Simulação numérica do escoamento em turbinas colocadas numa falésia

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Modelado y análisis del comportamiento hidro-elástico de rotores para DAECS

La transformación de la energía cinética del mar en una fuente renovable de energía eléctrica podría ser un hecho relevante desde el punto de visto tecnológico en un futuro cercano. En el campo de las energías renovables marinas, las turbinas de corrientes de eje horizontal son posiblemente el dispositivo más adecuado para la obtención de electricidad. Las técnicas de cálculo existentes en la actualidad para obtener las distribuciones de cargas a las que está sometida una pala de una turbina de corrientes son las siguientes: Modelos de disco actuador, Método de líneas sustentadoras y método de elementos finitos. Estas técnicas presentan ciertas dificultades para su implementación y obtención de resultados preliminares, ya que entrañan gran complejidad conceptual y su entendimiento no resulta sencillo ni tampoco elaborar procedimientos de cálculo que se puedan utilizar durante la fase de diseño conceptual o básico de una turbina. En este trabajo, se analizarán los conceptos físicos y matemáticos que intervienen en el funcionamiento de una turbina de corrientes, para confeccionar un método o procedimiento de cálculo que sea relativamente intuitivo y sencillo de manejar. Esta herramienta de cálculo permitirá obtener resultados para el diseño básico, y también puede ser un punto de partida para manejar otras herramientas de cálculo más avanzadas ya que los principios fundamentales son los mismos. En la parte final del trabajo se aplicarán las ecuaciones obtenidas a varios casos reales de turbinas de corrientes. ABSTRACT Transforming the kinetic energy of the sea into renewable useful source electricity could be a relevant technologic development in the near future. In this field, marine horizontal axis turbines (HAT) are possibly, the most important devices. The current calculation techniques used to obtain the acting forces or loads in the marine current horizontal axis rotor blades: Actuator disc models, lifting lines and finite element method, have certain disadvantages which lead difficulties to obtain relatively quick results, in addition, these methods are not easy to understand and mastering, and furthermore, complex computing tools are required to obtain results. In the present work, the common physical and mathematic fundamentals will be studied and analyzed with the aim to create a new easier managing calculating tool. The proposed procedure of this document can be considered as a help towards to calculate preliminary solutions easier, and also a starting point to manage physical ideas which could be used with other calculation tools. And finally, the mathematic fundamentals will be explained and the implementation of the equations in a real case. Nevertheless, due to the real complexity of the problem, the assumed simplifications of this model must be taken into account, in order to know the possible calculating limitations of this procedure and consequently use it correctly.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.

Degradação de corantes ácidos por processos oxidativos avançados usando um reator com disco rotatório de baixa velocidade

Three technologies were tested (TiO2/UV, H2O2/UV, and TiO2/H2O2/UV) for the degradation and color removal of a 25 mg L-1 mixture of three acid dyes: Blue 9, Red 18, and Yellow 23. A low speed rotating disc reactor (20 rpm) and a H2O2 concentration of 2.5 mmol L-1 were used. The dyes did not significantly undergo photolysis, although they were all degraded by the studied advanced oxidation processes. With the TiO2/H2O2/UV process, a strong synergism was observed (color removal reached 100%). Pseudo first order kinetic constants were estimated for all processes, as well as the respective apparent photonic efficiencies.

O efeito da carga normal no comportamento tribológico de uma superliga de cobalto no ensaio pino-disco

O coeficiente de atrito e o desgaste nas superligas de cobalto são fortemente influenciados pela transformação de fase de CFC para HC que ocorre devido ao trabalho mecânico, conforme já reportado pela literatura. Após essa transformação, os valores de μ costumam se situar na faixa de 0,15 a 0,20. Este trabalho apresenta o comportamento do atrito e do desgaste em um ensaio de deslizamento sem lubrificação utilizando uma configuração pino-disco, sendo o pino feito de aço inoxidável supermartensítico e o disco de uma superliga de cobalto fundida, num tribômetro PLINT TE67. Os ensaios foram conduzidos em temperatura ambiente, com uma velocidade e variando-se a carga normal de deslizamento entre 5 e 500 N. O coeficiente de atrito e o potencial elétrico de contato foram monitorados durante os ensaios. Utilizou-se a MEV e a perfilometria 3D para caracterizar o volume e o mecanismo de desgaste. Para as cargas de 350, 400 e 450 N, após atingir condições de regime estacionário, um valor de coeficiente de atrito não usual (μ<0,01) e uma baixa taxa de desgaste foram encontradas. A análise da difração de raios-X revelou a presença de transformação de fases.

