Detalhes da Obra
Aluno(a) : Luis Paulo Brasil de Souza
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/03/2024
Local: 106L
Resumo:
Com o aumento das campanhas de tamponamento e abandono de poços de petróleo maduros pelo mundo, vários centros de pesquisa têm investido em ferramentas de inspeções acústicas e técnicas mais robustas para analisar a integridade do poço de petróleo através do tubo de produção. As análises através do tubo de produção proporcionam uma economia significativa na etapa de abandono, porém a sua análise é complexa devido a baixa energia recebida e por eventuais excentricidades. O objetivo deste trabalho é analisar as características dos defeitos aplicados na camada de revestimento de cimento de um poço de petróleo com e sem excentricidade do tubo de produção, através de curvas de dispersão e por curvas de coerência de tempo-vagarosidade; e comparar estas curvas com os dados obtidos por simulações pelos métodos de elementos finitos, semianalíticos e experimentos realizados em escala. Os experimentos realizados contemplaram os casos de defeitos mais comuns encontrados, como a canalização de fluido na camada de cimento, excentricidade do tubo de produção e baixa impedância do cimento. Os modelos semi-analíticos quando comparados com o método de elementos finitos mostraram boa coerência. Para todos os casos com o tubo de produção notou-se uma menor quantidade de modos de onda e menor amplitude dos sinais se comparados com os casos sem o tubo de produção. Os resultados do método de coerência tempo e vagarosidade se mostraram pouco eficazes nas análises de defeitos. Concluiu-se que o método semi-analítico, validado através de diversos modelos analíticos, simulações pelo método de elementos finitos e com diversos experimentos, é uma valiosa ferramenta na análise dos defeitos e verificação da variação dos modos de onda com a excentricidade aplicada.
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Aluno(a) : Luis Paulo Brasil de Souza
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/03/2024
Local: 106L
Resumo:
Com o aumento das campanhas de tamponamento e abandono de poços de petróleo maduros pelo mundo, vários centros de pesquisa têm investido em ferramentas de inspeções acústicas e técnicas mais robustas para analisar a integridade do poço de petróleo através do tubo de produção. As análises através do tubo de produção proporcionam uma economia significativa na etapa de abandono, porém a sua análise é complexa devido a baixa energia recebida e por eventuais excentricidades. O objetivo deste trabalho é analisar as características dos defeitos aplicados na camada de revestimento de cimento de um poço de petróleo com e sem excentricidade do tubo de produção, através de curvas de dispersão e por curvas de coerência de tempo-vagarosidade; e comparar estas curvas com os dados obtidos por simulações pelos métodos de elementos finitos, semianalíticos e experimentos realizados em escala. Os experimentos realizados contemplaram os casos de defeitos mais comuns encontrados, como a canalização de fluido na camada de cimento, excentricidade do tubo de produção e baixa impedância do cimento. Os modelos semi-analíticos quando comparados com o método de elementos finitos mostraram boa coerência. Para todos os casos com o tubo de produção notou-se uma menor quantidade de modos de onda e menor amplitude dos sinais se comparados com os casos sem o tubo de produção. Os resultados do método de coerência tempo e vagarosidade se mostraram pouco eficazes nas análises de defeitos. Concluiu-se que o método semi-analítico, validado através de diversos modelos analíticos, simulações pelo método de elementos finitos e com diversos experimentos, é uma valiosa ferramenta na análise dos defeitos e verificação da variação dos modos de onda com a excentricidade aplicada.
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Aluno(a) : Bárbara Valéria de Abreu Lavôr
Orientador(a):
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2024
Local: 106L
Resumo:
Métodos não destrutivos desempenham um papel fundamental na análise de integridade de componentes civis e mecânicos. Este trabalho apresenta uma abordagem integrativa que pode ser aplicada em avaliações estruturais, envolvendo o estudo de ondas ultrassônicas guiadas com técnicas de aprendizado de máquina, juntamente com métodos alternativos para ampliar o conjunto de dados necessários para treinamento dos modelos de predição. É proposta uma metodologia para a estimativa de tensão em placas, incorporando dados sintéticos gerados por interpolação linear a partir de resultados experimentais. Paralelamente, utilizando o Semi-Analytical Finite Element Method (SAFE), foi examinada a propagação de ondas em guias cilíndricos, comparando resultados com simulações numéricas e posteriormente, aplicando o método SAFE para gerar curvas de dispersão que servem de dados para alimentar uma rede neural para predição de espessura nominal de dutos. Este estudo contribui para a eficiência e precisão das metodologias aplicadas em integridade estrutural, englobando abordagens de dados experimentais e simulados computacionalmente.
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Aluno(a) : Ingrid Pires Macedo Oliveira dos Santos
Orientador(a): Helon Ayala e Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
During drilling for oil extraction purposes, the drill string experiences complex dynamic behavior, and this work delves into the experimental study and the mathematical modeling of such behavior. Self-excited vibrations, such as axial, lateral, and torsional vibrations, which can lead to detrimental effects such as bit bouncing, whirling, and torsional stick-slip are highlighted in this thesis due to possible premature failures of drilling components. Distinct aspects of drilling dynamics are considered in this investigation to enhance the understanding of various phenomena. Initially, an experimental analysis of a lab-scale rig is conducted, providing valuable insights into the dynamics of such systems. And the influence of control parameters on the system's response is examined, particularly in identifying the conditions under which the stick-slip phenomenon is likely to occur. Secondly, the thesis proposes system identification strategies for nonlinear systems, specifically focusing on the same laboratory test rig. An innovative ensemble approach is proposed, which combines gray and black-box modeling techniques to effectively calibrate the parameters of a dynamical system, particularly those associated with friction. This approach improves prediction accuracy compared to traditional gray-box methods while maintaining interpretability in the dynamic responses. Furthermore, the research employs physics-informed deep learning to estimate the low-dimensional model mechanical and friction parameters. Calibration using experimental data obtained from a specialized setup provides insights into the drill-string system's behavior. Finally, the thesis involves experimental investigations on the coupling between torsional and axial oscillations using a modified and adapted lab-scale drilling rig equipped with real drill bits and rock samples. In summary, this thesis advances our understanding of drill-string dynamics and presents helpful applications for system identification techniques in torsional and axial oscillations analysis.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/99737838975?pwd=S2JPUXc2TnJIc0c1MWg1S3RRc3YwZz09
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Aluno(a) : Juan Andres Santisteban Hidalgo
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2023
Local:
Resumo: Cylindrical wave propagation in elastic materials has usually been modeled with analytical approaches or with numerical methods, such as the finite element method. However, depending on the frequency, obtaining results can be a hard task, requiring high computational efforts. Within this context, some studies on acoustic energy transfer, using piezoelectric transducers, had adopted alternative methods for modeling wave propagation, by means of acoustic-electric channels. Among the available methods in the literature, the two-port network approach, derived from the electric circuit analysis, proved to be prominent. In this thesis, by using impedance analogies, this method is brought into the context of acoustic wave propagation, leading to transfer matrices based on transmission parameters, or the so-called ABCD parameters. It was verified that the same results with less computational effort were obtained. So far, this method was only developed for the plane wave propagation in elastic solids and piezoelectric materials. However, since many real applications are curved, the two-port network approach is extended for the cylindrical wave case in this work. The novel ABCD parameters are then implemented in a computational routine, modeling pulse-echo and pitch-catch tests inside cylindrical media. The validation was performed by means of a convergence analysis, varying the internal radius of the entire channel, since the new ABCD parameters showed an inverse proportionality with the radius of the layer. Furthermore, the developed method was capable of modeling a signal transmission experimental setup, coming from a cylindrical transducer submerged in a water tank, as well as modeling the transmission of the same signal through a cylindrical barrier.
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Aluno(a) : Hector Eduardo Goicoechea Manuel
Orientador(a): Roberta Lima e Fernando Buezas
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
In this thesis, the theory of Cosserat rods is applied to the dynamics of drill-strings. The main objective is to evaluate the behaviour of these strings when they move within curved wells. To achieve this goal, a deterministic structural model is constructed, where the drill-pipes and the bottom hole assembly are taken as a Cosserat rod. Next, a strategy to deal with the lateral contact in curved well configurations is developed. After that, the free boundary problem is assessed: while drilling, the boundary changes due to cutting, modifying the position of the soil and, consequently, changing the bit-rock interaction forces. For this reason, a bit-rock model that can account for the cutting dynamics is adopted, in which an extra advection equation is solved together with the equations of motion of the Cosserat rod. Next, application cases are provided. First, some effects included in the model are tested in isolation, such as the lateral friction, the lateral contact, and the cutting. After that, they are all combined. In the first analysis, an off-bottom string is simulated, i.e. without contact at the bit. This allows testing the formulation associated with the lateral contact. Also, the calibration of the lateral friction parameters is made. Following that, the strategy to account for the cutting at the bit is implemented in a low-dimensional 2-DOF model, and in a semi-discrete model with a continuous wave equation for the torsional dynamics. The results show that the use of continuous approaches is more appropriate than low-dimensional models. Especially when long columns are considered, and when there is interest in understanding not only the behaviour at the bit but also along drill-pipes. This finding is reinforced by another application where the cutting dynamics are combined with the Cosserat rod formulation. Again, similar observations from a qualitative point of view are found. Overall, the differences in the results between the lumped low-dimensional models and the continuous Cosserat rod justify the development and application of the Cosserat approach to drilling structures. Finally, an introductory stochastic analysis concerning the variability of the rock is presented as an introduction to a future line of research, where stochasticity is included.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/95348295848?pwd=dEtobE11YkF4cjZjZU1ZanAwYWVLUT09
Meeting ID: 953 4829 5848
Passcode: 887186
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Aluno(a) : Mariana Gomes Dias dos Santos
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/31/2023
Local: Sala L154
Resumo:
Um dos objetivos desta tese é analisar o custo computacional do método de Monte Carlo aplicado a um problema modelo de dinâmica, considerando incertezas na força de atrito. O sistema mecânico a ser estudado é composto por um oscilador de um grau de liberdade que se desloca sobre uma esteira em movimento. Considera-se a existência de atrito seco entre a massa do oscilador e a esteira. Devido a uma descontinuidade na força de atrito, a dinâmica resultante pode ser dividida em duas fases que se alternam, chamadas de stick e slip. Neste estudo, um parâmetro da força de atrito dinâmica é modelado como uma variável aleatória. A propagação de incerteza é estudada por meio da aplicação do método de Monte Carlo, considerando três abordagens diferentes para calcular aproximações da resposta dos problemas de valor inicial que modelam a dinâmica do problema: NV) aproximações numéricas calculadas usando método de Runge-Kutta de 4º e 5º ordens com passo de integração variável; NF) aproximações numéricas calculadas usando método de Runge-Kutta de 4º ordem com passo de integração fixo; AN) aproximação analítica obtida com o método de múltiplas escalas. Nas abordagens NV e NF, para cada valor de parâmetro uma aproximação numérica foi calculada. Já para a AN, apenas uma aproximação analítica foi calculada e avaliada para os diferentes valores usados. Entre as variáveis aleatórias de interesse associadas ao custo computacional do método de Monte Carlo, encontram-se o tempo de execução e o espaço em disco consumido. Devido à propagação de incertezas, a resposta do sistema é um processo estocástico com uma sequência aleatória de fases de stick e slip. Essa sequência pode ser caracterizada pelas seguintes variáveis aleatórias: instantes de transição entre as fases de stick e slip, suas durações e o número de fases. Para estuaire as variáveis associadas ao custo computacional e ao processo estocástico foram construídos modelos estatísticos, histogramas normalizados e gráficos de dispersão. O objetivo é estudar a dependência entre as variáveis do processo estocástico e o custo computacional. Porém, a construção destas análises não é simples devido a dimensão do problema e a impossibilidade de visualização das distribuições conjuntas de vetores aleatórios de três ou mais dimensões.
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Aluno(a) : Daniel Henrique Braz de Sousa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/2023
Local: Auditório L776
Resumo:
There is a growing demand for accurate dynamic models, driven by the Industry 4.0 paradigm that introduces, among others, the concept of the digital twin in which dynamic models play an important role. Ideally, a dynamic model presents a compromise between complexity and accuracy, while providing physical interpretability about the system. Aiming at these characteristics, this work proposes a hybrid identification methodology that combines a gray-box phenomenological model with a black-box model based on artificial neural networks. The proposed methodology is applied in three case studies of nonlinear systems with experimental data, namely, the vertical dynamics of a vehicle, an elastomer-based series elastic actuator, and an electromechanical positioning system. The results show that the proposed hybrid model is up to 60\% more accurate while providing the physical interpretability of the system, without significantly increasing the complexity of the model.
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Aluno(a) : Lucas Castro Sousa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/14/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
Autonomous vehicles are those in which some aspects of a safety critical control function (e.g., steering, braking) occur without direct driver interference increasing safety and improving energy efficiency. Moreover, autonomous vehicles can understand the environment to navigate safely at a determined trajectory, enhancing driver comfort, traffic flow, and transportation costs. One critical part is establishing accurate and computationally efficient vehicle models. Thus, to cope with these problems, the present work applies artificial neural networks and system identification methods to perform vehicle modeling and trajectory tracking control. First, a neural architecture is used to capture tire characteristics present in the interaction between lateral and longitudinal vehicle dynamics, reducing computational costs for predictive controllers. Secondly, a combination of black-box models is used to improve predictive control. Then, a hybrid approach combines data-driven models with black-box modeling of the discrepancies. This approach is chosen to improve the accuracy of vehicle modeling by proposing a discrepancy model to capture mismatches between vehicle models and measured data. Results are shown when the novel methods are applied to systems with simulated and real data and compare them with approaches found in the literature, showing overall favorable results for the proposed approaches herein.
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Aluno(a) : Renan Ferreira Fraga Wanderley
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2022
Local:
Resumo: A manufatura avançada, mais especificamente a manufatura aditiva, tem sido explorada cada vez mais, desde o surgimento da chamada Indústria 4.0. As técnicas de impressão 3D, incluindo a grande diversidade de tecnologias e de materiais que podem ser utilizados, permitem uma grande gama de aplicações. Com o intuito de explorar mais e aprofundar os estudos ligados a este tema, esta pesquisa investigou as propriedades mecânicas do aço inoxidável PH1, fabricado numa impressora EOS M280 através do processo de sinterização de camadas por laser. Buscou-se explorar as características do material, identificando A manufatura avançada, mais especificamente a manufatura aditiva, tem sido explorada cada vez mais, desde o surgimento da chamada Indústria 4.0. As técnicas de impressão 3D, incluindo a grande diversidade de tecnologias e de materiais que podem ser utilizados, permitem uma grande gama de aplicações. Com o intuito de explorar mais e aprofundar os estudos ligados a este tema, esta pesquisa investigou as propriedades mecânicas do aço inoxidável PH1, fabricado numa impressora EOS M280 através do processo de sinterização de camadas por laser. Buscou-se explorar as características do material, identificando influências da forma de fabricação e comparando as suas propriedades medidas, com as que são informadas pelo fabricante da impressora e com materiais laminados similares encontrados no mercado. Os ensaios definidos foram selecionados considerando a obtenção das propriedades mais relevantes do material para a indústria, desde as resistências até a rugosidade da superfície das peças produzidas. Estes indicam que o material é resistente, mas deve ser utilizado com algumas considerações pois este sofre grande influência da orientação de impressão. Os resultados medidos foram comparados com os obtidos pela manufatura tradicional, para que fosse possível analisar a viabilidade e confiabilidade de substituição do método de fabricação. Adicionalmente, foi desenvolvido um roteiro de fabricação digital de peças de reposição, para permitir a fabricação de peças. Juntamente com os ensaios mecânicos realizados, este estudo permite a avaliação do uso da impressão 3D como uma possível substituta da fabricação tradicional.
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Aluno(a) : Fernando Vasconcelos da Senhora
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2022
Local:
Resumo: Inside the field of structural optimization, Topology Optimization (TO) is one of the most general techniques because it is able to generate incredibly complex structures with intricate details for a wide range of problems. However, most of the works in TO have focused on compliance-based design that does not consider structural integrity in the design process leading to structures that do not satisfy material failure requirements. In this work, we focus on the stress-based design approach. We introduce stress constraints in the optimization procedure to guarantee the structural integrity of the final optimized design. This approach leads to a more natural formulation that addresses a simple engineering question: what is the lightest structure able to withstand its loads? We developed a large-scale GPU-based parallel stress-constrained TO framework considering a continuous range of varying load directions to answer this question and close the gap between TO and practical application. The developed GPU-based C++/CUDA framework efficiently addresses the main challenges of large-scale TO, such as filtering, optimization algorithm, and the solution of the equilibrium equations, only requiring a moderately affordable GPU hardware. At the same time, we obtain more robust and suitable designs for engineering applications by considering a continuous variable range of load directions that more closely resemble real-life service loads using a worst-case analytical approach. We present several numerical results, including 3D problems with over 45 million constraints providing detailed optimal structures that demonstrate the capabilities of the techniques developed in this work. The large-scale GPU framework, combined with the analytical solutions for continuously varying load directions, has the potential to expand the applications of TO techniques leading to new and improved engineering designs.
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Aluno(a) : Felipe Rebelo Lopes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2022
Local:
Resumo: Questões de segurança têm sido fatores cruciais para que robôs se tornem aptos a trabalhar em colaboração com seres humanos, robôs esses denominados COBOTS (robôs colaborativos). Esse esforço envolve um controle de força mais refinado e uma certa flexibilidade nas juntas para que a adaptação dos robôs ao ambiente real e às atividades comuns dos seres humanos seja efetiva. Uma das tecnologias com esse objetivo é o Atuador Elástico em Série (SEA - Series Elastic Actuator), que apresenta um bom desempenho para controle de força, tolerância a impactos causados por agentes externos, baixa impedância, e em alguns casos até a redução de vibrações mecânicas. Em um SEA, um elemento elástico passivo é adicionado entre o motor e o elo acionado, a fim de gerar uma flexibilidade desejada. Este elemento pode ser uma mola tradicional, ou outro elemento deformável com flexibilidade caracterizada por sua geometria e pela elasticidade do material utilizado. Esta tese propõe um Atuador Elástico em Série Baseado em Elastômero (eSEA), cuja flexibilidade é obtida a partir de um elastômero depositado entre dois elementos metálicos: um interno preso ao atuador, e o outro externo preso ao elo. O eSEA foi projetado e avaliado por software de CAD e Elementos Finitos, com o intuito de obter a flexibilidade desejada para a aplicação. Foram produzidas duas versões do eSEA, com duas durezas diferentes: 10 e 55 Shore A. Testes estáticos com células de carga foram então executados para caracterizar a rigidez dos eSEA. Os eSEA foram instalados em manipuladores robóticos especialmente desenvolvidos para essa tese. Experimentos compararam o desempenho das técnicas de controle com e sem a influência dos eSEA, mostrando que o uso dos eSEA diminuiu os erros de posicionamento do manipulador e possibilitou o controle de força sem a necessidade de sensores específicos.
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Aluno(a) : João Carlos Virgolino Soares
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Marcelo Gattass
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Mobile robots have become increasingly important in modern society, as they can perform tasks that are tedious or too repetitive for humans, such as cleaning and patrolling. Most of these tasks require a certain level of autonomy of the robot. To be fully autonomous and perform navigation, the robot needs a map of the environment and its pose within this map. The Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem is the task of estimating both map and localization, simultaneously, only using sensor measurements. The visual SLAM problem is the task of performing SLAM only using cameras for sensing. The main advantage of using cameras is the possibility of solving computer vision problems that provide high-level information about the scene, such as object detection. However, most visual SLAM systems assume a static environment, which imposes a limitation on their applicability in real-world scenarios. This thesis presents solutions to the visual SLAM problem in dynamic and changing environments. A custom deep learning-based people detector allows our solution to deal with crowded environments. Also, a combination of a robust object tracker and a filtering algorithm enables our visual SLAM system to perform well in highly dynamic environments containing moving objects. Furthermore, this thesis proposes a visual SLAM method for changing environments, i.e., in scenes where the objects are moved after the robot has already mapped them. All proposed methods are tested in datasets and experiments and compared with several state-of-the-art methods, achieving high accuracy in real-time.
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Aluno(a) : Elias Dias Rossi Lopes
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/09/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
The rising demand of autonomous and intelligent transportation systems requires the development of advanced control and estimation techniques, aiming to ensure safety and efficient operations. Due to the nonlinear nature of vehicle dynamics and its characteristic phenomena, classical estimation and control methods may not achieve adequate results, which encourages the research of novel algorithms. By some contributions, the first part of this work deals with estimation algorithms, both for identification of time invariant parameters and for estimation of states and time varying parameters. Special emphasis is given to Moving-Horizon State Estimation (MHSE), which is presented to be robust and accurate, due to the constrained optimization problem on which it is based. This algorithm is evaluated in vehicle longitudinal dynamics, for slip and tire-road friction estimation. Despite its efficiency, the high computational cost makes it necessary to search for suboptimal alternatives, and the employ of a Neural Networks that maps the optimization results is a promising solution, which is treated as Neural Networks Moving-Horizon Estimation (NNMHE). The NNMHE is evaluated on a state-of-charge (SOC) estimation of batteries for electric vehicles, demonstrating, through experimental data, that the NNMHE emulates accurately the optimization problem, and the literature indicates its effectively application on embedded hardware. Finally, a contribution about Nonlinear Model-based Predictive Control (NMPC) is presented. It is proposed and evaluated its use compounding a novel hierarchical control framework for electric vehicles with independent in-wheel motors, through which it is possible to adequately control the vehicle on velocity and path tracking tasks, with reduced computational effort. The control is evaluated using experimental obtained tire data, which approaches the simulation to real situations.
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Aluno(a) : Gustavo Brattstroem Wagner
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/07/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Flexible beams are becoming ubiquitous in several industrial applications, as new projects often aim for lighter and longer structures. This fact is directly related to the new challenging demands on structural performances, or it is a simple consequence of the engagement of industries in cost reduction programs (usage of less material). Flexible beams are usually modeled under the assumption of large displacements, finite rotations, but with small strains. Such hypotheses allow the equation of motion to be built using co-rotational finite elements. The co-rotational formulation decomposes the total motion of a flexible structure into two parts: a rigid body displacement and an elastic (small) deformation. This way, the geometric nonlinearity caused by the large displacements and rotations of the beam's cross sections can be efficiently computed. One of the novelties of this thesis is the direct usage of the equation of motion generated by a co-rotational finite element formulation in the computation of nonlinear normal modes (NNM). So far, most of the dynamic analyses with co-rotation finite element models were restricted to numerical integrations of the equation of motion. The knowledge of NNMs can be beneficial in the analysis of any nonlinear structure since it allows a thoroughly understanding of the vibratory response in the nonlinear regime. They can be used, for example, to predict a hardening/softening behavior, a localization of the responses, the interactions between modes, the existence of isolas, etc. The Rosenberg’s definition of NNM as periodic solutions (non-necessarily synchronous motion) is adopted here. The Harmonic Balance method and the Shooting methods are presented and used to compute periodic solutions of nonlinear systems. A numerical path continuation scheme is implemented to efficiently compute NNMs at different energy levels. Numerical examples show the capability of the proposed method when applied to co-rotational beam elements.
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Aluno(a) : Thaynã da Silva França
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Os sistemas dinâmicos desempenham um papel crucial no que diz respeito à compreensão de fenômenos inerentes a diversos campos da ciência. Desde a última década, todo aporte tecnológico alcançado ao longo de anos de investigação deram origem a uma estratégia suportada por uma poderosa entidade, permitindo a inferência de modelos capazes de representar sistemas dinâmicos. A entidade citada que, por sua vez, pode aparecer de várias formas, é amplamente conhecida como dados. Além disso, independentemente dos tipos de sensores adotados a fim de realizar o procedimento de aquisição de dados, é natural verificar a existência de uma certa corrupção ruidosa nos referidos dados. Genericamente, a tarefa de identificação é diretamente afetada pelo cenário ruidoso previamente descrito, implicando na falsa descoberta de um modelo generalizável. Em outras palavras, a corrupção ao ruído pode ser responsável pela geração de uma representação matemática infiel de um determinado sistema. Neste trabalho, sob as perspectivas de classificação e regressão, demonstramos como a hibridação de várias técnicas de aprendizado de máquinas melhora a robustez ao ruído no que diz respeito à tarefa de identificação. Especificamente, no trabalho atual, mostramos o sucesso da estratégia proposta a partir de exemplos numéricos, tais como o crescimento logístico, oscilador Duffing, modelo FitzHugh-Nagumo, atrator de Lorenz e uma modelagem Suscetível-Infeccioso-Recuperado do SARS-CoV-2.
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Aluno(a) : Vivian Suzano Medeiros
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/29/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Wheeled-legged robots are an attractive solution for versatile locomotion in challenging terrain. They combine the speed and efficiency of wheels with the ability of legs to traverse challenging terrain. In general, the challenges with wheeled-legged locomotion involve trajectory generation and motion control for trajectory tracking. This thesis focuses in particular on the trajectory optimization task for wheeled-legged robots navigating in challenging terrain. For this, a motion planning framework is proposed that optimizes over the robot's base position and orientation, and the wheels' positions and contact forces in a single planning problem, taking into account the terrain information and the robot dynamics. The robot is modeled as a single rigid-body, which allows to plan complex motions for long time horizons and still keep a low computational complexity to solve the optimization quickly. The knowledge of the terrain map allows the optimizer to generate feasible motions for obstacle negotiation in a dynamic manner, at higher speeds. Such motions cannot be discovered without taking into account the terrain information. Two different formulations allow for either purely driving motions, where obstacle negotiation is enabled by the legs, or hybrid driving-walking motions, which are able to overcome discontinuities in the terrain profile. The optimization is formulated as a Nonlinear Programming Problem (NLP) and the reference motions are tracked by a hierarchical whole-body controller that computes the torque actuation commands for the robot. The trajectories are verified on the quadrupedal robot ANYmal equipped with non-steerable torque-controlled wheels in simulations and experimental tests. The proposed trajectory optimization framework enables wheeled-legged robots to navigate over challenging terrain, e.g., steps, slopes, stairs, while negotiating these obstacles with dynamic motions.
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Aluno(a) : Giovanny Alberto Meneses Arboleda
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/27/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Recent advances in additive manufacturing techniques have increased their flexibility in making complex parts on a smaller scale. In this context, the design of porous microstructures has been standing out in the scientific community due to the ability to optimize the cell topology to meet the stress design requirements. However, there are several challenges that inhibit the fabrication of optimized parts obtained by the multi-scale topology optimization method, such as the connectivity of microstructures. The multiscale topological optimization consists of the optimization of both the macro-scale, global structure, and the micro-scale, microstructure of the material. The main objective of this work is to develop an effective scheme to guarantee compatibility in the transition between the different material microstructures obtained in multiscale optimization. The multiscale methodologies for simultaneous topological optimization of both scales and the homogenization procedures are described. The main numerical and computational aspects of these methods are presented, as well as representative examples to illustrate the capabilities of the proposed scheme.
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Aluno(a) : Jean Carlo Ferreira de Oliveira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/30/2020
Local:
Resumo: O uso de juntas cardânicas ativas é restrito pela capacidade de torque de pequenos motorredutores e, atualmente, os dispositivos embarcados são obrigatórios para as aplicações robóticas. Nesta tese, um novo conceito de manipulador robótico acionado por juntas cardânicas com três graus de liberdade foi introduzido. O controle dinâmico é essencial para estudar as limitações desse dispositivo, portanto, o objetivo deste estudo foi controlar a junta cardânica ativa de três graus de liberdade usando simulações numéricas e experimentais. O manipulador foi projetado com apenas uma junta cardânica para que a sua cinemática e dinâmica sejam exploradas; por esse motivo, a junta foi construída com sensores de carga na base e sensor de unidade de movimento inercial na parte superior do efetuador do manipulador. Além disso, foram fabricadas três placas de controle: a primeira foi projetada para controlar os três acionamentos dos motores de passo; a segunda, para ler o sensor da unidade de movimento inercial; e a última, para ler os sensores de carga. Quatro problemas foram descritos para testar os limites deste dispositivo, analisando, além da cinemática e dinâmica, o atrito do rolamento, a identificação da folga e o torque do impacto. O primeiro problema mantém a posição do efetuador do manipulador constante enquanto transmite rotação entre os eixos. O segundo problema, o efetuador recebe um caminho planejado, por exemplo, um círculo, mas não transmite rotação entre os eixos. O terceiro problema é a combinação dos movimentos anteriores, em que o efetuador transmite rotação entre os eixos, enquanto segue por um caminho planejado. Para o quarto problema: uma nova abordagem é aplicada para mover o efetuador de um ponto para outro usando rotação cônica. Uma nova notação dinâmica é introduzida para esclarecer e simplificar a matemática usada para descrever a dinâmica de um corpo rígido 3D para resolver a cinemática e a dinâmica inversa, sendo os resultados numéricos do modelo físico comparados com os experimentais para definir os limites de aplicação da junta.
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Aluno(a) : Miguel Ángel Ampuero Suárez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/17/2020
Local:
Resumo: This work presents selected applications of topology optimization for non-Newtonian fluid flow problems using the virtual element method (VEM) in arbitrary two-dimensional domains. The objective is to design an optimal layout into a fluid flow domain to minimize dissipative energy governed by the Navier–Stokes–Brinkman and non-Newtonian Carreau–Yasuda model equations. The porosity approach proposed by (Borrvall and Petersson, 2003) [1] is used in the topology optimization formulation. To solve this problem numerically, the recently proposed VEM method is used. The key feature that distinguishes VEM from the standard finite element method (FEM) is that the interpolation functions in the interior of the elements do not need to be computed explicitly. This is because the integration is on lower-order polynomial and basis functions, and there is great flexibility by using a nonconvex element. Therefore, the computation of the main element matrices and vectors are reduced to the evaluation of geometric quantities on the boundary of the elements. Finally, several numerical examples are provided to demonstrate the efficiency of the VEM compared to FEM and the applicability of the topology optimization to fluid flow problems.
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Aluno(a) : Vitor Eboli Lopes Paiva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/13/2020
Local: Sala 110L, Prédio Cardeal Leme
Resumo:
Infrared thermography has been used as a nondestructive evaluation (NDE) technique to detect flaws in structural components, playing an important role in manufacturing inspection, in-service inspection and maintenance programs.
An investigation program was launched with the objective of presenting combinations of analytical, experimental and numerical methods to predict and monitor fatigue initiation and fatigue damage progression in equipment such as pressure vessels, tanks, piping and pipelines with dents or complex-shaped anomalies.
The monitoring of fatigue initiation and propagation in the actual specimens used nondestructive inspection techniques such as thermoelastic stress analysis (TSA), three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) and fiber optic Bragg strain gages (FBSG) to determine strains at fatigue hot spots locations. Strain fields determined from the experimental measurements and from the finite element method (FEM) were combined with the fatigue Coffin-Manson strain-life equation and the Miner’s fatigue damage rule to predict fatigue life (N).
Results from tested 3m long tubular (with nominal dimensions: 324mm external diameter and 6.35mm wall thickness) specimens containing complex-shaped dents were reported and fully analyzed.
This work confirmed that infrared rapid fatigue assessment methods are practical and efficient tools that can provide a reliable, non-destructive and faster results about the fatigue behavior of materials.
Good agreement among fatigue life estimations and actual fatigue lives of complex dent shapes in pipeline specimens can only be achieved if accurate measurements or numerical determinations of the circumferential strains actuating at the dent hot-spots were coupled with suitable fatigue strain-life curves. Coupling an experimental technique for accurately determining dent shapes to a numerical strain analysis technique will lead to good hot-spot strain estimations to be combined with the strain-life fatigue curves. The present conclusions can be applied to other structures that may present dents such as tanks and pressure vessels.
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Aluno(a) : Arturo Elí Cubas Rodriguez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/08/2019
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Resumo: Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.
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Aluno(a) : Julián Andrés Ortiz González
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2019
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Resumo: Medindo a rigidez de corpos de prova em testes de propagação de trinca por fadiga, Elber identificou que a ponta da trinca só está totalmente aberta durante uma parte do ciclo de carregamento, e nomeou o carregamento onde a trinca abre totalmente de carga de abertura Pab. Baseado nisto, Elber assumiu que o dano à frente da trinca era induzido apenas pela fração do carregamento acima da Pab, propondo que a força motriz na propagação de trincas por fadiga é a gama do fator de intensidade de tensões efetivo Kef. Para verificar esta hipótese, neste trabalho foram examinados diferentes cenários em testes de propagação de trinca por fadiga. Primeiramente, em corpos DC(T) de aço AISI 1020 e em corpos DC(T) e C(T) de alumínio 6351-T6 foi propagada uma trinca com K e Kmax quase constantes, medindo a Pab em campo próximo e campo distante, com extensômetros e com um sistema 3D de correlação digital de imagens (DIC). Depois, usando novos corpos DC(T) de aço e de alumínio, foi propagada uma trinca com K e Kmax quase constantes, antes e depois de um evento de sobrecarga, medindo a Pab ao longo do teste, em campo próximo e campo distante. Cabe salientar que nesses testes as espessuras dos corpos de prova foram projetadas para que a trinca propagasse em tensão plana e em deformação plana. Finalmente, em testes de propagação de trinca com K e Kmax quase constantes, em corpos DC(T) de aço e de alumínio, foi medido o campo de deformação a frente da ponta da trinca com um sistema de estéreo microscópio DIC, para analisar o comportamento dentro da zona plástica, medindo também a Pab com os métodos mencionados anteriormente. Dos resultados dos testes três comportamentos foram particularmente relevantes. Nos primeiros testes de propagação com K e Kmax quase constantes, a razão Kab/Kmax diminuía enquanto a trinca propagava com uma taxa constante. Nos testes de sobrecarga o valor mínimo de Kef estava defasado em relação ao valor mínimo de taxa de propagação (da/dN). Já nos testes onde foi medido o campo deformação com o sistema de estéreo microscópio DIC, a deformação 0.1mm à frente da ponta da trinca mostrou que existia dano para cargas abaixo da Pab. Portanto, estes resultados não podem ser explicados pela hipótese de Elber, e contestam o Kef como a força motriz na propagação de trincas por fadiga.
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Aluno(a) : Nilton Alejandro Cuellar Loyola
Orientador(a): Ivan Menezes e Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/26/2018
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Resumo: This work presents some applications of stochastic spectral methods for structural topology optimization in the presence of uncertainties. This procedure, known as robust topology optimization, minimizes a combination of the mean and standard deviation of the objective function. For this purpose, a non-intrusive polynomial chaos expansion is integrated into a topology optimization algorithm to calculate the first two statistical moments of the mechanical model response. In order to address variabilities in the structural response, the uncertainties are considered in the loading and the material properties. In this proposed probabilistic formulation, uncertainties are represented as a set of random variables (e.g., magnitudes and directions of the loads) or as random fields (e.g., distributed loads and material properties). A non-Gaussian homogenous random field with a specified marginal distribution and covariance function is used to represent the material uncertainties because it ensures their physical admissibility. Nonlinear “memoryless” transformation of a homogeneous Gaussian field is used for obtaining non-Gaussian fields. The Karhunen-Loève expansion is employed to provide a representation of the Gaussian field in terms of countable uncorrelated random variables. The sparse grid quadrature is considered for reducing the computational cost when computing the coefficients of the polynomial chaos expansion. Moreover, an efficient prediction (i.e., with a low computational cost) of the structural response under uncertainties is presented. Accuracy and applicability of the proposed methodology are demonstrated by means of several topology optimization examples of 2D continuum structures. The obtained results are in excellent agreement with the solutions obtained using the Monte Carlo method. Finally, conclusions are inferred and possible extensions of this work are proposed.
