Medição experimental e previsão de velocidade do som de componentes de biocombustíveis

A velocidade do som é uma propriedade que vem sendo cada vez mais utilizada em diferentes áreas tecnológicas. Além disso, a velocidade do som é uma propriedade termodinâmica que está associada a outras propriedades do meio como a compressibilidade isentrópica e isotérmica, entre outras. Neste contexto, muitos estudos foram realizados a fim de obter modelos precisos que possam representar fielmente a velocidade do som, sendo observados desvios absolutos médios entre 0,13 e 24,8%. Neste trabalho, um banco de dados de velocidade do som e massa específica à pressão atmosférica de n-alcanos, alcanos ramificados, n-alcenos, aromáticos, alcoóis, éteres e ésteres, foram compilados da literatura aberta. Utilizando estes dados e baseando-se no modelo de Wada por contribuição de grupo recentemente proposto, foi desenvolvido um novo modelo por contribuição atômica para predizer a velocidade do som de todas as famílias dos compostos investigados neste trabalho. É mostrado que o modelo proposto é capaz de prever a velocidade do som para os compostos destas famílias com desvios próximos da incerteza experimental calculada a partir de diferentes dados da literatura. Este trabalho também discute o efeito da ramificação das cadeias na constante Wada, ressaltando a importância de novas medições para este tipo de compostos. Além disso, observou-se que a literatura necessita de mais dados experimentais de velocidade do som, à pressão atmosférica e diferentes temperaturas para substâncias puras presentes em biodiesel e bio-óleo de pirólise rápida. Neste contexto, o presente trabalho fornece novos dados experimentais de velocidade do som e massa específica de cinco ésteres metílicos de ácidos graxos, também conhecidos como FAMEs, (caprilato de metila, caprato de metila, palmitato de metila, estearato de metila e linoleato de metila), e sete componentes puros presentes em bio-óleo de pirólise à pressão atmosférica, de vários fenóis (fenol, o-, m- e p-cresol), dois éteres fenólicos (2-metoxifenol e eugenol) e um éster fenólico (salicilato de metila), a temperaturas de (288,15-343,15) K. O modelo preditivo de Wada atômico foi utilizado para calcular a velocidade do som dos FAMEs estudados neste trabalho, e os desvios foram comparados com o modelo de Wada por contribuição de grupo. O modelo atômico de Wada foi utilizado para prever a velocidade do som dos componentes puros presentes no bio-óleo de pirólise rápida experimentalmente estudados nesta dissertação. Além disso, os dados de massa específica e velocidade de som foram correlacionados com o modelo de Prigogine-Flory-Patterson (PFP). As propriedades foram bem representadas pelo modelo PFP, no entanto, para a velocidade do som o modelo apresenta desvios sistemáticos na dependência com a temperatura. O desempenho do modelo preditivo de Wada atômico foi considerado satisfatório, devido os desvios observados serem compatíveis ou até menores do que os desvios típicos obtidos na literatura com outros modelos correlativos para o cálculo da velocidade do som de outras substâncias

Comportamento dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro.

O presente trabalho tem como objetivo a análise do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro. Os resultados da instrumentação de campo serão discutidos e retroanalisados, juntamente com dados disponíveis na literatura, buscando-se a definição de parâmetros confiáveis, representativos do comportamento da argila compressível da região em estudo. O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro é uma rodovia projetada que servirá como ligação entre as 5 principais rodovias que cortam o município do Rio de Janeiro. Dada a magnitude da obra e a ocorrência de significativas espessuras de solos moles em alguns trechos da região, determinados aterros que compõem a rodovia foram instrumentados com placas de recalque e inclinômetros, instalados em diferentes estações de monitoramento, no intuito de avaliar os deslocamentos verticais e horizontais dos aterros durante o processo construtivo. De posse de parâmetros confiáveis, procede-se à simulação numérica do processo construtivo de um dos aterros, a partir do programa PLAXIS, de elementos finitos. Os resultados numéricos são confrontados com a instrumentação de campo (fornecida por placas de recalque) e com os resultados de previsões teóricas (teoria de adensamento unidimensional). Em projetos de aterros sobre solos compressíveis, a instrumentação geotécnica é de grande importância, pois permite acompanhar o desenvolvimento de todo o processo construtivo, e as deformações decorrentes da sobrecarga imposta pelo lançamento de camadas de aterro. A imposição de um carregamento sobre solos de alta compressibilidade e baixa resistência pode acarretar em grandes deformações ao longo do tempo, além de rupturas indesejáveis do solo de fundação. Os resultados comprovaram que a modelagem numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para a previsão dos recalques totais e tempos de adensamento. A definição de parâmetros representativos, com base em ensaios executados em amostras de boa qualidade, é o primeiro passo para a previsão coerente da evolução dos recalques com o tempo. A retroanálise do comportamento de aterros sobre solos moles permite a reavaliação das premissas de projeto, uma vez que as limitações das teorias de análise e a dificuldade na seleção de parâmetros, muitas vezes acarretam em estimativas de recalque incoerentes com as observações de campo.