A propósito de um disco

Este trabalho destina-se às provas para obtenção do Estatuto de Especialista na Escola Superior de Música, Artes e Espectáculo do Instituto Politécnico do Porto. Com ele pretendo abordar a música portuguesa para clarinete e electrónica, com a qual gravei o meu último disco que acaba de ser editado pela Miso Records. O propósito não é falar apenas sobre o disco em si mas, sobretudo, da música que lhe dá corpo. Descrever um pouco esta música, que envolve um instrumento com 300 anos, que é o clarinete, e uma tecnologia que evolui todos os dias, centrado nos seus aspectos performativos. Este disco acabou por ser uma consequência de um processo que é, fundamentalmente, de performance e de tudo o que a precede e envolve. É isso que tentarei explorar aqui. Há mais de 10 anos que tinha o objectivo de explorar, enquanto intérprete, o repertório para clarinete solo e electrónica. No entanto, esse desejo foi sendo sucessivamente adiado por diversas razões que se prendem fundamentalmente com a especificidade de um projeto desta natureza e com as necessidades de vária ordem que exige. As condições para a realização desse projeto pessoal começaram a criar-se em 2007, com o aparecimento do Sond’Ar-te Electric Ensemble e com a minha integração nesse grupo. Sendo um agrupamento criado no seio da Miso Music Portugal com o propósito de fazer fundamentalmente música mista, estava encontrado o parceiro ideal para que pudesse fazer música para clarinete e electrónica com regularidade. Por se tratar de uma instituição que privilegia sobretudo a criação e divulgação da música e dos músicos portugueses, o repertório a trabalhar começou por ser, naturalmente, o de compositores portugueses que já tivessem obras ou que estivessem a compor para clarinete e electrónica. Com a realização de vários concertos, bem como a estreia e rodagem de algumas obras, em 2009 decidimos fazer a gravação de 6 dessas obras para posterior edição em disco. Essa gravação, realizada em Dezembro de 2009, acaba de ser editado pela Miso Records e são essas obras que decidi explorar neste trabalho. Escolhi este repertório por várias razões, sendo as mais importantes o conhecimento das obras e da sua história enquanto intérprete, tendo mesmo estado envolvido em algumas delas desde o seu início, e a proximidade pessoal e musical que mantenho com os compositores. Para este trabalho procurei fazer uma resenha da história das obras e explorar dois aspectos que me parecem pertinentes neste tipo de repertório: por um lado, a relação que é absolutamente necessária entre intérprete e compositor para a criação desta música e por outro, um novo paradigma que surge, naturalmente, da relação dos compositores com o público, pelo seu envolvimento direto com o som que é produzido. Para isso, para além da experiência pessoal, contei com o envolvimento dos compositores na resposta a um questionário que lhes enviei. Esse questionário foi elaborado com o objectivo de explorar dois aspectos: as diferenças entre a electrónica em tempo real e em tempo diferido e também o do papel dos intérpretes na motivação para a composição e como catalisadores e fontes de informação técnica para o trabalho dos compositores. Começarei por abordar a música mista, na sua envolvente performativa. Antes de mais, importa delimitar conceitos e compreender o que é este tipo de música. Poderemos, neste caso concreto, considerar a música que foi, e continua a ser, composta para clarinete e electrónica. No entanto, entendo por música mista toda a música que relaciona a electrónica com instrumentos ditos acústicos. Embora reconhecendo que esta é uma forma um pouco ambígua de definir o conceito, será porventura a que se explicará por poucas palavras e de uma forma simples. Digo ambígua porque se considerarmos que a música electrónica, para ser escutada, tem de passar por processos acústicos de difusão, teríamos aqui um problema para definir o que é e o que não é acústico. Consideremos então os instrumentos tradicionais, sem qualquer processo eléctrico ou electrónico na sua origem sonora, como acústicos, ainda que para efeitos de difusão conjunta com a electrónica sejam, em muitos casos, amplificados e/ou equalizados de forma a poder obter-se uma interpretação coesa e optimizar-se uma sonoridade conjunta. Neste caso, que é o da música mista para clarinete de compositores portugueses, começaria por abordar os aspectos performativos dividindo-os em duas classes importantes que se prendem com a forma como a electrónica é apresentada: em tempo real ou em tempo diferido. Se a música com electrónica em tempo real depende do sinal emitido pelo instrumento, e a partir daí a electrónica é processada e gerada através de programas como Max/MSP, o mais utilizado hoje em dia, a música electrónica em tempo diferido está toda predefinida à partida e é apresentada em suporte físico, sob a forma de um ou vários ficheiros áudio que são difundidos ao longo da performance. Há também quem utilize os dois processos de forma concorrente e complementar na mesma obra.