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Aluno(a) : Samuel Elias Ferreira
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2018
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Resumo: Após identificar que uma trinca de fadiga permanecia fechada durante parte do ciclo, Elber assumiu que o dano era induzido apenas pela fração do carregamento acima da carga necessária para abrir a trinca. Diversos modelos foram propostos utilizando o Keff como força motriz da propagação, como os modelos "strip-yield", que são amplamente utilizados para prever vida residual de componentes trincados. Embora o fenômeno do fechamento da trinca esteja provado, sua real importância na propagação da trinca de fadiga ainda é controversa. Outros mecanismos, além do fechamento da trinca, foram utilizados na tentativa de explicar os efeitos de sequência do carregamento na propagação em amplitude variável, como o campo de tensão residual a frente da trinca. Mesmo após mais de 50 anos de pesquisas desde a proposição da primeira regra de propagação por Paris, ainda não há consenso, nem sobre o mecanismo nem sobre a modelagem. Esse trabalho tem como objetivo apresentar uma modelagem para prever propagação da trinca de fadiga, com base na hipótese de que o dano acumulado por deformação plástica seria a força motriz para propagação. A modelagem proposta se diferença de outros modelos de acúmulo de dano, por permitir que o contato existente entre as superfícies da trinca, exerça influência sobre as deformações plástica a frente de sua ponta. Os resultados mostram que a modelagem proposta possui capacidade de reproduzir curvas de propagação com desempenho semelhante ao modelo "strip-yield". Como os modelos partem de hipóteses completamente diferentes, esses resultados confirmam que um bom ajuste de dados não pode ser utilizado como prova de que uma hipótese seja verdadeira.
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Aluno(a) : Jorge Guillermo Diaz Rodriguez
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2018
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Resumo: Fatigue crack propagation assessment includes identifying the crack direction, knowing the equivalent Stress Intensity Factor (SIF) range, determining a crack length growth rate per number of cycles (da/dN), and establishing a crack propagation rule connecting the equivalent SIF and da/dN rate, such as a Paris type of rule. When mixed and non-proportional loading occur, those parameters are not fully understood yet. This thesis deals with some of the variables that influence crack propagation under non-proportional mixed mode loading.The Digital Image Correlation (DIC) technique was used to acquire images of test specimens subjected to cyclic proportional and non-proportional loading. Two types of specimen samples were used. Firstly, two different plate test specimens were tested; a disk compact tension (DCT), and a modified compact tension, C(T). They were subjected cyclic loading inducing crack opening mode I or proportional crack opening modes I and II. Secondly, the previously and elsewhere acquired DIC data for five thin tubes subject to cyclic loading were analyzed. The thin tubes had pre-fabricated slit-notches from which fatigue cracks initiated and propagated. Those five thin tubes were subjected to different cases of proportional and non- proportional loading. One tube specimen was exposed to axial loading and presented mode I crack opening. The other four were subjected to torsion loading or mixed axial-torsional loading and exhibited all three I, II and III crack-opening modes. The experimentally acquired DIC displacement fields were processed to independently calculate SIF for each existing opening mode using linear elastic fracture mechanics (LEFM) formulations. One formulation used full field displacement data acquired in small areas that surrounded the crack tip. Another formulation used data acquired from a pair of points located along the opposite crack flanks. The determined SIFs were used to find equivalent SIFs and equivalent SIF ranges using the maximum tensile stress criterion (for both 2D and 3D versions of combinations of modes I-II and modes I-II-III respectively) which implicitly included the crack propagation angle. It was found that the inclusion of the experimentally determined mode III SIF indeed makes a difference in the determined equivalent SIF and equivalent SIF ranges. A da/dN versus equivalent SIF ranges plot was drafted with the experimentally measured crack growth rates and the SIF ranges that were found by using the widely accepted assumption that the cracks grew in the direction that maximizes the tensile stress. For this, extensions of the Schöllmann et. al. model as well as of the Erdogan-Sih model, which are generally applied to proportional loading, were used to determine equivalent SIFs and equivalent SIF ranges for the cases of proportional and non-proportional loading. Finally, the second stage of the Paris rule (da/dN versus SIF range) was plotted for the five thin tubes loading cases showing that they fell inside a reasonably thin scattered band.
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Aluno(a) : Bruno Cesar Cayres Andrade
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/10/2018
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Resumo: The latter round bids of the pre-salt for exploration and production of oil and natural gas in Brazil indicate the drilling operations will become more intense in coming years. The rotational drilling process is largely used to reach the oil reservoirs and because of diameter-to-length ratio of the drilling system, torsional vibration mode is present in most all drilling processes and may reach an undesired severe stage: the stick-slip phenomenon. In order to address this problem, the torsional vibration mode is isolated and the stick-slip is observed in a fully instrumented drill-string experimental set-up in this work. During this phenomenon, another torque may be applied on an intermediate position of the test bench. The mathematical model is obtained via the lumped parameters technique and then it is compared to experimental data for the purpose to verify whether the mathematical model is representing the experimental apparatus. Using the validated mathematical model, a stability analysis is performed in order to identify stable solutions of the system. Therewith, one observed that there is a range of the bifurcation parameter in which stable equilibrium and periodic solutions may coexist. For a given stick-slip situation in bi-stability range, two mitigation strategies of torsional vibration were considered: they consisted of imposing perturbations in the system via torques on the intermediate position of the test bench. Numerically, the strategies presented efficiency in such a way that the stick-slip was completely eliminated: the energies of the system and the work created by the intermediate torque were compared in order evaluate the feasibility and reasonableness of the strategy. Experimentally the system continued to oscillate, however it presented a significant reduction of stick phase even with limitations of torque applications
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Aluno(a) : Marilia Maurell Assad
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/21/2018
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Resumo: Autonomous vehicles are an interesting and recent problem, with its application in cars and motorcycles still in its early stages. In addition to the inherent difficulties in making a vehicle move independently, the autonomous motorcycle has to be able to remain stable at any speed and trajectory. The vehicle s stability can be achieved by different solutions and control techniques. The main objective of this work is to develop an autonomous electric motorcycle with low cost sensing system. For this, a dynamic model of two-wheeled vehicles is analyzed, capable of describing the dynamic behavior while being simple enough to allow the implementation of real-time linear control strategies. The controller has two different objectives: to maintain the motorcycle stable and to follow a desired trajectory, in an autonomous way. Experiments were carried out with the small scale motorcycle aiming to characterize its elements for the theoretical model; then the proposed control strategies were simulated with the adjusted dynamic model. Finally, the control algorithms are applied to the real system through an actuated platform capable of reproducing the dynamic behavior of single-track vehicles. At last, the present work is a tool for teaching engineering, involving multilevel students around a complex, but familiar, problem. The system allows for continuous learning with increasing difficulty, involving multibody dynamics, experimental results analysis via software simulations, electronics and filters present in the embedded instrumentation and many control techniques to keep the system stable in every desired path, culminating in the experimental application of cited concepts.
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Aluno(a) : Gustavo Simão Rodrigues
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/19/2017
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Resumo:
O intuito de deste trabalho é aplicar metamateriais elásticos na mitigação de esforços impulsivos gerados por um disparo de um armamento. Os impactos ou forças impulsivas são caracterizados por forças de magnitudes muito altas aplicadas em um tempo extremamente pequeno, implicando em grandes acelerações e desacelerações. Tal comportamento é amplamente estudado na literatura nas esferas impactantes do Berço de Newton e este trabalho tem seu início por meio da análise do comportamento dessas esferas e dos modelos das forças de contato entre elas. Em seguida é analisado o Berço de Newton por meio do enfoque da propagação de ondas e uma comparação entre a modelagem numérica e analítica é comprovada. Os metamateriais elásticos, componentes com propriedades especiais, são apresentados e sua característica de bloquear propagações em determinadas faixas de frequência é verificada. Também é desenvolvida experimentalmente uma célula unitária e é feita a comprovação da capacidade de atenuação da propagação de determinada faixa de frequência. O sistema de recuo, local proposto para verificar a eficiência do emprego dos metamateriais, é modelado de forma simplificada, bem como dois novos modelos são propostos com o objetivo de se verificar qual é mais indicado para a aplicação dos metamateriais. Finalmente é feita a modelagem de uma possível aplicação, visando a construção de um dispositivo composto por metamateriais elásticos para ser empregado na mitigação de esforços impulsivos e a redução da força transmitida para o suporte que todo o conjunto está fixo é numericamente comprovada.
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Aluno(a) : Abel Arrieta Castro
Orientador(a): Hans Weber e Georg Rill
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/06/2017
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Resumo:
Nowadays, new technologies are pushing the road vehicle limits further. Promising applications, e.g., self-driving cars, require a suitable control system that can maintain the vehicle's stability under autonomous driving and critical scenarios. In most of modern cars, the control systems actuate independently, i.e. there is no coordination or data sharing between them. This approach can produce conflicts between these standalone controllers and thus, no improvements on the vehicle's stability are achieved or even a worse scenario for the driver can be produced. In order to overcome these problems, an integrated approach is developed in this dissertation. This integration, defined in this work as Integrated Control (IC), is done by a coordination of all standalone controllers inside the vehicle, i.e. the Anti-Lock Braking System (ABS), the Electronic Stability Program (ESP) and the Four-Wheel Steering System (4WS). The ABS model was built using an ON-OFF control strategy which includes the hydraulic dynamics. To design the ESP, the simple handling vehicle model was used as a reference behavior. The vehicle's tendency, calculated with the desired and actual yaw rate, is used as input of these system and then, braking a specific wheel, it is possible to retain the vehicle's stability. For the 4WS, a simple feed-forward control strategy is employed where the front steering is used as input. The IC was designed using a simple switch control strategy to coordinate all controllers, i.e., ABS, ESP and 4WS. In order to test the performance of the standalone controllers and the IC system, a fully non-linear and three-dimensional multibody vehicle model was developed. In addition, using this non-linear vehicle mathematical model a vehicle simulation package was created, it is named in this thesis as PyCar. This vehicle model is validated using PyCar and set of experimental data obtained by sensors mounted on a scaled car. Finally, in order to prove the advantages of the IC system over the non-integrated approach, simulations in run-off-road scenarios were performed.
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Aluno(a) : William Schroeder Cardozo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/26/2017
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Resumo: Thrust Vector Control (TVC) is used for the attitude control of spacecrafts. In the case of liquid-propellant fuel, the nozzle is traditionally connected to the rocket frame through a gimbal. Two hydraulic actuators are placed around the nozzle to control its orientation. In this Thesis, TVC is treated as a fixed base robotic platform. Instead of using commercial servo-valves to control the actuators, a novel control valve is proposed. First a gimbaled platform is considered with two angular position transducers to measure the angular displacement of the joint crosshead. Then, a homokinetic platform configuration is proposed replacing the gimbal by a constant velocity joint. In this case, the platform position feedback is done using a real-time attitude estimator. The estimator is a complementary filter based on orientation matrices that collects data from an inertial measurement unit (IMU). The modeling of the system begins with kinematics. Then, the dynamic modeling uses the Newton-Euler formulation to obtain the equation of motion. The modeling of the electro-hydraulic system is presented with the model of the novel control valve and the linear actuator. Initially, a full proportional controller is proposed. During the experimental validation it is shown that due to the characteristics of the actuation system, even this simple controller is accurate and reliable. Thereafter, it is demonstrated a method to evaluate novel control strategies. The comparison between the gimbaled and homokinetic platform shows that, under the analyzed conditions, they have a similar dynamic behavior. In both platform configurations the system is accurate and reliable.
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Aluno(a) : Guilherme Rodrigues Sampaio de Paula
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/20/2017
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Resumo:
Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.
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Aluno(a) : Marco Vinicio Guamán Alarcón
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/05/2017
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Resumo: The mechanical design of structural components for high cycle fatigue applications needs reliable fatigue limits. However, mainly because of notches and the unavoidable presence of small defects, such a task still presents some challenges. Notches cause a stress concentration effect that can initiate short cracks at their tips, but such short cracks may propagate or become non-propagating, depending not only on the load level, but on the stress gradient ahead of the notch tip as well. Notch-like defects, such as scratches, pores, and inclusions, behave in the same way. There are empirical and theoretical models to predict the fatigue limit of notched components. The latter includes the so-called Stress Gradient (SG) model, based on linear elastic fracture mechanics concepts and using the El Haddad-Topper-Smith (ETS) characteristic size aR, as a promissory approach. However, there is a lack of experimental data verifying their fatigue limit predictions. In this context, C(T)-like notched specimens of SAE 1020 steel with several notch root radii were tested under constant load amplitude control at 40 Hz and a stress ratio R equal 0.1, to evaluate their fatigue limit through accelerated tests involving step loading procedures with blocks of 3.10 to sixth power cycles. The experimental fatigue limit was compared with values predicted by SG model, following three approaches: SGc-p, SGs-e, and SGquebra, according to the determination of the geometric factor of the stress concentration factor; and with an alternative prediction by the Point Method based on the theory of critical-distance (TCD). SGc-p, SGquebra and TCD model predictions are almost coincident for blunt notches and they present a good agreement with experimental results, but they are non-conservatives in the case of sharp notches; while SGc-p predictions are conservative for both blunt and sharp notches. Since both models are based on linear elastic concepts, it was demonstrated that an elastic analysis presents limitations to model the behavior of short cracks emanating from sharp notches, due to the local stress at the critical point can exceed the yield strength of the material. Furthermore, according to SG model, the fatigue limit is related to the presence of non-propagating short cracks (NPSC). Such surface NPSCs on the face of the specimens were monitored by non-destructive techniques including optical microscopy, digital image correlation (DIC) and micro-computed tomography; whereas subsurface NPSCs were detected through destructive metallographic technique. The sizes of the detected NPSCs were much smaller than those values predicted by SG model, which in turn makes the detection of these cracks a more complex problem.
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Aluno(a) : Allan Nogueira de Albuquerque
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/25/2017
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Resumo: Mecanismos são essencialmente (mas não exclusivamente) compostos por vários corpos rígidos que possuem movimento relativo entre si. Cada corpo rígido está ligado através de uma junta a um ou mais corpos, sendo a sequência de corpos conectados chamada de cadeia cinemática. Cadeias cinemáticas abertas (ou em série) não têm restrições sobre suas extremidades, já cadeias fechadas (ou paralelas) têm restrições em ambas as extremidades. O foco neste trabalho será dado no estudo de mecanismos com cadeias cinemáticas fechadas ou mecanismos paralelos.Assim, este trabalho apresenta a determinação da solução analítica do modelo dinâmico de um mecanismo paralelo plano com três graus de liberdade através da caracterização do fluxo de potência entre os seus componentes. A partir das relações geométricas associadas ao deslocamento dos seus graus de liberdade, as relações cinemáticas associadas às suas velocidades são determinadas. Considerando o fluxo de potência entre os graus de liberdade, e também entre estes e os elementos de atuação (atuadores lineares elétricos), as relações de equilíbrio das forças e torques são obtidas. Levando em consideração os efeitos inerciais dos componentes do sistema, a rigidez e efeitos de amortecimento, as equações de movimento ou as equações de estado são analiticamente determinadas e representadas em qualquer sistema de referência, local ou global. Além disso, a relação entre a cinemática inversa e a dinâmica direta são apresentadas. Esta abordagem adota os mesmos fundamentos, conceitos e elementos da técnica dos grafos de ligação, com a sua notação simbólica e representação gráfica.A metodologia proposta é generalizada e aplicável em qualquer tipo de mecanismo (aberto ou fechado, plano ou espacial). O modelo cinemático inverso do mecanismo de cadeia fechada, que tem uma solução fácil quando comparado com o modelo direto, pode ser desenvolvido por qualquer metodologia conhecida. Neste trabalho, a técnica da cadeia vetorial é usada para determinar o modelo geométrico inverso, e com a sua derivação, as relações cinemáticas são obtidas, e, portanto, a matriz Jacobiana inversa. Desse modo, é construída a estrutura em grafos de ligação da cinemática inversa e, a partir das relações de causa e efeito, encontra-se o modelo dinâmico direto do mecanismo. Assim, esta metodologia (grafos de ligação ou fluxo de potência) é mais eficiente e segura para determinar os modelos dinâmicos analíticos (fechados) de mecanismos paralelos.Um conjunto de simulações foram realizadas para validar esta abordagem, usando os dados reais (geometria, inércia, amortecimento, atuadores forças, etc) a partir de um mecanismo de plano projetado e construído especialmente para a finalidade de comparar os resultados simulados e experimentais. Uma estratégia de controle de malha fechada usando a cinemática inversa e os modelos dinâmicos diretos é proposta. Finalmente, testes experimentais validam esta estratégia. As equações analíticas levam a um processo de simulação e controle em tempo real mais eficientes destes sistemas.
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Aluno(a) : Guilherme Nobrega Martins
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/03/2016
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Resumo: A concepção e modelagem de objetos educacionais para compreensão da dinâmica de motocicletas/bicicletas em projetos de engenharia têm nesta tese dois objetivos gerais: o entendimento da dinâmica de veículos de duas rodas de bitola zero e a apresentação de solução para o problema de incompatibilidade, ainda que parcial, do perfil do formando em engenharia quando comparado ao desejado pelo mercado de trabalho. Para cumprir com o primeiro objetivo, este trabalho desenvolve a modelagem de bicicletas e motocicletas utilizando as técnicas de Grafo de Ligação e Fluxo de Potência, para em seguida descrever aparatos educacionais em desenvolvimento no LDSM (Laboratório de Desenvolvimento de Sistemas Mecatrônicos da PUC-Rio) projetados para auxiliar no entendimento desses veículos. No intuito de conseguir responder à questão que envolve o segundo objetivo geral, este trabalho apresenta um breve estudo sobre aprendizagem ativa para então, passando pela análise dos projetos pedagógicos dos cursos de engenharia mecânica e de controle e automação, propor solução para uma melhor formação do engenheiro utilizando a metodologia de aprendizagem ativa, denominada PBL. O autor emprega os conhecimentos obtidos ao alcançar o primeiro objetivo para propor a utilização de projetos criados em torno dos veículos em questão como ferramentas do processo de ensino/aprendizagem. Através de pesquisas bibliográficas e de comparação do alcance e da abrangência entre, por um lado, a organização curricular vigente e, por outro, aquela proposta utilizando a metodologia de aprendizagem ativa, o autor evidencia que esta última cumpre satisfatoriamente com o rigor da formação técnica do engenheiro. Através de pesquisas bibliográficas e experimentação em aula, ele verifica que a nova organização curricular pode ir além e cobrir também as competências não ligadas à formação técnica que a atual organização não consegue contemplar satisfatoriamente, como consciência socioambiental e ética profissional, entre outras. Por fim o trabalho indica novos caminhos a serem seguidos, tanto na modelagem de tais veículos, como no estudo e na utilização da metodologia pesquisada.
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Aluno(a) : Marcelo da Cruz Pereira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/01/2016
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Resumo: Esta tese apresenta o estudo dinâmico de três sistemas pendulares e de um sistema de corpo livre no espaço com 3 graus de liberdade. O primeiro sistema pendular consiste de um pêndulo acoplado ao centro de uma roda, que rola sem escorregar na direção horizontal, enquanto o segundo, se baseia num pêndulo simples, porém com comprimento variável, que ao mudar seu tamanho consegue ganhar/perder energia para aumentar/diminuir a amplitude de seu movimento e finalmente o terceiro está baseado num pêndulo duplo que, a despeito de restrições impostas ao movimento consegue inserir/retirar energia do sistema de forma similar ao segundo. O modelo de corpo livre no espaço está baseado na suspensão cardânica de um giroscópio e se utiliza de um modelo didático real de um giroscópio para observação das características dinâmicas. A partir destes exemplos estudou-se formas de controle não-linear para movimentar os sistemas de maneira a utilizar-se da mudança de posição interna do centro de massa para injetar e retirar energia dos sistemas. Foram gerados modelos matemáticos simulados no Simulink valendo-se do Matlab para análise, e geradas animações também com o Matlab para melhor observação dos efeitos. Em paralelo, para dois destes sistemas foram construídos em bancada experimentos para comprovação dos resultados numéricos, e os resultados são comparados em cada caso, analisando as diferenças. Ao final, todas as observações sobre os estudos foram analisadas, e comentários feitos baseados nos resultados, além de sugerir trabalhos futuros.
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Aluno(a) : João Antonio Pires Alves
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/23/2016
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Resumo:
This thesis presents a dynamic analysis of a three-blade wind turbine with tubular cross section under deterministic and stochastic concentrated and distributed loads, including those caused by wind and by sea currents. Variations in the soil conditions are allowed, being modeled as linear axial and torsional springs installed at the base of the tower. The random loading is due to the action of the wind on the turbine blades. The symmetries involved allow the tower to be modeled as having four separated and superimposed structural behaviors: a beaming spatial (lateral) motion, a shaft (torsional) motion and a bar (axial) motion. Finite elements are used for approximating the dynamic and then a reduced model is constructed using a basis of finite dimension of the structure eigenvectors. The other turbine components, namely, the nacelle, the shaft and the blades are modeled as rigid bodies whose links are imposed by constraint functions. An algorithm based on Newmark method was developed to integrate the system of equations in time. Velocities, accelerations, forces, and torques, as well as the resulting stresses are obtained for several configurations.
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Aluno(a) : Alan Conci Kubrusly
Orientador(a): Arthur Braga e Jean Pierre
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/18/2016
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Resumo: The acoustoelasticity studies the variation of the elastic waves velocity in bodies subject to an initial stress state. The acoustoelastic theory consists of non-linear relationship between stress and strain that rules the dynamic response superimposed to the initial pre-deformation. The acoustoelastic theory applied to guided waves is a very new branch of study. The theoretical development of this theory for Lamb waves was completed in 2012, which enabled the calculation of velocity variation as a function of stress. Lamb waves are elastic waves that propagate in plates obeying the boundary conditions on the surface. These waves are a priori dispersive. Finite Element Method (FEM) is an useful tool for ultrasonic waves propagation analysis. In order to address the acoustoelastic effect employing FEM one can use the effective elastic constants. By these effective constants it is possible to assemble an equivalent anisotropic stiffness tensor, which can be the material stiffness input in commercial software. The time reversal process is a well-known method for obtaining focused acoustic waves in both time and space. In the case of Lamb waves, the use of time-reversed signals compensates the dispersion of each propagation mode, recompressing the wave and producing a focused signal at the reception position. In this thesis the new branch of acoustoelasticity for Lamb waves is thoroughly analyzed and its state of the art is reviewed. The possibility of using effective elastic constants for determination of the velocity dependence on stress and the errors in this approximation are investigated. The use of FEM in Ansysr is validated for single mode under uniaxial tensile stress. Then, the simulations of wideband multi-mode acoustoelastic Lamb waves is carried out in the numerical software, the time-reversal focusing ability is verified and the effect of uniaxial load on the focus is investigated. Finally, experiments were performed in an aluminum plate longitudinally loaded. The feasibility of using the time reversal focus characteristics in order to measure the strain is concluded and its limitations are pointed out.
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Aluno(a) : Roberta de Queiroz Lima
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2015
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Resumo: In this Thesis, the robust design with a uncertain model of a vibro-impact eletromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, a sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling.
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Aluno(a) : Ismael Andrade Pimentel
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2015
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Resumo: Esta tese propõe um método meshfree adaptativo de advecção para problemas de fluxo bifásico de fluidos incompressíveis e imiscíveis em meios porosos heterogêneos tridimensionais. Este método se baseia principalmente na combinação do método Semi-Lagrangeano adaptativo com interpolação local meshfree usando splines poliharmônicas como funções de base radial. O método proposto é uma melhoria e uma extensão do método adaptativo meshfree AMMoC proposto por Iske e Kaser (2005) para modelagem 2D de reservatórios de petróleo. Inicialmente este trabalho propõe um modelo em duas dimensões, contribuindo com uma melhoria significativa no cálculo do Laplaciano, utilizando os métodos meshfree de Hermite e Kansa. Depois, o método é ampliado para três dimensões (3D) e para um meio poroso heterogêneo. O método proposto é testado com o problema de five spot e os resultados são comparados com os obtidos por sistemas bem conhecidos na indústria de petróleo.
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Aluno(a) : Americo Barbosa da Cunha Junior
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/2015
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Resumo: Oil prospecting uses an equipment called drillstring to drill the soil until the reservoir level. This equipment is a long column under rotation, composed by a sequence of connected drill-pipes and auxiliary equipment. The dynamics of this column is very complex because, under normal operational conditions, it is subjected to longitudinal, lateral, and torsional vibrations, which presents a nonlinear coupling. Also, this structure is subjected to friction and shocks effects due to the mechanical contacts between the pairs drill-bit/soil and drill-pipes/borehole. This work presents a mechanical-mathematical model to analyze a drillstring in horizontal configuration. This model uses a beam theory which accounts rotatory inertia, shear deformation, and the nonlinear coupling between three mechanisms of vibration. The model equations are discretized using the finite element method. The uncertainties in bit-rock interaction model parameters are taken into account through a parametric probabilistic approach, and the random parameters probability distributions are constructed by means of maximum entropy principle. Numerical simulations are conducted in order to characterize the nonlinear dynamic behavior of the structure, specially, the drill-bit. Dynamical phenomena inherently nonlinear, such as slick-slip and bit-bounce, are observed in the simulations, as well as shocks. A spectral analysis shows, surprisingly, that slick-slip and bit-bounce phenomena result from the lateral vibration mechanism, and that shock phenomena comes from the torsional vibration. Seeking to increase the efficiency of the drilling process, an optimization problem that aims to maximize the rate of penetration of the column into the soil, respecting its structural limits, is proposed and solved.
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Aluno(a) : Jorge Arturo Hinostroza Medina
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/09/2014
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se uma análise dos principais procedimentos desenvolvidos para calcular a tenacidade à fratura sob condições elastoplásticas. São avaliadas as principais medidas de tenacidade, bem como as diferenças, características, fontes de conservadorismo e as principais referências bibliográficas que relatam diferenças nas metodologias de cálculo para prever as cargas de falha em estruturas com defeito. Também são analisados os principais procedimentos de avaliação da Integridade Estrutural de estruturas com defeito (Fitness For Service, FFS). Testes de tenacidade são feitos variando as condições de restrição em torno da trinca (geometria do CP, tamanho inicial de trinca, entalhe lateral). Foram levantadas as curvas JR para todos os CPs testados, e previsões de carga de fratura são feitas segundo os principais procedimentos FFS, e testes são realizados em placas trincadas centralmente com o objetivo de registrar as cargas de falha do defeito, para compará-las com as previsões dos procedimentos FFS e avaliar o conservadorismo de cada um deles. Como outra contribuição ao trabalho, simulações numéricas dos ensaios de tenacidade são desenvolvidas com o objetivos de reproduzir os testes feitos e calibrar os parâmetros de simulação de rasgamento dúctil em estruturas com defeito.
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Aluno(a) : Giancarlo Luis Gómez Gonzáles
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/10/2014
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Resumo: A análise de deformações em torno de regiões de concentração de tensões é uma importante ferramenta na avaliação da integridade estrutural de peças e componentes mecânicos. Todavia, esta análise se torna mais complexa quando o material atinge a plastificação junto ao entalhe. Neste trabalho, uma nova metodologia numérico-experimental para medição de deformações na superfície de um material, combinando métodos sem malha e visão computacional, é apresentada. A parte experimental da técnica é baseada na captura de imagens de um material em estados diferentes de deformação durante um ensaio mecânico. A técnica de visão computacional conhecida como Scale Invariant Feature Tecnique (SIFT) é utilizada aqui para extrair pontos característicos nas imagens capturadas. Para tanto, uma textura aleatória foi pintada na superfície do corpo de prova. Em seguida, os deslocamentos são obtidos experimentalmente, através do seguimento das posições dos pontos SIFT corretamente correspondidos no par de imagens capturadas do ensaio, antes e depois da aplicação da carga. Os pontos fornecidos pelo algoritmo SIFT são selecionados como nós de uma formulação sem malha, e o método de mínimos quadrados móveis é utilizado para gerar uma aproximação numérica do campo de deslocamentos e as suas derivadas. Assim, deformações na região próxima ao entalhe são devidamente quantificadas para posterior análise. Na validação da metodologia proposta, corpos de prova entalhados foram utilizados para estudar o comportamento da deformação plástica nas regiões de concentração de tensões. Os resultados dos testes mostraram boa concordância e precisão quando comparados com soluções analíticas, simulações pelo método dos elementos finitos (ANSYS) e soluções obtidas através de um software comercial de correlação de imagens digitais.
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Aluno(a) : Eleazar Cristian Mejia Sanchez
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/2014
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Resumo: A avaliação experimental de modelos de plasticidade incremental e a predição da vida à fadiga sobre cargas combinadas requer o uso de máquinas de testes multiaxiais. Neste trabalho é desenvolvida uma máquina tração-torção (MTT) para avaliar modelos de plasticidade incremental. Este sistema eletromecânico utiliza como atuadores principais dois motores de corrente contínua conectados a caixas de redução para gerar os carregamentos de tração axial e/ou torção. O projeto da MTT compreende a análise de sua integridade estrutural, seu dimensionamento, e o cálculo da vida à fadiga de seus principais componentes; o projeto e desenvolvimento de uma célula tração-torção (LTC - load torque cell); o desenvolvimento e implementação das técnicas de controle; e finalmente sua construção e avaliação. Uma técnica de controle PID por modos deslizantes (PID Sliding Mode control) foi especialmente desenvolvida para esta máquina, consistindo em aplicar um sinal de controle descontínuo que força o sistema a deslizar ao longo de uma superfície de convergência. Esta técnica de controle tem a capacidade de controlar continuamente a força axial e/ou o torque aplicado ao corpo de prova de maneira independente, o que permite gerar histórias de cargas não-proporcionais. Os métodos de controle são implementados em uma plataforma computacional em tempo real CompactRio. Deste modo, é possível gerar uma máquina de ensaios de fadiga multiaxial compacta, de fácil manuseio, que não precise de um sistema de controle complexo, e a um baixo custo. A máquina traçãotorção foi projetada para atender a uma ampla gama de ensaios de fadiga multiaxial, com uma capacidade de força axial máxima de ±200 kN e torque máximo de ±1300 N.m. O desempenho da MTT foi avaliado experimentalmente através de ensaios de plasticidade incremental. Para tanto, foram usados corpos de prova de tração-torção para medir seus comportamentos sobre cargas multiaxiais. Ensaios de encruamento não-proporcional, ratcheting (fluência cíclica) multiaxial e ratcheting uniaxial foram realizados em corpos de prova de aço inox 316, aço 1020, alumínio 7075 e alumínio 6063 na MTT, assim como em uma máquina Instron de 100 kN. Um simulador de plasticidade incremental para carregamentos de tração-torção foi desenvolvido, incorporando o modelo de encruamento cinemático não-linear de Jiang-Sehitoglu, e o modelo incremental de encruamento não-proporcional de Tanaka. Os parâmetros do material foram calibrados a partir de ensaios experimentais, permitindo que as simulações fossem capazes de prever o comportamento do material sobre diferentes histórias de carregamento, assim como as taxas de encruamento não-proporcional e de ratcheting. Os experimentos e simulações confirmaram tanto a adequabilidade da MTT desenvolvida, quanto do simulador de plasticidade incremental implementado, baseado nos modelos nãolineares de Jiang-Sehitoglu e Tanaka.
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Aluno(a) : Leonardo Dantas Rodrigues
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2014
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Resumo: A técnica de correlação digital de imagens (Digital Image Correlation, DIC) é uma técnica óptica de campo global que consiste na análise de imagens da superfície de um espécime antes e após seu carregamento para determinação de campos de deslocamentos e deformações. Neste trabalho foram usados um sistema DIC estereoscópico convencional 3D, para aplicações em campos de visão (macro) da ordem de 200mmx200mm, e um sistema DIC estereomicroscópico 3D, para aplicações em áreas tão pequenas quanto 1mm quadrado. Para a análise de deformações em campos com dimensões tão diferentes precisou-se desenvolver uma metodologia para controlar parâmetros da técnica DIC, tais como dimensões de pontos (speckles) impressos no espécime e tamanhos de subsets e steps usados para a correlação das imagens captadas. A seleção dos problemas estruturais para aplicação da técnica levou em conta não só a diversidade destes, como também o pioneirismo das aplicações de DIC a problemas nos quais podem ser gerados resultados que melhor ajudem na compreensão de suas facetas específicas. Assim, a técnica foi aplicada à medição de deformações em tubos com defeitos por suas vantagens de medição de grandes deformações e de visualização de regiões de interesse, sob a forma de campos globais de deformações. Na área de determinações de propriedades mecânicas de materiais compósitos, foram realizadas medições em espécimes não convencionais de resina epóxi reforçados por fibras de carbono ou fibras de vidro para determinação de suas propriedades elásticas. Por fim, foram realizadas medições em um espécime Compact Tension Specimen CTS de aço grau API 5LX60 contendo uma trinca e em espécimes com entalhes profundos (concentrações de tensões) constituídos por materiais distintos (policarbonato e alumínio), para obtenção de campos de deslocamentos e de deformações elastoplásticas. Nestas aplicações os resultados obtidos com a técnica DIC foram comparados com aqueles obtidos com modelos de elementos finitos (EF), com medições com extensômetros de resistência elétrica (strain gages) e com resultados analíticos publicados na literatura. Levando-se em conta as comparações feitas, a grande maioria dos experimentos realizados pode ser considerada satisfatória. Ao longo da tese foram descritas as adaptações, considerações e boas práticas consideradas necessárias para obtenção de bons resultados nas diferentes medições e para os diferentes aparatos experimentais utilizados. Estas recomendações serão bastante úteis para medições futuras ou mesmo para auxiliar na avaliação de confiabilidade de alguns resultados apresentados na literatura especializada.
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Aluno(a) : Victor Fernando Deorsola Sacramento
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/14/2014
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Resumo: This work presents a method for evaluation of the fatigue resistance of a drilling tower considering the sea surface elevation, the dynamics of the platform on which the tower is installed and the dynamics of the tower itself. Reduced order models are used for obtaining the sea surface elevation and the dynamics of the tower, and the uncertainties on the parameters of the components of the system can be included in the analysis as well. The analysis can be done for several sea states, according its probability distribution, and no assumption about the probability distribution of the stress ranges has to be made previously. The histogram for the distribution of stress ranges for the entire working life of the equipment is obtained using a Rainflow technique. The results and the uncertainties on them are discussed.
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Aluno(a) : Ludimar Lima de Aguiar
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/25/2013
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Resumo: This work addresses the behavior of three-dimensional multilayered pipe beams with interlayer slip condition, under general three-dimensional large displacements, in global riser and pipeline analysis. A new finite element model, considering the Timoshenko beam for each element layer, has been formulated and implemented. It comprises axial, bending and torsional degrees-of-freedom, all varying along the element length according to discretization using Hermitian functions: constant axial and torsional loadings, and linear bending moments. Transverse shear strains due to bending are also considered in the formulation by including two generalized constant degrees-of-freedom. To represent various friction conditions between the element layers, nonlinear contact models are considered. These conditions are accounted in the model through a proper representation of the constitutive relation for the shear stresses behavior in the binding material. Derivations of hydrostatic and hydrodynamic loadings due to internal and external fluid acting on respective element layers are presented. The drag and inertia forces due to external fluid are calculated by using the Morison equation. Mass and damping matrices, associated to each element layer, are properly derived by adding their respective contributions to the expression of the virtual work due to external loading. The FE implementation allows for the numerical representation of either bonded or unbonded multilayered risers, including small slip effects between layers. Effects of the pipe-soil interaction are also addressed in this work with two contact models considering either no or full interaction between friction forces in longitudinal and lateral directions, respectively. The element formulation and its numerical capabilities are evaluated by some numerical testing, which are compared to other numerical or analytical solutions available in the literature. These tests results show that the proposed element provides a simple yet robust and reliable tool for general multilayered piping analyses.