Verificação do desempenho do ensaio de adensamento CRS comparado ao SIC.

A presente dissertação objetiva a verificação do desempenho dos ensaios do tipo CRS, com velocidade controlada, quando comparados aos ensaios de adensamento oedométricos convencionais, SIC. O ensaio SIC é executado em vários estágios de carga, cada qual com vinte e quatro horas de duração e razão unitária entre o incremento de tensão e a tensão anterior, requerendo um prazo total de cerca de 10 dias para sua execução. Já o ensaio de adensamento com velocidade controlada, CRS, tem sua duração bastante reduzida, o que levou diversos pesquisadores da área de Geotecnia a concentrarem esforços no estudo de seu desempenho, visando sua utilização mais ampla. Para este estudo foi adquirido equipamento da empresa Hogentogler Inc., designado por GeoStar. Sua instalação, montagem e calibração foram realizadas no Laboratório de Mecânica dos Solos. Foram executados ensaios em corpos de prova obtidos de amostras de caulim, preparadas em laboratório, e também em amostras de solos originários de dois depósitos de diferentes regiões no Estado do Rio de Janeiro: baixada de Jacarepaguá e Itaboraí. A dissertação procurou detalhar a execução dos ensaios, as dificuldades da interpretação das planilhas originadas pelo sistema de aquisição de dados, acoplado ao equipamento GeoStar, as mudanças efetuadas, as ocorrências não previstas, a análise e interpretação dos resultados e a comparação dos parâmetros obtidos com os ensaios SIC e CRS. Procurou-se estudar o efeito da velocidade de deformação, histórico de tensões, qualidade dos corpos de prova, parâmetros do ensaio, facilidade de execução e desempenho. Verificou-se a simplicidade, rapidez e o desempenho satisfatório do ensaio CRS. Sugere-se estender estudos semelhantes a outros locais e, principalmente, a amostras de qualidade superior, na expectativa de confirmar as conclusões detalhadas nesta pesquisa.

Estudo teórico e experimental da velocidade do som em sistemas contendo hidrocarbonetos

A descoberta de reservatórios de petróleo na camada do pré-sal abriu novas perspectivas para a economia brasileira. A grandes profundidades, com elevado teor de CO2 e submetidos a altas pressões e temperaturas, a exploração de petróleo das camadas de pré-sal constitui um considerável desafio tecnológico. Neste contexto, o conhecimento dos coeficientes de compressibilidade são fundamentais para o estudo do comportamento termodinâmico e escoamento dos fluidos destes campos de produção. Com este objetivo, foram determinadas experimentalmente nesta dissertação a massa específica e a velocidade do som de sistemas envolvendo quatro hidrocarbonetos puros: n-decano, n-hexadecano, decalina e tetralina, assim como para sistemas multicompostos envolvendo estes hidrocarbonetos e para uma amostra de condensado de petróleo. Os resultados obtidos permitiram o cálculo dos coeficientes de compressibilidade isentrópica, isotérmica e isentálpica. É apresentada uma avaliação sobre a capacidade de se correlacionar dados experimentais de velocidade do som aos dados calculados pelas equações de estado de Peng-Robinson e Lee-Kesler com regras de mistura: (i) Spencer e Danner e (ii) Lee-Kesler

Avaliação dos parâmetros de compressibilidade da camada de argila mole da Baixada de Jacarepaguá, após longo período de sobrecarga de aterro.

