Wells turbine: fiberglass flanges

A introdução desta tese começa por realizar um enquadramento do projecto em mão, apresentando a central de energia das ondas em que se encontram os componentes em fibra de vidro a projectar. Esta central usa o princípio de variação de coluna de água, e encontra-se localizada na ilha do Pico, Açores. São de seguida apresentados os objectivos deste trabalho, que consistem na selecção de materiais de fabrico dos componentes, desenvolvimento de uma metodologia para projectar juntas aparafusadas em materiais compósitos, dimensionamento e comparação de duas juntas concorrentes em materiais compósitos: junta solicitada à tracção e junta solicitada ao corte, validação da análise e estudo das causas dos vários tipos de falha destas juntas. A parte I deste trabalho é o resultado da pesquisa bibliográfica efectuada para levar a cabo os objectivos definidos. Assim, começa por se fazer uma descrição dos materiais e processos de fabrico que mais se adequam ao presente projecto, nomeadamente fibra de vidro, resinas, tecidos, impregnação manual, RTM e infusão por vácuo. Daqui resultou que os materiais mais adequados para esta aplicação são fibra de vidro do tipo E e resina polyester devido ao seu baixo custo e larga utilização em aplicações estruturais marinhas. O processo de fabrico mais eficiente é a infusão por vácuo devido á sua vocação para pequenas séries de produção, a poupança que permite em termos de mão-de-obra, a complacência com normas de emissão de voláteis e as boas propriedades das partes produzidas. No capítulo II da parte I são discutidos os tópicos relacionados com juntas em materiais compósitos. Da pesquisa levada a cabo conclui-se que as grandes vantagens das juntas aparafusadas são a sua facilidade de montagem e desmontagem, facilidade de inspecção e capacidade de ligar quaisquer tipos de materiais. Quanto à furação de compósitos é importante referir a necessidade de utilizar ferramentas resistentes e parâmetros de maquinação que minimizem o dano infligido aos laminados. Isto é possível através da selecção de ferramentas com passos baixos que reduzam igualmente a dimensão do seu centro estático responsável pela força axial exercida sobre o laminado - principal factor causador de dano. Devem-se igualmente utilizar baixas velocidades de avanço e elevadas velocidades de rotação. É importante salientar a importância da realização de pré-furação, de utilização de um prato de suporte na superfície de saída do laminado e a existência de ferramentas especialmente concebidas para a furação de compósitos. Para detectar e quantificar o dano existente num furo destacam-se os métodos de inspecção ultrasónica e a radiografia. Quanto aos parâmetros que influenciaram o comportamento de juntas aparafusadas destacam-se os rácios largura/diâmetro, distância ao bordo/diâmetro, espessura/diâmetro, pré-tensão, fricção, sequência de empilhamento e respectivas proporções, dimensão das anilhas e folga entre o parafuso e o furo. A pesquisa efectuada visando metodologias de projecto fiáveis ditou a necessidade de utilizar métodos que permitiram determinar o parafuso mais carregado de uma junta, efectuar o cálculo de tensões no mesmo, e ainda métodos que permitam determinar a primeira falha que ocorre no laminado bem como a falha final no mesmo. O capítulo III da primeira parte descreve os métodos de análise de tensões necessários para as metodologias de projecto utilizadas. Aqui é apresentada a teoria clássica da laminação, um método para determinação do parafuso mais carregado, um método analítico baseado na teoria da elasticidade anisotrópica de um corpo e o método dos elementos finitos. O método para determinar o parafuso mais carregado - análise global - consiste num modelo bidimensional de elementos finitos em que 2 laminados coincidentes são modelados com elementos lineares de casca com 4 nós, sendo a extremidade de um laminado restringida em todos os graus de liberdade e a extremidade oposta do segundo laminado carregada com a carga pretendida. Os laminados são ligados através de elementos mola que simulam os parafusos, sendo a sua constante de rigidez previamente calculada para este fim. O método analítico modela o contacto assumindo uma distribuição de pressão cosinoidal ao longo de metade do furo, e é válido para laminados simétricos e quasi-isotrópicos. O método dos elementos finitos é o que mais factores permite ter em conta, sendo os modelos tridimensionais com um elemento por camada os que melhor modelam o estado de tensões experienciado por uma junta aparafusada em materiais compósitos. O tópico de análise de falha é abordado no capítulo 4 da primeira parte. Aqui são apresentados os resultados do world wide failure exercice que compara vários critérios de falha existentes até 2004, fazendo-se referência a desenvolvimentos recentes que têm ocorrido nesta área. O critério de Puck surge como aquele que permite previsões de falha mais exactas. O critério de falha de Hashin 3D foi o escolhido para o presente trabalho, devido à sua facilidade de implementação num modelo de elementos finitos, à sua capacidade para detectar modos de falha subcríticos e à sua utilização em trabalhos anteriores que apresentaram previsões de falha muito próximas dos dados experimentais. Também neste capítulo se apresentaram os vários tipos de falha de uma junta aparafusada em materiais compósitos, apresentando as causas de cada uma. Por fim, na última secção, apresenta-se o método de dano progressivo que se desenvolveu para prever a primeira falha final do laminado. Este é muito interessante tendo permitido previsões de falha muito próximas dos resultados experimentais em trabalhos anteriores. Este método é iterativo e encontra-se dividido em 3 passos: Análise de tensões, análise de falha utilizando o critério de Hashin 3D e degradação de propriedades, de acordo com o tipo de falha detectada. Para além dos passos referidos, existe ainda um quarto responsável pelo fim da análise que consiste na aferição da existência ou não de falha final e respectivo tipo de falha (por pressão de contacto, por tensão ou por esforços de corte). No capítulo V da primeira parte é apresentado o resultado de uma pesquisa das normas de teste necessárias para obter as propriedades dos materiais requeridas para a aplicação dos métodos descritos neste trabalho. A parte II deste trabalho consiste na aplicação dos métodos apresentados na parte I ao caso concreto em estudo. Os softwares Microsoft Excel, Matlab e ANSYS foram utilizados para este fim. A junta começa por ser dimensionada estimando a espessura necessária do componente e o número e características dos parafusos. De seguida foi feita uma análise global à flange em estudo determinando a força suportada pelo parafuso mais carregado. Após esta análise desenvolveu-se um modelo tridimensional de elementos finitos da zona em que se encontra o parafuso mais carregado, utilizando elementos sólidos lineares e isoparamétricos de 8 nós e uma malha gerada pelo método directo. Aplicou-se a este modelo o algoritmo de dano progressivo descrito na primeira parte. Começou por se incluir explicitamente o parafuso, anilhas, pré-tensão e a modelação dos vários contactos com fricção posteriormente simplificado o modelo restringindo radialmente os nós da porção carregada do furo, excluindo os factores mencionados inicialmente. Procurou-se validar o modelo utilizando o método de cálculo de tensões descrito na primeira parte, desenvolvendo um programa em Matlab para o efeito. Tal não foi possível tendo-se incluído a tentativa realizada em anexo. Para efeitos de dimensionamento, desenvolveu-se um modelo de elementos finitos de duas dimensões da junta em causa, utilizando elementos de casca lineares de quatro nós isoparamétricos com uma espessura unitária. Através da análise de tensões efectuada com este modelo, e utilizando um método combinado programado em linguagem paramétrica, foi possível dimensionar as duas juntas concorrentes pretendidas. Este método combinado consistiu no cálculo de tensões em pontos localizados sobre uma curva característica e utilização de um critério de falha quadrático para cálculo da espessura necessária para a junta. O dimensionamento ditou que a junta solicitada à tensão necessita de pelo menos 127% das camadas e do custo de uma junta solicitada ao corte equivalente.