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Aluno(a) : Daniel Ramos Louzada
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/03/2013
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Resumo: O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta tese, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como corrosão e delaminação. A metodologia empregada, teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Inicialmente, tais padrões foram provocados por carregamentos estáticos (tração), e posteriormente por atuadores PTZ fixados à estrutura. Estes últimos são submetidos a uma voltagem alternada e frequência fixa. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), alem de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação. Com relação à interpretação dos resultados, a estratégia empregada consistiu em separar o problema de detecção e caracterização dos danos. Dessa forma, a detecção é realizada comparando a energia das deformações superficiais dos corpos de prova nos casos com e sem defeito, enquanto a caracterização é obtida através a utilização de redes neurais artificiais (RNA), por meio de rotinas de reconhecimento de padrões.
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Aluno(a) : Pedro Ferreira da Costa Blois de Assis
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/14/2013
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Resumo: Controle de estabilidade é uma técnica aplicada para aumentar a segurança em veículos automotivos. Ele compreende não apenas controle de guinada como controle de rolagem, principalmente em veículos altos como caminhões. Uma tendência na indústria automobilística já consagrada em sistemas robóticos de exploração são os veículos elétricos que possuem motores elétricos independentes em cada roda. Sua característica de não emitir qualquer poluente os torna ambientalmente atraentes e, devido à forma de atuação, tendem a ser mecanicamente menos complexos. Os controles de estabilidade atuais visam prevenir que o veículo chegue a uma situação de instabilidade. No entanto, veículos em alta velocidade que encontrem obstáculos nos terrenos podem perder o contato com o solo. Nessa situação, os controles de estabilidade atuais nada podem fazer para garantir um retorno seguro para o terreno. Este trabalho apresenta um algoritmo de detecção de descolamento da roda para identificação do início da fase balística e consequente determinação da ação necessária para aumentar as chances de um retorno seguro ao chão. São usados apenas sensores de corrente e velocidade dos motores para a detecção. O controle por roda de reação é aplicado ao veículo para estabilização durante a fase balística. O algoritmo também é capaz de estimar o torque externo aplicado sobre a roda usando os mesmo sensores utilizados para o controle de torque dos motores, tornando a técnica uma ferramenta sem custos adicionais ao sistema. Os algoritmos de controle e detecção apresentados foram testados experimentalmente e em um simulador desenvolvido para a pesquisa usando o modelo de um veículo robótico de sessenta quilogramas com quatro rodas independentes atuadas por meio de motores elétricos de corrente contínua. Os resultados obtidos mostram o potencial da técnica para futuras aplicações.
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Aluno(a) : Aruquia Barbosa Matos Peixoto
Orientador(a): Marcelo Dreux e Carlos Antonio de Moura
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/19/2013
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Resumo: Neste trabalho é apresentado um método adaptativo de poligonalização de superfícies implícitas, a Grade Adaptativa, associado a uma octree como estrutura de dados. Os pontos da subdivisão dos cubos dessa octree não estão sempre no centro, como na definição clássica, porém mais próximos à superfície. Para obter essa característica, os valores da função são considerados na região de poligonalização. Os pontos da malha que aproximam a superfície são conectados utilizando as arestas dos cubos referentes às folhas dessa octree. As arestas pertencentes à interseção de três ou quatro cubos são testadas com relação a sua intersecção pela superfície. Elas são obtidas por meio de uma redefinição do conceito de Arestas Mínimas. O método apresentado nesta tese conduz a resultados mais precisos que aqueles obtidos com métodos em que a octree tenha sua subdivisão sempre no centro, como o Dual Contouring. O melhor posicionamento da grade torna possível captar mais detalhes com o mesmo nível de subdivisões, pois nesse caso há mais precisão no posicionamento dos vértices da malha e, além disso, mais cubos intersectam a superfície, gerando mais pontos da malha.
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Aluno(a) : Juan Carlos Romero Albino
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/07/2011
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Resumo: Neste trabalho um novo elemento de viga co-rotacionado é apresentado para a análise nío-linear geométrica tridimensional, estática e dinâmica, de linhas marítimas de Materiais com Gradação Funcional (MGF). Assume-se que o módulo de elasticidade e a massa específica do material da viga variam ao longo da espessura da seção transversal tubular de acordo com uma lei de potencia. O coeficiente de Poisson do material é mantido constante. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a linha marítima é representada por um elemento de viga de dois nós, com base nas hipóteses do modelo para vigas de Euler-Bernoulli, em que polinômios cúbicos de Hermite sío utilizados na interpolação dos deslocamentos nodais e a cinemática do movimento é descrita através de grandezas referidas a um sistema coordenado local co-rotacionado. Consideram-se nío linearidades geométricas envolvendo grandes deslocamentos e rotações, mas com pequenas deformações. Nas equações de movimento da linha marítima, sío consideradas as seguintes influencias: do peso próprio, do empuxo, dos carregamentos hidrodinâmicos (devidas às ações de ondas, correntes e forças de massa adicional), dos deslocamentos prescritos (junto à fixação da embarcação), da ação de flutuadores e das forças de interação solo-estrutura. A integração temporal das equações de equilíbrio é realizada utilizando-se o algoritmo de discretização HHT (Hilbert-Hughes-Taylor) e a solução numérica obtida com a técnica iterativa de Newton Raphson. A metodologia numérica foi implementada e diversos exemplos sío apresentados e discutidos enfatizando-se as diferenças de comportamento estrutural entre os modelos de viga com MGF e com material homogêneo. Resultados referentes a situações práticas da engenharia offshore sío também tratados nos exemplos.
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Aluno(a) : Julien Mauprivez
Orientador(a): Rubens Sampaio e Edson Luiz Cataldo Ferreira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/06/2011
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Resumo: A proposta desta tese é resolver um problema estocástico inverso, relacionado a um modelo para produção de voz, usando redes neurais artificiais (RNA). Três parâmetros do modelo sío considerados incertos e variáveis aleatórias sío associadas a eles. A cada variável aleatória é associada uma função densidade de probabilidade, construída usando o Principio de Entropia Máxima. Substituindo os três parâmetros incertos pelas variáveis aleatórias associadas, obtém-se um modelo estocástico. Sua saída é um processo estocástico constituído por realizações de sinais de voz. O problema inverso proposto consiste em mapear as três variáveis aleatórias a partir dos sinais de voz, e, no uso de redes neurais artificiais para construir a solução do modelo inverso correspondente. As entradas da RNA construída sío características extraídas dos sinais de voz e suas saídas sío variáveis aleatórias. As funções densidade de probabilidade dessas três saídas aleatórias sío entío estimadas e comparadas às originais. Dois tipos de problemas sío abordados. Primeiro, a mesma distribuição de probabilidade é usada para gerar amostras de sinais de voz e para resolver o problema estocástico inverso correspondente. Neste caso, as funções densidade de probabilidade verdadeiras se adequam muito bem às simuladas. Em seguida, distribuições de probabilidade diferentes sío usadas para gerar as amostras de sinais de voz usadas para treinar a RNA e para resolver o problema inverso correspondente. Uma agradável surpresa surge: a qualidade da estimação fica quase a mesma, exceto para uma das variáveis aleatórias.
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Aluno(a) : Mauricio Kreczmarsky Guimarães Meinicke
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2011
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Resumo: A melhoria nas técnicas de obtenção de dados sísmicos fez com que estes dados sejam da ordem de até terabytes, o que gera um grande problema no armazenamento e transmissão dos mesmos. No que se refere ao problema de armazenamento em disco, apesar da queda no preço do disco rígido, o avanço das técnicas de obtenção do dado sísmico e o barateamento destas técnicas de obtenção do dado fazem com que a demanda por espaço em disco cresça mais rápido do que a queda no preço do hardware. Outro fator importante é a limitação de espaço físico para armazenar todos os discos rígidos de forma a garantir a segurança da informação destes discos. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma nova técnica de compactação para dados sísmicos utilizando a transformada wavelet 3D. É feito um comparativo com as técnicas de compressão atuais, que utilizam a transformada 2D.
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Aluno(a) : Maurício Gruzman
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2011
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Resumo: Neste trabalho estuda-se um sistema de acompanhamento de alvos, também conhecido como sistema de rastreamento de alvos, do tipo pan-tilt atuado por motores de corrente contínua e fixo em um corpo em movimento. Para tanto é montada uma bancada de testes e implementa-se um programa de simulação. A modelagem para o programa é feita no domínio do tempo, permitindo a utilização de equações bastante complexas para representar o sistema, o que não é possível quando se utiliza modelos no domínio da freqüência. Apesar de se modelar o sistema com corpos rígidos, flexibilidades e amortecimentos estruturais devido aos redutores de velocidade são considerados. Erros nos sensores, folgas nos redutores, atritos seco e viscoso, limites de saturação para as correntes e tensões nas armaduras dos motores também são considerados. Um método para a inclusão dos atrasos de tempo para atualização dos sinais de controle e dados obtidos pelos sensores durante a integração numérica das equações de movimento é apresentado. Para controlar o sistema utilizam-se controladores que não requerem o modelo matemático da planta, tanto na bancada de testes como no programa de simulação. Três tipos diferentes de arquitetura de controle são propostas, chamadas neste trabalho de tipo 1, tipo 2 e tipo 3. A complexidade delas aumenta à medida que mais sensores estão disponíveis no sistema. A arquitetura do tipo 1 destina-se a sistemas onde se possui apenas sensores que fornecem os erros angulares de azimute e elevação do alvo. Se, além deste sensor, também houver sensores para medir as posições angulares relativas entre os elos do mecanismo usa-se a arquitetura do tipo 2. Se houver, ainda, sensores de velocidades angulares inerciais pode-se utilizar a arquitetura do tipo 3. Por fim são apresentados resultados de experimentos e simulações onde se compara o desempenho do sistema com cada tipo de arquitetura de controle.
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Aluno(a) : Marcelo de Jesus Rodrigues da Nóbrega
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/20/2010
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Resumo: Efeitos da taxa de deformação nas propriedades mecânicas podem ser significativos na simulação do comportamento dinâmico de estruturas deformadas plasticamente, e o objetivo deste trabalho é avaliá-los através de duas tarefas complementares: (i) desenvolver e qualificar uma metodologia apropriada para a medição de propriedades mecânicas dinâmicas, incluindo os requisitos necessários para medir e ajustar da melhor forma possível os dados experimentais, quantificando a incerteza a eles associada; e (ii) verificar a influência da estratégia de medição das propriedades mecânicas na previsibilidade do comportamento de estruturas sujeitas a impactos. Os modelos que descrevem o comportamento mecânico dinâmico são baseados na taxa de deformação de/dt, mas freqüentemente seus parâmetros são medidos em testes controlados pela velocidade do carregamento. Todavia, a taxa de/dt não permanece constante nos testes feitos sob velocidade fixa, o que aumenta a incerteza das previsões baseadas nos parâmetros assim medidos. Para avaliar quantitativamente a influência das estratégias de controle nas propriedades mecânicas, primeiro foi estabelecido um procedimento estatístico apropriado para determinar o número de corpos de prova necessários para medir propriedades dinâmicas dentro de um nível de confiança desejado. Todos os dados foram medidos em duplicata, controlando as taxas de deformação ou a velocidade de carregamento imposta nos corpos de prova, numa larga faixa, 10(-4) < de/dt < 102/s, em testes particularmente feitos com cuidado. A aquisição e tratamento dos dados foram feitos através de um programa desenvolvido em Labview. Um programa desenvolvido em Mathcad foi usado para otimizar os parâmetros dos diversos modelos estudados ao conjunto de dados medidos via um algoritmo Levenberg–Marquardt. A partir deste estudo é proposto um novo modelo que descreve adequadamente o patamar de escoamento, e minimiza os erros de ajuste na região de transição elastoplástica, de grande importância na análise estrutural. Um pórtico simples foi escolhido para verificar o efeito das propriedades dinâmicas nas simulações numéricas feitas no programa LS-DYNA, tradicionalmente usado para modelar impactos elastoplásticos. Vários destes pórticos foram submetidos a impactos numa máquina de queda livre (drop-weight), para induzir deformações plásticas variáveis em função das velocidades de impacto. As deformações medidas foram comparadas com as previstas usando as propriedades obtidas sob as duas estratégias de controle, e ajustadas pelos diversos modelos estudados. Desta forma pode-se finalmente quantificar a influência da metodologia de medição das propriedades mecânicas dinâmicas na previsibilidade do comportamento de estruturas sujeitas a impactos elastoplásticos.
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Aluno(a) : Sully Milena Mejia Quintero
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/2010
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Resumo: Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no uso destes sensores no monitoramento da condição de hidrogeradores. Duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas sío exploradas. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birefringência. Em ambos os casos as fibras sío recobertas por uma camada de material compósito magnetoestrictivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Os sensores desenvolvidos sío leves e compactos. O sensor baseado em redes de Bragg, de formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento, passou por testes estáticos em campos magnéticos de até 750 mT tendo apresentado uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram realizados em um rotor de bancada desbalanceado e os resultados obtidos comparados com os fornecidos por um sensor magnético de efeito Hall mostrando excelente concordância. O sensor a fibra óptica interferométrico foi caracterizado estaticamente, tendo apresentado uma sensibilidade ao campo magnético duas vezes superior à do sensor baseado em redes de Bragg.
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Aluno(a) : Marco Antonio Perez Rosas
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2010
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Resumo: Devido ao seu alto custo e à sua importância estratégica, a busca por soluções que estendam a vida útil das redes dutoviárias é plenamente justificável. Uma vez detectado um defeito, procura-se restabelecer sua capacidade operacional, reparando a seção danificada. A maioria dos estudos está orientada a determinar o comportamento de um duto reparado utilizando técnicas numéricas e/ou experimentais. Outros apresentam equações simples para o cálculo da espessura de reparo tentando garantir a segurança na operação, porém sem demonstrar o comportamento do mesmo. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia analítica para determinação do comportamento de dutos reparados por luvas metálicas coladas ou de material compósito. Esta metodologia permite também conhecer as pressões que ocasionarío o escoamento e falha, seja no duto ou no reparo. Acredita-se que com a utilização desta metodologia o projeto de um reparo será mais eficiente, permitindo escolher melhor o material e a espessura de reparo, segundo as exigências de cada projeto. Sío apresentados resultados de simulações numéricas com o propósito de conhecer o comportamento, otimizar o dimensionamento e avaliar os resultados obtidos analiticamente para estes tipos de reparos. Por fim, é apresentado um estudo de caso, resultados de testes experimentais e um exemplo de aplicação para a determinação da espessura de reparo. Com isto foi possível conhecer os comportamentos nío estudados numericamente, e mostrou-se que, o controle das deformações no defeito dependerá do módulo de elasticidade e da espessura do reparo, como era esperado
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Aluno(a) : Danny Hernán Zambrano Carrera
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/13/2010
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Resumo: Um problema bem conhecido da Mecânica Clássica consiste no estudo do movimento de um corpo no espaço, especialmente quando o problema é conservativo e livre de forças. Este trabalho utiliza ferramentas modernas da Dinâmica para interpretar os movimentos com grande amplitude, ultrapassando os limites de estabilidade obtidos pelo conceito de Lyapunov. O problema da singularidade numérica que ocorre utilizando-se ângulos de Cardan pode ser eliminado com a descrição por quatérnios. A versatilidade dos quatérnios na Dinâmica é discutida, assim como a dificuldade do estudo do movimento próximo aos pontos de singularidade usando ângulos cardânicos. Enfatiza-se a influência dos momentos principais de inércia na estabilidade do movimento. Obtém-se um valor numérico da energia cinética mínima necessária para que o movimento atravesse o limite de estabilidade. O giroscópio Magnus é um instrumento educacional muito conveniente no estudo do movimento de um corpo livre no espaço. O rotor desse giroscópio representa um corpo em uma suspensío cardânica com anel externo e interno, o que dá ao corpo a liberdade de movimento necessária. Desenvolve-se nesta tese o modelo matemático de um corpo em suspensío cardânica, incluindo-se o atrito existente entre os componentes do sistema mecânico (além de considerar as inércias do rotor e dos anéis ou quadros). O problema da singularidade na descrição com rotações seqüenciais que existe no caso de um corpo no espaço, é eliminado quando se considera a inércia dos quadros. Estuda-se o comportamento do giroscópio ao longo do tempo, sem outras restrições, considerando a perda de energia cinética devido ao atrito. Avalia-se também como a mudança dos momentos de inércia influencia a estabilidade do movimento do sistema.
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Aluno(a) : José de Jesús Leal Carvajalino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/29/2010
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Resumo: Neste trabalho são apresentados conceitos usados na avaliação da confiabilidade estrutural com o objetivo de calcular a probabilidade de falha de uma estrutura enquanto ela atende aos fins para os quais foi projetada durante sua vida útil. Uma metodologia de análise de confiabilidade estrutural foi desenvolvida, tendo como foco os dutos de transporte de óleo e gás natural, embora possa ser aplicada a diferentes equipamentos. A metodologia permite o acoplamento de diferentes eventos que possam ocorrer na vida de uma estrutura. Entende-se por eventos a aparição de defeitos por diferentes vias: processos corrosivos, danos por terceiros, operações incorretas, etc., ou, eventos relacionados à inspeção da estrutura, duto ou equipamento. Cada evento é descrito por uma função de estado limite do tipo capacidade x demanda. O acoplamento desses estados limites é dado pela uniío ou interseção deles (sistemas em série, paralelo, ou combinação deles). A análise é reduzida ao cálculo da confiabilidade de um sistema, cuja solução é feita usando a função padrío multinormal e os métodos de primeira ordem FORM, para o cálculo da probabilidade de falha de cada estado limite, e os métodos do produto das probabilidades condicionais PCM e I-PCM, para o cálculo da probabilidade de falha do sistema através da integral multinormal. As informações obtidas dos resultados desta metodologia podem ser úteis na geração de planos de inspeção, análises preditivas e análises de risco, para contribuir na tomada de decisões sobre prazos e técnicas de inspeção a serem empregadas. A metodologia mencionada acima pode ser implementada em um programa de gerenciamento de confiabilidade estrutural, o qual deve ser capaz de acoplar todos os eventos, os dados conhecidos, as incertezas próprias dos dados e as novas informações ao longo da vida útil de uma estrutura.
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Aluno(a) : Thiago Gamboa Ritto
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/15/2010
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Resumo: Essa tese analisa a dinâmica nío-linear de uma coluna de perfuração de petróleo incluindo a modelagem de incertezas. Uma coluna de perfuração é uma estrutura flexível esbelta que penetra rocha em busca de petróleo. Um modelo matemático-mecânico é desenvolvido para esta estrutura; este modelo inclui, por exemplo, interação fluido-estrutura, impactos, nío-linearidades geométricas e interação broca-rocha. Após a dedução das equações de movimento, o sistema é discretizado usando o método dos Elementos Finitos, e um código computacional é desenvolvido para as simulações numéricas usando o MATLAB. Os modos normais do sistema dinâmico na configuração pré-tensionada sío usados para construir um modelo reduzido do sistema. Para modelar as incertezas, a abordagem probabilística nío-paramétrica, que é capaz de levar em consideração tanto incertezas nos parâmetros dos sistema quanto incertezas no modelo, é usada. A função densidade de probabilidade relaciona às variáveis aleatórias do problema sío construidas usando o Princípio da Entropia Máxima e a resposta aleatória do sistema é calculada usando o método de Monte Carlo. Uma maneira nova de levar em consideracío incertezas no modelo de uma equação constitutiva nío linear (interação broca-rocha) é desenvolvida usando a abordagem probabilística nío-paramétrica. Para identificar o modelo probabilístico do modelo de interação broca-rocha, o método da Verossimilhança Máxima junto com a redução estatística no domínio da frequência (usando a análise das Componentes Principais) é empregado. Finalmente, um problema de otimização robusto é resolvido para encontrar os parâmetros operacionais do sistema que maximizam o seu desempenho, respeitando os limites de integridade, como fadiga e instabilidade.
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Aluno(a) : Romulo Reis Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/29/2010
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Resumo: Existem aplicações técnicas onde o principal elemento de um sistema mecânico está sujeito a um padrão de vibração. Um exemplo se encontra na perfuração de poços de petróleo em rochas duras utilizando brocas tricônicas, uma vez que esse tipo de interação broca/ rocha impõe uma vibração longitudinal à estrutura. É possível utilizar parte desta energia para excitar um martelo, uma subestrutura do sistema principal capaz de gerar impactos. A onda de tensão gerada pelo impacto pode ser útil para remover o sistema de uma condição de stick (stick-slip) ou ajudar na propagação de trincas no material a ser perfurado. A perfuração de rochas duras ainda é um grande desao para as empresas de perfuração e exploração de petróleo. Neste contexto, uma forma de conseguir maior eciência da coluna de perfuração é combinando a perfuração rotativa convencional com um dispositivo de vibro-impacto. A tarefa de desenvolver um martelo embarcado na coluna de perfuração e que impacta sobre a broca ainda é uma sugestão a ser implementada. O propósito deste trabalho é a investigação experimental e a modelagem matemática do comportamento da força de impacto num sistema de vibro-impacto embarcado. Mudando a rigidez do martelo e a folga é possível investigar o comportamento do sistema sob diferentes freqüências de excitação. É apresentada uma metodologia para a integração numérica de equações diferenciais descontínuas. Este trabalho também estuda a modelagem da força de impacto, investigando qual modelo matemático disponível na literatura melhor representa os dados experimentais. Os resultados experimentais serão usados para validar o modelo matemático, através do qual o sistema será estudado em maior detalhe. Uma análise não-linear é realizada (diagramas de bifurcação, mapas de Poincaré e mapas de Peterka). Finalmente, este trabalho mostra uma aplicação prática deste sistema de vibro-impacto, onde um sistema massa-mola é montado a uma bancada experimental de perfuração. Resultados experimentais mostram que a aplicação da força de impacto durante a perfuração aumenta a taxa de penetração.
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Aluno(a) : Ruben Gómez Diaz
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/01/2009
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Resumo: Este trabalho situa-se numa das linhas de pesquisa do Tecgraf/PUC-Rio de projeto de unidades flutuantes tais como, navios e plataformas semi-submersíveis. Nesta linha de pesquisa estío sendo desenvolvidos os programas gráficos MG (Mesh Generator) e o Sstab. O primeiro programa é um modelador geométrico por meio de seções transversais e gerador de malhas para modelos de elementos finitos e analises de estabilidade de estruturas flutuantes. O segundo programa é utilizado para a analise e projeto de estabilidade estática do modelo. A estabilidade de unidades flutuantes é um critério fundamental em um projeto naval, e para isto é necessário garantir uma ótima modelagem geométrica (curvas, balizas, superfícies, volume, etc) da unidade em questío para logo poder se proceder com as simulações de análises estáticas do modelo. Devido à enorme complexidade em descrever e/ou modelar uma estrutura flutuante, o principal objetivo deste trabalho é o de dispor um mecanismo de modelagem automática. Esta abordagem é feita utilizando a linguagem Lua, onde é possível disponibilizar um histórico do processo de modelagem como um todo (geração de scripts), definir um conjunto de variáveis que possam ser utilizados como parâmetros de entrada para as dimensões de um modelo, etc. Pode-se mencionar ainda o desenvolvimento de algumas ferramentas auxiliares que facilitam a modelagem de uma estrutura flutuante pois permitem verificar a consistência topológica de uma malha, gerar uma subdivisío gradativa das curvas cortadas e simplificar as novas malhas geradas. É possível também detectar se o modelo possui simetria num determinado plano e realizar cortes do modelo final para diferentes calados de forma automática.
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Aluno(a) : Ricardo Teixeira da Costa Neto
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2008
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Resumo: A sub-divisão de um veículo em módulos é muito útil quando se quer estudar o comportamento dinâmico de um determinado subsistema e sua influência nos demais componentes. Em alguns casos, devido ao tipo de tratamento empregado para descrever os elementos, não se consegue perceber de que modo as variáveis inerentes a um subsistema interagem com as demais, e, por conseguinte, os subsistemas entre si. A abordagem modular baseada no fluxo de potência permite uma melhor identificação das relações de causa e efeito entre subsistemas, uma vez que se pode definir, de forma clara e consistente, quem são as variáveis de entrada e de saída de cada componente ou módulo, e, conseqüentemente, seus acoplamentos. Neste tipo de tratamento, aplicado aos sistemas mecânicos, uma vez estabelecida a cinemática de um subsistema, podese obter as relações entre os esforços que seus componentes produzem uns sobre os outros, a partir da caracterização da potência transmitida através dos seus diversos elementos. Este trabalho apresenta um procedimento semi-analítico de equacionamento modular aplicado à modelagem e integração dos sistemas de suspensão e direção de veículos terrestres, no qual as variáveis de entrada e saída indicam o fluxo de potência entre os elementos de todo o sistema. Tal abordagem tem como base a técnica dos Grafos de Ligação, empregada em sistemas multidomínio em geral, e usa alguns conceitos da metodologia dos Transformadores Cinemáticos, normalmente aplicada aos sistemas multicorpos. A partir da definição da geometria dos mecanismos em questão, encontram-se as matrizes que representam os vínculos cinemáticos entre seus elementos, das quais o funcionamento dos sistemas integrados pode ser simulado e analisado, e informações necessárias aos seus projetos determinadas. As equações (malhas) algébricas que existem em mecanismos com estrutura cinemática fechada são analiticamente resolvidas, evitando deste modo modelos matemáticos com equações diferenciais e algébricas simultâneas. Das relações cinemáticas, o modelo dinâmico (matrizes de inércia, rigidez e amortecimento, etc) é obtido, e novamente informações essenciais à análise e síntese dos sistemas podem ser determinadas. O comportamento no tempo desses modelos pode ser encontrado por um método de integração de equações diferenciais qualquer. Adota-se o Simulink/MatLab® para representar o modelo assim desenvolvido em diagrama de blocos, e conseqüentemente simulá-lo. Através deste tratamento, cada bloco da implementaçao em Simulink/MatLab® contém o correspondente modelo analítico de um único módulo, cujo estabelecimento depende das características dinâmicas do sistema que se deseja analisar. A vantagem de adotar tal representação, baseada no fluxo de potência, consiste no fato de que um módulo pode ser substituído por outro, descritivo de um elemento ou subsistema com a mesma função, porém com configuração física distinta, e, conseqüentemente, modelo matemático específico, sem qualquer alteração nos demais componentes do sistema. Este procedimento está sendo adotado para modelagem dos diversos sistemas veiculares, como os de suspensão, direção, transmissão e freios, e também os pneus, inseridos em um chassi, incluindo os graus de liberdade desejados do veículo, todos descritos de forma modular semi- analítica através da mesma abordagem, empregando a técnica de modelagem mais apropriada para representá-los.
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Aluno(a) : Fredy Jonel Coral Alamo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/2006
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Resumo: Neste trabalho é formulado e analisado o equilíbrio estático e a dinâmica de uma viga elástica tridimensional. A teoria tridimensional empregada, que pode ser chamada de teoria de Cosserat para vigas, é exata geometricamente, ou seja, nío está baseada em aproximações geométricas ou suposições mecânicas. Para a deformação da viga, assume-se a hipótese de Bernoulli e por simplicidade consideram-se relações constitutivas lineares para o material. A configuração deformada da viga é descrita através do vetor de deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel, rigidamente unido à secção transversal da viga. A orientação da base móvel, relativo a um sistema inercial, é parametrizada usando três rotações elementares consecutivas. Na teoria de Cosserat para vigas, as equações do movimento sío equações diferenciais parciais nío-lineares em função do tempo e uma variável espacial. No entanto, para o equilíbrio estático, as equações tornam-se equações diferenciais ordinárias nío-lineares com uma variável espacial que sío resolvidas usando o método de perturbação. Da solução do equilíbrio estático, obtêm-se as funções de deslocamento da viga, em função dos deslocamentos e rotações nodais, as quais sío usadas para a análise dinâmica. Para obter a dinâmica da viga usa-se a equação de Lagrange, que é formada pelas expressões da energia cinética e da energia potencial de deformação. Além disso, usa-se o método de Newmark para resolver as equações do movimento. Como aplicação, estuda-se numérica e experimentalmente, a dinâmica de uma viga rotativa curva contida numa cavidade uniforme. Quando se usa a teoria de Cosserat para vigas, que leva em conta as nío linearidades geométricas, a alta precisío da resposta dinâmica é obtida dividindo o sistema em poucos elementos, as quais sío bem menores que o tradicional MEF, essa é a principal vantagem da teoria desenvolvida.
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Aluno(a) : Roberth Waldo Angulo Llerena
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2004
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Resumo: O setor de petróleo e gás apresenta diversas oportunidades de aplicação para os sensores a fibra óptica. Algumas características inerentes às fibras ópticas, como baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico, imunidade eletromagnética e alta capacidade de multiplexação, podem ser determinantes em diversas situações, seja nos segmentos de exploração, transporte, refino ou distribuição. As principais operadoras internacionais do setor identificaram a tecnologia de Sensores a Fibra Óptica como elemento chave para viabilizar, com toda a funcionalidade esperada, a instalação de sistemas de completação inteligente de poços de petróleo (produção ou injeção). O sensoriamento do poço permite obter, a qualquer momento, informações precisas sobre diversas grandezas, entre outras a pressão, temperatura, vazão, pH ou mesmo a posição de válvulas que controlam o fluxo através do poço. A monitoração em tempo real do poço é parte da estratégia de automação do processo de produção do campo de petróleo. Esta é uma tendência que no futuro próximo aponta para a exploração de campos de petróleo inteligentes, onde a produção por vários poços de um mesmo reservatório realizase de forma otimizada e automatizada, reduzindo custos, e aumentando fatores de recuperação das reservas de hidrocarbonetos fósseis. O presente trabalho se insere neste contexto, e apresenta a concepção, desenvolvimento e resultados de testes de dois protótipos de transdutores de fundo do poço para integrar um sistema de completação inteligente baseado na tecnologia de sensoriamento utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. O primeiro deles destina-se à medida da pressão diferencial num sensor de vazão do tipo Venturi. Resultados de testes com protótipos do transdutor demonstraram que ele pode operar numa faixa de mais ou menos 5 bar de pressão diferencial, sob pressões médias de até 21 MPa e temperaturas de 90 graus Celsius com resolução de 0,06 por cento do fundo de escala. O segundo transdutor desenvolvido, aplica-se à medida da posição de abertura e fechamento de uma válvula controladora de fluxo tipo camisa deslizante (sliding sleeves). Duas técnicas foram investigadas. A primeira delas, para aplicações mais gerais, baseia-se no uso de atuadores magnetoestrictivos. A segunda procurou atender a um projeto específico para este tipo de válvula, em cuja concepção utiliza-se uma mola elástica para exercer a força de restituição contra um atuador hidráulico. Neste caso, optou-se por desenvolver uma célula de carga instrumentada com redes de Bragg. Nos testes realizados foram obtidos resultados satisfatórios em termos de sensibilidade e resolução, tendo-se chegado para esta última a valores próximos de 0,03 mm num curso de 70 mm (0,04 por cento do fundo de escala).
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Ingar Valer
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/25/2004
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Resumo: Neste trabalho é abordado o problema do controle durante o período de transição de contato em manipuladores robóticos. Tipicamente é o controlador de força que deve lidar com o fenômeno transiente, no entanto esses controladores sío projetados sob a hipótese de contato permanente do manipulador com o meio e portanto nío estío preparados para lidar com o fenômeno altamente nío-linear que representam os impactos e as perdas de contato. No trabalho, inicialmente é feita uma análise do desempenho e estabilidade dos controladores de força convencionais quando operam em presença de impacto e perdas de contato inesperadas. Essa análise é baseada em modelos simplificados de um manipulador rígido e outro flexível. É mostrado que o impacto nío origina instabilidade dinâmica, mas pode deteriorar severamente o desempenho do sistema. Posteriormente é desenvolvido o modelo dinâmico de um manipulador de dois elos rígido-flexível onde considera-se pastilhas piezoelétricas coladas ao longo da superfície flexível e também sío estudados os modelos de contato. Estes modelos sío usados para provar a efetividade de três novos controladores de impacto propostos neste trabalho e que sío projetados especificamente para lidar com o fenômeno transiente de maneira satisfatória. A idéia do primeiro controlador é a identificação on-line da posição do meio de trabalho após o primeiro impacto, a qual será usada projetar uma nova trajetória que permita atingir a superfície do meio com velocidade mínima, evitando assim os próximos impactos. O projeto deste controlador é feito usando a teoria de controle ótimo. O segundo controlador usa a idéia da linearização do movimento do manipulador flexível em torno ao movimento de um manipulador rígido. Esta linearização é usada para projetar um controlador de posição de alta precisío evitando ou diminuindo assim a severidade do impacto inicial. O terceiro controlador usa a idéia do controle estrutural através das pastilhas piezoelétricas coladas ao longo da parte flexível do manipulador. O projeto deste controlador é otimizado através de um algoritmo de programação nío-linear e a estabilidade em presença de dinâmica residual é garantida.
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Aluno(a) : Sérgio Ricardo Kokay Morikawa
Orientador(a): Arthur Braga e Luis Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/31/2004
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Resumo: Desde o final da década de 80 a indústria de fibras óticas têm passado por avanços consideráveis. Através de técnicas controladas, as fibras ópticas podem gerar sinais associados a uma vasta gama de grandezas físicas funcionando como sensores denominados de Sensores a Fibra Óptica (SFO s). Diversas técnicas podem ser empregadas para tal, e entre as existentes a baseada em redes de Bragg é a que mais tem se destacado. O interesse por transdutores empregando esta técnica se justifica pelas vantagens proporcionadas pelo uso da luz, tais como sua capacidade de multiplexação, boa relação sinal/ruído, medições a longas distâncias, imunidade a campos eletromagnéticos, ausência de faísca, entre outras. Neste trabalho buscou-se desenvolver um transdutor e uma técnica de medição baseada em sensores a rede de Bragg para medição de vibrações mecânicas. Um acelerômetro óptico triaxial é projetado e construído. Diferentes modelos foram testados em busca das características de desempenho desejadas. Simulações numéricas empregando o método dos elementos finitos auxiliaram na decisão por melhores desenhos para o transdutor. Resultados de testes experimentais e calibrações empregando um sistema de aquisição de sinais desenvolvido são mostrados. Medições de longa duração para avaliação de estabilidade do sistema e efeitos de temperatura também são apresentados.
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Aluno(a) : Luiz Carlos da Silva Nunes
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/25/2004
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Resumo: A análise da técnica de demodulação usada para interrogar sensores a rede de Bragg em fibras ópticas baseadas em filtros fixos foi realizada teoricamente e experimentalmente. Diferentes configurações de sistemas foram analisadas modificando a posição espectral dos filtros, assim como, os níveis de potência óptica obtidos nos fotodetectores. Foram realizadas medidas com o tempo de integração que variavam de 0.01 a 1s e estimado o limite de baixa freqüência. Comparação entre os resultados experimentais e simulados mostram boa concordância, e extrapolações indicam que seria possível chegar a uma faixa de medida da ordem de 7 nanômetros, com incertezas equivalentes menores que 2 picometros, na medida da posição de pico do sensor. Foi feita uma análise da possibilidade de utilização desta técnica para medida simultânea de pressío e temperatura com uma única rede sensora. Na realização experimental foi usado um transdutor de pressío que transferia uma força transversal à fibra, proporcional à pressío atuante, gerando birrefringência na regiío da rede de Bragg. Foi possível obter valores de pressío com a faixa dinâmica de 400 psi com incerteza máxima de 4 psi e simultaneamente temperaturas com variação de 28 a 50oC com incerteza máxima de 0.1oC. Adicionalmente, foram estudados os efeitos gerados numa multiplexação temporal (TDM) de sensores a rede de Bragg quando os sensores se encontram superpostos na mesma posição espectral. Nesta análise é confrontada a técnica de demodulação utilizando dois filtros fixos com a técnica baseada na posição espectral. Os resultados indicam que a técnica baseada em filtros fixos apresenta vantagem, permitindo um número significativamente maior de sensores. E também, foi analisado o distúrbio provocado no espectro da rede sensora quando a fonte de luz usada para interrogar a rede, tem uma modulação espectral que varia com a temperatura. Finalmente, foi apresentado um sistema de multiplexação (TDM/WDM), completamente polarizado, capaz de interrogar dezenas de sensores a rede de Bragg escrito em fibras de alta birrefringência. O sistema de multiplexação consistiu numa chave óptica integrada, baseada num interferômetro de Mach-Zehnder com configuração X-Y, e num espectrômetro CCD.