Foram realizados ensaios de adensamento, SIC e CRS, em amostras retiradas de um depósito argiloso muito mole, na Baixada de Jacarepaguá, 15 anos após a execução de um aterro. As amostras foram retiradas do mesmo local onde foram obtidas as amostras da primeira campanha, por ocasião do projeto. Os ensaios CRS, realizados com diferentes velocidades de deformação, são comparados aos resultados dos ensaios SIC da campanha atual de investigação. Os parâmetros geotécnicos da camada de argila muito mole, 15 anos após a construção do aterro, são comparados aos parâmetros da camada original. O aumento das tensões de sobreadensamento e redução do OCR são obtidos da interpretação dos ensaios atuais. A grandeza do recalque foi inferida a partir da nova estratigrafia, através da espessura atual da camada na região investigada, pela variação do índice de vazios e pela variação do teor médio de umidade. Os recalques previstos originalmente, incluindo a parcela de compressão secundária, são comparados aos recalques inferidos e medidos através de placa de recalque. As principais conclusões da pesquisa sugerem que a qualidade dos corpos de prova da primeira campanha foram superiores aos atuais, apesar dos cuidados com a amostragem, transporte das amostras e preparação dos corpos de prova no laboratório na segunda campanha de ensaios. Atribuiu-se esta ocorrência ao processo construtivo, que impôs movimentação excessiva ao maciço argiloso, interferindo com suas características de maior uniformidade em seu processo de deposição natural. Os ensaios de adensamento com diferentes velocidades de carregamento apresentaram comportamento similar, com variação da posição relativa das curvas e x σv, com ensaios mais rápidos exibindo maiores índices de vazios. As curvas do índice de vazios versus tensão efetiva ilustram, de forma acentuada, a redução significativa do índice de vazios da segunda campanha em relação ao solo natural, antes do lançamento do aterro. Os recalques previstos e os obtidos, seja pela instrumentação, seja pelos demais registros, indicam valores bastante próximos, em face da variabilidade da estratigrafia e dos parâmetros geotécnicos inerentes à natureza dos depósitos sedimentares.

Previsão do comportamento da argila mole da Baixada de Jacarepaguá: o efeito da submersão do aterro e do adensamento secundário.

A argila encontrada na Barra da Tijuca, Rio de Janeiro, é conhecida por ser muito mole e de peso específico bastante baixo. Passados 17 anos após a execução de um aterro em um dos depósitos argilosos da região, foram realizados ensaios de piezocone e SPT para aferir a espessura atual da camada mole. Tendo-se as espessuras originais da camada, determinadas a partir de ensaios de palheta e SPT na época da realização da obra, foi possível,assim, determinar o recalque que realmente ocorreu. O recalque primário foi calculado através dos parâmetros de compressibilidade previamente conhecidos daquele material. Foi aplicada a correção devido à submersão do aterro e, para isso, foi desenvolvida neste trabalho uma nova metodologia de cálculo para este efeito, considerando a submersão do aterro de forma gradual em todo o seu desenvolvimento matemático. Através da diferença entre o recalque total verificado nos ensaios e o recalque primário calculado, determinou-se a magnitude do recalque secundário. Com isso, estimou-se o OCR secundário do local. Este parâmetro surge da teoria que considera que os recalques secundários também ocorrem devido à variação das tensões efetivas, mas, nesse caso, horizontais. As principais conclusões desta pesquisa apontam para um valor de OCR secundário maior do que aquele já conhecido da argila de Sarapuí, que serviu de base para a referida teoria. Além disso, a proposta de cálculo do efeito da submersão se mostrou fácil e rápida de ser aplicada e forneceu resultados próximos daqueles obtidos pelas metodologias usuais.

CFD-DEM simulation of propagation of sound waves in fluid particles fluidised medium

In this work, speed of sound in 2 phase mixture has been explored using CFD-DEM (Computational Fluid Dynamcis - Discrete Element Modelling). In this method volume averaged Navier Stokes, continuity and energy equations are solved for fluid. Particles are simulated as individual entities; their behaviour is captured by Newton's laws of motion and classical contact mechanics. Particle-fluid interaction is captured using drag laws given in literature.The speed of sound in a medium depends on physical properties. It has been found experimentally that speed of sound drops significantly in 2 phase mixture of fluidised particles because of its increased density relative to gas while maintaining its compressibility. Due to the high rate of heat transfer within 2 phase medium as given in Roy et al. (1990), it has been assumed that the fluidised gas-particle medium is isothermal.The similar phenomenon has been tried to be captured using CFD-DEM numerical simulation. The disturbance is introduced and fundamental frequency in the medium is noted to measure the speed of sound for e.g. organ pipe. It has been found that speed of sound is in agreement with the relationship given in Roy et al. (1990). Their assumption that the system is isothermal also appears to be valid.