Actuador linear para teste de teclas na indústria automóvel

As indústrias de componentes e acessórios automóveis são um elo fundamental no processo produtivo da indústria automóvel. Neste leque industrial encontra-se a Preh Portugal, Lda, como empresa fornecedora de componentes electrónicos, mais concretamente, painéis de controlo de climatização. Os painéis fornecidos pela Preh aos seus clientes encontram-se sujeitos a rigorosos testes de qualidade e funcionalidade. Neste sentido o teste funcional das teclas surge, relacionando o curso da tecla em função de uma força actuante. Esta relação está comprometida com uma curva característica padrão para o tipo de tecla. Para além destes compromissos, também é necessário que a tecla feche e abra o seu contacto eléctrico. Esta tese foca-se no desenvolvimento do teste de teclas, apresentando uma alteração ao sistema actual com a introdução de um sistema embebido, no intuito de flexibilizar o sistema de teste e reduzindo custos. O sistema embebido pretende dar capacidade de processamento ao teste e, desta forma, substituir o actual computador como elemento de processamento. A solução implementada consistiu numa mudança estrutural, através da inclusão do sistema embebido entre o computador e o sistema de deslocamento. Passando o foco central do processo de teste a residir no sistema embebido, este tem de estabelecer comunicações com os restantes elementos intervenientes no teste. Estabelece comunicações série RS-232 com o sistema de deslocamento (leitura do curso e força na tecla), Ethernet com o computador (comandos, parâmetros e resultados) e CAN com o painel de controlo de climatização (fecho/abertura do contacto eléctrico). A concretização deste projecto resultou numa nova estrutura e aplicação, a qual é facilmente integrada na linha de produção com as vantagens de ser menos onerosa e mais flexível, conforme o pretendido.

Espetroscopia (1H) por ressonância magnética do disco intervertebral lombar no adulto e sua aplicação na rotina imagiológica