Modelagem e análise de desempenho de sistema para geração de energia elétrica através de ondas marítimas.

Mediante a crescente necessidade de aumento na oferta de energia elétrica devido à constante elevação na demanda mundial, esta dissertação avalia o desempenho de um sistema conversor de energia de ondas marítimas em energia elétrica. O sistema em análise é o de coluna de água oscilante com turbina de dupla ação instalado na costa. Utiliza-se um modelo regular de ondas como perturbação à dinâmica de uma câmara semi-submersa gerando fluxo de ar através de uma turbina à ar de dupla ação. O sistema final é não linear e com parâmetros variantes no tempo. A dissertação investiga possibilidades para o aumento do rendimento da turbina em diferentes condições de mar através do método de simulação numérica. Após a modelagem física e matemática do sistema escolhido, inicia-se a síntese de um controlador proporcional derivativo para controle da pressão de ar na turbina em torno da pressão ideal de trabalho da mesma. A análise inclui o comparativo entre os resultados do sistema com e sem controlador e a avaliação de robustez utilizando ondas com amplitude variável. O trabalho apresenta ainda propostas de otimização do sistema para trabalhar em condições similares a região de Pecém no Brasil. Pelos resultados obtidos nas simulações, conclui-se que o rendimento e a robustez do sistema podem melhorar utilizando um sistema controlado. O rendimento do sistema poderá ainda ser otimizado para a região de instalação.