Unstable behavior of low and high speed compressors

By far the greater part of our understanding about stall and surge in axial compressors comes from work on low-speed laboratory machines. As a general rule, these machines do not model the compressibility effects present in high-speed compressors and therefore doubt has always existed about the application of low-speed results to high-speed machines. In recent years interest in active control has led to a number of studies of compressor stability in engine type compressors. This paper presents new data from an eight-stage fixed geometry engine compressor and compares this with low-speed laboratory data.

Nested sampling for materials: the case of hard spheres

The recently introduced nested sampling algorithm allows the direct and efficient calculation of the partition function of atomistic systems. We demonstrate its applicability to condensed phase systems with periodic boundary conditions by studying the three dimensional hard sphere model. Having obtained the partition function, we show how easy it is to calculate the compressibility and the free energy as functions of the packing fraction and local order, verifying that the transition to crystallinity has a very small barrier, and that the entropic contribution of jammed states to the free energy is negligible for packing fractions above the phase transition. We quantify the previously proposed schematic phase diagram and estimate the extent of the region of jammed states. We find that within our samples, the maximally random jammed configuration is surprisingly disordered.

Low-order modelling of ducted flames with temporally varying equivalence ratio in realistic geometries

The interaction between unsteady heat release and acoustic pressure oscillations in gas turbines results in self-excited combustion oscillations which can potentially be strong enough to cause significant structural damage to the combustor. Correctly predicting the interaction of these processes, and anticipating the onset of these oscillations can be difficult. In recent years much research effort has focused on the response of premixed flames to velocity and equivalence ratio perturbations. In this paper, we develop a flame model based on the socalled G-Equation, which captures the kinematic evolution of the flame surfaces, under the assumptions of axisymmetry, and ignoring vorticity and compressibility. This builds on previous work by Dowling [1], Schuller et al. [2], Cho & Lieuwen [3], among many others, and extends the model to a realistic geometry, with two intersecting flame surfaces within a non-uniform velocity field. The inputs to the model are the free-stream velocity perturbations, and the associated equivalence ratio perturbations. The model also proposes a time-delay calculation wherein the time delay for the fuel convection varies both spatially and temporally. The flame response from this model was compared with experiments conducted by Balachandran [4, 5], and found to show promising agreement with experimental forced case. To address the primary industrial interest of predicting self-excited limit cycles, the model has then been linked with an acoustic network model to simulate the closed-loop interaction between the combustion and acoustic processes. This has been done both linearly and nonlinearly. The nonlinear analysis is achieved by applying a describing function analysis in the frequency domain to predict the limit cycle, and also through a time domain simulation. In the latter case, the acoustic field is assumed to remain linear, with the nonlinearity in the response of the combustion to flow and equivalence ratio perturbations. A transfer function from unsteady heat release to unsteady pressure is obtained from a linear acoustic network model, and the corresponding Green function is used to provide the input to the flame model as it evolves in the time domain. The predicted unstable frequency and limit cycle are in good agreement with experiment, demonstrating the potential of this approach to predict instabilities, and as a test bench for developing control strategies. Copyright © 2011 by ASME.

Elastic properties of crystalline-amorphous core-shell silicon nanowires

The pressure behavior of Raman frequencies and line widths of crystalline core-amorphous shell silicon nanowires (SiNWs) with two different core-to-shell ratio thicknesses was studied at pressures up to 8 GPa. The obtained isothermal compressibility (bulk modulus) of SiNWs with a core-to-shell ratio of about 1.8 is ∼20% higher (lower) than reported values for bulk Si. For SiNWs with smaller core-to-shell ratios, a plastic deformation of the shell was observed together with a strain relaxation. A significant increase in the full width at half-maximum of the Raman LTO-peak due to phonon decay was used to determine the critical pressure at which LTO-phonons decay into LO + TA phonons. Our results reveal that this critical pressure in strained core-shell SiNWs (∼4 GPa) is different from the reported value for bulk Si (∼7 GPa), whereas no change is observed for relaxed core-shell SiNWs. © 2013 American Chemical Society.

Unified compression model for venice lagoon natural silts

Over the last 50 years, the city of Venice, Italy, has observed a significant increase in the frequency of flooding. Numerous engineering solutions have been proposed, including the use of movable gates located at the three lagoon inlets. A key element in the prediction of performance is the estimation of settlements of the foundation system of the gates. The soils of Venice Lagoon are characterized by very erratic depositional patterns of clayey silts, resulting in an extremely heterogeneous stratigraphy with discontinuous layering. The soils are also characterized by varying contents of coarse and fine-grained particles. In contrast, the mineralogical composition of these deposits is quite uniform, which allows us to separate the influence of mineralogy from that of grain size distribution. A comprehensive geotechnical testing program was performed to assess the one-dimensional compression of Venice soils and examine the factors affecting the response in the transition from one material type to another. The compressibility of these natural silty clayey soils can be described by a single set of constitutive laws incorporating the relative fraction of granular to cohesive material. © 2007 ASCE.