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Aluno(a) : Alberto Paiva
Orientador(a): Arthur Braga e Marcelo Savi
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/20/2004
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Resumo: O estudo de materiais inteligentes tem instigado várias aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento (da área médica à industria aeroespacial). Os materiais mais utilizados em estruturas inteligentes são as ligas com memória de forma, as cerâmicas piezoelétricas, os materiais magneto-estrictivos e os fluidos eletro- reológicos. Nas últimas décadas, as ligas com memória de forma vêm recebendo atenção especial, sendo utilizadas principalmente como sensores ou atuadores. Existe uma gama de fenômenos associados a estas ligas que podem ser explorados. Visando uma análise mais precisa do comportamento destes materiais, tem se tornado cada vez maior o interesse no desenvolvimento de modelos matemáticos capazes de descrevê-los de maneira adequada, permitindo explorar todo o seu potencial. O objetivo deste trabalho é propor um modelo constitutivo unidimensional que considera quatro variantes de microconstituintes (austenita, martensita induzida por temperatura, martensita induzida por tensão trativa e martensita induzida por tensão compressiva) e diferentes propriedades para cada fase. O efeito das deformações induzidas por temperatura é incluído na formulação. O modelo contempla ainda o efeito das deformações plásticas e o acoplamento entre os fenômenos de plasticidade e transformação de fase. Além disso, são introduzidas modificações na formulação que permitem o alargamento do laço de histerese da curva tensão-deformação, fornecendo resultados mais coerentes com dados experimentais. Por fim, incorpora-se a assimetria no comportamento tração-compressão. A validação do modelo é obtida comparando os resultados numéricos obtidos através do modelo com resultados experimentais encontrados na literatura para ensaios de tração a diferentes temperaturas e para a assimetria no comportamento tração- compressão.
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Aluno(a) : Wlasmir Cavalcanti de Santana
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/20/2004
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Resumo: Apesar da extensa aplicabilidade do Método de Elementos Finitos na representação e solução de problemas dos mais diversos campos da Engenharia, há ainda classes de problemas em que o seu uso encontra severas dificuldades. Uma delas está relacionada com a simulação da evolução temporal da geometria ou de condições de contorno móveis na Mecânica Computacional. Exemplos típicos destes problemas envolvem grandes deformações, propagação de trincas na mecânica da fratura, escoamentos bi-fásicos, transferência de calor em meios com mudança de fase, entre outros. Nestes casos, a tarefa do acompanhamento das modificações de geometria, dos deslocamentos nas interfaces e das descontinuidades a serem representadas pela malha de elementos finitos implica em modificações da discretização a cada passo da análise, o que requer o emprego de sofisticados procedimentos de adaptação ou de reconstrução da malha. Para atender a estas situações duas classes de novas estratégias foram recentemente propostas na literatura: i) Métodos sem Malha, em que a discretização é estabelecida a partir de um conjunto de nós distribuídos sobre o domínio, dispensando o uso da entidade elemento e, ii) Método de Elementos Finitos Generalizados (MEFG), em que a capacidade de representação da base de funções de forma tradicionais do MEF é estendida utilizando-se de funções específicas ao problema em análise. Neste trabalho investigam-se as características destas duas classes de métodos e, suas vantagens e limitações na aplicação à análise de problemas da mecânica da fratura computacional. Da comparação do desempenho destas técnicas na solução de problemas envolvendo descontinuidades localizadas demonstra-se que o MEFG é numericamente superior aos demais, em aplicações com a análise da propagação de trincas no contexto da Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Por este método o campo de deslocamentos representados no MEF tradicional por funções lagrangianas é adicionado (enriquecido) localmente por funções que representam as características de descontinuidade (trinca) presentes no contínuo de forma implícita e intependente da malha. A nova base de funções incorpora também termos que representam a solução da mecânica da fratura linear elástica para os deslocamentos na vizinhança da ponta-de-trinca, mantendo as características de partição da unidade próprias do MEF. A formulação foi implementada em um programa para análise de problemas planos juntamente com uma nova estratégia de integração numérica das equações de equilíbrio que permite eliminar o emprego de eventuais modificações da malha. Este procedimento de integração emprega uma composição das quadraturas de Gauss-Lobato e Gauss-Radau, capacitando o método à uma análise robusta sem o uso de quaisquer procedimentos de reconstrução de malha. Testes numéricos com modelos do MEFG sío apresentados e discutidos, verificando-se uma boa correlação da solução numérica obtida com resultados experimentais ou outras soluções clássicas da MFLE.
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Aluno(a) : Luiz Fernando Furtado de Mendonça Penna Franca
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/02/2004
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Resumo: Uma linha de pesquisa de grande interesse no estudo de colunas de perfuração de poços de petróleo aponta para a necessidade de se aumentar a taxa de penetração (ROP) na perfuração em rochas duras. Procurando suprir tal necessidade, este trabalho tem como objetivo estudar mecanismos e propor um novo dispositivo, utilizando as próprias vibrações geradas na coluna durante a perfuração. As várias formas de vibrar da coluna sío, geralmente, indesejadas durante a perfuração. Porém, é possível utilizar algumas destas formas de vibrar para melhorar a eficiência do processo de perfuração. Inicialmente, avalia-se a influência das vibrações torcional e axial na ROP. Posteriormente, estuda-se a perfuração na ressonância e alguns aspectos e cuidados no uso desta nova técnica de perfuração, que vem sendo desenvolvida por empresas do setor. Por fim, é desenvolvido um novo dispositivo de perfuração, chamado de perfuração com martelo em ressonância ou perfuração percussiva-rotativa auto-excitada. Este dispositivo tem como premissa usar a vibração axial gerada no processo de corte, para criar uma carga harmônica na broca e excitar uma massa de aço (martelo). Desenvolve-se um modelo com vibro-impacto e atrito seco, representado o martelo e a resistência da rocha, respectivamente. Faz-se aqui, um estudo numérico e uma validação experimental do movimento percussivo da broca com este novo dispositivo. Os resultados mostram que a melhor forma do dispositivo operar é impactando a cabeça da broca, em condição de período-1, com um impacto por ciclo de forçamento. Adicionalmente, os parâmetros do experimento são identificados e os resultados numérico-experimental sío similares, validando o modelo adotado.
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Aluno(a) : Alberto Edwin Ildefonso Alvino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/2003
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Resumo: W. Kent Muhlbauer fez uma identificação detalhada de aproximadamente 300 diferentes condições que influenciam a avaliação do Risco em uma tubulação e propôs um sistema de pontuação que é conhecido mundialmente como o método de Muhlbauer. O método de Muhlbauer avalia as diversas variáveis que influenciam no Risco de dutovias mediante a atribuição de valores quantitativos. No entanto, sendo um método qualitativo, estas variáveis nío podem ser informadas através de valores exatos. Estas variáveis podem ser tratadas como provenientes de distribuições randômicas. Entretanto, identificar as distribuições randômicas pode exigir muito esforço. Sendo assim, em vez de assumir que as avaliações das variáveis têm distribuições randômicas, pode-se considerar que têm distribuições dadas por conjuntos e números nebulosos. No presente trabalho, os valores numéricos presentes no modelo Muhlbauer passaram a ser admitidos como nío determinísticos, admitindo uma incerteza. Esta incerteza depende do engenheiro especialista avaliador do Risco. Para incorporar esta incerteza no cálculo do valor do Risco procurou-se trabalhar com os conjuntos e números nebulosos. Na análise das incertezas mediante os conjuntos nebulosos, requer-se definir as variáveis lingüísticas (VL), os valores lingüísticos das VL de saída e entrada, as funções de pertinência, além das regras nebulosas. Com estes, um Sistema de Lógica Fuzzy (SLF) é implementado com base na inferência Mamdani. No caso dos números nebulosos, estes admitem um valor mais provável e uma incerteza. Esta incerteza é avaliada por uma função de pertinência normalizada. Operações de soma, subtração, multiplicação e divisío sío possíveis para os números fuzzy. Como resultado final torna-se possível encontrar-se nío só um número que define o Risco como também a incerteza (faixa de valores) que este Risco pode ter, que é uma função das incertezas das avaliações individuais das variáveis. O presente trabalho propõe um modelo básico de Gerenciamento de Risco (GR) e Análise de Integridade Estrutural (AIE) para dutos com corrosío externa. Para isso, os resultados de uma AIE nível I aplicado aos dutos é relacionada com a metodologia de análise de Risco de W. Kent Muhlbauer, através de uma Matriz de Risco. A partir de uma AIE nível I o cálculo da Vida Residual (T*) é avaliada. A T* é comparada com uma Vida Desejada (VD), a qual é obtida da matriz de risco. Se T* é menor que a VD, recomenda-se fazer uma AIE nível II. Se T* é maior que VD determina-se um Tempo de Inspeção (TI) baseado na análise de confiabilidade.
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Aluno(a) : Ana Cristina Cosme Soares
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/10/2003
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Resumo: Uma das técnicas mais aplicadas para medir tensões residuais em componentes mecânicos é a técnica do furo cego. Esta técnica é de fácil aplicação industrial e é normalizada pela ASTM E 837. Entretanto, devido à concentração de tensões gerada pelo furo, há restrições quanto à aplicação deste método quando as tensões residuais presentes excedem 0.3 da tensão de escoamento do material, Sy. Há na literatura trabalhos que avaliam, por elementos finitos, os erros gerados ao se aplicar diretamente estes coeficientes em componentes com altos níveis de tensões residuais. Em alguns casos, o erro pode chegar a 140%, para tensões da ordem de 0.9 de Sy. Porém, para retrocalcular as tensões residuais estes trabalhos também usam hipóteses válidas apenas no regime elástico, de forma que os resultados por eles apresentados podem ter imprecisões. Neste trabalho propõem-se novas metodologias numéricas para avaliar a validade da norma ASTM E 837 em regime plástico, através de uma modelagem mais realística do alívio de tensão gerado pela usinagem do furo, evitando o uso de hipóteses linear-elásticas. Estas metodologias são: Estado Equivalente, na qual uma tensão equivalente àquela agindo no componente é aplicada na borda do furo; metodologia Morte de Elementos na qual os elementos presentes na região em que o furo será usinado são eliminados numericamente em vários passos, de forma a simular o processo de usinagem; e a metodologia Tensão Substituta, na qual o material presente na região do furo é substituído pela tensão que nele age, a qual é retirada gradativamente. Foram modeladas em elementos finitos placas com furos passantes e cegos, submetidas a carregamentos uniaxiais e biaxiais, desde 0.3 Sy até 0.9 Sy. Além disso, foram utilizados nas simulações materiais tendo limite elástico e de escoamento coincidentes e não coincidentes. Os erros encontrados entre as tensões retrocalculadas e as tensões aplicadas, para todas as situações são menores que encontrados por outros pesquisadores, obtendo-se no pior caso 70 por cento. Finalmente, conclui-se que as metodologias Tensão Substituta e Morte de Elementos são as que simulam de forma mais próxima da realidade o processo de usinagem de um furo em um placa submetida à altas tensões.
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Aluno(a) : Alberto Coronado Matutti
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/18/2003
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Resumo: A otimização geométrica tem mostrado ser muito efetiva quando é necessário melhorar o desempenho dinâmico de certas estruturas. As estruturas assim otimizadas atingem boas respostas mesmo sem a aplicação de camadas de viscoelásticos (que incrementam o peso da estrutura) ou de complexos (e ao mesmo tempo caros) sistemas de controle ativo de vibrações. Nesta Tese, será estudada a influência de uma perna de seção transversal variável na resposta dinâmica de uma estrutura em T. A perna variável será discretizada usando três métodos diferentes, o método dos elementos finitos (MEF), os métodos dos elementos espectrais (MEE) e o método da rigidez dinâmica baseado nas funções de Bessel, com propósitos de comparação. Como medida do nível da resposta, a potência vibratória foi usada devido a que leva em conta todas as variáveis relevantes encontradas na resposta dos sistemas dinâmicos. Depois da comparação dos três métodos, o MEE mostrou os melhores atributos, contando que a discretização seja feita apropriadamente. Assim sendo, este método foi escolhido para discretizaras três pernas da estrutura. A seguir, foi definida uma faixa de freqüências na qual a potência vibratória seria minimizada usando um algoritmo genético (AG). As potências em dois pontos da estrutura discretizada foram alternadamente introduzidas no AG, para dessa forma achar a melhor opção em cada caso. O AG otimizou problemas sem e com restrição, no caso do problema restrito somente foram levadas em conta pernas cuja área lateral seja no máximo igual à da perna original de seção constante. A otimização do perfil da seção transversal mostrou que em alguns casos é possível
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Aluno(a) : Ricardo Leiderman
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/27/2002
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Resumo: É notório que a resistência global de uma estrutura composta por várias camadas coladas depende diretamente da qualidade da adesão entre as mesmas. Imperfeições ao longo das interfaces de adesão comprometem significativamente a performance da estrutura. A caracterização não destrutiva destas imperfeições é geralmente tarefa muito difícil. O principal objetivo deste trabalho é apresentar um método analítico-numérico que permite modelar o campo acústico resultante da interação entre ondas ultra-sônicas e interfaces imperfeitas, auxiliando na escolha de parâmetros para o emprego de métodos ultra-sônicos de inspeção. No trabalho, a aproximação quase-estática, proposta por Thompson em meados da década de oitenta,é combinada com o método das perturbações para a modelagem de defeitos localizados ao longo da camada de adesão. O método desenvolvido admite que as camadas sejam feitas de materiais anisotrópicos, e permite a modelagem em altas frequências. Três simulações são apresentadas para exemplificar a aplicação do método. Resultados destas simulações onde feixes ultra-sônicos são incidentes em placas imersas em água revelam frequências e ângulos de incidência para os quais efeitos de espalhamento, que permitem a caracterização de defeitos localizados, são mais significativos.
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Aluno(a) : José Luiz Fernandez
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/2002
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Resumo: Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística.
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Aluno(a) : Luis Paulo Franco de Barros
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/05/2002
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Resumo: O presente trabalho apresenta uma modelagem da geração de ondas guiadas em estruturas laminadas compósitas através de atuadores piezoelétricos interdigitais. O estudo foi desenvolvido a partir de uma técnica que se baseia na teoria discreta de Reddy e modela os campos de deslocamento e esforção nas interfaces de uma estrutura laminada. O modelo desenvolvido representa trechos da estrutura em questío através de suas matrizes de impedância, relacionando os esforção e velocidades generalizadas nas interfaces de cada trecho. Após a validação do modelo através da comparação com o metodo dos elementos finitos, via um pacote comercial, onde foi mostrado que os campos calculados pelos dois métodos obtiveram resultados bastante aproximados nas diferentes faixas de freqüência, foi demonstrada a capacidade do modelo proposto de representar atuadores piezoelétricos interdigitais gerando modos guiados desacoplados em vigas laminadas compósitas. Foram modeladas vigas de alumínio e ARALL™. Após o cálculo das suas curvas de dispersío e dos pontos em que os seis primeiros modos sío aproximadamente nío dispersivos, projetaram-se atuadores capazaes de gerar de forma desacoplada alguns dos modos guiados nas vigas. A técnica proposta, que pode ser facilmente adaptada para a simulação da excitação de ondas de Lamb em placas, é capaz de modelar com precisío a resposta em altas freqüências e pode servir como uma ferramenta valiosa para o desenvolvimento de atuadores interdigitais na monitoração em tempo real da integridade estrutural de compósitos laminados.
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Aluno(a) : Benedito Luis Barbosa de Andrade
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2002
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Resumo: Neste trabalho, apresenta-se uma modelagem numérica de um problema de contato unilateral com acoplamento elasto-hidrodinâmico. Emprega-se estruturas elásticas de baixa rigidez e representa-se o escoamento pela equação da lubrificação de Reynolds. O método dos elementos finitos é usado para discretização da estrutura e do campo de pressío hidrodinâmica. Um procedimento numérico para solução do problema proposto também é apresentado, que se baseia na projeção viável da direção de busca. O objetivo principal do trabalho é desenvolver uma ferramenta numérica para estudar as forças que oferecem resistência ao movimento de um pig em seu movimento no interior do duto.
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Aluno(a) : Paulo Roberto Rocha Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/28/2002
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Resumo: Talhas são dispositivos mecânicos muito usados para carregar e descarregar objetos e/ou transportá-los em indústrias e em armazéns. O movimento da talha é controlado por um operador ou é programado e controlado automaticamente. Nos dois casos, o movimento da talha causa balanços indesejáveis da carga e da garra, levando a um tempo ocioso antes do agarramento e do posicionamento da carga, bem como podendo ocasionar o escape dos cabos das ranhuras das polias, sendo pois um problema de segurança. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos matemáticos que representam um sistema tipo pêndulo embarcado em um veículo que suporta uma carga suspensa por um ou mais cabos. A estrutura na qual se prende o ponto de fixação do cabo de sustentação, chamada de trolley, movimenta-se nas direções horizontal e vertical em função de excitações que são oriundas do movimento sofrido pelo veículo. Este veículo é representado por um outro modelo que está acoplado ao sistema do pêndulo. São projetadas leis de controle para cada um dos modelos criados para que sejam minimizadas as acelerações da carga suspensa. Um dos modelos criados representa uma maca com paciente, suspensos por cabo numa ambulância. A lei de controle deve dar conforto a este paciente ao ser transportado. Para avaliar e validar os modelos dinâmicos e os projetos de controle são realizadas várias simulações e análises experimentais.
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Aluno(a) : Luiz Eduardo Azambuja Sauerbronn
Orientador(a): Marcelo Dreux e Sidnei Paciornik
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/2002
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Resumo: Muitos sistemas biológicos utilizam visão como forma primária de sensoriamento. Ao longo de milhões de anos de evolução, as diferentes espécies vêm demonstrando o potencial associado à capacidade de visão. A partir da década de 60, foram iniciados os primeiros estudos no sentido de proporcionar às máquinas esta forma de sensoriamento. A esta nova forma de sensoriamento dá-se o nome de Visão Computacional. Em Visão Computacional, muitos casos requerem a determinação de um campo vetorial que descreva os deslocamentos ocorridos entre dois quadros consecutivos de uma seqüência genérica de vídeo. A este campo vetorial dá-se o nome de Optical Flow (Fluxo Ótico). A determinação do Optical Flow é ainda um problema sem solução. No presente trabalho, propõe-se um novo estimador estatístico para a determinação do Fluxo Ótico. Este estimador possui complexidade O(n) e associa um grau de confiabilidade a cada estimativa realizada. É aplicável a qualquer sinal digital (não apenas imagens ou vídeo, mas também a som, volume, etc) e vem demonstrando resultados muito promissores.
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Aluno(a) : Ahmed Mohammed Segayer
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/16/2000
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Resumo: O crescente avanço da tecnologia de equipamentos rotativos tem exigido dos projetistas de máquinas adaptá-los às condições de operação mais rigorosas e, consequentemente, projetos mais sofisticados. O aumento da eficiência é freqüentemente realizado por operações de minimização de folga entre os elementos rotativos e estacionários e/ou aumento da velocidade de rotação do rotor. A natureza das funções e o custo elevado dos equipamentos rotativos de alta velocidade exigem precisío e segurança no projeto para evitar riscos de operação. Quando o rotor entra em contato com o estator, este pode exibir um comportamento dinâmico fascinante cujo movimento depende de impacto, atrito, e efetios giroscópicos. Grande parte das preocupações dos engenheiros com relação a vibrações em máquinas rotativas leves e de alta velocidade deve-se aos seus efeitos destrutivos sobre o sistema do estator. Interação devido ao efeito do rubbing entre o conjunto do rotor e sua respectiva carcaça um dos principais causadores de falhas em máquinas rotativas. As forças e tensões desenvolvidas como resultado de pequenas folgas podem resular em desgaste, perda de desempenho, redução de estabilidade, ruído, calor e vibrações. Obter maior conhecimento sobre este fenômeno torna-se extremamente importante para melhorar a capacidade de proteger o sistema de possíveis danos. O fator chave para almejar este objetivo é continuamente aumentar a habilidade de prever a resposta dinâmica com precisío para entío garantir a estabilidade do sistema do rotor. Neste âmbito, o presente trabalho apresenta um estudo teórico, com simulação numérica e validação experimental como objetivo de melhorar nosso conhecimentos sobre o fenômeno.
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Aluno(a) : Edson Luiz Cataldo Ferreira
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/06/1999
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Resumo: Em geral, o movimento de corpos se dá em ambiente com barreiras podendo ocorrer colisões. Para que seja possível fazer previsões da dinâmica é necessário saber o que acontece quando um corpo collide. O problema é, portanto, conhecida a dinâmica do corpo pré-colisío e as propriedades dos corpos que colidem, prever a dinâmica pós-colisío. Os primeiros trabalhos publicados sobre o assunto datam de 1668 e, até 1984, os modelos existents pareciam satisfatórios. Porém, a aplicação de um desses modelos a um problema simples apresentou geração de energia. Desde entío, um grande número de trabalhos tem aparecido na literature. A tese trata o problema de colisões planas, discute criticamente os modelos da literature, comparando-os através de uma generalização por nós desenvolvida e propõe um novo modelo que engloba alguns dos modelos da literature. Mostramos os principais problemas de alguns dos modelos e discutimos questões de existência e unicidade. Simulações feitas num programa por nós desenvolvido sío apresentadas e ajudam a entender a influência dos coeficientes constitutivos. A validação dos resultados é realizada através de resultados experimentais colhidos da literatura.
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Aluno(a) : Marcelo de Bastos Lavrador
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/08/1999
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Resumo: O interesse pela fotoelasticidade em aplicações na determinação experimental de tensões, bem como seu uso na indústria como ferramenta de controle de qualidade e inspeção, tem sido estimulado graças à evolução da microinformática e, especialmente, dos equipamentos e softwares destinados à captura e processamento de imagens. Atualmente, novas placas de vídeo, motherboards e velocidade de processamento das CPU s possibilitam um novo avanço na automatização da fotoelasticidade com o uso da luz branca. O presente trabalho descreve, inicialmente, os recentes avanços da determinação automática das ordens de franja fotoelásticas (N), desde o uso de luz monocromática (Gray Photoelasticity) até alcançar o atual estado da arte, no qual se utiliza luz branca e denomina-se Three colors Photoelasticity (ou Fotoelasticidade RGB). Tópicos sobre aquisição de imagens de modelos fotoelásticos e captura RGB, incluindo instruções de programação, são comentados, assim como procedimentos para obtenção de imagend adequadas são sugeridos. Em seguida são apresentadas inovações para melhorar o índice de acertos N nos métodos convencionais, que utilizam tabelas para comparação para realizar susa estimativas. Dois métodos são propostos para corrigir estimativas erradas, baseados em um algoritmo especialmente desenvolvido para qualificar a certeza das estimativas encontradas. No primeiro método as estimativas erradas são identificadas e substituídas através de interpolação linear entre pontos vizinhos. No segundo são utilizados alguns fundamentos da teoria lógica nebilosa para redefinir as estimativas corretamente. O principal objetivo deste trabalho é provar a viabilidade de uma nova linha de pesquisa cujo objetivo é obter, através de uma única imagem de modelo fotoelástico, valores corretos de N. Nesta linha, interessantes ferramentas podem ser elaboradas a partir de técnicas de inteligência artificial como, por exemplo, aplicação de fundamentos da teoria da lógica nebulosa. Os principais resultados deste trabalho foram implementados em um programa de computador, através do qual foi possível apresentar alguns exemplos de aplicação . Nestes exemplos observa-se a facilidade de se obter o Fator de Concentração de Tenção (Kt) e o Fator de Intensidade de Tensão (Kl) através de valores de ordem de franja (N) obtidos pela fotoelasticidade RGB. Outro interessante exemplo é a aplicação prática na indústria de vidro, onde é possível detectar a presença de tensões residuais trativas indesejáveis.
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Aluno(a) : Roberto Riquelme Sepúlveda
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/16/1999
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Resumo: Apresentamos uma formulação de um robô-manipulador como uma viga em rotação engastada num eixo fixo que tem uma parte rígida de comprimento variável e uma parte flexível, com uma carga no extremo livre. O movimento é decomposto em duas partes: um movimento global rígido e outro devido a deformações da viga em torno de uma configuração variável. Para possibilitar futuro controle na estrutura simplificamos o modelo supondo que a parte flexível da viga com respeito a um referencial móvel sofre apenas pequenas deformações. A contribuição principal da tese consiste no desenvolvimento de um código simbólico-numérico. A formulação da dinâmica, a partir do lagrangeano e das forças generalizadas é feita simbolicamente. As equações são discretizadas no espaço pelo método dos elementos finitos e as matrizes de massa, rigidez, amortecimento e as forças generalizadas são construídas simbolicamente por elemento e então montadas, sendo que todo este processo é automático.
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Aluno(a) : José Geraldo Telles Ribeiro
Orientador(a): Jaime Tupiassú e José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/1999
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Resumo: Em estudos de integridade estrutural devem-se realizar medições de deslocamentos, pois estes são diretamente relacionados aas deformações. Contudo, nos casos em que este estudo é realizado em grandes estruturas, como pontes e estádios, torna-se difícil realizar esta medição com os transdutores disponíveis, tais como medidores de deslocamento resistivos e LVDT’s, pois há necessidade de se ter uma referência fixa perto do ponto onde se deseja realizar a medição. Existem muitos transdutores novos que utilizam tecnologia laser para a realização destas medições, contudo, este tipo de transdutor é ainda relativamente caro. Outra forma de se obter deslocamentos é através da integração dupla de sinais acelerométricos, contudo os integradores duplos analógicos comerciais disponíveis apresentam muitos problemas relacionados à sua Resposta Dinâmica e não são uma boa solução. Dessa forma, nesta tese é proposta uma forma de se realizar esta integração dupla de forma digital,obtendo-se então um sistema de medição de deslocamentos que utiliza acelerômetros.
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Aluno(a) : José Maria Andrade Barbosa
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e Felipe Rachid
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/28/1998
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Resumo: É considerado neste trabalho um modelo mecânico para simulação do comportamento anisotérmico de materiais inelásticos submetidos a carregamentos dinâmicos. O trabalho tem como motivação o estudo, através de simulações numéricas, dos efeitos da propagação da onda de tensío no meio, e de fenômenos como o aquecimento e a degradação local induzida pelas deformações inelásticas. A equação da energia com seus termos de acoplamentos entre os efeitos térmico e mecânico é incluída na modelagem. A teoria consitutiva utilizada baseia-se na mecânica do dano continuo no contexto de variáveis internas sendo particularizada para materiais elasto-viscoplásticos e aplicado ao caso de uma barra solicitada axialmente. O sistema nío linear de equações diferenciais parciais resultante do modelo é resolvido através do uso uma técnica de decomposição do operador que permite a aplicação de procedimentos numéricos clássicos de solução. Dentre estes procedimentos, foi usado no trabalho, o método de Glimm. Exemplos numéricos retratando a evolução do dano e da temperatura induzida pela deformação plástica devido a carregamentos de impacto e de alta frequência, sío apresentados e analisados. Comparações entre simulações com os modelos isotérmico e anisotérmico permitem caracterizar as influências da equação da energia e do dano.
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Aluno(a) : Antonio Lopes Gama
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/1998
Local:
Resumo: O problema tratado nesta dissertação é o da modelagem da excitação, propagação e sensoriamento de ondas acústicas de alta frequência em compósitos piezoelétricos laminados. Empregou-se uma formulação de vigas baseada na teoria discreta de Reddy para compósitos laminados. Esta teoria tem como característica o emprego de funções de interpolação de ordem arbitrária para descrever a variação dos campos de deslocamento e do potencial elétrico ao longo da espessura do laminado. A utilização deste tipo de teoria possibilita a representação de campos de deslocamento que variam rapidamente ao longo da espessura, e que na faixa de altas frequências, são representativos daqueles associados com ondas guiadas em compósitos laminados. No domínio da frequência, o sistema de equações que descreve a resposta eletromecânica do laminado piezoelétrico é colocado na forma de uma equação de estado. A técnica de solução utilizada é baseada no método da imersão invariante, também conhecido como método da varredura ou método de Riccati. Para avaliar os limites da faixa de frequências onde diferentes aproximações são válidas, empregou-se uma técnica baseada na comparação entre o espectro de dispersão exato e aquele previsto pela teoria aproximada. Os resultados destas comparações, mostram que utilizando-se o número de funções de interpolação apropriado, a teoria discreta de Reddy é capaz de representar ondas de comprimento até quatro vezes menores que a espessura da viga. Na faixa de baixas frequências, os resultados são comparados com soluções numéricas fornecidas pelo método dos elementos finitos. Também são apresentados resultados que mostram a variação na resposta eletro-mecânica da viga quando descontinuidades são introduzidas nesta, bem como resultados de experimentos que envolvem a utilização de piezoelétricos como atuadores e sensores.
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Aluno(a) : Fabiana Rodrigues Leta
Orientador(a): Aura Conci e Djenane Pamplona
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/03/1998
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Resumo: O objetivo da presente tese é a modelagem matemática e a simulação gráfica do processo de envelhecimento facial humano. Para modelar este processo foram realizadas as seguintes etapas: estudo dos principais aspectos envolvidos no envelhecimento facial, observação dos efeitos visíveis do envelhecimento sobre a face, definição das principais regiões faciais relacionadas com o processo de envelhecimento, medição das variações destas regiões ao longo do tempo em um grupo de pessoas, elaboração de um modelo de envelhecimento comum a todo o grupo e criação de curves de envelhecimento facial. A partir destas curves características, utilizando-se técnicas de Processamento de Imagens, foi elaborado um programa de simulação gráfica do envelhecimento facial (Warping de Envelhecimento Facial). Uma vez que a quantificação do envelhecimento foi obtida, tornou-se, deste modo, possível visualizá-lo com base científica. A modelagem de um fenômeno biológico e mecânico que ocorre com todos, contribui com as diversas areas envolvidas no campo da Bio-Engenharia. Conhecendo-se o processo de envelhecimento torna-se possível: propor novas técnicas para retardar ou atenuar tais efeitos, servir de base para pesquisas que permitam avaliar os esforção mecânicos que a pele é submetida ao longo do tempo, apoiar a decisío sobre a idade ideal de intervenção cirúrgica e possivelmente auxiliar no reconhecimento de pessoas que encontram-se por muito tempo desaparecidas.
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Aluno(a) : Gabriel Emiliano Barrientos Rios
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/1997
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Resumo: É apresentado o modelo não-linear de barras proposto por Simo para o estudo do comportamento dinâmico de estruturas espaciais. A formulação das equações do movimento é feita em um sistema inercial de modo a simplificar o operador de inércia e o material é considerado como elástico linear. Carregamos não – conservativos são considerados de modo que a integração das equações é feita na forma fraca. As partes flexíveis, que são necessariamente estruturas unidimensionais, são descritas por um modelo de barras que generaliza os modelos clássicos de Euler-Bernouilli e de Timoshenko. Implementa-se um programa computacional baseado nesta teoria na linguagem Matlab. O modelo de barras discretiza-se espacialmente usando elementos finitos e integra-se o sistema de equações resultante linearizado usando o método de Newton-Raphson, associado ao esquema de integração de Newmark. Incorpora-se os efeitos de amortecimento interno e cargas seguidoras, assim como elementos lineares quadráticos. Se incorpora à programação o tratamento de juntas esféricas através do método de multiplicadores de Lagrange, que permitem estudar alguns tipos de sistemas de multicorpos flexíveis. O programa é testadopor uma série de exemplos e comparações com resultados clássicos para mostrar a sua versatilidade e também as limitações dos modelos clássicos. Também se apresenta o modelo usado no programa computacional SAMCEF, e mostra-se a potencialidade deste programa em base a uma série de exemplos que incluem problemas de flexibilidade e choque em sistemas multicorpos.
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Aluno(a) : Cláudia Belmiro Proença
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/17/1997
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Resumo: Este trabalho introduz o conceito de Dimensão Fractal de imagens, além de fazer uma aplicação de alguns métodos usuais de segmentação, visando o controle automático de falhas em tecidos têxteis. Foi desenvolvido um sistema dedicado à indústria têxtil objetivando a detecção de possíveis falhas. Uma indústria têxtil se particulariza por ter produção contínua. A característica planar dos produtos finais deste tipo de produção torna, de uma forma geral, inviável a utilização das técnicas de extração de características morfológicas ou geométricas, usualmente empregadas em sistemas de controle de qualidade baseados na visão. Basicamente o sistema implementado compara informações obtidas de imagens digitalizadas. Estas informações variam de acordo com o método escolhido que pode ser um dos dois grupos: métodos de segmentação e dimensão fractal. Para implementação no sistema, métodos de segmentação conhecidos foram adaptados e aperfeiçoados visando a determinação de variações em uma imagem do produto (o que caracteriza a existência de uma falha). Na utilização da Dimensão Fractal como uma ferramenta para análise de imagens e controle de qualidade utiliza-se um algoritmo eficiente. Este algoritmo calcula os valores de dimensão fractal de imagens em toda a região teoricamente admissível (2 menor ou igual DF menor ou igual 3). O sistema implementado foi experimentado em tecidos planos, onde os vários métodos foram comparados quanto a sua eficiência, precisão e aplicabilidade.
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Aluno(a) : Stella Maris Pires Domingues
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e Fernando Alves Rochinha
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/04/1996
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Resumo: Este trabalho lida com uma teoria de dano continuo, desenvolvida em um contexto termodinâmico, capaz de realizar uma descrição macroscópica da degradação de um material induzida pela deformação em estruturas elásticas frágeis (isto é, falha ocorre sem deformações permanentes). Na modelagem, supõe-se que a energia livre de Helmholtz nío depende apenas da deformação e da temperatura absoluta, mas também da variável dano e de seu gradiente. Além disso, para levar em conta os efeitos microscópicos, a potência dos esforção internos nío depende apenas da velocidade e de seu gradiente, mas também da velocidade do dano e de seu gradiente. Apesar da sofisticação mecânica da teoria, uma técnica numérica simples, baseada no método dos elementos finites, é proposta para aproximar a solução dos problemas matemáticos nío lineares resultants. Nestes problemas o acoplamento entre as variáveis dano e deformação é contornado por meio da técnica de partição dos operadores. Para analisar a coerência física do modelo e investigar as características principais do método numérico, diversos exemplos sío apresentados para mostrar que os algoritmos utilizados nío sío sensíveis à malha (mesh dependent).