Aeromonas presence in drinking water from collective reservoirs and wells in peri-urban area in Brazil

Aeromonas genus is considered an emerging pathogen and its presence in drinking water supplies is a reason to public health concern. This study investigated the occurrence of Aeromonas in samples from collective reservoirs and wells used as drinking water sources in a peri-urban area. A total of 35 water samples were collected from collective reservoirs and 32 from wells bimonthly, from September 2007 to September 2008. Aeromonas spp determination was carried out using a Multiple-Tube Technique. Samples were inoculated into alkaline peptone water and the superficial film formed was transferred to blood agar plates amended with ampicillin. Typical Aeromonas colonies were submitted to a biochemical screening and then to biochemical tests for species differentiation. Aeromonas was detected in 13 (19%) of the 69 samples examined (6 from collective reservoirs and 7 from wells). Concentrations of Aeromonas in collective reservoirs ranged from <0.3 to 1.2 x10²MPN/100mL and, in wells, from <0.3 to 2.4 x10²MPN/100mL. The most frequent specie in the collective reservoir samples was Aeromonas spp (68%), followed by A. encheleia (14%) and A. allosaccharophila (8%) and A. hydrophila (8%). Aeromonas spp (87%) was the most frequent specie isolated from well samples, followed by A. allosacchariphila (8%), A. encheleia (2%) and A. jandaei (5%). These data show the presence and diversity of Aeromonas genus in the samples analyzed and highlight that its presence in drinking water poses a significant public health concern.

Study of the influence of indium segregation on the optical properties of InGaAs/GaAs quantum wells via split-operator method

In the case of quantum wells, the indium segregation leads to complex potential profiles that are hardly considered in the majority of the theoretical models. The authors demonstrated that the split-operator method is useful tool for obtaining the electronic properties in these cases. Particularly, they studied the influence of the indium surface segregation in optical properties of InGaAs/GaAs quantum wells. Photoluminescence measurements were carried out for a set of InGaAs/GaAs quantum wells and compared to the results obtained theoretically via split-operator method, showing a good agreement.

Spin-Orbit Coupling in n-Type PbTe/PbEuTe Quantum Wells

Magnetoresistance measurements were performed on an n-type PbTe/PbEuTe quantum well and weak antilocalization effects were observed. This indicates the presence of spin orbit coupling phenomena and we showed that the Rashba effect is the main mechanism responsible for this spin orbit coupling. Using the model developed by Iordanskii et al., we fitted the experimental curves and obtained the inelastic and spin orbit scattering times. Thus we could compare the zero field energy spin-splitting predicted by the Rashba theory with the energy spin-splitting obtained from the analysis of the experimental curves. The final result confirms the theoretical prediction of strong Rashba effect on IV-VI based quantum wells.

Thermally activated intersubband scattering and oscillating magnetoresistance in quantum wells

Experimental studies of magnetoresistance in high-mobility wide quantum wells reveal oscillations which appear with an increase in temperature to 10 K and whose period is close to that of Shubnikov-de Haas oscillations. The observed phenomenon is identified as magnetointersubband oscillations caused by the scattering of electrons between two occupied subbands and the third subband which becomes occupied as a result of thermal activation. These small-period oscillations are less sensitive to thermal suppression than the large-period magnetointersubband oscillations caused by the scattering between the first and the second subbands. Theoretical study, based on consideration of electron scattering near the edge of the third subband, gives a reasonable explanation of our experimental findings.

Magnetoresistance oscillations in multilayer systems: Triple quantum wells

Magnetoresistance of two-dimensional electron systems with several occupied subbands oscillates owing to periodic modulation of the probability of intersubband transitions by the quantizing magnetic field. In addition to previous investigations of these magnetointersubband (MIS) oscillations in two-subband systems, we report on both experimental and theoretical studies of such a phenomenon in three-subband systems realized in triple quantum wells. We show that the presence of more than two subbands leads to a qualitatively different MIS oscillation picture, described as a superposition of several oscillating contributions. Under a continuous microwave irradiation, the magnetoresistance of triple-well systems exhibits an interference of MIS oscillations and microwave-induced resistance oscillations. The theory explaining these phenomena is presented in the general form, valid for an arbitrary number of subbands. A comparison of theory and experiment allows us to extract temperature dependence of quantum lifetime of electrons and to confirm the applicability of the inelastic mechanism of microwave photoresistance for the description of magnetotransport in multilayer systems.

Nonlinear transport and oscillating magnetoresistance in double quantum wells

The nonlinear regime of low-temperature magnetoresistance of double quantum wells in the region of magnetic fields below 1 T is studied both experimentally and theoretically. The observed inversion of the magnetointersubband oscillation peaks with increasing electric current and splitting of these peaks are described by the theory based on the kinetic equation for the isotropic nonequilibrium part of electron distribution function. The inelastic-scattering time of electrons is determined from the current dependence of the inversion field.