Structural, elastic, and electronic properties of cubic perovskite BaHfO3 obtained from first principles

We investigated the structural, elastic, and electronic properties of the cubic perovskite-type BaHfO3 using a first-principles method based on the plane-wave basis set. Analysis of the band structure shows that perovskite-type BaHfO3 is a wide gap indirect semiconductor. The band-gap is predicted to be 3.94 eV within the screened exchange local density approximation (sX-LDA). The calculated equilibrium lattice constant of this compound is in good agreement with the available experimental and theoretical data reported in the literatures. The independent elastic constants (C-11, C-12, and C-44), bulk modules B and its pressure derivatives B', compressibility beta, shear modulus G, Young's modulus Y, Poisson's ratio nu, and Lame constants (mu, lambda) are obtained and analyzed in comparison with the available theoretical and experimental data for both the singlecrystalline and polycrystalline BaHfO3. The bonding-charge density calculation make it clear that the covalent bonds exist between the Hf and 0 atoms and the ionic bonds exist between the Ba atoms and HfO3 ionic groups in BaHfO3. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Propulsion characteristics of wing-in-ground effect dual-foil propulsors

Propulsion characteristics of wing-in-ground effect propulsors were investigated using a comparative analysis of thrust and powering characteristics between wing-in-ground (WIG) effect thrusters and traditional screw propellers. WIG thrusters were found to have constant thrust production and efficiency, nearly independent of speed of advance, as contrary to screw propellers, whose optimum efficiency occurs at only one speed point. To produce the same amount of thrust as equivalent screw propellers, WIG thrusters have to work under heavily loaded operating conditions. WIG thrusters were also found to produce a relatively lower but nearly constant efficiency and thrust, independent of speed. Another distinguishing propulsion characteristic revealed for WIG thrusters is that they are capable of operating at much higher speeds, in a range of three to six times that of screw propellers of the same size. While the speed range of screw propellers is mainly limited by their geometric pitch, the speed range of WIG thrusters has no speed limit in ideal fluid. In reality, the speed range is only limited by viscous drag and cavitation, or compressibility, in water or air, respectively. This suggests a potential for WIG thrusters of higher speed application than screw propellers. An experimental investigation and validation of the propulsion system is warranted. Crown Copyright (C) 2010 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling study to compare the flow and heat transfer characteristics of low-power hydrogen, nitrogen and argon arc-heated thrusters

A modelling study is performed to compare the plasma °ow and heat transfer char- acteristics of low-power arc-heated thrusters (arcjets) for three di®erent propellants: hydrogen, nitrogen and argon. The all-speed SIMPLE algorithm is employed to solve the governing equa- tions, which take into account the e®ects of compressibility, Lorentz force and Joule heating, as well as the temperature- and pressure-dependence of the gas properties. The temperature, veloc- ity and Mach number distributions calculated within the thruster nozzle obtained with di®erent propellant gases are compared for the same thruster structure, dimensions, inlet-gas stagnant pressure and arc currents. The temperature distributions in the solid region of the anode-nozzle wall are also given. It is found that the °ow and energy conversion processes in the thruster nozzle show many similar features for all three propellants. For example, the propellant is heated mainly in the near-cathode and constrictor region, with the highest plasma temperature appear- ing near the cathode tip; the °ow transition from the subsonic to supersonic regime occurs within the constrictor region; the highest axial velocity appears inside the nozzle; and most of the input propellant °ows towards the thruster exit through the cooler gas region near the anode-nozzle wall. However, since the properties of hydrogen, nitrogen and argon, especially their molecular weights, speci¯c enthalpies and thermal conductivities, are di®erent, there are appreciable di®er- ences in arcjet performance. For example, compared to the other two propellants, the hydrogen arcjet thruster shows a higher plasma temperature in the arc region, and higher axial velocity but lower temperature at the thruster exit. Correspondingly, the hydrogen arcjet thruster has the highest speci¯c impulse and arc voltage for the same inlet stagnant pressure and arc current. The predictions of the modelling are compared favourably with available experimental results.