditions, with low engine speed only idle
conditions need to be satisfied. In the situation where the
engine is still at high speed without load, the engine is being
motored and no fuel is required. An overrun fuel cut was
employed to reflect this giving significant fuel savings. The
effect on torque and engine pickup was measured.
Modifications were also made to the fuel injector location to
improve fuel mixing and evaporation at this lower air flow
condition.
These mapping regimes were implemented and tested using
fully transient lap simulations using competition track data
and a four quadrant AC engine dynamometer. The experiment
indicated a reduction in fuel consumption for 22 laps of the FS
track from 5.08litres to 3.67litres, around 27% in total. The
actual fuel used at the 2011 competition was 3.6 litres while
placing 8th in the endurance event, further validating the
benefits of these mapping regimes.

Optimising the locations of thermally sensitive equipment in an aircraft crown compartment

A Design of Experiments (DoE) analysis was undertaken to generate a list of configurations for CFD numerical simulation of an aircraft crown compartment. Fitted regression models were built to predict the convective heat transfer coefficients of thermally sensitive dissipating elements located inside this compartment. These are namely the SEPDC and the Route G. Currently they are positioned close to the fuselage and it is of interest to optimise the heat transfer for reliability and performance purposes. Their locations and the external fuselage surface temperature were selected as input variables for the DoE. The models fit the CFD data with values ranging from 0.878 to 0.978, and predict that the optimum locations in terms of heat transfer are when the elements are positioned as close to the crown floor as possible ( and ?min. limits), where they come in direct contact with the air flow from the cabin ventilation system, and when they are positioned close to the centreline ( and ?CL). The methodology employed allows aircraft thermal designers to optimise equipment placement in confined areas of an aircraft during the design phase. The determined models should be incorporated into global aircraft numerical models to improve accuracy and reduce model size and computational time. © 2012 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Biomass-derived oxymethylene ethers as diesel additives: A techno-economic assessment

Conversion of agricultural biomass such as wood chips, wheat straw and forest residue for the production of fuels can help in reducing GHG emissions since they are considered as nearly carbon neutral. Around the world there is a significant amount of forest and agricultural-biomass available which could be used for the production of liquid fuels that can be blended with the petroleum-based diesel. Oxymethylene ethers (OMEs) can be derived from biomass via gasification, water-gas shift reaction and methanol production. The addition of OMEs to conventional diesel fuel has great potential to reduce soot formation during the combustion in diesel engines. Unlike methanol and dimethyl ether (DMM) which can also reduce soot formation, the physical properties of OMEs allow the use in modern diesel engines without significant change of the engines infrastructure. In this study, a detailed and data intensive process simulation model was developed to simulate all the unit operations involved in the production of OMEs from biomass. The unit operation considered include biomass drying, gasification, gas cleaning, water gas shift reaction, methanol production and OMEs synthesis. The simulation results were then utilized to conduct a detailed techno-economic assessment study of the whole biomass conversion chain to determine the most attractive pathways for OMEs production. Our recent study shows that the key parameters affecting the OMEs production are equivalence ratio, H2/CO ratio and optimal air flow. Overall, the cost of production ($/liter) of OMEs from different biomass feedstock in Alberta will be determined

Describing vocal performance of Portuguese cantadeiras of Alto Minho

Portugal has strong musical traditions, which have been perpetrated by decades through folkloristic activities. In folk groups from Alto Minho (north of Portugal), folk singing is mostly performed by cantadeiras, amateur female solo singers who learn this style orally. Their vocal characteristics are distinctive when compared with other regions of the country; however, deep understanding of these vocal practices is still missing. The present work aims at studying Alto Minho cantadeira’s vocal performance in a multidimensional perspective, envisioning social, cultural and physiological understanding of this musical style. Thus, qualitative and quantitative data analyses were carried out, to: (i) describe current performance practices, (ii) explore existent perceptions about most relevant voice features in this region, (iii) investigate physiological and acoustic properties of this style, and (iv) compare this style of singing with other non-classical singing styles of other countries. Dataset gathered involved: 78 groups whose members were telephone interviewed, 13 directors who were asked to fill in a questionnaire on performance practices, 1 cantadeira in a pilot study, 16 cantadeiras in preliminary voice recordings, 77 folk group members in listening tests, and 10 cantadeiras in multichannel recordings, including audio, ELG, air flow and intra-oral pressure signals. Data were analysed through thematic content analysis, descriptive and inferential statistics, hierarchical principal components, and multivariate linear regression models. Most representative voices have a high pitched and loud voice, with a bright timbre, predominance of chest register without excessive effort, and good text intelligibility with regional accent. High representativeness levels were obtained by few cantadeiras; these sing with high levels of subglottal pressure and vocal fold contact quotient, predominance of high spectrum energy and vocal loudness, corroborating indications of prevalence of pressed phonation. These vocal characteristics resemble belting in musical theatre and share similarities with country (USA) and ojikanje (Croatia) singing. Strategies that may contribute to the preservation of this type of singing and the vocal health of current cantadeiras are discussed, pointing at the direction of continuous education among folk groups, following practices that are already adopted elsewhere in Europe.