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Aluno(a) : Jorge Luiz de Almeida Ferreira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/15/1995
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Resumo: O presente trabalho tem como objetivo deduzir, implementar e validar um modelo para avaliar o valor médio e a variância do dano por fadiga em estruturas sujeitas a carregamentos aleatórios. Para isto, a técnica de aproximação da média e da variância através da expansão em série de Taylor foi aplicada ao conjunto de equações do método epsilon-N e à regra de acúmulo de dano de Palmgren-Miner. O modelo proposto permite avaliar o comportamento estatístico das gamas de tensão localizadas, das gamas de deformações localizadas e do dano propriamente dito. O modelo proposto possibilita a combinação dos fatores aleatórios associados à história de carregamento e ao comportamento mecânico do material. Isto permite avaliar a dispersão do dano sob um aspecto mais amplo, quantificando de forma independente as incertezas oriundas do comportamento aleatório do material e da história de carregamento. A fim de avaliar o modelo proposto, foram utilizadas 20 histórias de carregamento diferentes. Estas histórias foram combinadas à dois níveis distintos de dispersões das propriedades mecânicas do material. A comparação das estatísticas obtidas analiticamente com aquelas estimadas através da técnica de simulação de Monte Carlo demostraram a viabilidade da utilização do modelo proposto. Um estudo bastante completo foi realizado com relação à influência da história de carregamento sobre a dispersão do dano. Por este estudo verificou-se que a dispersão na previsão do dano provocado por trechos distintos de histórias são fortemente dependentes do tamanho da amostra. Para os casos estudados, verificou-se que trechos amostrados com menos de 3000 picos conduzem a dispersões superiores à 10 por cento , para histórias estritamente estacionárias, e superiores à 20 por cento, para histórias estacionárias num sentido amplo. Após estudar o comportamento estatístico do dano acumulado e de seu valor crítico para a iniciação de uma trinca de fadiga, foram utilizados dois modelos analíticos distintos para a previsão da confiabilidade de projetos à fadiga. Estes modelos foram desenvolvidos supondo a distribuição de Weibull e a lognormal. A validação destes modelos foi realizada comparando-se os resultados estimados analiticamente com seus correspondentes obtidos por simulação de Monte Carlo. A comparação das curvas de confiabilidade obtidas analiticamente com as curvas obtidas por simulação de Monte Carlo mostrou que o modelo baseado na distribuição lognormal é o mais indicado para a previsão da confiabilidade de projetos à fadiga.
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Aluno(a) : Juan Sergio Romero Saenz
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/1994
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Resumo: Este trabalho apresenta um modelo matemático completo e a implementação de um sistema computacional para a simulação do escoamento em um hidrociclone, que leva em conta o núcleo de ar como uma superfície livre, caracterizando esta interface livre formada como do tipo Young-Laplace. Pelas características do escoamento foi considerada a difusío turbulenta, que foi necessário acrescentar para poder ajustar bem o modelo aos dados experimentais. Sío aproximados os campos de velocidades e pressões, assim como a forma e localização da interface, esta através de um método lagrangeano. Neste método utiliza-se uma malha lagrangeana para caracterizar a interface livre e uma malha euleriana para calcular os campos de velocidades e pressões no escoamento através do método dos volumes finites. O ajuste da interface é feita através de um processo iterativo. Sío feitas simulações numéricas e sío mostradas comparações das previsões teóricas com dados experimentais que validam o modelo.
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Aluno(a) : Hayder Taha Mohamed Hussain
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/16/1994
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Resumo: O objetivo princioal deste trabalho é estudar a viabilidade do uso de técnicas numéricas simples para aproximar a solução de uma classe de problemas Elasto-Víscoplasticos no dominio de pequenas deformações, e estabelecer qualitativamente um domínio de validade numérico para esta análise. Neste caso o método de Galerkin é utilizado para integrar e conjunto de equações Elasto-Viseoplastieas no espaço e esquemas de integração Explicitos do tipo Preditor-Corretor são usados para integrar no tempo o conjunto de equações semi-discreto. O conjunto de leis de comportamento Elasto-Viscoplastico (proposto por Lemaitre e Chaboche) é desenvolvido num contexto termodinâmico associando-se Variáveis Internas aos vários Mecanismos Dissipativos que um material Elasto-Viscoplastico apresenta vários Mecanismos Dissipativos que um material Elasto-Viscoplastico apresenta durante sua evolução. Neste trabalho serão analisados alguns aspectos dos esquemas propostos como a estabilidade do Esquema de Integração Temporal e o problema de Trancamento da malha além da abordagem de tópicos como o problema de Contato Unilateral de materiais Elasto- Viscoplasticos sujeitos a pequenas deformações.
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Aluno(a) : Helder Gomes Costa
Orientador(a): Aura Conci e Luiz Flavio Autran M. Gomes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/01/1994
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Resumo: A presente pesquisa apresenta uma inédita abordagem multi-critério aplicada a seleção de parâmetros para a usina mecânica. O modelo proposto aborda a seleção de ferramentas de corte e a otimização das condições de usinagem em múltiplos estágios (mais especificamente a seleção do avanço, da velocidade de corte e da composição de estágios de usinagem). Apresenta-se, também, um sistema computacional (SIAD_T) desenvolvido em pararelo à presente pesquisa, com o objetivo de simular a metodologia aqui proposta. Este sistema, aplicável à seleção de condições de usinagem em operações de carreamento em tornos mecânicos, é dotado das seguintes ferramentas: (i) ferramenta gráfica para entrada das características geométricas da peça a ser usinada; (ii) ferramenta gráfica para definição dos volumes unitários (estágios de usinagem); (iii) código numérico para implementação do modelo multi-critério no processo de seleção de variáveis para a usinagem dos volumes unitários; e, (v) código numérico para implementação do modelo multi-critério no processo de seleção das famílias de volumes unitários (conjuntos de volumes unitários). Além destes pontos, o presente texto apresenta uma inédita análise de sensibilidade, na qual se avalia e questiona o grau de relevância da aplicação de uma abordagem multi-critério ao processo de tomada de decisões no contexto da usinagem.
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Aluno(a) : Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/02/1994
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Resumo: A modelagem do acoplamento entre os fenômenos mecânicos e térmicos em sólidos inelásticos é considerada neste trabalho. O acoplamento termomecânico é importante em determinadas situações, como por exemplo, no estudo de problemas envolvendo deformações inelásticas cíclicas em estruturas metálicas. Um procedimento sistemático para obtenção de equações constitutivas termodinamicamente admissíveis é apresentado. Através deste procedimento, baseado na Termodinâmica dos Procesos Irreversíveis, foi possível obter uma teoria constitutiva para modelar o comportamento anisotérmico de metais e ligas metálicas. Dois tipos de acoplamentos termomecânicos foram identificados: o acoplamento interno, associado à dissipação interna do processo mecânico, e o térmico, associado à dependência dos parâmetros das equações constitutivas com a temperatura. A teoria foi parrticularizada para materiais elasto-viscoplásticos. Simulações com barras foram realizadas para estudar fenômenos como o aquecimento de metais provocado por solicitações mecânicas complexas e o comportamento de metais submetidos a grandes gradientes de temperatura. Uma variável de dano foi incorporada ao modelo, permitindo estudar a influência do acoplamento termomecânico em processos de degradação do material como fadiga de baixo ciclo.
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Aluno(a) : Hugo Mário Tavares Jr.
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/10/1994
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Resumo: A Mecânica do Contínuo equaciona os problemas de forma diversa que a Mecânica de Corpos Rígidos. Com o surgimento de um grande número de problemas de importância tecnológica, que sío modelados como tendo uma parte rígida e outra elástica, tornou-se necessário desenvolver uma formulação unificada. Neste trabalho desenvolve-se tal formulação. Através do princípio das potências virtuais juntamente com o princípio de D’Alembert generalizado, estende-se o teorema de Fourier-Cournot para problemas de dinâmica com vínculos unilaterais. A partir desse teorema mostra-se que há duas formas equivalentes de tratar tais problemas: 1) através da formulação em termos de complementariedade linear paramétrica e, 2) através do princípio de Gauss. Advoga-se o tratamento intrínseco, isto é, nío se utiliza no desenvolvimento de sistemas de coordenadas. O método de Maggi-Kane é usado, a porteriori, para suprir a fase de gerar um conjunto de equações que descrevem um problema específico, uma vez que se mostra que o referido método fornece uma sistemática de geração de bases para o espaço dos movimentos virtuais. Com o objetivo de tratar a dinâmica de sistemas de multicorpos rígidos sujeito a vínculos externos que representam o contato instantâneo entre os corpos do sistema e o exterior, mostra-se a necessidade de se considerar velocidades descontínuas em um número finito de instantes de tempo. Nestes instantes (instantes de choque), a velocidade deixa de pertencer ao conjunto convexo dos movimentos virtuais. Para trazê-la para o conexo, emprega-se, além da condição de salto, uma equação constitutiva que relaciona as velocidades anterior e posterior ao choque através das condições de vínculos de coeficientes, os quais refletem que o choque entre os corpos é um fenômeno que nío aumenta energia do sistema. Na parte de simulação, estuda-se a dinâmica do bi-pêndulo com obstáculo e, via a metodologia de Maggi-Kane, equaciona-se o problema. Aproxima-se, numericamente, as equações resultantes empregando-se o método da decomposição de operadores. Além disso, justifica-se o algoritmo proposto por Moreau [1985].
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Aluno(a) : Fulvio Enrico Giacomo Chimisso
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/1994
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Resumo: A Mecânica do Dano Contínuo é uma ferramenta promissora para a análise de falha em componentes de máquinas e de estruturas. Todavia, nío é uma tarefa simples a de se obter uma descrição física realística, associada a uma descrição matemática correta, do acoplamento entre a deformação e o amolecimento causado pela degradação da microestrutura. No caso de barras metálicas, a deformação plástica cíclica causa um endurecimento junto com uma degradação na estrutura (dano de fadiga). Por outro lado, a degradação da estrutura induz o amolecimento observado na curva tensío de engenharia vs. deformação. Logo, torna-se importante a modelagem do acoplamento entre plasticidade e dano para que se possa prever de maneira adequado o tempo de vida (ciclos), de um componente estrutural. Muitas tentativas feitas para descrever este tipo de comportamento mostraram-se insatisfatórias. O problema matemático é, em geral, mal posto e uma aproximação numérica da “solução” é incorreta do ponto de vista físico. Nestes casos, o fenômeno de localização da deformação é malha-dependente. No presente trabalho, propõe-se uma nova teoria de Dano para materiais elasto-plásticos que supera este problema. A teoria tem uma forte base termodinâmica e leva em conta o fenômeno de amolecimento. Uma diferença básica em relação a outros modelos consiste no fato de que a variável escalar D, associada ao dano, é considerada nío apenas uma variável de estado mas também uma variável cinemática independente, com abordagem semelhante à apresentação nas teorias de contínuo com microestrutura. As possibilidades de utilização da teoria apresentada sío verificadas através da comparação de simulações numéricas com resultados experimentais, para solicitações cíclicas uniaxiais, em barras de alumínio estrutural e em barras de aço austenítico AISI 316L.
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Aluno(a) : Marcelo Amorim Savi
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/25/1994
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Resumo: Motivado por aplicações na área de materiais e estruturas inteligentes, este trabalho apresenta resultados de um estudo sobre a resposta dinâmica de sistemas mecânicos contendo elementos com memória de forma. Inicialmente é realizada uma revisío crítica de algumas teorias fenomenológicas que procuram descrever os efeitos de memória de forma e pseudoelasticidade associados a transformações martensíticas termoelásticas. Duas destas teorias sío utilizadas na modelagem de uma mola helicoidal. O comportamento dinâmico de um oscilador com memória de forma é investigado. Verifica-se que o sistema pode responder caoticamente sob determinadas condições. É também apresentado um método, baseado na técnica dos Elementos Finitos, para a análise estática e dinâmica nío-linear de estruturas reticuladas com memória de forma. Resultados de simulações numéricas ilustram a complexidade do comportamento destas estruturas.
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Aluno(a) : Felipe Bastos de Freitas Rachid
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/13/1993
Local:
Resumo: Neste trabalho, apresentam-se modelos mecânicos para previsão da integridade estrutural de tubulações anelásticas conduzindo líquidos, submetidas a transientes hidráulicos. A descrição do fenômeno de transiente hidráulico é feita com base em duas formulações unidimensionais: uma acoplada e outra desacoplada. A formulação acoplada considera a interação dinâmica fluido-estrutura entre os movimentos do fluido e do tubo, enquanto que a desacoplada refere-se ao modelo tradicional de golpe de ariete. A integridade da tubulação é modelada com base na Mecânica do Dano Continuo. O comportamento anelástico da parede do tubo assim como o dano induzido pela deformação anelástica são descritos por uma teoria constitutiva com variáveis internas e forte respaldo termodinâmico. A teoria engloba um grande número de equações constitutivas encontradas na literatura e permite descrever diferentes respostas mecânicas numa mesma estrutura matemática. As equações resultantes para ambos os modelos - acoplado e desacoplado - formam um sistema não linear de equações diferenciais parciais hiperbólicas. Apesar da forte não linearidade, mostra-se que métodos numéricos clássicos podem ser empregados para resolver as equações quando se utiliza uma técnica de decomposição do operador. No trabalho, emprega-se entre outros o método de Glimm. Exemplos numéricos que retratam a evolução do dano induzida por transientes de pressão em tubulações elasto-viscopláticas são apresentados e analisados. Comparações realizadas entre as previsões dos modelos e entre simulações com e sem dano permitem, na análise, caracterizar as influências do acoplamento fluido-estrutura e do dano.
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Aluno(a) : Sergio Luiz Frey
Orientador(a): Rubens Sampaio e Leopoldo Luis Cabo Penna Franca
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/1991
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Resumo: Métodos estabilizados de elementos finitos são propostos e analisados para problemas de fluidos, com particular ênfase nas equações de Navier-Stokes incomprenssível. Após a apresentação da mecânica dos escoamentos dos fluidos, introduzimos no Capítulo 3, no contexto de problema de Stokes, as dificuldadas numéricas associadas ao método de Galerkin em problemas de fluidos e simulamos em sucesso alguns escoamentos lentos através de formulações finitos para estabilizadas. No capítulo 4, propomos uma nova formulação de elementos finitos para a equação da energia, mais precisamente para o modelo da advecção-difusão do calor. Graças a um novo desenho do parâmetro de estabilidade T, o qual permite adicionar difusão às regiões advectivas e difusivas-dominadas do escoamento de maneira diferemciada, obtivemos um bom desempenho novo método mesmo em situações de altíssimo número de Péclet (10(2) menor que Pe menor que 10 e (6)), conforme ilustram os testes numéricos realizados. Coletando as experiências adquiridas com modelos lineares de Stokes e da advencção-difusão, nos foi possível propor, analisar o erro e testar dois novos métodos estabilizados para o problema de Navier-Stokes transiente. Construídos de maneira a herdar as boas características de estabilidade dos métodos propostos apresentam bom desempenho em escoamentos fortemente advectivos, bem como não necessitam atender a priori à condição de Baduska-Brezzi. Através de um algoritmo preditor/ multi-corretor de integração do termo inercial da equação de movimento, estes ,métodos foram capazes de de simular de maneira precisa escoamentos de interesse em Mecânica(400 menor que Re< menor que 500), captando escoamentos secundários, tais como recirculações de fluido.
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Aluno(a) : Arturo Bernardo Barrientos Rios
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/17/1991
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Resumo: Este trabalho originou-se com um problema industrial, o de recobrimento de um cabo por uma camada de verniz. A questão era modelar o processo de recobrimento de modo que este pudesse ser controlado, evitando perdas e otimizando a produção. O problema é descrito e resolvido nesta tese. Além disso, é formulada uma teoria de interfaces, como as existentes em escoamentos com fronteiras livres ou móveis, onde a tensão superficial desempenha um papel dominante. A formulação da teoria é feita com base na Mecânica do Contínuo, e a interface é modelada como um corpo bidimensional que separa e interage com corpos tridimensionais, dos quais faz parte. A teoria desenvolvida é aplicada em vários problemas com superfície livre para demonstrar a versatilidade da mesma. Uma as contribuições a destacar é o desenvolvimento de um código para o cálculo de superfícies capilares de equilíbrio.
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Aluno(a) : Altamir Dias
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/13/1991
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Resumo: O uso cada vez mais corrente de métodos heurístico tem permitido contribuir para a automação e otimização de inúmeros processos industriais complexos. Um dos processos que vem sendo beneficiado é o corte de roupas na indústria do vestuário, onde o encaixe de moldes deve ser feito de forma a minimizar o desperdício de tecido. Este trabalho visa a dar uma contribuição ao problema geral de encaixe de figuras planas irregulares. Assim, busca-se resolver este problema através do uso de regras heurísticas implementadas num algoritmo computacional. Como ponto principal, o apresenta uma sistemática de construção de alternativas de encaixe, em forma de uma árvore, facilitando a busca de um encaixe solução, de alto rendimento, entre as praticamente infinitas possibilidades. A viabilização do algoritmo de encaixe é alcançada através de duas técnicas de posicionamento dos moldes que previnem sua superposição. As vantagens das duas técnicas são combinadas para melhor proveito do algoritmo. Nas conclusões são discutidas as dificuldades encontradas e formulados novos caminhos para a investigação.
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Aluno(a) : Lavínia Maria Sanabio Alves Borges
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/1991
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Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar as formulações variacionais para o problema de análise limite e o desenvolvimento do processo de resolução, que envolve o método dos elementos finitos e as técnicas de programação matemática. As formulações variacionais sío apresentadas em três versões: estática, cinemática e mista. Estas formulações sío derivadas a partir da proposição das relações constitutivas na forma de pseudopotenciais conjugados. Estes princípios sío discretizados através do método dos elementos finitos. Sío propostos dois algoritmos iterativos de programação matemática pra a solução do problema. Os algoritmos podem ser aplicados tanto para o comportamento plástico descrito por funções de escoamento lineares como nío lineares. Nas aplicações numéricas sío analisados corpos em estado plano de tensío, deformação e com simetria de revolução.
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Aluno(a) : Maria Laura Martins Costa
Orientador(a): Rubens Sampaio e Rogério Martins Saldanha da Gama
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/12/1991
Local:
Resumo: O objetivo principal deste trabalho foi apresentar um modelo matemático que permitisse uma descrição local do processo de transferência de energia num escoamento saturado através de um meio poroso rígido. Este modelo teve como base o ponto de vista da Teoria de Misturas. Neste contexto, fluido e sólido (o meio poroso) foram tratados como constituintes contínuos de uma mistura binária, coexistindo superpostos em todo o volume da mistura. Um importante aspecto levado em conta no presente trabalho foi permitir que os constituintes fluido e sólido possuísem seus próprios campos de temperatura, de tal forma que a hipótese de equilíbrio térmico nío foi suposta a priori. Problemas envolvendo convecção livre e forçada foram simulados numericamente. A transferência de calor por convecção forçada num canal poroso limitado por duas placas planas isotérmicas foi simulada em três casos diferentes. No primeiro, foram consideradas quatro condições de contorno na direção x. No segundo, a ausência de condição de contorno para o constituinte fluido na saída do canal, levou à utilização de um esquema iterativo. Finalmente, no terceiro caso, no qual foi apresentado um algoritmo iterativo, a única condição de contorno prescrita na direção x foi a temperatura do constituinte fluido na entrada do canal. Um trocador de calor de leito poroso num arranjo em contra-corrente também foi considerado. O trocador consistia de dois canais porosos, separados por uma parede impermeável sem resistência térmica. A convecção natural numa cavidade porosa foi também simulada, sendo considerado o efeito de alguns parâmetros adimensionais. Linhas de corrente e isotermas (para os dois constituintes) foram plotadas em alguns casos representativos.
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Aluno(a) : Mildred Ballin Hecke
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/31/1991
Local:
Resumo: Este trabalho focaliza a análise elasto-plástica de componentes mecânicos e estruturais. Especial atenção é dada a formulação da equação constitutiva. A relação constitutiva em taxas é equacionada na forma de potenciais generalizados onde utiliza-se o conceito de subgradientes. Para tal, sío introduzidos conceitos básicos da termodinâmica sendo usadas variáveis internas para descrever os mecanismos dissipativos. Sío apresentados pseudo-potenciais em incrementos finitos de tensões e deformações que incorporam a admissibilidade plástica e sío capazes de descrever o descarregamento elástico local desde que nío haja plastificação seguida de descarregamento no passo. Esta forma é utilizada na obtenção de Princípios de Mínimo para a análise elasto-plástica. A discretização espacial é feita utilizando o Método dos Elementos Finitos. Sío considerados algoritmos para a solução do problema elasto-plástico. Sío incluídas algumas aplicações numéricas a problemas planos e a flexío de placas.
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Aluno(a) : Marcio Arab Murad
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/13/1990
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta novas diretrizes para o estudo de escoamentos saturados em meios porosos rígidos e elásticos lineares. Sío propostas novas abordagens do problema que vío desde a modelagem até a teoria de aproximação numérica. Destacam-se os seguintes pontos: - apresentação de uma teoria clássica, a qual, baseada em observações experimentais, utiliza a Lei de Darcy como forma de expressar o balanço de momentum para o fluido; - Derivação de estimativas de erro para a aproximação por elementos finitos das equações que descrevem o problema de escoamentos em meios porosos elásticos lineares. Nesta área é dado ênfase a análise do problema de consolidação linear de solos saturados proposto por Biot. Para aumentar as taxas de convergência e consequentemente melhorar a precisío da solução aproximada sío propostas técnicas de pós-processamento sequencial de Galerkin-Petrov-Galerkin.
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Aluno(a) : Fernando Alves Rochinha
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/10/1990
Local:
Resumo: É apresentado um modelo não-linear para estruturas unidimensionais em equilíbrio, onde não são feitas restrições de caráter geométrico. Este modelo é capaz de descrever movimentos que envolvam flexão, torção, cilhamento e extensão. As configurações de referência e deformada têm sua geometria descrita através da posição espacial de uma curva e da orientação de uma base ortonormal associada a cada ponto dessa curva. O uso dos ângulos de Euler na descrição das rotações, o que pode implicar em instabilidades numéricas, é evitado através do uso de uma nova parametrização para o problema. O problema de equilíbrio que envolve o comportamento não-linear de uma estrutura unidimensional é formulado de diferentes maneiras. São apresentados dois métodos numéricos para a solução desse problema. Um deles é baseado numa decomposição via lagrangeano aumentado e outro é um método de Newton não convencional. São discutidos detalhes acerca da implementação computacional desses métodos. A validade das formulações é atestada através de alguns exemplos numéricos. Em particular. São analisadas algumas aplicações relacionadas com operações de cabos umbilicais em prospecção petrolífera, que envolvem carregamentos estáticos complicados como aqueles ocasionados por flutuadores e pela atração gravitacional.
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Aluno(a) : Heraldo Silva da Costa Mattos
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/12/1988
Local:
Resumo: A evolução de um corpo pode ser estudada usando-se as equações de conservação de massa, de energia e o Princípio das Potências Virtuais. Para uma modelagem completa é necessário ainda fornecer informações adicionais que caracterizam o comportamento de um dado material, o que é feito através de hipóteses constitutivas. Uma solução dessas equações será mecanicamente admissível se ela não violar a Segunda Lei da Termodinâmica. Este trabalho apresenta um procedimento sistemático de obtenção de equações constitutivas que satisfazem automaticamente uma versão local da Segunda Lei da Termodinâmica. A teoria Desenvolvida estende e generaliza os conceitos da Termodinâmica dos Processos irresistíveis, não supondo a priori o desacoplamento da dissipação térmica e da dissipação intrínseca e permitindo a existência de um potencial de dissipação não convexo e não diferenciável. A partir dessa teoria termodinâmica básica foram desenvolvidos os seguintes tópicos: - Classificação e análise dos comportamento usuais de sólidos em pequenos deformações(elasticidade, viscoelasticidade, elastoplasticidade e elastoviscoplasticidade). - Modelagem, simulação numérica e avaliação experimental do acoplamento entre o envelhecimento e a plasticidade em metais e ligas metálicas (endurecimento por precipitação-mudança de fase). Na final do trabalho apresenta-se uma alternativa de extensão para um contexto de grandes deformações do estudo feito para sólidos, visando a análise de processos de conformação mecânica de metais.
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Aluno(a) : Edgar Nobuo Mamiya
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/16/1987
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Resumo: Apresenta-se aqui uma aplicação do método de continuação, baseado no algoritmo de Euler-Quase Newton, a problemas de equilíbrio de materiais hiperelásticos incompressíveis sujeitos a grandes deformações. Discretiza-se o problema misto estado deformado-campo de pressão pela utilização do método dos elementos finitos, prevendo-se a compatibilidade LBB entre os espaços envolvidos. Propõe-se a utilização de uma função densidade de energia de deformação para o material de Mooney-Rivlin distinta daquela apresentada na literatura clássica, devido ao mal comportamento do Hessiano associado à formulação original.
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Aluno(a) : José Carlos Leite dos Santos
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/1987
Local:
Resumo: O propósito deste trabalho é propor um modelo teórico axiomático, que descreva o comportamento termomecânico de materiais granulares, fundamentado em uma descrição física simples, do que entende-se por material granular. No capítulo I, faz-se uma revisão bibliográfica, objetivando uma visão geral do estado da arte e delinear a importância do estudo de materiais granulares. No capítulo II, utiliza-se um método axiomático estabelecendo-se as equações de balanço que descrevem o comportamento termodinâmico de materiais granulares. No capítulo III, utilizando-se um outro método axiomático, analisa-se algumas condições de contorno para materiais granulares. No capítulo IV, estuda-se restrições internas em materiais granulares, exemplificando-se algumas. Finalmente no capítulo V, aplica-se o embasamento teórico dos capítulos anteriores, na solução do problema de escoamento de um material granular entre placas paralelas.
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Aluno(a) : Jayme Pereira de Gouvêa
Orientador(a): Luiz Bevilacqua e Raul Antonino Feijóo
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/1986
Local:
Resumo: O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema computacional, denominado SDP, para auxiliar a elaboração de programas baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF). É dividido em três partes: primeiramente é apresentado o SDP, que compreende um sistema de gerenciamento de dados (memória principal, arquivos em disco e fita), uma padronização para a documentação e facilidades para testes e depuração de programas; em uma segunda parte, utilizando-se este sistema, é desenvolvida uma organização para os programas e para as bibliotecas de rotinas; finalmente, são apresentadas aplicações mostrando as principais características do sistema e sua potencialidade. Os problemas de elasticidade infinitesinal linear, condução de calor e elasto-plasticidade incremental são descritos através de uma formulação variacional, a partir da qual são desenvolvidas soluções aproximadas utilizando-se o MEF. Por último, tomando-se por base as soluções encontradas por meio desta abordagem, são elaborados os programas aplicativos.
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Aluno(a) : Rogério Martins Saldanha da Gama
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/12/1985
Local:
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo a modelagem de escoamentos através de meios porosos, sob o ponto de vista da Teoria Contínua de misturas. O fluido e o sólido, que compõe o meio poroso, são tratados como constituintes contínuos de uma mistura binária, onde não ocorrem reações químicas. Em todas as situações aqui tratadas o fluido é suposto Newtoniano e incompressível, enquanto o meio poroso é rígido, homogêneo e isotrópico. O trabalho pode ser dividido em duas partes principais. Na primeira são modelados escoamentos através de regiões contendo meios porosos saturados e regiões onde só existe o fluido. São discutidas condições de compatibilidade sobre as interfaces, que separam as regiões, e é estabelecido um modelo para escoamentos, nos quais não exista fluxo de massa através das interfaces. A segunda parte trata de escoamentos em meios porosos insaturados, onde é preciso se considerar o efeito de forças capilares. Nesta parte é estabelecido um modelo e são simuladas situações unidimensionais. São estudados vários casos entre eles o enchimento de uma placa porosa, com e sem efeitos de atrito e de forças gravitacionais. A obtenção de resultados, nestes casos, exige a solução numérica de um sistema hiperbólico não-linear de equações diferenciais.
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Aluno(a) : João Pedro Xavier Freitas
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
This work models a epidemic's spreading over time with a stochastic approach. The number of infections per infector is modeled as a discrete random variable, named here as contagion. Therefore, the evolution of the disease over time is a stochastic process. More specifically, this propagation is modeled as the Bienaymé-Galton-Watson process, one kind of branching process with discrete parameter. In this process, for a given time, the number of infected members, i.e. a generation of infected members, is a random variable. In the first part of this dissertation, given that the mass function of the contagion's random variable is known, four methodologies to find the mass function of the generations of the stochastic process are compared. The methodologies are: probability generating functions with and without polynomial identities, Markov chain and Monte Carlo simulations. The first three methodologies provide analytical expressions relating the contagion random variable and the generation's size random variable. These analytical expressions are used in the second part of this dissertation, where a classical inverse problem of bayesian parametric inference is studied. With the help of Bayes' rule, parameters of the contagion random variable are inferred from realizations of the stochastic process. The analytical expressions obtained in the first part of the work are used to build appropriate likelihood functions. In order to solve the inverse problem, two different ways of using data from the Bienaymé-Galton-Watson process are developed and compared: when data are realizations of a single generation of the branching process and when data is just one realization of the branching process observed over a certain number of generation. The criteria used in this work to stop the update process in the bayesian parametric inference uses the L2-Wasserstein distance, which is a metric based on optimal mass transference. All numerical and symbolical routines developed to this work are written in MATLAB.
Link da Defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/92839408623?pwd=ZlUwOWNFdnh1TFVBc1BZQTd5Szhvdz09
Meeting ID: 928 3940 8623
Passcode: 606906
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Aluno(a) : Lara Cristina Pereira de Araújo
Orientador(a): Helon Ayala e Renato Vieira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
Atualmente, devido ao grande volume de dados de iniciação de trincas e fadiga que é possível obter a partir de informações do campo de mecânica dos sólidos e comportamento dos materiais, o uso de técnicas de aprendizado de máquina é cada vez mais utilizado para realizar diversos tipos de previsões. A motivação principal deste trabalho é o estudo do acúmulo de deformação plástica na escala de grãos, por meio da utilização do aprendizado de máquina. Esta alternativa pode ser uma significativa contribuição na direção de criar modelos capazes de prever o acúmulo de deformações. Desta forma o aprendizado de máquina se torna uma ferramenta capaz de ajudar a entender quais parâmetros físicos controlam o acúmulo de dano. O objetivo deste trabalho é prever o acúmulo de deformação plástica em contornos de grãos e propor um novo método de previsão de acúmulo de deformações plásticas em contornos de grãos de um material policristalino, usando modelos de aprendizado de máquina. Este trabalho é desenvolvido por meio de uma abordagem numérica, usando dados experimentais da literatura para estruturar três bancos de dados como amostras as quais são filtradas para identificar o contorno do grão. Como resultados pode ser observado que as previsões foram coerentes e de boa qualidade, com uma melhora dos valores médios do coeficiente de Pearson em torno de 17% em relação aos valores encontrados na literatura. Já para o coeficiente de determinação a média de valores alcançada ficou em torno de 0.85. Conclui-se que o uso do método de aprendizado de máquina se mostra confiável para prever acúmulo de deformação plástica no contorno do grão para um material policristalino.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/99612602567?pwd=aXprNnlTcUhSYm5UcWp5cFo5UUF3QT09
Meeting ID: 996 1260 2567
Passcode: 592385
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Aluno(a) : Bruno Morais Bueno
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
A simulação computacional tem sido utilizada como ferramenta para otimizar processos de cunhagem e suportar o desenvolvimento de novos produtos neste setor. Compreender as forças e tensões que ocorrem durante o processo possibilita atuar de forma eficaz nas características do projeto, visando a redução de defeitos no produto e/ou o prolongamento da vida útil das ferramentas. Esta pesquisa teve como objetivo investigar a influência das características do relevo de uma medalha, no que se refere a sua geometria e altura, nas forças requeridas para a execução do processo e nas tensões geradas durante a cunhagem. Para isso, foi criado um modelo computacional 3D de uma medalha de curproníquel, validado por meio de comparação com dados experimentais de cunhagem. Os resultados demonstram que a metodologia experimental aplicada e o modelo desenvolvido neste trabalho previram com sucesso o fluxo de material de acordo com a força de cunhagem aplicada. Simulações adicionais revelaram que a geometria e a altura dos relevos influenciam diretamente nas forças e tensões. Por exemplo, um relevo com geometria triangular exigiu 66% mais força para ser delineado em comparação com um relevo circular com volume e profundidade equivalentes. Além disso, foi demonstrado que reduzir a altura do relevo em 20% poderia levar a uma redução de 16% na força. Discussões foram feitas a respeito da existência de Regiões Críticas de Cunhagem (RCC) na arte da medalha, caracterizadas por relevos altos e intricados. Essas regiões serão as últimas a serem delineadas e ditarão as forças requeridas e o patamar de tensões no produto.
Link da defesa:
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Meeting ID: 995 6417 1291
Passcode: 186924
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Aluno(a) : Gabriel Fischer Abati
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e João Carlos Soares
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/17/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
The majority of visual SLAM systems are not robust in dynamic scenarios. The ones that deal with dynamic content in the scenes usually rely on deep learning-based methods to detect and filter dynamic objects. However, these methods cannot deal with unknown objects. This work presents a visual SLAM system robust to dynamic environments, even in the presence of unknown objects. It uses Panoptic Segmentation filter dynamic objectsfrom the scene during the state estimation process. The proposed methodology is based on ORB-SLAM3, a state-of-the-art SLAM system for static environments. The implementation was tested using real- world datasets and compared with several systems from the literature, including DynaSLAM, DS-SLAM and SaD-SLAM.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/97387225930?pwd=SDFmenJ5SWthYXFLVkVWZWVKbG1SZz09
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Aluno(a) : Lara Candido Alvim
Orientador(a): Helon Ayala e Elias Rossi
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/10/2023
Local:
Resumo: The advances in Robotics in recent decades allow a growing range of applications of robotic manipulators in various sectors of industry. This directly impacts the Human-Robot Interaction (HRI), resulting in an increase in tasks that require a shared work environment, safety performance, and the contact detection ability of the robotic manipulator. Consequently, control methods capable of predicting contact, and controlling force or trajectory to avoid damage during collisions become increasingly necessary either for safety or performance reasons. Separating the dynamics of a single-link manipulator into two modes, namely position control mode (free mode) and torque control mode (contact mode), the first part of this dissertation deals with the estimation problem of states for active mode detection through the implementation of the Moving Horizon State Estimation with Neural Networks (NNMHSE) method. The effectiveness of the proposed estimation method is evaluated by comparing the states and modes generated by the MHSE and those estimated by the Neural Network. This method presented a high coefficient of determination factor (R²), and a significant reduction in the processing time of the estimation algorithm. The second part of this dissertation deals with the position and torque switching problem for a non-linear robotic manipulator, applying Model-Based Predictive Control (MPC). The implemented switched MPC algorithm was able to effectively control both modes of the system, presenting low prediction error, even considering cyclical changes in the modes. Both methods prove to be suitable for controlling co-located robotic manipulators with humans or in unstructured environments through operation mode detection and position-torque switching control. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/97518786462?pwd=aStmdWljOXZURldsMnRFbCs0dmxHdz09
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Aluno(a) : Mariana Moraes Gioia
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2023
Local:
Resumo: Materiais feitos com microestruturas arquitetadas possuem propriedades mecânicas ajustáveis e podem ser usados na obtenção de estruturas leves e, ao mesmo tempo, com máxima rigidez. Em estruturas treliçadas, por exemplo, pode-se variar o tipo de topologia e porosidade de modo que o material seja eficientemente distribuído no domínio de projeto. Devido às geometrias complexas destas estruturas, projetá-las usando ferramentas auxiliadas por computador é uma tarefa desafiadora. Neste trabalho, foi desenvolvida uma modelagem paramétrica no programa Rhinoceros usando a extensão Grasshopper para auxiliar na construção de modelos de estruturas treliçadas de densidade variável. A modelagem paramétrica desenvolvida permite definir a topologia e o diâmetro das barras das treliças que simplificam em muito a geração de modelos de sólidos porosos. Modelos de microestrutura foram gerados e fabricados em poliamida 12 por meio de sinterização seletiva a laser para se avaliar as treliças possíveis de serem impressas. O problema de uma viga biapoiada com carga concentrada no centro foi resolvido utilizando-se o método de otimização topológica e o campo espacial de densidades foi usado para geração do modelo de densidade variável. Considerando a mesma massa final dos modelos otimizados, modelos com densidade constante foram gerados e fabricados juntamente com os modelos de densidade variável. Foram realizadas análises experimentais por meio de ensaios de flexão em três pontos e os resultados mostram que a solução usando densidade variável tem um grande aumento da rigidez quando comparadas com as soluções com densidade uniforme.