Interlayer interference in double wells in a tilted magnetic field

Magnetotransport measurements on bilayer electron systems reveal repeated reentrance of the resistance minima at filling factors nu=4N+1 and nu=4N+3, where N is the Landau index number, in the tilted magnetic field. At high filling factors, the Shubnikov-de Haas oscillations exhibit beating effects at certain tilt angles. We attribute such behavior to oscillations of the tunneling gap due to Aharonov-Bohm interference effect between cyclotron orbits in different layers. The interplay between quantum and quasiclassical regimes is established.

Interference oscillations of microwave photoresistance in double quantum wells

We observe oscillatory magnetoresistance in double quantum wells under microwave irradiation. The results are explained in terms of the influence of subband coupling on the frequency dependent photoinduced part of the electron distribution function. As a consequence, the magnetoresistance demonstrates the interference of magnetointersubband oscillations and conventional microwave induced resistance oscillations.

Resonance oscillations of magnetoresistance in double quantum wells

We present the experimental and theoretical studies of the magnetoresistance oscillations induced by the resonance transitions of electrons between the tunnel-coupled states in double quantum wells. The suppression of these oscillations with increasing temperature is irrelevant to the thermal broadening of the Fermi distribution and reflects the temperature dependence of the quantum lifetime of electrons. The gate control of the period and amplitude of the oscillations is demonstrated.

Contrasting LH-HH subband splitting of strained quantum wells grown along [001] and [113] directions

Contrasting responses for the temperature tuning of the electronic structure in semiconductor quantum wells are discussed for heterolayered structures grown along (001) and (113) directions. The temperature affects the strain modulation of the deformation potentials and the effective optical gap is tuned along with the intersub-band splitting in the valence band. A multiband theoretical model accounts for the characterization of the electronic structure, highlighting the main qualitative and quantitative differences between the two systems under study. The microscopic source of strain fields and the detailed mapping of their distribution are provided by a simulation using classical molecular-dynamics technics.

Many-Body Effects on the rho(xx) Ringlike Structures in Two-Subband Wells

The longitudinal resistivity rho(xx) of two-dimensional electron gases formed in wells with two subbands displays ringlike structures when plotted in a density-magnetic-field diagram, due to the crossings of spin-split Landau levels (LLs) from distinct subbands. Using spin density functional theory and linear response, we investigate the shape and spin polarization of these structures as a function of temperature and magnetic-field tilt angle. We find that (i) some of the rings ""break'' at sufficiently low temperatures due to a quantum Hall ferromagnetic phase transition, thus exhibiting a high degree of spin polarization (similar to 50%) within, consistent with the NMR data of Zhang et al. [Phys. Rev. Lett. 98, 246802 (2007)], and (ii) for increasing tilting angles the interplay between the anticrossings due to inter-LL couplings and the exchange-correlation effects leads to a collapse of the rings at some critical angle theta(c), in agreement with the data of Guo et al. [Phys. Rev. B 78, 233305 (2008)].

Spin Hall effect due to intersubband-induced spin-orbit interaction in symmetric quantum wells

We investigate the intrinsic spin Hall effect in two-dimensional electron gases in quantum wells with two subbands, where a new intersubband-induced spin-orbit coupling is operative. The bulk spin Hall conductivity sigma(z)(xy) is calculated in the ballistic limit within the standard Kubo formalism in the presence of a magnetic field B and is found to remain finite in the B=0 limit, as long as only the lowest subband is occupied. Our calculated sigma(z)(xy) exhibits a nonmonotonic behavior and can change its sign as the Fermi energy (the carrier areal density n(2D)) is varied between the subband edges. We determine the magnitude of sigma(z)(xy) for realistic InSb quantum wells by performing a self-consistent calculation of the intersubband-induced spin-orbit coupling.

Intersubband-induced spin-orbit interaction in quantum wells

Recently, we have found an additional spin-orbit (SO) interaction in quantum wells with two subbands [Bernardes , Phys. Rev. Lett. 99, 076603 (2007)]. This new SO term is nonzero even in symmetric geometries, as it arises from the intersubband coupling between confined states of distinct parities, and its strength is comparable to that of the ordinary Rashba. Starting from the 8x8 Kane model, here we present a detailed derivation of this new SO Hamiltonian and the corresponding SO coupling. In addition, within the self-consistent Hartree approximation, we calculate the strength of this new SO coupling for realistic symmetric modulation-doped wells with two subbands. We consider gated structures with either a constant areal electron density or a constant chemical potential. In the parameter range studied, both models give similar results. By considering the effects of an external applied bias, which breaks the structural inversion symmetry of the wells, we also calculate the strength of the resulting induced Rashba couplings within each subband. Interestingly, we find that for double wells the Rashba couplings for the first and second subbands interchange signs abruptly across the zero bias, while the intersubband SO coupling exhibits a resonant behavior near this symmetric configuration. For completeness we also determine the strength of the Dresselhaus couplings and find them essentially constant as function of the applied bias.