Eco ventilação: desenvolvimento de uma ventilação mais ecológica

Neste trabalho é desenvolvido um estudo comparativo de vários sistemas de ventilação, baseados em jactos localizados. Foram avaliados, para cada um deles, o nível da qualidade do ar interior, conforto térmico, desconforto térmico local (risco de resfriamento) a que os ocupantes estão sujeitos e o índice ADI (Air Distribution Index). O estudo foi efectuado numericamente, a partir de dois softwares acoplados, e experimentalmente, a partir de uma sala de aula desenvolvida a escala real. Nesta sala de aulas, equipada com 6 ou 12 ocupantes e com 6 secretárias, foram analisados sistemas de ventilação com jactos verticais descendentes, localizados em cima (mais afastado e mais próximo do nível da cabeça dos ocupantes) e à frente dos ocupantes, e com jactos horizontais, localizados em frente dos ocupantes, em cima e em baixo da secretária. O estudo numérico, da interacção do escoamento com os ocupantes, foi efectuado a partir do acoplamento de um software que simula a resposta térmica dos ocupantes (Human Thermal Comfort) e um que simula o escoamento tridimensional em espaços ocupados (Virtual Air Flow - 3D), utilizando o modelo de turbulência RNG. Foi utilizada uma malha não uniforme, com um maior refinamento junto dos obstáculos e nas entradas e saídas de ar. No estudo do projecto do sistema de ventilação baseado em jactos verticais descendentes localizados em cima e mais afastado do nível da cabeça dos ocupantes, foram efectuadas medições experimentais de forma a validar os softwares acoplados e um modelo desenvolvido para calcular o escoamento unidireccional no interior de condutas. Neste estudo foi ainda utilizado um modelo de cálculo das temperaturas das superfícies. Por fim foi realizada uma simulação num contexto mais real, com 6 ocupantes sentados e um ocupante em pé, simulando 6 alunos e um professor, onde foi utilizado o acoplamento dos modelos Human Thermal Comfort e Virtual Air Flow - 3D, o modelo numérico de escoamentos unidireccionais no interior de condutas e o modelo de cálculo das temperaturas das superfícies. São ainda feitas sugestões para a partir deste trabalho, se efectuarem estudos em geometrias mais complexas.

Avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar de uma piscina coberta

Este trabalho teve como propósito fazer uma avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar no interior das instalações de uma Piscina Municipal Coberta, localizada na zona norte de Portugal, sendo estabelecidos os seguintes objetivos: caracterização geral da piscina, no que respeita aos seus diferentes espaços e equipamentos, cálculo dos consumos térmicos e elétricos bem como o registo das concentrações de elementos poluentes para controlo da qualidade do ar no interior da piscina, tendo como base a legislação atualmente em vigor. A caracterização geral da piscina permitiu verificar algumas inconformidades como a temperatura da água nos tanques de natação que tem valores superiores aos recomendados e a sala de primeiros socorros que não possui acesso direto ao exterior. Acrescente-se que o pavimento nos chuveiros da casa de banho feminina e os valores de pH para água do tanque grande e pequeno não estão sempre dentro da gama de recomendação. O caudal da renovação de ar está a ser operado manualmente e quando está a funcionar a 50% da sua capacidade máxima, que acontece numa parte do dia, apenas consegue renovar 77,5% do caudal recomendado pelo RSECE. Para se obter o valor recomendado é necessário ter pelo menos 7 horas com o caudal a 100% da capacidade máxima. A avaria na UTA2 originou que 40% dos registos diários da humidade relativa interior estivessem fora da gama de valores recomendados e que esta é fortemente dependente da humidade no exterior e pode ser agravada quando as portas dos envidraçados da nave são abertas. Analisando ainda a quantidade de água removida na desumidificação do ar com a água evaporada em condições de Outono-Inverno ou Primavera-Verão, este estudo permitiu concluir que todas as combinações demonstraram a necessidade de desumidificação salvo a combinação Outono-Inverno e UTA2 a funcionar a 100% da sua capacidade máxima. Os isolamentos das tubagens na sala das caldeiras foram observados e comparados com as soluções recomendadas pelas empresas especialistas e verificou-se que alguns estão mal colocados com parcial ou total degradação, promovendo perdas térmicas. No caso das perdas calorificas por evaporação, estas representaram cerca de 67,78% das perdas totais. Como tal, estudou-se a aplicação de uma cobertura sobre o plano de água durante o período de inatividade da piscina (8 horas) e verificou-se que o resultado seria uma poupança de 654,8 kWh/dia, na ausência de evaporação da água, mais 88,00 kWh/dia do período da UTA2 a funcionar a 50% da sua capacidade, perfazendo um total de 742,8 kWh/dia. A aplicação da cobertura permite obter um VAL de valor positivo, uma TIR de 22,77% e sendo este valor superior ao WACC (Weight Average Cost of Capital), o projeto torna-se viável com um Pay-Back de 3,17 anos. Caracterizou-se também o consumo total diário em eletricidade, e verificou-se que as unidades de climatização, as bombas de circulação de água, a iluminação, e outros equipamentos representam, respetivamente, cerca de 67,81, 25,26, 2,68 e 3,91% da energia elétrica total consumida. Por fim, a análise à qualidade do ar no interior da nave em Maio e Setembro identificou que as concentrações de ozono apresentavam valores no limite do aceitável em Maio e superiores ao valor de emissão em Setembro. Os compostos orgânicos voláteis também apresentavam valores em Maio 4,98 vezes superior e em Setembro 6,87 vezes superior aos valores máximos exigidos pelo D.L. nº 79/2006. Houve ainda altas concentrações de radão registadas na casa dos filtros, em Maio com um valor 11,49 vezes superior, no entanto esse valor desceu em Setembro para 1,08 vezes, mesmo assim superior ao exigido pelo D.L. nº 79/2006.