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Aluno(a) : Camila Leão Pereira
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
O estudo da dinâmica lateral é de grande importância para análise do comportamento de um veículo durante manobras e fundamental para a implementação de sistemas de controle de estabilidade e de trajetória em veículos autônomos. Nesse contexto, baseado em medições experimentais de um veículo militar de três eixos durante manobras de mudança dupla de faixa a diferentes velocidades, o presente trabalho apresenta métodos de identificação de sistemas para obtenção de modelos lineares por meio da ferramenta CONTSID, disponível no MATLAB; de modelos não lineares baseados em Redes Neurais; e, por fim, a proposta de emprego de modelos híbridos com o intuito de minimizar o erro associado à primeira abordagem, somando-se ao modelo linear, o valor estimado do resíduo com a aplicação de redes neurais. Por se tratarem de modelos obtidos a partir de dados observados, como parâmetros de entrada e de saída do sistema foram selecionados o ângulo do volante e a taxa de guinada do veículo, respectivamente. Com a utilização do CONTSID, foi realizada a identificação das funções de transferência para cada velocidade, o que possibilitou a análise da influência dessa variável no comportamento dinâmico do sistema. Em seguida, empregou-se uma abordagem via redes neurais ao mesmo conjunto de dados, com a construção de arquiteturas distintas por meio da modificação do número de neurônios, número de camadas e função de ativação. Por fim, um modelo híbrido é combinado utilizando-se a modelagem linear e não linear para obtenção de melhorias na resposta do modelo final estimado. De acordo com os resultados, as técnicas empregadas apresentaram viabilidade de aplicação e resultados satisfatórios, destacando-se o aprimoramento do modelo linear por meio de sua substituição pelo modelo híbrido baseado em redes neurais. Do exposto, objetiva-se apresentar os potenciais dos métodos apresentados e, posteriormente, esses estudos podem ser aprofundados para implementação de malhas de controle veicular, com o intuito de contribuir com o aumento da segurança, melhoria do conforto e no desenvolvimento de veículos autônomos.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/98219518083?pwd=RUZ6V25zYlh1Y0VPcFFoamRmQ2JmZz09
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Aluno(a) : Anderson Raniere Sobral da Silva
Orientador(a): Arthur Braga e Wellington Campos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2023
Local:
Resumo: A perfuração de poços de petróleo envolve diversas fases. Com o avanço da tecnologia é possível explorar em águas ultra profundas com lâmina d’água acima de 1500 metros de profundidade, com isso uma série de medidas precisam ser tomadas para que eventos catastróficos não ocorram durante a perfuração, eventos estes que podem gerar danos irreversíveis ao meio ambiente, multas altíssimas e expor a vida de centenas de pessoas. Dos eventos indesejados durante aperfuração,destacamos as instabilidades nas paredes dos poços, eventos como este podem gerar desmoronamentos devido à baixa pressões internas ou rupturas das paredes dos poços devido altas pressões. Com base nos modos de falha dos poços citados acima, o fluido de perfuração (ou lama) tem o objetivo de manter a pressão ideal no poço, sustentar suas paredes evitando desmoronamento, não somente isto, mas também remover os detritos ou cascalhos das rochas perfuradas, lubrificar e resfriar a broca. O presente trabalho buscou analisar o comportamento da parede dos poços quando submetidos a pressões que geram instabilidades e levam os poços a falhas irreversíveis, o método utilizado para mitigar os riscos foi o critério de falhade Mohr-Coulomb e o desenvolvimento foi elaborado via métodos numéricos, mais específico em código de programação na linguagem Python onde foi possível realizar simulações quevisavam monitorar a estabilidade dos poços, demonstrando as áreas mais seguras e calculando as tensões atuantes durante a perfuração.
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Aluno(a) : Mengen Liu
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/27/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
Elasto-plastic stress gradient factors ahead of notch tips are used to evaluate actual notch effects in fatigue strength, quantified by fatigue stress concentration factor . Usually, it is smaller than the linear elastic stress concentration factor of the notch, , due to material tolerance to non-propagating short cracks. Considering that local plasticity around notch tips plays a significant role in the growth behavior of short cracks within the notch plastic zone, a sound mechanical methodology is proposed to account for the effects of elasto-plastic stress and strain fields in the actual value. Two-dimensional finite element analyses are conducted to compute stress intensity factors of smooth and notched specimens. Ramberg-Osgood model and Neuber’s rule are used to achieve approximations for strain-based intensity factors. For methodology validation, numerical predictions are compared to experimental stress-life data of center, U, and V-notched plate specimens made of different materials and tested under uniaxial load ratios of 1, 0, and 0.1 collected from the literature. The comparisons show good agreement proving that the elasto-plastic solution provides more accuracy than the linear elastic one. The most discrepant results are obtained at load ratios of 0 and 0.1, and they can be significantly improved if non-zero mean stress effects are considered.
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Aluno(a) : Natasha Barros de Oliveira Hirschfeldt
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/24/2022
Local: 154L
Resumo:
Parametric excitation is a type of excitation that arises from time-varying coefficients in a system’s dynamics. More specifically, this dissertation deals with time-periodic coefficients. This type of excitation has been an extended topic of research from the fields of mechanics and electronics to fluid dynamics. It appears in problems involving dynamical systems, for example, as a way of controlling vibrations in self-excited systems, making this subject worthy of more investigations. By approaching stability in the sense of Lyapunov, this dissertation provides a didactic stability background from basic concepts, such as equilibrium points and phase diagrams, to more advanced ones, like parametric excitation and Floquet theory. The objects of study here are linear systems with time-periodic parameters. Floquet theory is used to make stability statements about the system’s trivial solutions. Several examples are discussed by making use of a developed numerical procedure to construct stability maps and phase diagrams. The examples presented herein encompass mechanical, electromagnetic and electromechanical systems. By making use of stability maps, several features that can be discussed in stability analysis are approached. Two different strategies to evaluate the stability of trivial solutions are compared: Floquet multipliers and the maximum value of Lyapunov characteristic exponents.
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Aluno(a) : Murilo Oliveira Sousa
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/27/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Um componente mecânico quando submetido a carregamentos cíclicos pode falhar mesmo se a tensão aplicada nele for inferior à sua resistência ao escoamento. Uma das causas para isso acontecer no componente é a ocorrência de fadiga. Fadiga é uma falha
mecânica causada por carregamento cíclico e tem como característica a iniciação e/ou o crescimento paulatino de trinca. Nesse contexto, as cargas de serviço podem ser aplicadas em um ou vários pontos de um componente estrutural. Elas podem ser geradas por apenas uma ou por múltiplas fontes, em fase ou fora de fase. Em geral, tais cargas causam esforços de flexão, torção, normais e/ou de cisalhamento que, quando combinados, podem gerar tensões multiaxiais no(s) ponto(s) crítico(s) da peça. Nesta última situação, é preciso usar metodologias de fadiga multiaxial para reproduzir, de forma correta, a física do problema. Quando se trata de fadiga multiaxial e em componentes metálicos, é adequado usar o modelo de plano crítico. Por meio dele, é possível mensurar o dano acumulado em diferentes planos que cruzam a superfície do componente. Para fazer uma análise de fadiga multiaxial, é importante ter um programa computacional robusto capaz de reproduzir as principais metodologias de cálculo. Pensando nisso, esta dissertação tem como objetivos desenvolver um código de fadiga multiaxial capaz de calcular o dano acumulado por fadiga em diferentes planos de um ponto de uma determinada peça, além de testar e comparar os principais modelos de fadiga multiaxial usados no enfoque de plano crítico. Esta comparação é baseada em dados de materiais coletados da literatura e
simulações feitas pelo código desenvolvido.
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Aluno(a) : Lucas Nascimento Sagrilo
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
It is known that most real structures are subject to different loading scenarios, related to different structural solicitations and the action of natural forces, such as winds and sea waves. In this context, it is important to consider the effect of the largest number of possible scenarios that can act on a structure when performing a topology optimization study. The traditional way of solving this type of problem involves a case-by-case analysis of the scenarios, which in the context of a structural optimization algorithm requires the solution of one finite element problem for each scenario and at each step of the algorithm, being limited by the high associated computational cost. This limitation leave room for approaches based on dimension reduction such as stochastic approximation and decomposition into singular values. This work verifies the feasibility of using these two approaches to solve structural topology optimization problems with many load cases. Two applications are presented, robust optimization and the problem of dynamic loads using the equivalent static loading method. Thus, situations involving more complex loads can be studied through efficient topology optimization algorithms. For both cases, comparisons are established between the results obtained through the methodology developed in this work and the ones from the literature.
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Aluno(a) : Gabriela Wegmann Lima
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2022
Local: Sala aula 6o and, Cardeal Leme
Resumo:
A grande maioria das estruturas que trabalham sob cargas alternadas precisa ser dimensionada para evitar a iniciação de trincas por fadiga, o principal mecanismo de dano mecânico nesses casos. Os vários parâmetros dos modelos de previsão de dano à fadiga usados nesses projetos devem ser preferencialmente medidos a partir do ajuste otimizado de suas equações a dados experimentais medidos de forma adequada. Na realidade, a precisão das previsões baseadas nesses modelos depende diretamente da qualidade dos ajustes utilizados para obtenção desses parâmetros. Sendo assim, o objetivo principal deste trabalho é estudar a melhor maneira de se obter os parâmetros dos principais modelos de previsão da iniciação de trincas por fadiga através de ajustes de dados experimentais baseados no algoritmo de Levenberg-Marquardt. Primeiro, foram realizados diversos ensaios εN em uma liga de alumínio 6351-T6 para averiguar o desempenho do ajuste proposto para as equações de Coffin-Manson e de Ramberg- Osgood. Em seguida, foram usados dados da literatura de outros oito materiais para ajustar modelos deformação-vida clássicos, assim como com o expoente de Walker, para assim avaliar o efeito de cargas médias não-nulas em testes εN. Por fim, foi estudado o ajuste de um modelo SN com expoente de Walker que considera limites de fadiga e efeitos de carga média. Esse estudo também inclui considerações estatísticas para quantificar o fator de confiabilidade a partir de diferentes hipóteses de funções densidade de probabilidade, baseadas em dez conjuntos de dados da literatura.
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Aluno(a) : Matheus Rodrigues Goebel
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Giovane Quadrelli
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/06/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Este trabalho apresenta um projeto mecânico de um robô lagartixa pneumática, capaz de se locomover em superfícies inclinadas em relação ao solo, através apenas de atuadores lineares que utilizam o ar comprimido como fonte de energia. Como parte fundamental do projeto mecânico neste trabalho, um sistema de garra é desenvolvido gerando vácuo mecanicamente, para haver uma economia de consumo energético no robô em comparação com os acessórios comerciais geralmente utilizados para esta tarefa de fixação. Com o protótipo de conceito fabricado e montado, o mesmo é submetido a uma bateria de testes com o intuito de posteriormente aplicar os dados obtidos em uma rede neural artificial, visando o aprendizado computacional dos movimentos do robô e, assim, sua otimização de velocidade em determinada sequência de movimentação. Após o treinamento desta rede neural, o protótipo é submetido a novos experimentos para verificar a eficiência do treinamento realizado e qual o impacto real obtido no robô. Finalmente, com a utilização de um sistema de câmeras, os deslocamentos do robô em diversas situações distintas são rastreados, visando gerar gráficos comparativos e analisar a repetibilidade e confiabilidade do sistema.
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Aluno(a) : Matheus Hoffmann Brito
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/19/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
The correct equipment operation in the Oil and Gas (O&G) industry is essential to mitigate environmental, human, and financial losses. In this scenario, dry gas seals (DGS) of centrifugal compressors were studied, as they are identified as the most critical device due to the extent of the caused damage. In this study, regression models were developed using machine learning (ML) techniques from scarce data to replace numerical simulations in predicting the operational reliability of DGSs. First, a model based on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was validated to represent the gas flowing between the sealing faces, to enable the calculation of the equipment’s operational reliability. Thus, the open-source CFD software OpenFOAM was used together with the substance database of the software REFPROP, to allow the user to define the gas mixture and the evaluated operational conditions. Then, two case studies were carried out following a proposed generic workflow. The first comprised determining a regression model to estimate the reliability of a DGS whose mixture composition is fixed but its operating conditions can vary. The second consisted of determining a more robust regressive model, where both the mixture composition and the operational conditions can vary. Finally, the feasibility of implementing both models under real operating conditions was evaluated.
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Aluno(a) : Carolina de Oliveira Contente
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/12/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Structural health monitoring has been the focus of recent developments in the field of vibration-based assessment and, more recently, in the scope of internet of things as measurement and computation becomes distributed. Data has become abundant even though the transmission is not always feasible at higher frequencies needed for proper assessment, especially in remote applications such as pipelines, subsea, and smart fleets. It is thus important to devise data-driven model workflows that ensure the best compromise between model accuracy for condition assessment and also the computational resources needed for embedded solutions, a topic that has not been widely used in the context of vibration-based measurements. Vibration measurements are used to monitor static and rotating machines since they are sensitive to faulty conditions. In this context, the present research proposes two approaches for two applications being a static and a rotating one: in the first one a modeling workflow able to reduce the dimension of autoregressive models built on the basis of many acceleration sensors was proposed. The three-story building example was used to demonstrate the effectiveness of the method, together with ways assess the best compromise between accuracy and model size. Hoping to point future research directions of embedded computing, predictive analytics, and vibration based structural health monitoring, in order to ensure that the models created can be conveniently deployed while optimizing costs for computing infrastructure; and the second approach where a test rig composed of rotating inertias and slender connecting rods is used, and the monitoring solution was tested in an embedded GPU-based platform. Principal component analysis and deep autoencoder models were implemented to distinguish nominal and abnormal friction states effectively. Shallow models perform better concerning running time, memory usage, and accuracy in detecting faulty conditions, which is essential for monitoring rotating machines in real-time.
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Aluno(a) : Beatriz de Rezende Barcellos Borges
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Filho
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/08/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Este trabalho analisa a propagação de uma doença epidemiológica com uma abordagem estocástica. Na análise, o número de indivíduos que cada membro infectado da população pode infectar é modelado como uma variável aleatória e o número de indivíduos infectados ao longo do tempo é modelado como um processo estocástico de ramificação. O foco do trabalho é caracterizar a influência do modelo probabilístico da variável aleatória que modela o contágio entre indivíduos na disseminação da doença e na probabilidade de extinção, e analisar a influência de uma vacinação em massa no controle da propagação da doença. A comparação é feita com base em histogramas e estatísticas amostrais do número de indivíduos infectados ao longo do tempo, como média e variância. Os modelos estatísticos referentes à parte que trata de uma população não vacinada são calculados usando simulações de Monte Carlo para 3 diferentes famílias de variáveis aleatórias: binomial, geométrica-1 e geométrica-0. Para cada família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada distribuição, 4000 simulações do processo de ramificação foram computadas. Os modelos estatísticos referentes a uma população parcialmente vacinada foram calculados usando simulações de Monte Carlo para a família de variável aleatória binomial. Para essa família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada uma delas foram escolhidas 6 diferentes percentagens de população vacinada. Para cada percentagem, foram analisadas vacinas com 4 diferentes eficácias. No total, foram realizadas 2.2 milhões de simulações, caracterizando o problema como big data.
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Aluno(a) : Luiz Cezar Mendes da Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
A termografia por infravermelho (TIV) tem sido usada como ferramenta de avaliação não destrutiva para detectar falhas em componentes estruturais, desempenhando um papel importante nos programas de inspeção, de fabricação e manutenção. A TIV também pode ser aplicada para avaliar limites de fadiga para materiais estruturais a partir de testes de tensão cíclica uniaxial ou de tração uniaxial quase-estáticos. Recentemente, o método quase-estático para medir o limite de fadiga via TIV, foi estendido para estados de tensão biaxial atuando na superfície de corpos de prova de tamanho real de dutos com anomalias geométricas. Os resultados mostraram que o método biaxial quase-estático previu satisfatoriamente a localização de pontos críticos para a iniciação da fadiga em espécimes tubulares com mossas.
Neste trabalho, as distribuições de tensões e deformações nos pontos críticos foram determinadas usando correlação de imagens digitais (DIC), aplicada a sete espécimes “dog bone”, padrão uniaxial, e oito espécimes de dutos de três metros de comprimento com tampas de cabeça plana fabricados a partir de tubos de aço API 5L Grau B. A determinação do estado de deformação superficial via DIC e a determinação das variações de temperatura correspondentes para os pontos do material de superfície observados ao longo dos testes, permitiram determinar não apenas o limite de resistência ao escoamento do material, mas também o que conveniou-se chamar de temperatura mínima característica (TMC). Os testes uniaxiais usando espécimes “dog bone” para o mesmo material indicam que as TMCs medidas estão intimamente relacionadas com o limite de escoamento do material (MYS).
Esta pesquisa destaca as observações experimentais relacionadas às medidas de tensão-deformação-temperatura no início do escoamento em pontos observados em ensaios uniaxiais e biaxiais. O objetivo deste trabalho é usar o monitoramento da temperatura de estruturas sob carga crescente quase-estática para prever a que “distância” do início do MYS estão os estados de tensão dos pontos observados.
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Aluno(a) : Luiz Pereira Aguiar Neto
Orientador(a): Ivan Menezes e Ludimar de Aguiar
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2021
Local: por acesso remoto
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This work studies the nonlinear dynamic behavior of oil well drillstring, which is a long slender flexible structure responsible for the drilling. Its elements and functions are presented, and numerical analyses are performed later. The work develops a computational code using the software MATLAB® for the numerical simulation of the column’s dynamic behavior using the finite element method. The corotational formulation is used for the implementation of geometric nonlinearity. The structure's discretization uses a beam element with six degrees of freedom per node and employs Euler-Bernoulli’s beam formulation. The Newton-Raphson method is responsible for solving the nonlinear system of equations. In addition, the solution procedure users the Newmark method for the time integration of the problem’s movement equations. A linear setup spring model is proposed to represent the contact between the borehole wall and the column. The proposed methodology and computational code capabilities are evaluated by comparing some results to analytical or numerical results of examples available in the literature. These results give reliability to analyze drillstring problems, which present the displacements and forces time series of the whole column and the buckling modes generated. The results show that the column is very sensitive to any boundary condition changing, which corroborates the complexity of the problem. Hence, the work proposes a reasonable basis for further developments, allowing the entire coupled drillstring analysis.
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Aluno(a) : Isabel Giron Camerini
Orientador(a): Arthur Braga e Paula de Gouvêa
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2021
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Resumo:
Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados.
O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics®.
Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 µm/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 ˚C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 ˚C, o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos.
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Aluno(a) : Nicholas de Araujo Gonzalez Casaprima
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/07/2021
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Resumo:
Os risers são importantes componentes na produção e exploração de petróleo e derivados. São responsáveis pelo transporte do óleo encontrado no reservatório até a Unidade Estacionária de Produção. A crescente demanda por esse produto faz com que a exploração seja feita em regiões com condições cada vez mais adversas. Tipicamente, um projeto deste porte exige um número muito grande de análises numéricas de elementos finitos e exigem uma experiência grande por parte do projetista a fim de obter uma solução viável. Esse desafio leva engenheiros a buscarem ferramentas consistentes e seguras que auxiliem nas etapas iniciais do projeto das configurações de risers e que sejam capazes de diminuir o número de análises totais exigidas. Uma dessas ferramentas éa utilização de métodos de otimização para obter de maneira consistente e segura os parâmetros que definem uma configuração. Este trabalho apresenta o método de Otimização Bayesiana, um método baseado em técnicas de aprendizado de máquina capaz de resolver problemas de otimização do tipo caixa-preta, de maneira eficiente, explorando o uso de aproximações analíticas da função objetivo, que se deseja otimizar. O método é aplicado em diferentes estudos de casos visando validá-lo como capaz de resolver uma gama de problemas de configuração de riser de maneira eficiente e consistente. Dentre os problemas aplicados estão diferentes configurações, diferentes casos realistas, mono-objetivos e multi-objetivos.
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Aluno(a) : Mateus Bastos Neiva
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/2021
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Resumo:
In structure life prediction analysis occurrence of crack defects are of paramount importance to be considered. Basic studies using the Linear Elastic Fracture Mechanics approach shows that Stress Intensity Factor (SIF) parameter controls Fatigue crack growth (FCG). However, overloads may induce material “memory effects” that delay, arrest or accelerate FCG rate, a behavior not described by considering a single elastic parameter. To account for service variable amplitude loadings, the use of a prescribed stress-strain distribution has been proposed, in recent research studies, as the driving force of FCG using the critical damage approach. Due to the assumptions considered in the analytical derivations, the solutions provided by the method violate important equilibrium and compatibility conditions specially as using an idealized singular stress-strain field at the crack front region. In this work a comprehensive review of the recently published analytical results for solutions under the elastic and elastoplastic material behavior regimens are presented: Williams and HRR with singular stress distribution field and Creager-Paris with a non-singular stress field, but with material elastic approach. These solutions are compared, throughout the study, to results obtained from the numerical analysis using a 3D finite element discretization with elastoplastic von Mises yielding criteria employed for the modeling of the crack tip blunt and some comprehensive conclusions are derived regarding application limits of the theoretical models as well as the required extent of the numerical model representation. In addition to monotonic increasing applied loads, unloading was also considered in the numerical analysis, although no reference to this condition is present in the literature considering the analytical approach. For the numerical simulations considered elastoplastic algorithms were implemented in a plugin based framework.
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Aluno(a) : Henrique Reis Santiago
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2021
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Resumo:
Well planning presents a major challenge in the oil & gas industry. Wellbore stability analysis is one of the most important steps during well planning and provides the technical basis for a safe drilling operation. Therefore, to be able to comprehend and to predict the physical response of wells is extremely valuable to drilling engineers. In order to achieve wellbore stability, drilling operators control, among other factors, the internal wellbore pressure using the perforation mud weight. The mud pressure is used to balance the stresses at the wellbore region and its value must remain inside a stable window to ensure a safe operation. In this work, we propose a novel simulator to perform wellbore stability analysis and to compute the optimal mud pressure window. The simulator is based on a plugin architecture, which provides a more flexible environment to develop and to extend the simulator or even perform different analyses by exchanging one or more plugins. The ideal internal pressure and mud weight window are computed by solving a root-finding problem based on different failure criteria for the well. The simulator uses the Finite Element Method to solve each geomechanical analysis during the solution procedure, assuming the fluid-mechanical coupling and elastoplastic behavior around the wellbore. The simulator was validated using various examples and wellbore stability analyses were performed on a set of case studies from the literature.
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Aluno(a) : Matheus Patrick Soares Barbosa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2021
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Resumo:
Actuators based on piezoelectric materials are portable, manage small displacements while maintaining high resolution, frequency and stiffness. Those properties make them ideal for application such as acoustic transmission and micromanipulation. But inherent nonlinearities to those actuators, such as hysteresis and creep, greatly increases the challenge to control such devices. Furthermore, the increasing need for more precise and faster actuators, allied with frequent changes in the environmental conditions and complex dynamics related to the mechanical displacement induced by the excitation signal fur-ther worsens the problem. Analytical models are application-specific, mean-ing that they are not easily and efficiently scalable to all systems. Also, with increased complexity, the understating of underlying phenomena is not fully documented, making it difficult to develop such models. This work investigates those challenges from the perspective of the system identification methodology and data-driven models for piezoelectric actuators. Those are powerful tools that vary considerably according to the modeling criteria and the black-box approach is tested with experimental data acquired in a laboratory setting for a micromanipulator and acoustic transmission test benches. The results show good capabilities to compensate the nonlinearities for the micromanipulator, by predicting the hysteresis at different input frequencies. The acoustic trans-mission system was successfully modeled and although the results show that are still room for improvements, it provides insights in possible optimizations for the setup as the models here devised are useful for short prediction win-dows. Furthermore, this encourages further research in the pursuit of better data-driven abstractions for the piezoacoustic transmission and micromanipu-lation applications.
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Aluno(a) : Walisson Chaves Ferreira Pinto
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/24/2021
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Resumo: The mathematical abstraction of a physical process is essential in engineering problems. There are many reasons for developing mathematical models of existing systems: i) for security and/or economic reasons, as it may be impractical or impossible to carry out experiments on the real system, ii) mathematical models are more flexible than physical prototypes, allowing a quick refinement of system designs to optimize various performance measures. The applications of the models can be divided into four parts, namely: design, estimation, control and monitoring. Some specific applications are i) simulations, ii) soft sensors, iii) performance evaluation, iv) statistical quality control and, v) fault detection and diagnosis. This work aims to: i) develop different classes of models capable of accurately simulating the output variable of a system, ii) evaluate the efficiency of optimization algorithms used in the parameter estimation task, iii) assess which friction model is the most appropriate to describe this phenomenon in a positioning system. The results show that combining models is an effective alternative to obtain more accurate simulation results. Nonlinear friction models were more adequate to describe this phenomenon, which had an asymmetric character, in the positioning system. In addition, the simulations performed with parameters estimated by the evolutionary algorithms showed better results. The decision tree-based optimizer, used in the second case study, proved to be equally effective compared to evolutionary algorithms.
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Aluno(a) : Mateus Gheorghe de Castro Ribeiro
Orientador(a): Helon Ayala e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/09/2020
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Resumo: Recently ultrasonic guided waves have shown great potential for nondestructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) in a damage evaluation scenario. Measurements utilizing elastic waves are particularly useful due to their capability to propagate in different materials such as solid and fluid bounded media, and, also, the ability to cover broad areas. When enough guided waves measurements are available and advanced data-driven techniques such as machine learning can be applied to the problem, the damage evaluation procedure becomes then even more powerful and robust. Based on these circumstances, the present work deals with the application of machine learning models to provide fault evaluation inferences based on ultrasonic guided waves information. Two main case studies are tackled in the mentioned subject. Firstly, a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate is assessed using open data of Lamb guided wave signals in the detection of dot type defects. Results demonstrated that a baseline dependent approach can obtain excellent results when using system identification feature extraction. Secondly, corrosion-like defects in an aluminium plate are classified according to its severity. The methodology is assisted by a mode separation scheme of SH guided waves signals of pre-acquired data. The achievement on the matter has proved that the adoption of mode separation can in fact improve the machine learning results.
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Aluno(a) : Vinicius Oliveira Fontes
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2020
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Resumo:
The optimized design of structures considering nonlinearities has been widely reasearched in the recent decades. The finite element analysis applied to topology optimization is jeopardized from excessive deformation of low-density elements under high compression, which hinders the process of finding an optimal solution. Two methods, Energy Interpolation and Additive Hyperelasticity, are implemented to overcome this difficulty in the minimum compliance problem, and hyperelastic material models are used to investigate their influence on the optimized topology. The Method of Moving Asymptotes is used to update the design variables whose sensitivities were calculated from the adjoint method. The state equation is solved through the Newton-Raphson method with an adjusting load step to reduce computational cost. Results for two benchmark problems are compared with those already estabilished in the literature. The use of different hyperelastic models presented little influence on the final design of the structure. The Energy Interpolation method was able to converge for much higher loads than the default method, while Additive Hyperelasticity did not show any significant improvements on plane strain.
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Aluno(a) : Ricardo Dória Loyola-Camorim
Orientador(a): Ivan Menezes e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/31/2020
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Resumo:
A camada geológica da costa brasileira conhecida como Pré-sal possui diversos reservatórios de petróleo cuja explotação encontra-se no início. Com o fim de explorar essas jazidas de forma mais segura e rentável, é essencial representá-las corretamente.Entretanto, não é uma tarefa simples. As rochas carbonáticas, típicas do Pré-sal, recorrentemente apresentam fraturas e carstes e o escoamento através dessas estruturas se comporta de forma diferente à da modelagem tradicional. Para solucionar o problema, desenvolveram-se técnicas que representam o fluxo através das demais mídias da rocha. No entanto, essas modelagens inserem diversas complexidades novas para a correta compreensão das formações e da previsão da produção. Nesse trabalho são analisados os impactos que as variáveis de reservatório têm no resultado das simulações com dupla permeabilidade.
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Aluno(a) : Arnaldo Roberto Rady Peron
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2020
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Resumo:
A robótica móvel tem desempenhado um papel cada vez maior na sociedade moderna. Para cumprir suas tarefas, usualmente é necessário que os robôs móveis sejam capazes de navegar autonomamente pelo ambiente, partindo de um determinado local e chegando a um objetivo, evitando colisões. Uma etapa importante desse processo envolve a decisão dos caminhos a serem percorridos pelo robô ao longo de um mapa conhecido, que é executada por um programa chamado planejador de trajetórias. Muitos planejadores estão disponíveis na literatura, cada um com suas particularidades e aplicações. Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre cinco planejadores de trajetórias: Algoritmo de Dijkstra, Dynamic Programming, Probabilistic Roadmap (PRM), Rapidly-exploring Random Tree (RRT) e Hybrid A*, no qual são avaliados os tempos de processamento, os números de passos e os comprimentos das trajetórias resultantes. O estudo é executado por meio de simulações no ambiente MATLAB em três mapas diferentes, com objetivos diversos: o primeiro avalia a capacidade de se planejar uma trajetória em um ambiente complexo com múltiplos caminhos; o segundo testa a capacidade do planejador de evitar maiores obstáculos e lidar com passagens estreitas; e o último mapa, composto por longas retas e curvas abertas, tem o objetivo de avaliar o comportamento dos planejadores em trajetórias mais extensas. Cada planejador é submetido a séries de simulações em cada mapa, sendo que em cada uma alteram-se também suas características, para uma análise de sensitividade. Os melhores resultados de cada planejador para cada critério permitem identificar as principais vantagens e desvantagens de cada um.
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Aluno(a) : Tiago de Magalhães Correia
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/25/2020
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Resumo: Em poços de petróleo, uma boa cimentação é fundamental para garantir o suporte estrutural do revestimento e isolar o poço de águas subterrâneas. A alteração das propriedades e o surgimento de defeitos no cimento podem levar a vazamentos e danos ambientais. Durante a desativação e o abandono do poço em operações conhecidas como P&A (Plug & Abandonment), é necessário avaliar a condição do cimento assim como a identificação de possíveis defeitos. Desde 1950, ferramentas de perfilagem acústica capazes de analisar a condição do cimento vem sendo desenvolvidas e aprimoradas. As ferramentas mais famosas foram a “Cement Bond logging Tools” (CBT), baseada na técnica de operação CBL (Cement Bond Logging) e VDL (Variable Density Logging), e a “Cement Evaluation Tools” (CET). Contudo, essas ferramentas foram projetadas para operar somente em configurações com um único revestimento e sem a coluna de produção. Remover a coluna de produção é um processo caro, por isso, um desafio na indústria que permanece até os dias atuais é a criação de uma ferramenta capaz de operar em poços sem a necessidade de se remover a coluna de produção visando a redução dos custos do processo, ou em poços que possuem múltiplos revestimentos. Nos últimos anos muitas patentes e artigos tem sido publicados abordando esse mesmo tema. Este trabalho possui como motivação analisar a eficiência da utilização de ondas ultrassônicas guiadas em poços com multicamadas para detecção de defeitos presentes na camada de cimento. Para isso, primeiramente se realizou uma vasta pesquisa bibliográfica buscando identificar os tipos mais frequentes de defeitos existentes, o princípio de funcionamento das principais ferramentas comerciais existentes e os avanços das pesquisas na fronteira do conhecimento desse assunto. Modelou-se a partir da teoria de ondas e de suas equações analíticas o poço estudado, encontrando as equações de dispersão que regem o problema. Desenvolveu-se um código analítico-numérico capaz de resolver essas equações e de obter as curvas de dispersão. Além disso, analisou-se como os defeitos e suas variações afetam as curvas de dispersão, identificando os comportamentos característicos para cada caso. Posteriormente, a distribuição da energia, obtida a partir do vetor de Poynting no poço, foi usado afim de se investigar os modos que concentram a energia na camada de cimento. Para o caso sem a coluna de produção, concluiu-se que os melhores modos de excitação estão em alta frequência, pois a energia se concentra no cimento. Já para o caso com a coluna de produção, encontrou-se que na frequência de 30,13 kHz a uma vagarosidade de 726,5 us/m a energia está praticamente toda concentrada no cimento o que é interessante para se analisar defeitos apenas no cimento e que em 39,17 kHz e 507 us/m a energia está distribuída entre o cimento e a coluna de produção, sendo interessante para analisar defeitos que envolvam ambos.
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Aluno(a) : Pedro Henrique Leite da Silva Pires Domingues
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/13/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
The majority real-world engineering design, management and decision making problems, may be seen as a multi-objective optimization problem, while others may comprehend classification, prediction or regression tasks. The use of artificial intelligence (AI) techniques to address these problems is attractive since they i) are most recommended for MO problems when compared with classical mathematical programming methods, which requires significant computational cost and informations of the problem domain; and ii) present better results with a simpler structure, adaptability and the possibility to extract information from the problems, when compared with other methods. Therefore, this work considers the application of AI techniques in anti-lock braking system (ABS) improvement, heat exchanger design optimization and theft-sensitive leak detection system (LDS) problems to i) develop and improve AI techniques; ii) constitute an AI application guide for control and design MO problems, as well as for the feature extraction process and machine learning classifier training through supervised learning approach; and mainly iii) demonstrate AI methods potential in solving realworld mechanical engineering problems. The results showed that the novel AI optimization algorithm versions proposed performed well considering the Pareto front dominance, spacing, Euclidian distance and hypervolume for the ABS problem and two IGD-based metrics compared through wilcoxon rank sum test for the HE design problem. Also, the decision tree-based machine learning classifier, trained through supervised learning and principal component analysis feature extraction technique, detcted all fuel theft situations with no false alarms.
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Aluno(a) : Bruno Pinto de Araujo
Orientador(a): Jaime Tupiassu e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2019
Local: Sala 210L, Prédio Cardeal Leme
Resumo:
Frequentemente, componentes mecânicos são solicitados por carregamentos complexos, em que suas direções variam com o tempo, podendo levar a uma falha por fadiga multiaxial. Nestas condições, o dimensionamento a partir de critérios uniaxiais tradicionais podem resultar em previsões não conservativas. Normas técnicas e livros de projeto de máquina, em sua maioria, não abordam as novidades acerca do tema. Por outro lado, diversos critérios de falha por fadiga multiaxial podem ser encontrados na literatura.
Esta dissertação tem como principal objetivo verificar alguns destes critéios, em que utilizam abordagem por plano crítico, tais como: Findley, McDiarmid, Goodman Generalizado, Brown-Miller, Fatemi-Socie, Smith-Watson-Topper e Liu.
Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo capaz de calcular vida sob fadiga multiaxial atravéis de critérios de plano crítico. O algoritmo conta com um filtro de amplitude misto: por projejeção e Racetrack; dois métodos de contagem de ciclo: Rainflow de plano crítico e Wang-Brown modificado; um método de perfil equivalente por Momento de Inércia; bem como todos os modelos de fadiga multiaxial acima citados.