Objetivos – Demonstrar o potencial da espetroscopia (1H) por ressonância magnética na doença degenerativa discal lombar e defender a integração desta técnica na rotina clínico‑imagiológica para a precisa classificação da involução vs degenerescência dos discos L4‑L5 e L5‑S1 em doentes com lombalgia não relacionável com causa mecânica. Material e métodos – O estudo incluiu 102 discos intervertebrais lombares de 123 doentes. Foram estudados 61 discos de L4‑L5, 41 discos de L5‑S1 e 34 discos de D12‑L1. Utilizou‑se um sistema de ressonância magnética de 1,5 T e técnica monovoxel. Obtiveram‑se os rácios [Lac/Nacetyl] e [Nacetyl/(Lac+Lípidos)] e aplicou‑se a ressonância de lípidos para avaliar a bioquímica do disco com o fim de conhecer o estado de involução vs degenerescência que o suscetibilizam para a instabilidade e sobrecarga. Avaliou‑se o comportamento dos rácios e do teor lipídico dos discos L4‑L5‑S1 e as diferenças apresentadas em relação a D12‑L1. Foi também realizada a comparação entre os discos L4‑L5, L5‑S1 e D12‑L1 na ponderação T2 (T2W), segundo a classificação ajustada (1‑4) de Pfirrmann. Resultados – Verificou‑se que os rácios e o valor dos lípidos dos discos L4‑L5‑S1 apresentaram diferenças estatisticamente significativas quando relacionados com os discos D12‑L1. O rácio [Lac/Nacetyl] em L4‑L5‑S1 mostrou‑se aumentado em relação a D12‑L1 (p=0,033 para os discos com grau de involução [1+2] e p=0,004 para os discos com grau [3+4]). Estes resultados sugerem que a involução vs degenerescência dos discos nos graus mais elevados condiciona um decréscimo do pico do Lactato. O rácio [Nacetyl/(Lac+Lip)] discrimina os graus de involução [1+2] do [3+4] no nível L4‑L5, apresentando os valores dos rácios (média 0,65 e 0,5 respetivamente com p=0,04). O rácio médio de [Nacetyl/(Lac+Lip)] dos discos L4‑L5 foi 1,8 vezes mais elevado do que em D12‑L1. O espetro lipídico em L4‑L5‑S1 nos graus mais elevados não mostrou ter uma prevalência constante quanto às frequências de ressonância. Conclusão – A espetroscopia (1H) dos discos intervertebrais poderá ter aplicação na discriminação dos graus de involução vs degenerescência e representar um contributo semiológico importante em suplemento à ponderação T2 convencional. As ressonâncias de lípidos dos discos L4‑L5 e L5‑S1, involuídos ou degenerados, devem ser avaliadas em relação a D12‑L1, utilizando este valor como referência, pois este último é o nível considerado estável e com baixa probabilidade de degenerescência.

Projecto de uma caixa de velocidades eléctrica por meio da variação do número de pólos para motores em disco de rotor em alumínio e em materiais supercondutores de alta temperatura (SAT)

Nesta dissertação apresenta-se um motor em disco polifásico inovador bem como uma estratégia de controlo com base no método de variação de velocidade por comutação do número de pares de pólos. A configuração das bobinas aliada à escolha das correntes e tensões que se injectam nas bobinas dos estatores, permite comutar electronicamente o número de pólos do motor entre 2, 4 6 e 8 pólos, conseguindo-se controlar a característica binário/velocidade do motor. O motor em disco possui a bobinagem feita em cobre com dois semi-estatores, em que quando utiliza o rotor em alumínio (com condutividade diferente de zero) comporta-se como um motor de indução convencional. Quando se substitui o rotor em alumínio por um constituído por um supercondutor de alta temperatura (SAT), o dispositivo comporta-se como um motor de histerese. O princípio de funcionamento do motor em disco convencional é baseado na indução de força electromotrizes no rotor e, consequentemente, uma vez que o alumínio é bom condutor eléctrico, correntes eléctricas induzidas, originadas por haver um campo magnético variável que é criado pelos semi-estatores. O comportamento deste tipo de motores, no que diz respeito a principais características (como o binário/velocidade para os diferentes números de pares de pólos), circuito equivalente de Steinmetz, entre outras teorias associadas é já conhecido há bastante tempo. O princípio de funcionamento do motor SAT é diferente do apresentado anteriormente, funciona com base na dinâmica de vórtices e devido ao facto de aparecer o fenómeno de ancoragem de fluxo (flux pinning) nos supercondutores de alta temperatura. Como o campo magnético varia, então o disco roda. Este motor tem um princípio de funcionamento muito mais complexo que o motor de indução sendo a obtenção do modelo do motor SAT complicada. A obtenção do modelo do motor SAT não é abordado nesta dissertação. Os comportamentos e modos de operação do motor com disco de alumínio e em materiais SAT são simulados através de um programa comercial de elementos finitos, nesta dissertação, sendo a supercondutividade simulada com base na relação entre o campo eléctrico e a densidade de corrente pela lei da potenciação (E-J power law). Com as simulações pretende-se comparar o rendimento electromecânico de ambos os motores.

Projecto e ensaio de um motor de indução em disco com armadura supercondutora

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Análise e projecto de estruturas para substituição do disco intervertebral

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Avanços em esquemas de bombeamento para lasers de disco fino

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física – especialidade de Óptica Aplicada pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Estudo de um actuador baseado em ligas com memória de forma

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Perfil Estruturas

Projeto de um alternador síncrono em disco para um gerador com energia das ondas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e Computadores

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.