Ventilação mista em edifícios de habitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Controlo e optimização de sistemas AVAC recorrendo a técnicas de inteligência artificial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Avaliação do desempenho energético de um grande edifício de serviços existente

Nesta dissertação pretende-se caracterizar o desempenho energético de um grande edifício de serviços existente, da tipologia ensino, avaliar e identificar potenciais medidas que melhorem aquele desempenho, permitindo, em complemento, determinar a sua classificação energética no âmbito da legislação vigente. A pertinência do estudo prende-se com a avaliação do desempenho energético dos edifícios e com o estudo de medidas de melhoria que permitam incrementar a eficiência energética, por recurso a um programa de simulação energética dinâmica certificado – DesignBuilder e tendo em conta a regulamentação portuguesa em vigor. Inicialmente procedeu-se à modelação do edifício com recurso ao programa DesignBuilder, e, simultaneamente, realizou-se um levantamento de todas as suas características ao nível de geometria, pormenores construtivos, sistemas AVAC e de iluminação e fontes de energia utilizadas. Com vista à caracterização do modo de operação do edifício, foi realizado um levantamento dos perfis reais de utilização em termos de ocupação, iluminação e equipamentos para os vários espaços. Foram realizadas medições de caudais de ar novo e da temperatura do ar, em alguns equipamentos e alguns espaços específicos. Foram realizadas medições em tempo real e leituras de contagens da energia eléctrica utilizada, quer em período de aulas quer em período de férias, que permitiram a desagregação das facturas da energia eléctrica que se apresentam globais para o campus do ISEP. Foram realizadas leituras de contagens de gás natural. Em sequência, foi realizada a simulação energética dinâmica com o intuito de ajustar o modelo criado aos consumos reais e de analisar medidas de melhoria que lhe conferissem um melhor desempenho energético. Essas medidas são agrupadas em quatro tipos: - Medidas de natureza comportamental; - Medidas de melhoria da eficiência energética nos sistemas de iluminação; - Medidas de melhoria de eficiência energética nos sistemas AVAC;- Medidas que visam a introdução de energias de fonte renovável; Em sequência, foi elaborada a simulação nominal e calculados os indicadores de eficiência energética com vista à respectiva classificação energética do edifício, tendo o edifício apresentado uma Classe Energética D de acordo com a escala do SCE. Finalmente, foi avaliado o impacto das diferentes medidas de melhoria identificadas e com potencial de aplicação, isto é, que apresentaram um retorno simples do investimento inferior a oito anos, tanto ao nível do desempenho energético real do edifício, como ao nível da sua classificação energética. De onde se concluiu que existe um potencial de 7% de redução nos consumos energéticos actuais do edifício e de 18% se o funcionamento do edifício for em pleno, ou seja, se todos os seus sistemas estiverem efectivamente em funcionamento, e que terá impacto na classificação energética alcançado uma Classe Energética C.