A resposta do aço 304L para uma série de carregamentos traço x torção foi avaliada pelo algoritmo. Concluiu-se que, para estas situações, os modelos de Fatemi-Socie e Brown-Miller realizaram previsõess mais acertadas, e de forma geral conservativas.
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Aluno(a) : Bárbara Valéria de Abreu Lavôr
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/2019
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Resumo: A otimização topológica de estruturas sujeitas a carregamentos que variam ao longo do tempo, costuma ter custos computacionais bastante elevados. Isso acontece devido ao grande número de análises dinâmicas que são necessárias. Além disso, avaliar os gradientes da resposta, que fazem parte da análise de sensibilidade também possuem altos custos de computação e requerem um grande espaço de armazenamento. Nesta dissertação, em vez de resolver o problema original diretamente, é resolvida uma sequência de problemas de otimização de resposta estática com múltiplos casos de carga. Essa abordagem, chamada de método do carregamento estático equivalente, gera cargas estáticas que produzem uma resposta equivalente com a mesma resposta obtida na análise dinâmica. Para avaliar as abordagens presentes na literatura, desenvolveu-se um código em MATLAB, e diversos exemplos representativos são apresentados.
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Aluno(a) : José Dinarte Vieira Goulart
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/26/2019
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Resumo: O petróleo é um dos recursos mais fundamentais para o desenvolvimento de qualquer país e, por este motivo, dominar o conhecimento nos setores de exploração e produção é fundamental para soberania nacional. Uma fase crítica do processo de obtenção do petróleo é a perfuração do solo para o acesso ao poço. Os custos destas operações são extremamente elevados e quaisquer problemas na operação de perfuração podem levar a prejuízos astronômicos. Um dos problemas em particular é compreender o comportamento dinâmico da coluna de perfuração durante o processo de perfuração diante de diversos fatores como a fricção da broca com o solo, choques da coluna de perfuração com a parede do poço, modelos de controle de rotação e outros fatores. Uma parte crítica para abordar este problema é a escolha de uma teoria para caracterizar a coluna de perfuração, isto é, o modelo matemático que representará a resposta dinâmica da estrutura diante dos carregamentos. Este trabalho abordará o problema da dinâmica de uma coluna de perfuração através de um modelo matemático baseado na teoria de Cosserat que irá fornecer a resposta dinâmica de uma estrutura unidimensional inserida no espaço euclidiano tridimensional. Uma revisão das principais definições e conceitos é feita para dar introdução a formulação das equações determinísticas utilizando a teoria de Cosserat. As equações diferenciais parciais são resolvidas utilizando um software comercial de análise de Elementos Finitos. Funções base são geradas a partir da solução das equações na forma quase estática, modelo conhecido como elemento de Cosserat modificado (Modfied Cosserat Rod Element - MCRE). As funções base geradas são comparadas com funções base lineares genéricas a partir da solução estática de uma viga engastada-livre e da convergência de um modo de vibração da estrutura, sendo feita recomendações na utilização de modelos baseados no MCRE. O processo de validação das equações consiste em comparar a resposta do modelo proposto a problemas bem estabelecidos na literatura e outros publicados. Um vez tendo o modelo validado, o problema de uma coluna de perfuração é simulado e os resultados analisados.
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Aluno(a) : Gabriela Cristina Paiva Martins
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/26/2019
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Resumo: Para garantir que um componente estrutural resistirá ao longo de sua campanha operacional às trincas que podem não ter sido detectadas durante a última inspeção, é preciso estudar a tolerância aos defeitos nos componentes estruturais. As trincas longas podem ser modeladas por conceitos tradicionais da Mecânica da Fratura, mas as trincas curtas, em especial aquelas que partem de entalhes, não podem. O comportamento destas trincas curtas é modelado a partir do conceito do seu tamanho característico a0, proposto por El Haddad, Topper e Smith, que concilia o limite de iniciação de uma trinca por fadiga com o limiar de propagação das trincas longas. Para obtenção deste parâmetro, o limite de fadiga SL da liga de Al 6351-T6 é obtido por termografia e verificado extrapolando sua curva N medida por procedimentos normalizados para uma vida útil muito longa. O limiar de propagação das trincas longas Kth é medido através de ensaios padronizados. Por último, tamanhos de trincas em corpos de prova de geometrias diferentes são previstos por aproximações analíticas a partir dos campos de tensões à frente dos entalhes por Inglis e Creager & Paris.
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Aluno(a) : Thiago Almeida Cunha
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/25/2019
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Resumo: The mechanical failure known as fatigue is characterized by the formation and/or propagation of cracks caused by variable forces. Its traditional methodologies normally calculate an equivalent uniaxial tensile stress acting on the component, in order to compare it with the known experimental mechanical behavior data of the component’s material measured under uniaxial loads. This assumption can lead to non-conservative results because it considers the material to be equally sensitive to shear and tensile stresses, which is not true in a wide range of practical applications. Therefore, torsional and multiaxial experimental data is necessary to better predict the fatigue life of components. To execute those experiments, the present work proposes a variety of component designs and assembly methodologies to use on an Instron 8874 axial-torsional testing machine a hydraulic grip originally designed for an Instron 8501 uniaxial testing machine. Furthermore, a simplified method to estimate shear ( N) low-cycle fatigue properties via displacement-controlled experiments is proposed to avoid the need of using expensive equipment and different specimen designs, and used for characterization of SAE 1020 Steel and 6351-T6 Aluminum alloys. This data is compared with the measured tensile ( N) low-cycle fatigue properties to identify if these materials are tensile or shear sensitive under multiaxial loading conditions. A numerical computing code is used to fit N and N curves to the experimental data, and its implementation procedures are discussed. Finally, the most suitable critical-plane multiaxial fatigue models are proposed for each material tested, based on the measured data.
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Aluno(a) : Kallin de Souza
Orientador(a): Jaime Tupiassu
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2019
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Resumo: O método N baseia-se na quantificação do dano causado pela deformação decorrente do histórico de carregamento cíclico. Tendo como objetivo estimar o número de ciclos o qual leva a iniciação de uma trinca por fadiga. Diferente do método SN o número de variáveis e constantes envolvidas nesse modelo é menor, o que aumenta sua confiabilidade. Entretanto, nem sempre essas constantes são obtidas experimentalmente. Existes diversos modelos que se propõem a estimar as constantes de Coffin-Manson. Apesar da conveniência, em sua maioria essas constantes não levam a previsões assertivas, conforme visto em outros estudos. Contudo a maioria dos casos existentes na literatura não abordam dois fatores primordiais, o efeito de regiões de concentração de tensão e a influência de carregamentos com amplitudes variáveis. Visando observar a influência desses dois aspectos na previsão de vida à fadiga segundo a metodologia N esse estudo traça um comparativo entre a vida à fadiga experimental e teórica, obtida com constantes experimentais, segundo 2 tipos de concentradores de tensão e quatro históricos de carregamentos de amplitude variável. Além disso os resultados foram comparados com as previsões realizadas considerando os modelos de obtenção das constantes de Coffin-Manson, viando verificar entre esses quais apresentam um resultado mais satisfatório. De acordo com os resultados é possível visualizar que a vida a fadiga prevista usando os parâmetros de Coffin Manson obtidos segundo o método das medianas e por Baumel-Segger são os que mais se aproximam das vidas estimadas baseada nas constantes experimentais. Nos demais casos nota-se que a regra de concentração de tensão exerce uma maior influência no resultado
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Aluno(a) : André Xavier Leitão
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/03/2019
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Resumo: In many engineering problems, e.g., design of flexible biomedical prostheses or energy absorption devices, structures undergo large displacements. In those problems, the structural response must take into account the geometric nonlinearity. However, topology optimization algorithms regarding nonlinearities, and based on the finite element method, typically suffer from numerical instabilities caused by excessive distortions of low-density regions within the design domain. In particular, the stiffness matrix may be no longer positive definite, which can jeopardize the convergence of the optimization process. This dissertation aims to study an energy interpolation scheme based on the St. Venant-Kirchhoff material model to alleviate this convergence issue. At each step of the optimization, the nonlinear state equation is solved by the Newton-Raphson procedure to determine the equilibrium configuration. Making use of the gradient information computed from the adjoint method, the Method of Moving Asymptotes is employed to update the design variables. Through several benchmark problems considering large displacements, it is demonstrated the effectiveness and efficiency of this energy interpolation scheme. More specifically, the optimized designs are in agreement with those obtained in the literature and exhibit correct load-level dependence. The investigated energy interpolation scheme plays a crucial in the solution of nonlinear problems with high load levels, allowing the optimization routine to converge and to obtain the optimal material arrangement.
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Aluno(a) : Waldy Jair Torres Zuniga
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2019
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Resumo: Estruturas treliçadas espaciais são arranjos geométricos de barras amplamente utilizados em coberturas de edificações. Diversos fatores favorecem o seu uso, tais como a capacidade de vencer grandes vãos e a facilidade em assumir diversas formas. A busca pela geometria ótima é um objetivo importante no projeto de estruturas, onde o interesse principal é minimizar o custo da estrutura. O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema computacional capaz de minimizar o peso de estruturas treliçadas cuja geometria é definida por curvas de Bézier. Portanto, os pontos de controle das curvas de Bézier são utilizados como variáveis de projeto. As áreas das seções transversais das barras e a altura da treliça também são consideradas como variáveis de projeto e restrições sobre a tensão de escoamento e a tensão crítica de Euler são impostas no problema de otimização. A estrutura é analisada por meio do método dos elementos finitos considerando a hipótese do comportamento linear físico e geométrico. Os algoritmos de otimização utilizados neste trabalho utilizam os gradientes da função objetivo e das restrições, que são calculados a partir dos gradientes da resposta da estrutura em relação às variáveis de projeto. O sistema computacional desenvolvido neste trabalho foi escrito em linguagem MATLAB® e conta com uma integração com o SAP2000® por meio da OAPI (Open Application Programming Interface). Os resultados numéricos obtidos demonstram a eficiência e a aplicabilidade deste sistema.
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Aluno(a) : Ingrid Pires Macedo Oliveira dos Santos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2019
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Resumo: Excessive drill string vibration leads to loss of the drilling process effectiveness and premature damage to the equipment. Therefore, understanding the system dynamics is essential. The complex behavior of drill strings stimulated a high number of publications in drilling dynamics. Due to the drill string slenderness, torsional vibration is present in most drilling routines, eventually reaching the stick-slip phenomenon. This torsional vibration results from the nonlinear interaction between drill-bits and rocks. Despite the complexity of the bit-rock interaction, researchers often treat the relationship between torque and bit velocity as a dry friction force in a slender system. A large number of dry friction models is used to describe the interaction between drill bits and rocks although a proper model is required for a precise interpretation of systems with friction. This contribution utilizes data from a test rig that is capable of reproducing full-scale system torsional behavior with simple brake devices to introduce friction to the system, disturbing the rotating motion. This test rig is modeled as an actuated torsional pendulum for the numerical investigations of the experimental friction. This dissertation proposes a friction model based on experimental data and analyzes various frictional phenomena observed, including hysteresis. The experimental results are used to identify the proposed model parameters. Lastly, it compares numerical simulations with the experimental results and validates the proposed friction model.
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Aluno(a) : Mariana Gomes Dias dos Santos
Orientador(a): Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/27/2019
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Resumo: Problemas dinâmicos governados por problemas de valor inicial (PVI) não lineares, em geral, despertam grande interesse da comunidade científica. O conhecimento da solução desses PVI facilita o entendimento das características dinâmicas do problema. Porém, infelizmente, muitos dos PVI de interesse não têm solução conhecida. Nesse caso, uma alternativa é o cálculo de aproximações para a solução. Métodos numéricos e analíticos são eficientes nessa tarefa e podem fornecer aproximações com a precisão desejada. Os métodos numéricos foram muito desenvolvidos nos últimos anos e amplamente aplicados em problemas de diversas áreas da engenharia. Pacotes computacionais de fácil utilização foram criados e hoje fazem parte dos mais tradicionais programas de simulação numérica. Entretanto, as aproximações numéricas têm uma desvantagem em relação às aproximações analíticas. Elas não permitem o entendimento de como a solução depende dos parâmetros do problema. Visto isso, esta dissertação foca na análise e implementação de técnicas analíticas denominadas métodos de perturbação. Foram estudados os métodos de Lindstedt-Poincaré e de múltiplas escalas de tempo. As metodologias foram aplicadas em um PVI envolvendo a equação de Duffing não amortecida. Programas em álgebra simbólica foram desenvolvidos com objetivo de calcular aproximações analíticas hierárquicas para a solução desse problema. Foi feita uma análise paramétrica, ou seja, estudo de como as condições iniciais e os valores de parâmetros influem nas aproximações. Além disso, as aproximações analíticas obtidas foram comparadas com aproximações numéricas calculadas através do método do Runge-Kutta. O método de múltiplas escalas de tempo também foi aplicado em um PVI que representa a dinâmica de um sistema massa-mola-amortecedor com atrito seco. Devido ao atrito, a resposta do sistema pode ser caracterizada em duas fases alternadas, a fase de stick e a fase de slip, compondo um fenômeno chamado stick-slip. Verificou-se que as aproximações obtidas para resposta do sistema pelo método de múltiplas escalas de tempo têm boa acurácia na representação da dinâmica do stick-slip.
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Aluno(a) : Eduardo Enes Cota
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/21/2019
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Resumo: Understanding how to analyze crack-like defects is essential for many industries to avoid potentially catastrophic accidents. It is well known that structural Integrity standards use conservative procedures to evaluate the safety of cracked plate-like components like pipes and pressure vessels. To quantify how conservative such procedures are, critical loads predictions were computed on plate-like specimens of API 5L X80 steel (a high strength low alloy (HSLA) dual-phase steel developed for deep water pipelines) with a though wall crack. The specimens toughness was predicted by level 2 and 3 assessment procedures of the fitness-for-service standard API 579, and then compared with the actual loads needed to induce ductile tearing in them. The fracture toughness of the steel was measured through standard JIc and J-R resistance curve tests, using the elastic compliance technique with unloading/reloading sequences during the tearing process. Additionally, the geometry and type of loading effects, which can significantly change the value of the toughness, were analyzed using Elastoplastic Fracture Mechanics concepts. To do so, SE(B) specimens, which have high plastic transversal constraint, were tested following ASTM E1820-17 procedures. Then, their actual toughness were compared with literature procedures to estimate the toughness of SE(T) specimens, which have low plastic constraint, and with the actually measured date.
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Aluno(a) : André Pimentel de Oliveira
Orientador(a): Ivan Menezes e Rafael Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/25/2018
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Resumo: A otimização topológica tem por objetivo buscar uma distribuição ótima de uma quantidade limitada de material em um dado domínio, de tal maneira a minimizar uma medida de desempenho, como, por exemplo, a flexibilidade da estrutura. Tradicionalmente, são utilizados algoritmos clássicos, baseados em gradiente, para se encontrar a solução deste problema de otimização. Este trabalho propõe a aplicação de uma técnica alternativa, baseada no conceito de derivada topológica, para a solução do problema de otimização topológica em domínios bidimensionais arbitrários, utilizando malhas de elementos finitos poligonais. Inicialmente, são apresentados os conceitos básicos da expansão assintótica topológica na solução de problemas de elasticidade linear em um domínio com pequenas perturbações. Usamos esse conceito para definir a derivada topológica a partir da solução desse problema e de um equivalente em um domínio sem perturbações. Em seguida, discutimos a obtenção da derivada topológica em problemas unidimensionais simples para depois estender este conceito para problemas de elasticidade linear bidimensional. Apresentamos uma implementação computacional da derivada topológica, em MATLAB, e aplicamos o código desenvolvido na solução de problemas de otimização topológica, conhecidos na literatura. Finalmente, apresentamos as conclusões sobre a qualidade dos resultados obtidos e a eficiência computacional da implementação proposta e sugerimos alguns tópicos para futuros desenvolvimentos.
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Aluno(a) : Rodrigo Neumann
Orientador(a): Marco Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2018
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Resumo: A inspeção interna de tanques de armazenamento pode ser uma tarefa longa, custosa e até nociva à saúde do inspetor. Uma alternativa à inspeção humana é a utilização de sistemas robóticos. Esses sistemas podem ser teleoperados de fora dos tanques, permitindo realizar a inspeção de maneira mais segura, rápida, e em alguns casos, sem que seja necessário esvaziá-lo. Para poder fornecer a localização de eventuais defeitos no tanque, o robô móvel precisa ser capaz de conhecer sua posição relativa dentro dele. Auto-localização é de grande importância para a navegação de robôs móveis. Robôs de inspeção são, na sua maioria, veículos de rodas ou esteiras magnéticas fixas. Esta configuração adiciona duas dificuldades que precisam ser abordadas na tarefa de localização. Devido à sua configuração, neste tipo de veículo, deslizamento das rodas é intrínseco ao seu funcionamento, sendo essencial levar em conta seu efeito para modelar seu comportamento adequadamente. Outra dificuldade está no uso de rodas magnéticas, devido ao forte campo magnético gerado por estes elementos, que interferem nas medições de sensores magnéticos, como por exemplo bússolas. Neste trabalho, um filtro de Kalman foi desenvolvido e implementado para a localização de um robô de quatro rodas magnéticas fixas, a partir da fusão de sensores inerciais e odometria. Na modelagem do veículo, foi utilizado um modelo da cinemático como base para um modelo dinâmico, o que permitiu considerar o deslizamento intrínseco do sistema. Na fusão de sensores, foram dispensadas as medições do magnetômetro embarcado, devido à grande interferência produzida pelas rodas e à grande distância que seria necessária entre eles para não ser afetado pelo ruído. Simulações e experimentos comprovaram a eficiência do filtro implementado.
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Aluno(a) : Mariana da Rocha Osborne
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/10/2018
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Resumo: O presente projeto consiste na concepção de um triciclo omnidirecional autonomo que tem como finalidade o transporte de cargas em um ambiente de armazenamento. O veículo em questão será munido de um sistema de atuação, elementos de controle e um sistema de sensoriamento, para possibilitar sua navegação em um ambiente previamente estudado.
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Aluno(a) : Wallace Moreira Adame
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/2018
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se a análise numérica de vasos de pressão cilíndricos modelados por cascas e placas axissimétricas submetidas à carregamento de pressão interna uniformemente distribuída utilizando-se a técnica de elementos finitos. São consideradas análises de junções entre superfícies com diferentes espessuras, tais como, paredes finas (r/t=10) e moderadamente espessas (r/t=5). Os campos de deslocamento considerados são os referentes aos elementos planos axissimetricos. A partir deste modelo são avaliadas as tensões na transição entre as superfícies e os resultados comparados com soluções analíticas simplificadas. Conclui-se que a solução analítica aproximada é aceitável para uma grande faixa de valores envolvendo placas e cascas de espessuras moderadamente espessas enquanto que para paredes finas a análise por elementos finitos é necessária para verificação do comportamento das tensões na junção.Testes numéricos são apresentados para demonstrar o desempenho de análises lineares axissimétricas utilizando elementos quadráticos em comparação as soluções analíticas avaliando também as limitações do modelo analítico na região da descontinuidade geométrica do modelo proposto.
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Aluno(a) : Gabriel Chaves de Melo
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2018
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Resumo: Uma interface cérebro-máquina (ICM) é um sistema que permite a um indivíduo, entre outras coisas, controlar um dispositivo robótico por meio de sinais oriundos da atividade cerebral. Entre os diversos métodos para registrar os sinais cerebrais, destaca-se a eletroencefalografia (EEG), principalmente por ter uma rápida resposta temporal e não oferecer riscos ao usuário, além de o equipamento ter um baixo custo relativo e ser portátil. Muitas situações podem fazer com que uma pessoa perca o controle motor sobre o corpo, mesmo preservando todas as funções do cérebro, como doenças degenerativas, lesões medulares, entre outras. Para essas pessoas, uma ICM pode representar a única possibilidade de interação consciente com o mundo externo. Todavia, muitas são as limitações que impossibilitam o uso das ICMs da forma desejada, entre as quais estão as dificuldades de se desenvolver algoritmos capazes de fornecer uma alta confiabilidade em relação ao reconhecimento de padrões dos sinais registrados com EEG. A escolha pelas melhores posições dos eletrodos e as melhores características a serem extraídas do sinal é bastante complexa, pois é altamente condicionada à variabilidade interpessoal dos sinais. Neste trabalho um método é proposto para escolher os melhores eletrodos e as melhores características para pessoas distintas e é testado com um banco de dados contendo registros de sete pessoas. Posteriormente dados são extraídos com um equipamento próprio e uma versão adaptada do método é aplicada visando uma atividade em tempo real. Os resultados mostraram que o método é eficaz para a maior parte das pessoas e a atividade em tempo real forneceu resultados promissores. Foi possível analisar diversos aspectos do algoritmo e da variabilidade inter e intrapessoal dos sinais e foi visto que é possível, mesmo com um equipamento limitado, obter bons resultados mediante análises recorrentes para uma mesma pessoa.
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Aluno(a) : Rodrigo Bianchi Santos
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/04/2018
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Resumo: Otimização estrutural sujeita à carregamentos dinâmicos é um problema desafiador em vários aspectos, a começar pelo grande número de restrições que devem ser atendidas em todos os instantes de tempo. Além disso, o custo computacional para avaliar os gradientes destas restrições é bastante elevado e requer um grande espaço de armazenamento. Na literatura, alguns métodos reduzem o número de restrições avaliando em instantes de tempo selecionados, como o pior caso por exemplo, ou ainda constroem um funcional equivalente para eliminar a dependência do tempo. Nesta dissertação, o método do Carregamento Estático Equivalente (ESL) é utilizado, no qual o problema dinâmico original é transformado em uma sequência de subproblemas de otimização linear estática com múltiplos casos de carga. Um atrativo deste método é a possibilidade da solução de problemas não lineares, evitando o alto custo devido às repetidas análises estruturais e cálculos das restrições. Problemas clássicos de treliças planas submetidas a carregamentos dinâmicos são resolvidos. A função a ser minimizada é a massa da treliça, que está sob restrições de tensão e deslocamento, onde as variáveis de projeto são as áreas da seção transversal dos membros. Além disso, uma integração entre o programa ANSYS® e MATLAB® foi desenvolvida para uma abordagem modular, na qual a análise via elementos finitos e a otimização possam ser realizadas separadamente. Este processo viabiliza a otimização de estruturas que apresentam comportamentos não lineares a partir da utilização de diversos softwares comerciais disponíveis no mercado.
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Aluno(a) : João Carlos Virgolino Soares
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/26/2018
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Resumo: Mobile robots have a wide range of applications, including autonomous vehicles, industrial robots and unmanned aerial vehicles. Autonomous mobile navigation is a challenging subject due to the high uncertainty and nonlinearity inherent to unstructured environments, robot motion and sensor measurements. To perform autonomous navigation, a robot need a map of the environment and an estimation of its own pose with respect to the global coordinate system. However, usually the robot has no prior knowledge about the environment, and has to create a map using sensor information and localize itself at the same time, a problem called Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). The SLAM formulations use probabilistic algorithms to handle the uncertainties of the problem, and the graph-based approach is one of the state-of-the-art solutions for SLAM. For many years, the LRF (laser range finders) were the most popular sensor choice for SLAM. However, the RGB-D sensors are an interesting alternative, due to its low cost. This work presents an RGB-D SLAM implementation with a graph-based probabilistic approach. The proposed methodology uses the Robot Operating System (ROS) as middleware. The implementation is tested in a low cost robot and with real-world datasets from literature. Also, it is presented the implementation of a pose-graph optimization tool for MATLAB
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Aluno(a) : Fernando Salles da Silva Pires
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Luiz Carlos Lopes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/05/2018
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Resumo: O termo fretting é utilizado quando duas superfícies em contato são submetidas a um movimento oscilatório de pequena amplitude. Quando combinado com carregamento remoto de fadiga, esses deslocamentos tangenciais de pequena amplitude na interface entre os materiais em contato podem levar a uma redução significativa da resistência à fadiga e uma precoce nucleação e/ou crescimento de trincas de fadiga. Esta dissertação revisita e discute os modelos multiaxiais de dano por fadiga utilizados na previsão do risco de nucleação de trinca sob solicitações de fretting e de fadiga por fretting segundo a abordagem local e não-local do problema. A vantagem da abordagem local em relação à abordagem não-local é que ela não requer calibração do modelo multiaxial com base em dados experimentais, que do ponto de vista industrial é um grande atrativo. As previsões obtidas com os diferentes modelos (SWTD, SWT, Findley e Crossland) foram confrontadas com dados experimentais disponíveis na literatura para o contato cilindro/plano em aço AISI 52100 e aço AISI 1034 respectivamente. A versão deviatórica do parâmetro SWT (SWTD), introduzida na literatura por D. Kujawski e proposta no presente trabalho para o cálculo do risco de nucleação de trinca, foi a que melhor ajustou os dados experimentais. Segundo a abordagem local, este modelo produz previsões com erros conservativos inferiores a 15% para os testes de fretting. Os erros foram observados para os testes de fretting feitos a elevada pressão de contato (HP = 700 MPa). No entanto, para os testes de fretting feitos a baixa pressão de contato (LP = 450 MPa) as previsões apresentam 100% de acertos. Quando calibrado a uma dimensão característica (abordagem não-local), o modelo SWTD mostrou-se capaz de prever com 100% de precisão o risco de nucleação de trinca para os testes de fadiga por fretting investigados. Foi demonstrado que previsões demasiadamente não conservativas podem ser obtidas ao considerar-se uma dimensão característica teórica tal a qual proposta por Taylor, definida em termos do método do ponto (abordagem não-local). Por fim, concluiu-se que para o material investigado, a precisão nas previsões é mais influenciada pela dimensão característica escolhida que pelo modelo multiaxial ou método de integração estudado (abordagem não-local).
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Aluno(a) : Rafael Basilio Chaves
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/20/2017
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Resumo:
This work presents a concept for a collision avoidance system simulated using 3D-models of three different vehicles implemented in MATLAB extsuperscript{ extregistered}. Two of the vehicle data sets were built with generic information, used to characterise mid-size and full-size vehicles. These standard vehicles were used in initial simulations and for demonstration of some concepts. The third data set was build with information from the Apollo N, a super sportive car. These different data sets were used to evaluate the controller's capacity to work with a range of vehicles, with different sizes and driving characteristics.
The approach for triggering the system is based on the time-to-colision (TTC) estimation. This concept was adopted to recognize when the driver is not able to avoid an accident. After being triggered, the system must decide which maneuver is the most appropriate for the given friction and risk conditions.
The first goal of this work is to develop an autonomous braking system which evaluates the risk of a possible collision and decides if the driver is able to avoid it. Once the driver has not enough time to react, the system must trigger the brakes automatically in order to avoid the accident. The vehicle is equipped with an embedded Anti-lock Brake System (ABS) developed using Fuzzy control. The ABS controller's performance was evaluated in simulations using the data sets and tested in a scaled vehicle.
In more critical cases, when there is low friction, the vehicle is not able to brake in a reasonable distance. Considering this situation, an autonomous steering control was implemented in order to make an alternative avoidance maneuver. This second system was evaluated in simulations using vehicles with understeering and oversteering characteristics. The results pointed out that the autonomous steering control was able to perform avoidance maneuvers in a reasonable range of lateral accelerations, in vehicles with different driving tendencies.
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Aluno(a) : Gustavo Brattstroem Wagner
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2017
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Resumo: Análise modal consiste na caracterização de um sistema através dos seus parâmetros modais. Quando a principal excitação é causada pelo ambiente em que o sistema está inserido, essa caracterização é definida como análise modal operacional (OMA). Nestes casos, os forçamentos não são conhecidos (mensuráveis) e apenas as respostas são monitoradas. Por terem natureza aleatória, esses sinais precisam ser incorporados ao modelo numérico através de processos estocásticos. O principal objetivo desta dissertação consiste em descrever as técnicas de identificação em OMA. Para isso, duas vertentes foram criadas, uma teórica e outra experimental.Na parte teórica, as hipóteses necessárias para a identificação de um sistema por OMA são apresentadas. Uma análise dos erros causados por sinais ruidosos também é feita, permitindo que a sensibilidade dos métodos seja avaliada. Além de contemplar os principais métodos de identificação, dois novos métodos são propostos. Ambos foram desenvolvidos a partir da Decomposição Ortogonal Própria (POD) e combinam uma eficiência computacional com a possibilidade de quantificar as incertezas dos parâmetros.Na vertente experimental, o objetivo é ilustrar e validar a identificação de estruturas. Para isso, três diferentes bancadas foram criadas: um prédio de dois andares, uma pá eólica e uma ponte suspensa. Após a construção, essas estruturas foram devidamente instrumentadas por diferentes sensores. Um sistema de aquisição dados foi montado através de hardwares comerciais e analisados através de uma interfase gráfica desenvolvida especialmente para OMA pelo Laboratório de Vibrações.
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Aluno(a) : Damien Foiny
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2017
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Resumo: Fluid-structure interactions are very common in mechanical and civil engineering because many structures, as bridges, offshore risers, transmission lines or wind turbines are, directly in contact with a fluid, which can be air, which will be source of wind, or water, which will perturb the structure through waves. An important role of the engineer is to prevent structure failure due to instabilities created by the fluid-structure interactions. This work will first present all the basic concepts needed for the study of fluid-structure interaction problems. Thus, a dimensional analysis of those problems is performed and also all the equations governing such cases are presented. Then, thanks to the dimensional analysis made, a classification of problems, namely based on the reduced velocity, can be done and some conclusions concerning the consequences of the fluid-structure interactions can be drawn in terms of stability or, which is more interesting, instability. Indeed, using simplified models one can show static and dynamic flow-induced instabilities that may be critical for the structure. The final parts of the work will present a specific non-linear structure, a suspension bridge. First the formulation of a simplified one-dimensional model is explained and then, through a finite element discretization, a dynamical study is performed. Also, some conclusions are made concerning the dynamic of suspension bridges. The last part of this work presents a method that was an important source of publication for us, the Smooth Decomposition method.
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Aluno(a) : Fernando Vasconcelos da Senhora
Orientador(a): Ivan Menezes e Glaucio Hernogenes Paulino
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/23/2017
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Resumo:
As metodologias de projeto estrutural foram fortemente influenciadas pelo advento da computação. Os avanços nas áreas de análise numérica, como o método dos elementos finitos, e os programas de Projeto Assistido por Computador, literalmente ajudaram a moldar o mundo como ele é hoje. Implementações computacionais das técnicas de otimização estrutural, como a otimização topológica, permitem a determinação das estruturas base, gerando uma grande quantidade de projetos novos, mais eficientes, com o potencial de mudar drasticamente o futuro das aeronaves, automóveis, edifícios, etc. Introduzir restrições de tensão na otimização topológica tradicional permite a obtenção de soluções mais seguras e confiáveis que se assemelham mais à estrutura final. Contudo, isto não é uma tarefa trivial, apresentando várias dificuldades conceituais e numéricas. Nesta dissertação, as principais questões deste problema são discutidas e as técnicas presentes hoje na literatura são revisadas e criticadas quanto aos seus desempenhos. A principal contribuição deste trabalho é uma nova técnica baseada no Método do Lagrangiano Aumentado que lida eficientemente com um grande número de restrições. Em contraste com os métodos existentes, que são dependentes do problema e da malha, a abordagem proposta apresenta poucos parâmetros que precisam ser ajustados a cada novo caso. Para avaliar suas potencialidades, um código eficiente e robusto, em MATLAB, foi desenvolvido. Diversos exemplos representativos, incluindo problemas de larga escala, são apresentados. Finalmente, as soluções obtidas, incluindo algumas complicações inesperadas, são discutidas detalhadamente e sugestões para trabalhos futuros são propostas.
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Aluno(a) : Carlos Gerardo Paucar Malqui
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/28/2016
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Resumo:
Esta dissertação propõe um sistema de controle de uma mão robótica utilizando sinais eletromiográficos superficiais (sEMG). Os sinais sEMG são coletados de três diferentes grupos musculares do antebraço superior: músculo palmar longo, músculo extensor dos dedos, e músculo extensor radial longo do carpo. O objetivo dessa pesquisa é o desenvolvimento de um protótipo de uma prótese robótica para pessoas que apresentam amputação da mão, controlado por uma interface eletromiográfica baseada em inteligência computacional. Este trabalho abrange os seguintes tópicos: localização dos eletrodos para capturar os sinais sEMG, projeto de um sistema de eletromiografia como interface muscular, método de pré-processamento de sinais, uso de técnicas de inteligência computacional para a interpretação dos sinais sEMG, projeto da mão robótica, e método de controle utilizado para controlar as posições dos dedos e o controle da força da mão. Nesta dissertação é utilizada a transformada wavelet packet como método de extração de características nos sinais eletromiográficos, e uma rede neural multicamada como método de classificação de padrões. O modelo proposto obteve resultados satisfatórios, conseguindo captar 90,5% dos padrões para o reconhecimento de 6 posturas diferentes da mão, 94,3% para 5 posturas, e 96,25% para 4 posturas
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Aluno(a) : Gustavo Garcia Momm
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2016
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Resumo:
Estruturas submarinas utilizadas nos sistemas de produção de óleo e gás offshore são normalmente projetadas para permanecerem no leito marinho por décadas. Para a grande maioria dessas estruturas a instalação é uma etapa crítica que pode requerer recursos dispendiosos e significativos esforços de engenharia. A descida de estruturas submarinas em regiões de ondas marinhas é uma operação complexa, uma vez que envolve acelerações desses corpos induzidas pelos movimentos das embarcações que, associados com os deslocamentos da superfície do mar, podem levar a significativas cargas de impacto nessas estruturas durante a entrada na água. O estágio inicial do impacto durante a entrada na água tem sido tema de muita pesquisa no último século, desde os trabalhos pioneiros de von Kármán e Wagner sobre a hidrodinâmica do pouso de hidroaviões. O cenário do impacto da proa de navios na superfície do mar também tem sido objeto de estudo, uma vez que pode levar a danos localizados ou mesmo catastróficos ao casco. Diferentes métodos numéricos têm sido aplicados para análise desse problema. A principal contribuição desse trabalho é a utilização do método numérico Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para estimar as cargas de slamming em corpos rígidos durante a entrada na água considerando superfícies em repouso e sob o efeito de ondas. Inicialmente é introduzida a fundamentação teórica básica sobre o impacto hidrodinâmico, seguida da descrição do método SPH. Aplicações do SPH para simular a entrada na água de corpos rígidos são apresentadas considerando casos em queda livre e com velocidade constante e os resultados são comparados com experimentos e simulações numéricas obtidos na literatura. A presença de ondas regulares durante a entrada na água com velocidade constante também é considerada. Os resultados numéricos obtidos neste trabalho demonstram a viabilidade da abordagem proposta para estimar as cargas de slamming em estruturas submarinas durante a entrada na água.
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Aluno(a) : Andrés José Rodriguez Torres
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/15/2016
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Resumo: Este trabalho apresenta um estudo comparativo de métodos numéricos para solução das equações da elasticidade em problemas de otimização topológica. Um sistema computacional é desenvolvido em MATLAB para solução de problemas de otimização topológica usando malhas poligonais não estruturadas em domínios bidimensionais arbitrários. Dois métodos numéricos são implementados e comparados com o método convencional dos elementos finitos (FEM) em relação à precisão e à eficiência computacional: o recém proposto Método dos Elementos Virtuais (VEM) e o Método dos Elementos Finitos Suavizados (SFEM). A principal característica que distingue estes métodos do FEM é que as funções de base canônicas não são obtidas de forma explícita. A utilização de projetores locais apropriados permite a extração do componente linear das deformações dos elementos e, por conseguinte, o cálculo da matriz de rigidez se reduz a avaliações de quantidades puramente geométricas. Exemplos numéricos representativos para minimização de flexibilidade são apresentados para ilustrar as potencialidades da implementação proposta.
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Aluno(a) : Alexis López Figueroa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2016
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Resumo:
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Aluno(a) : Verônica Miquelin Machado
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/04/2016
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Resumo:
Stress Corrosion Cracking (SCC), which consist in the initiation and propagation of cracks due to the combined attack of mechanical stresses and a corrosive environment is a potential danger for structures and components. Moreover, SCC can be explained by different mechanisms depending on the metal environmental pair, what makes difficult to create a generalized analytical approach to predict the crack behavior in SCC. Therefore, projects often use an over-conservative design criteria that disqualify a material susceptible to SCC without properly evaluate the influence of the stress fields that drive them. The aim of this work is to evaluate the effect of elastic plastic stress in SCC. This mechanical approach assumes that all chemical effects involved in SCC problems can be appositely described and quantified by traditional material resistances to crack initiation and propagation at under specific environment. Aluminium bending specimens in Gallium environment are used to predict the effect of the residual stress induced by plastic deformation in the crack initiation under SCC conditions. Furthermore, a quantitative analysis based on the non-propagating crack behavior departing from notch tips are used to calculate the necessary stress to initiate and propagate SCC in AISI 4140 steel notched specimens under aqueous hydrogen sulphide environment. The non-propagating crack behavior and the maximum load supported by notched specimens are analysed under linear elastic and elastic plastic stress field through the proposed model that will be validated by experimental data.
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Aluno(a) : Renato Bichara Vieira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2016
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Resumo: The theoretical basis and the experimental work done in order to assess the suitability of thermography as a tool in the study of fatigue crack initiation and propagation were discussed. In doing so, the fatigue properties of a polycarbonate sheet (PALSUNTM), free from residual stresses, were determined using a range of different thermographic techniques. Active thermography was used to locate hot spot areas where fatigue is bound to happen. Thermoelastic stress analysis (TSA) was used to measure the stress fields and stress concentration factors that influence the initiation of cracks. The thermographic method was used to study the fatigue behavior of polycarbonate, determining the fatigue limit and the W
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Aluno(a) : Miguel Ángel Ampuero Suárez
Orientador(a): Ivan Menezes e Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/07/2016
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Resumo:
In this work, we present some applications of topology optimization for eigenvalue problems where the main goal is to maximize a specified eigenvalue, such as a natural frequency or a linearized buckling load, using polygonal finite elements in arbitrary two-dimensional domains. Topology optimization has commonly been used to minimize the compliance of structures subjected to volume constraints. The idea is to distribute a certain amount of material in a given design domain subjected to a set of loads and boundary conditions such that to maximize its stiffness. In this work, the objective is to obtain the optimal material distribution in order to maximize a given natural frequency (e.g. to keep it away from an external excitation frequency) or to maximize the lowest critical buckling load (e.g. to ensure a higher level of stability of the structures). We employ unstructured polygonal meshes constructed using Voronoi tessellations for the solution of the structural topology optimization problem. The design variables, i.e. material densities, used in the optimization scheme, are associated with each polygonal element in the mesh. We present several topology optimization examples for both eigenfrequency and buckling problems to demonstrate the functionality and applicability of the proposed methodology.
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Aluno(a) : Lucas Lisboa Vignoli
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/30/2016
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Resumo:
Entalhes e mudanças bruscas de geometria são praticamente inevitáveis em componentes estruturais, mas geram uma perturbação localizada no campo de tensões e deformações que influi significativamente na maioria das falhas que ocorrem na prática. O presente trabalho tem por objetivo estudar os efeitos de concentração de tensão induzidos por entalhes em materiais compósitos, que podem ser muito diferentes daqueles induzidos em materiais isotrópicos. O formalismo de Stroh é utilizado para obter a solução analítica da distribuição de tensão na borda de furos elípticos em placas infinitas anisotrópicas sob tensões nominais multiaxiais aplicadas no plano da placa, e a teoria clássica dos laminados é utilizada para obter as propriedades equivalentes de laminados simétricos de tal forma que eles possam ser considerados uma placa ortotrópica homogênea de rigidez equivalente. Os critérios de Tsai-Wu, Puck e LaRC05 são usados para prever a falha das placas anisotrópicas furadas devido ao seu bom desempenho no WWFE (World-Wide Failure Exercise). Esses critérios são aplicados a diversas condições de carregamentos para furos circulares e elípticos em diferentes tipos de laminados. O estado multiaxial de tensões na borda dos furos causados pelo efeito da espessura da placa é estudado analiticamente considerando a hipótese limite de deformação plana. A análise de placas finitas é realizada utilizando o software comercial de elementos finitos ANSYS© considerando-se tensão plana, para comparar essas soluções numéricas com soluções aproximadas propostas na literatura. Por último, um estudo com base na micromecânica utilizando o modelo de Halpin-Tsai para estimar as propriedades de uma lamina em função da fração volumétrica das fibras é apresentado para avaliar sua importância na concentração de tensão.
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Aluno(a) : Hugo Francisco Lisboa Santos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/28/2016
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Resumo: Poços de petróleo não conseguem operar de forma ininterrupta por décadas. Eventualmente, eles acabam precisando de manutenção. Para tal, são utilizadas sondas cujo custo diário varia de US$ 260 a US$ 520 mil, em ambiente offshore. A presente dissertação avalia a possibilidade de utilizar um robô autônomo para a realização de algumas dessas operações. É proposta uma configuração para o robô, são realizadas modelagens analíticas e numéricas e é construída uma versão simplificada. Os modelos são então validados com dados de campo e experimentalmente. Uma das partes mais desafiadoras desse trabalho é o desenvolvimento de um sistema confiável de localização. Normalmente, a localização no interior de poços é realizada com a utilização de cabos ou de tubos de aço. Como o robô proposto não está conectado a um cabo, é necessária uma alternativa. Uma possível solução é explorada, baseada na fusão de dois sensores: um encoder e um sensor magnético. Para essa fusão, diversas técnicas probabilísticas e não-probabilísticas são consideradas. É analisada a utilização do Filtro de Kalman, do Seguimento Multi-Hipótese, do Filtro por Histograma e do Filtro de Partículas. O Filtro Histograma apresentou o melhor desempenho nesta aplicação, com erro máximo inferior a 10 m em deslocamentos de mais de 1.000 m, ou 1%. Com isso, conclui-se que é possível utilizar um robô autônomo para a realização daquelas operações de manutenção nos poços e que esses robôs são capazes de determinar sua localização com precisão aceitável.
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Aluno(a) : Leonardo Pedrosa Salvini
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/08/2016
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Resumo: O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta dissertação, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como delaminação em materiais compósitos laminados. A metodologia empregada teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Tais padrões foram provocados por atuadores PTZ fixados à estrutura, através de uma varredura de frequência. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), além de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação na ordem de me, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação.
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Aluno(a) : Hebert Azevedo Sá
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/2015
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Resumo: O objetivo deste trabalho é investigar a utilização de um Sistema de Inferência Fuzzy para projetar um sistema de controle semiautônomo adequado a veículos militares, a partir do qual serão definidos valores para o Nível de Intervenção de um controlador automático. São apresentados conceitos básicos sobre a aplicação de Sistemas de Inferência Fuzzy para a concepção de um ponderador de sinais e sobre a teoria de Controladores Preditivos Baseados em Modelo, utilizados na implementação do sistema proposto. A partir da modelagem matemática do sistema dinâmico veicular foram obtidos resultados de simulações do veículo militar enquanto operado em situações perigosas e em que se faça necessária a intervenção do controlador, por exemplo, na presença de ameaças inimigas hostis ou em manobras altamente desestabilizadoras. O comportamento da variável de intervenção do controlador é apresentado através das suas curvas de evolução, e indica o seu aumento de acordo com o crescimento do nível de ameaça para a qual o veículo está exposto. Os resultados são analisados criticamente, e conclui-se que o uso do sistema proposto resultará em um aumento qualitativo na segurança do veículo, tornando-se um sistema militar mais eficiente, com maior capacidade operacional além de melhorar as habilidades de seu condutor.
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Aluno(a) : Giovanny Alberto Meneses Arboleda
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2015
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Resumo:
A robótica já é parte importante da vida cotidiana, em especial na grande ajuda que pode promover para melhorar a qualidade de vida, mostrando-se como uma ótima opção, por exemplo, para a reabilitação física no corpo humano. O presente trabalho apresenta um projeto e um estudo de controle de movimento de uma plataforma robótica - uma bengala - controlada por meio de sensores de força nela localizados, fazendo com que o registro dos movimentos do usuário seja feito de forma não-invasiva. O protótipo se desloca por meio de três rodas omnidirecionais, acionadas por motores elétricos de corrente continua. Estes últimos têm facilidade no controle e são de baixo custo. A bengala é fabricada em alumínio para facilitar o seu transporte devido à baixa densidade desse material, além de apresentar uma boa usinabilidade, facilitando a sua fabricação. O sistema eletrônico consiste de três etapas: (i) circuito de aquisição de ponte de Wheatstone para os extensômetros; (ii) amplificação e filtragem feitas com amplificadores de instrumentação e filtros passa baixa Butterworth; e (iii) processamento e controle, implementado em dois microcontroladores PIC. O controle da bengala é baseado em admitância em paralelo com um controle PI linear, o qual pretende promover ao usuário uma sensação de naturalidade ao caminhar, sem esforços adicionais significativos e com rápida resposta. Em particular, o sistema pretende detectar situações de queda iminente do usuário, cenário não incomum no uso por idosos.
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Aluno(a) : Renner Guilherme da Costa Marques
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/21/2015
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Resumo:
Grande parte dos sistemas de bombeamento existentes em refinarias é do tipo centrífuga com rotor em balanço. Alguns desses sistemas, que foram fabricadas antes da década de 80, ainda estão sendo usadas em refinarias no Brasil. Tipicamente estes equipamentos possuem rotores muito flexíveis. Isto ocorre devido ao alto valor da razão entre a distância entre mancais e o diâmetro do eixo e também por causa da substituição de gaxetas, que oferecem rigidez, por selos mecânicos. Como consequência, a resposta dinâmica destes equipamentos é sensível à pequenas variações da folga entre os anéis de desgaste. O desgaste devido a erosão e ao contato entre as superfícies aumentam a folga, causando aumento da vibração e redução de eficiência, pois aumenta a vazão através dos anéis. Visando contribuir para a solução destes inconvenientes na operação de bombas centrífugas, o presente trabalho investigou a viabilidade de substituir o anel de desgaste estático por flutuante através de análise rotodinâmica com o auxílio dos softwares ROMAC e XLTRC2. A anel flutuante proporcionaria a redução da erosão e aumento da eficiência de bombeio, proporcionado pela montagem com folga reduzida. Outra vantagem é a redução da resposta ao desbalanceamento causado pelo aumento da rigidez e amortecimento. A desvantagem de usar anel flutuante é que este deve ser projetado para cada condição operacional.
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Aluno(a) : Adriano Domeny dos Santos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/31/2015
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Resumo:
Este trabalho apresenta um estudo do comportamento dinâmico de uma bancada de testes representativa do sistema real de perfuração, composta por um motor CC acoplado a um sistema físico torcional, sujeita a fontes de atrito que induzem um regime de stick-slip no sistema em duas regiões distintas. O estudo incluiu a identificação de parâmetros da bancada de testes por meio de uma série de ensaios experimentais; e a caracterização do atrito, por meio do levantamento experimental da curva do coeficiente de atrito, em função da velocidade angular dos rotores principais. O intuito inicial foi a obtenção de um modelo numérico que fosse o mais simples possível e que representasse bem a bancada de testes. Uma vez obtido o modelo numérico, prosseguiu-se com uma série de simulações que permitissem uma caracterização indireta do regime de atrito ao qual estivessem submetidos os rotores principais, partindo-se apenas de medições de parâmetros no motor. Esse estudo é de grande relevância para a compreensão qualitativa da dinâmica do sistema real de perfuração, uma vez que ainda hoje não há técnicas totalmente confiáveis para caracterização do comportamento da coluna no fundo do poço a partir de dados da superfície somente.
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Aluno(a) : Vivian Suzano Medeiros
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/10/2015
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Resumo:
O presente projeto de pesquisa objetiva desenvolver um procedimento para determinação de trajetórias ótimas em pistas de corrida baseado em técnicas de otimização, considerando os limites geométricos da pista e as características dinâmicas do veículo. O veículo será representado por meio de um modelo simplificado de partícula orientada, mas que inclui as capacidades de tração, frenagem e aceleração normal típicas de um veículo terrestre de competição. Primeiramente, é determinada a trajetória de tempo mínimo para uma curva de 90° por meio da análise geométrica do problema e em seguida, é obtida a solução analítica geral para aplicação a qualquer ângulo. Em seguida, técnicas de otimização com restrição são empregadas de forma a obter a curva de menor tempo que concatena as trajetórias ótimas individuais de cada curva, previamente determinadas. São estudadas, ainda, as características dinâmicas de algumas curvas polinomiais para inferir aquela que melhor pode ser aplicada no processo de concatenação. A trajetória de menor tempo da pista de corrida obtida pelo procedimento de concatenação é apresentada e é feita uma análise das vantagens e desvantagens do método proposto. Como alternativa, é apresentada uma visão geral do problema de controle ótimo e é formulada a modelagem completa do problema de trajetória de mínimo tempo utilizando esta abordagem, incluindo as restrições dinâmicas do veículo e as restrições geométricas da pista. Algumas técnicas possíveis para solução do problema de controle ótimo são sugeridas.
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Aluno(a) : Vitor Eboli Lopes Paiva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2015
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Resumo:
A soldagem é o principal processo de união de componentes estruturais, sendo aplicado em larga escala na indústria. No entanto os ciclos térmicos existentes na soldagem geram nos componentes tensões e deformações residuais, que agem como solicitações pré-existentes, podendo ocasionar a falha prematura dos mesmos. As metodologias existentes para previsão das tensões residuais apenas quantificam conservadoramente esses esforços em um número limitado de geometrias. Nesse trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérica usando o método de elementos finitos para a simulação da soldagem de componentes, com foco nas tensões, deformações e distorções causadas durante o processo. Os modelos estudados trataram da união de elementos planos, como chapas e painéis, da fabricação de elementos tubulares, como de dutos e de sua montagem em campo, e da união por soldagem das partes de um vaso de pressão. Foi estudada a influência de diversos parâmetros no comportamento da estrutura como: número de passes, velocidade de soldagem, comportamento do material, e influência do tratamento mecânico de alívio de tensões por meio da simulação de testes hidrostáticos aplicados aos componentes tubulares e ao vaso de pressão. No caso das placas unidas pela soldagem e dos tubos fabricados por este processo, a validade dos resultados obtidos foi feita por meio de medições experimentais realizadas com as técnicas de furo cego, corte elíptico e difração de raios X. Verificou-se uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais, onde foi possível a obtenção de resultados experimentais para comparação. As simulações apontaram nos espécimes altos valores de tensões residuais, por vezes da ordem do limite de escoamento do material, sendo observada tração na região do cordão de solda e compressão em sua adjacência. Esse resultado é esperado uma vez que no cordão de solda são localizados os maiores gradientes de temperatura e as maiores restrições à expansão volumétrica. As simulações mostraram que a aplicação de um teste hidrostático tem como efeito benéfico para o componente a redistribuição das tensões residuais, com consequente diminuição das tensões residuais trativas nos cordões de solda. O grau do alívio das tensões é influenciado pelo valor da pressão de teste; sendo que, em geral, verificou-se que tanto maior a pressão de teste, tanto maior a redistribuição de tensões.
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Aluno(a) : Daniel Zacarias Freitas
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2015
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Resumo: Esta dissertação apresenta o estudo para o desenvolvimento de um powertrain elétrico com motorização independente na massa não suspensa do veículo, acoplado diretamente nas rodas “In Wheel” ou “Hub-Motor”. O desenvolvimento do sistema proposto visa à maximização da eficiência dos veículos elétricos pela minimização das perdas relacionadas a sistemas mecânicos, como na transmissão convencional utilizada em veículos com motorização única. Outro fator motivador para o desenvolvimento do powertrain com motorização independente é a aplicação de controles independentes para cada roda, possibilitando desenvolver e aplicar uma gama de controles no veículo, os quais com a motorização única não são possíveis ou possuem desempenho não satisfatório. O trabalho apresenta uma visão geral sobre os veículos elétricos, o estudo do comportamento dinâmico vertical com o aumento da massa não suspensa do veículo, desenvolvimento de um controle de velocidade para o powertrain proposto, desenvolvimento de um controle de frenagem ABS elétrico, simulação do sistema em ciclos de direção com o cálculo da eficiência energética do powertrain, e um experimento em um dinamômetro de bancada para validação da eficiência energética dos ciclos simulados.
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Aluno(a) : Julian Andres Ortiz Gonzales
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/14/2015
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Resumo: Na atualidade, existe uma discuss
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Aluno(a) : Felippe Moraes Silva Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/08/2015
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Resumo:
Componentes estruturais de usinas térmicas para geração de energia sofrem transientes térmicos durante a operação da planta devido a partidas e paradas, variações de potência requerida e ocorrências causadas por anomalias. Estes transientes térmicos geram distribuições de temperaturas não uniformes ao longo da espessura dos componentes e, consequentemente, geram tensões térmicas. As variações destas tensões ao longo do tempo podem causar fadiga nos pontos mais solicitados destes componentes. A análise de fadiga para um ponto crítico do componente fornece o dano acumulado por meio do fator acumulado de dano ou CUF. O cálculo do CUF é feito baseado no conhecimento das histórias de tensões e deformações que ocorrem nos pontos críticos, no uso de modelos de geração de dano ciclo a ciclo e no uso de algoritmos para contagem de ciclos. Esta dissertação apresenta e discute modelos de dano a fadiga e suas associações aos modelos de contagem de ciclos existentes que são possíveis de serem aplicadas a componentes de usinas térmicas. Uma seleção de combinações entre modelos de dano e métodos de contagem foram utilizadas em dois exemplos nomeados estudos de caso.
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Aluno(a) : Marcos Soares Moura Costa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/15/2014
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Resumo: Quadrirrotores são veículos aéreos que possuem quatro rotores fixos e orientados na direção vertical. Devido à sua simplicidade mecânica frente aos helicópteros tradicionais, os mesmos têm se tornado cada vez mais populares nos meios de pesquisa, militares e, mais recentemente, industriais. Essa topologia de veículo data do início do século XX mas o desenvolvimento em escala só foi possível após a recente evolução e miniaturização dos sistemas eletrônicos embarcados, dos motores elétricos e das baterias. A movimentação desses veículos no espaço é possível graças à sua inclinação em relação ao solo e, para tal, é imprescindível obter e controlar corretamente a atitude do mesmo. As unidades de medidas inerciais (IMU) surgiram como uma solução para esse problema. Através da fusão dos dados obtidos com os sensores presentes nessas centrais (acelerômetros, girômetros e magnetômetro) é possível estimar a atitude do veículo. O presente trabalho apresenta soluções tanto para a estimativa quanto para o controle de atitude de quadrirrotor. Os modelos matemáticos desenvolvidos são validados em simulações numéricas e em testes experimentais. O objetivo é que as soluções propostas apresentem resultados positivos para que possam ser empregadas nos quadrirrotores em escala.
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Aluno(a) : Arturo Eli Cubas Rodriguez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/09/2014
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Resumo: Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.
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Aluno(a) : John Steven Castellanos Prado
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/02/2014
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Resumo:
Neste trabalho foram estudados quatro geometrias de componentes tubulares, para trabalho sob pressão interna, que continham defeitos tipo perda de espessura metálica em regiões de sua superfície externa e que foram reparados por dois sistemas de materiais compósitos. As seguintes geometrias de espécimes tubulares foram estudadas: dutos com redução de diâmetro, dutos curvados a frio, dutos curvados a quente e uniões tubulares em T. Os dois sistemas de materiais compósitos consistiram de um sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de vidro (ERFV) e outro sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de carbono (ERFC). O método de Elementos Finitos foi usado para simular o comportamento dos espécimes quando submetidos a testes hidrostáticos. As simulações levaram em consideração o comportamento do material dos tubos API 5L Grau B nas suas regiões elástica e plástica, e investigaram o aumento da resistência à ruptura dos tubos com defeitos proporcionados pela presença dos reparos compósitos. Os resultados obtidos com os modelos de elementos finitos, usados para as determinações de distribuições de deformações e de pressões de ruptura, foram comparados com resultados experimentais disponíveis para cada componente tubular. Os resultados destas comparações foram satisfatórios. Posteriormente, foram desenvolvidas equações para determinar espessuras otimizadas para os reparos e os resultados obtidos com estas equações foram comparados com os resultados das simulações por elementos finitos e outros resultados obtidos com equações disponíveis em normas pertinentes. Em conclusão, o método de elementos finitos usado neste trabalho simulou satisfatoriamente o comportamento em testes hidrostáticos de componentes tubulares tipo Tê, com redução concêntrica, curvados a quente e curvados a frio, com defeitos de perda de espessura metálica e que foram reparados com materiais compósitos. Por sua vez, os resultados numéricos auxiliaram na validação de equações analíticas simples que poderão ser usadas na determinação de espessuras otimizadas de sistemas de reparos com materiais compósitos.
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Aluno(a) : Régis Santos Thedin
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2014
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Resumo: Topology optimization has had an impact in various fields and has the potential to revolutionize several areas of engineering. This method can be implemented based on the finite element method, and there are several approaches of choice. When using an element-based approach, every finite element is a potential void or actual material, whereas every element in the domain is assigned to a constant design variable, namely, density. In an Eulerian setting, the obtained topology consists of a subset of initial elements. This approach, however, is subject to numerical instabilities such as one-node connections and rapid oscillations of solid and void material (the so-called checkerboard pattern). Undesirable designs might be obtained when standard low-order elements are used and no further regularization and/or restrictions methods are employed. Unstructured polyhedral meshes naturally address these issues and offer fl exibility in discretizing non-Cartesians domains. In this work we investigate topology optimization on polyhedra meshes through a mesh staggering approach. First, polyhedra meshes are generated based on the concept of centroidal Voronoi diagrams and further optimized for finite element computations. We show that the condition number of the associated system of equations can be improved by minimizing an energy function related to the element s geometry. Given the mesh quality and problem size, different types of solvers provide different performances and thus both direct and iterative solvers are addressed. Second, polyhedrons are decomposed into tetrahedrons by a tailored embedding algorithm. The polyhedra discretization carries the design variable and a tetrahedra subdiscretization is nested within the polyhedra for finite element analysis. The modular framework decouples analysis and optimization routines and variables, which is promising for software enhancement and for achieving high fidelity solutions. Fields such as displacement and design variables are linked through a mapping. The proposed mapping-based framework provides a general approach to solve three-dimensional topology optimization problems using polyhedrons, which has the potential to be explored in applications beyond the scope of the present work. Finally, the capabilities of the framework are evaluated through several examples, which demonstrate the features and potential of the proposed approach.
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Aluno(a) : Julio Cesar Costa Leite
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/20/2014
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Resumo: O fator semi-emp
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Aluno(a) : Rogerio da Silva Campos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/31/2014
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Resumo: Este trabalho analisa pequenas modifica
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Aluno(a) : Mario Germán Sandoval
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/30/2013
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Resumo:
O problema de estimação pode ser entendido como um caso particular dos problemas inversos. Dadas observações da resposta de um sistema para certas causas, deseja-se estimar certas características do sistema. Essas características, em um sistema dinâmico, geralmente são representadas por parâmetros. Assim, para uma representação físico-matemática do sistema, dada uma excitação e observando a resposta, é possível obter uma estimação dos parâmetros. A estimação paramétrica é de grande importância e utilizada em diversas situações, desde experimentalistas, ao observar fenômenos no laboratório, até quem estuda o comportamento de setores sociais por amostras populacionais. A parte inicial desta dissertação apresenta uma breve introdução ao problema inverso do marco da estatística Bayesiana. Neste marco trata-se a estimação paramétrica como resultado da resolução de um problema inverso. Duas técnicas de estimação s ao deduzidas a partir da inferência estatística Bayesiana. A primeira delas, mínimos quadrados, coleta todos os dados e logo faz a estimação. A segunda, filtro de Kalman (e filtro de Kalman extendido), melhora o estado do conhecimento dos parâmetros a serem estimados a cada nova observação. Para a abordagem destas técnicas de estimação, de modo de poder compará-las, é apresentada a resolução analítica de um sistema harmônico de um e dois graus de liberdade. Por último, é apresentada uma modelagem de uma bancada experimental, em escala de laboratório, que emula uma coluna de perfura ção acoplada a um motor. Esta bancada foi desenvolvida para estudos de dinâmica torcional, na dissertação de mestrado de Bruno C. Cayres A., de modo que aqui só é de interesse a caracterização da mesma. As técnicas de estimação paramétrica são usadas de forma teórica, simulando os dados a partir de soluções analíticas para diferentes parâmetros da modelagem do motor e da coluna. Também usa-se medições feitas na bancada para estimar os parâmetros da modelagem, obtendo assim um conhecimento melhorado dos parâmetros envolvidos no sistema coluna-motor.
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Aluno(a) : Bruno Cesar Cayres Andrade
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/29/2013
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Resumo:
A successful oil and gas prospecting requires many efforts to overcome the encountered challenges, some of these challenges include drill string axial, lateral and torsional vibrations. These phenomena may cause premature component failures of the drilling system, dysfunction of measurement equipments, and increase time and costs of the prospecting process. Torsional vibrations are present in most drilling processes and may reach a severe state: stick-slip. An improved understanding about the stick-slip phenomenon provides tools to avoid the increase of prospecting time and costs, assuring the investment and success of the drilling process. Firstly, a numerical analysis of the drill string is performed with different friction models. These models are proposed in order to get familiar with the drill string dynamics. Also, it is described the experimental procedure with a nonlinear friction aiming to induce stick-slip and is performed a simple analytical modeling of the problem. The friction model is based on dry friction imposed by a break device. The nonlinear behavior of the experimental apparatus is analyzed and the numerical model is validated comparing experimental and numerical bifurcation diagrams.
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Aluno(a) : Abel Arrieta Castro
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2013
Local:
Resumo:
Atualmente nos veículos terrestres a melhora de seu desempenho é permanente. Esta melhora, em grande parte está relacionada com seus sistemas de controle. Para o desenho de sistema de controle, tais como, sistema eletrônico de estabilidade ou controle anti-capotagem é preciso prever o comportamento do veículo sob certas condições dinâmicas. Esta predição do comportamento dinâmico do veículo é feita por meio de modelos matemáticos que dependem diretamente de seus parâmetros, tais como a massa, a posição do centro da gravidade, os momentos de inércia entre outros. Tendo em consideração o contexto apresentado, os parâmetros dinâmicos do veículo tem um papel fundamental na melhora do desempenho do veículo, assim como a otimização de seus subsistemas. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um procedimento de estimação dos parâmetros dinâmicos do veículo e a calibração do modelo matemático desenvolvido. Para o processo de estimação se desenvolvem dois modelos do veículo, um feito em MATLAB com 4 graus de liberdade (GDL) e ou outro é trabalhado como uma caixa preta (black-box), que é obtida por meio da biblioteca de ligações dinâmicas (DLL) de um programa de simulação veicular. Métodos de otimização, tais como Evolução Diferencial, Generalized Pattern Serach, Mesh Adaptative Pattern Search e Nelder Mead, são utilizados para estimar os parâmetros dinâmicos do veículo, isto por meio da minimização de um objetivo definido como a diferença entre a resposta real do veículo (obtida do programa de simulação veicular) e a calculada por cada método de otimização. Os parâmetros dinâmicos estimados com o melhor método de otimização, são inseridos no modelo matemático feito em MATLAB para calibrar o modelo. Finalmente, o modelo já calibrado é simulado com diferentes manobras para comprovar a robustez do método e a coerência dos parâmetros estimados.
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Aluno(a) : Rodrigo Vieira Landim
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/24/2013
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Marilia Maurell Assad
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2013
Local:
Resumo: Sistemas pneumáticos são equipamentos leves, baratos, limpos e de baixo risco, sendo apropriados para aplicações que necessitem de força e rapidez de resposta. Por outro lado, esse tipo de sistema apresenta restrições devido à principal característica do ar: sua compressibilidade confere efeitos não lineares ao sistema, desde um escoamento turbulento pelas válvulas de controle até sua atuação dentro do cilindro – a qual inclui alta sensibilidade ao atrito e volumes inativos durante o curso do pistão. Essas características particulares dificultam seu controle e posicionamento preciso e limitam sua aplicação, principalmente considerando seu emprego em um mecanismo tipo Plataforma de Stewart em escala reduzida. No presente trabalho apresenta-se a modelagem, simulação computacional e análise experimental do comportamento dinâmico de um sistema de atuação pneumático que inclui uma válvula de controle de vazão não convencional, composta de quatro válvulas proporcionais, e um atuador com haste simples de dupla ação. O objetivo deste trabalho é, baseado nos resultados experimentais, determinar as características desses componentes para desenvolver estratégias de controle em tempo real capazes de minimizar os efeitos das não linearidades típicas, visando sua utilização no mecanismo anteriormente mencionado.
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Aluno(a) : Smith Washington Arauco Canchumuni
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2013
Local:
Resumo: Os Robôs Móveis são cada vez mais inteligentes, para que eles tenham a capacidade de semover livremente no interior deumambiente, evitando obstáculos e sem assistência de um ser humano, precisam possuir um conhecimento prévio do ambiente e de sua localização. Nessa situação, o robô precisa construir um mapa local de seu ambiente durante a execução de sua missão e, simultaneamente, determinar sua localização. Este problema é conhecido como Mapeamento e Localização Simultâneas (SLAM). As soluções típicas para o problema de SLAM utilizam principalmente dois tipos de sensores: (i) odômetros, que fornecem informações de movimento do robô móvel e (ii) sensores de distância, que proporcionam informação da percepção do ambiente. Neste trabalho, apresenta-se uma solução probabilistica para o problema SLAM usando o algoritmo DP-SLAM puramente baseado em medidas de um LRF (Laser Range Finder), com foco em ambientes internos estruturados. Considera-se que o robô móvel está equipado com um único sensor 2DLRF, sem nenhuma informação de odometria, a qual é substituída pela informação obtida da máxima sobreposição de duas leituras consecutivas do sensor LRF, mediante algoritmos de Correspondência de Varreduras (Scan Matching). O algoritmo de Correspondência de Varreduras usado realiza uma Transformada de Distribuições Normais (NDT) para aproximar uma função de sobreposição. Para melhorar o desempenho deste algoritmo e lidar com o LRF de baixo custo, uma reamostragem dos pontos das leituras fornecidas pelo LRF é utilizada, a qual preserva uma maior densidade de pontos da varredura nos locais onde haja características importantes do ambiente. A sobreposição entre duas leituras é otimizada fazendo o uso do algoritmo de Evolução Diferencial (ED). Durante o desenvolvimento deste trabalho, o robô móvel iRobot Create, equipado com o sensor LRF Hokuyo URG-04lx, foi utilizado para coletar dados reais de ambientes internos, e diversos mapas 2D gerados são apresentados como resultados.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Guilherme Rodrigues Sampaio de Paula
Orientador(a): Hans Weber e Djenane Pamplona
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/09/2013
Local:
Resumo:
O estudo do comportamento de membranas quando expostas a pressões e tensões de diverssos tipos, assim como de suas propriedades mecânicas nos últimos anos vem recebendo uma notável atenção em razão da variada aplicabilidade das membranas nas mais diversas áreas da engenharia, incluindo atuadores, robótica, sensores, aeroespacial, bioengenharia e estruturas infláveis para engenharia civil. Neste trabalho será apresentado um estudo numérico e experimental de uma membrana sujeita a uma endentação e perfuração transversalmente ao seu plano indeformado, considerando-se a presença do atrito na interface membrana-endentor, fato que torna esse estudo pioneiro nesta análise. Os estudos numéricos foram feitos no software Abaqus CAE. Os ensaios experimentais têm por objetivo comprovar os resultados numéricos e assim validá-los. Foram desenvolvidos aparatos experimentais dedicados aos ensaios pretendidos devido à ausência de equipamentos no mercado que pudessem reproduzir tais ensaios.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : João Luiz Almeida de Souza Ramos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/08/2013
Local:
Resumo:
A robótica aplicada à reabilitação e amplificação humana está em uma fase iminente de se tornar parte de nossa vida diária. A justaposição da capacidade de controle humana e o poder mecânico desenvolvido pelas máquinas oferecem uma promissora solução para auxílio físico e de amplificação humana. O presente trabalho apresenta um exoesqueleto ativo para membros superiores controlado por uma alternativa e simples Interface Homem-Máquina (HMI) que utiliza o Modelo Muscular de Hill para aumentar a força e resistência mecânica do usuário. Músculos Pneumáticos Artificiais (PAM) são utilizados como atuadores por sua alta razão entre potência e peso e atuam o sistema através de um esquema com cabos de aço. Algoritmos Genéticos (GA) aproximam localmente os parâmetros do modelo matemático do atuador e o modelo fisiológico do músculo, que utiliza sinais eletromiográficos superficiais (sEMG) para estimar o torque na articulação do exoesqueleto. A metodologia proposta oferece três vantagens principais: (i) reduz o número de eletrodos necessários para monitorar a atividade muscular, (ii) elimina a necessidade de transdutores de força ou pressão entre o exoesqueleto e o usuário ou o ambiente e (iii) reduz o custo de processamento em tempo-real, necessário para implementações de sistemas embarcados. O exoesqueleto é restrito ao membro superior direito e a estratégia de controle é avaliada verificando o desempenho do usuário ao manipular uma carga de 3.1kg estática e dinamicamente com e sem o auxílio do equipamento assistivo.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Cesar Augusto Lampe L. da Fonseca
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/01/2013
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Resumo: Este trabalho pretende demonstrar a possibilidade de usar pinos ativos em máquinas rotativas de forma a reduzir as amplitudes de órbitas em situações críticas através de uma investigação analítica com validação experimental. Os pinos funcionam como medida de segurança quando o rotor se torna instável ou começa a oscilar por qualquer razão. Para este propósito, foi realizado um estudo completo da influência da presença dos pinos dentro do mancal de retenção. Quatro pinos foram posicionados em duas bancadas de testes já existentes no laboratório. A atuação deles provém de motores de passo, que os inserem até um determinado comprimento na parte interna do mancal, isto é, a folga radial entre o rotor e a parede do mancal. Primeiramente, uma análise matemática dos fenômenos envolvidos foi desenvolvida, fornecendo as equações necessárias para as simulações numéricas do sistema. Em seguida, foram realizados testes experimentais nas bancadas e informações relevantes foram adquiridas e comparadas com os resultados das simulações. Eles demonstraram estar consistentes, o que ajudou a validar o conceito de inserção de pinos ativos no mancal de segurança, de modo a evitar possíveis condições perigosas, como atrito, roçamento total e efeitos abrasivos.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Rafael Cesar de Oliveira Góes
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/22/2013
Local:
Resumo:
Notches and cracks are usually treated as two-dimensional problems in most structural design and analysis tasks, employing 2D limit solutions obtained from plane elasticity theories to evaluate the severity of stress/strain concentration effects around their tips. However, due to restrictions to the Poisson strains induced by the stress gradients around such tips, these regions may be affected by important three-dimensional effects that can affect their stress/strain fields and possibly lead to non-conservative damage and life predictions if neglected. Fatigue crack initiation, plastic zone size and shape estimation, and plane stress/plane strain dominance issues on K-controlled fields are typical examples of problems sensible to such effects. Linear Elastic Finite Element techniques are used to simulate 3D effects along notch fronts, such as how the thicknessto-notch root radius Beta/Rho affects the stress and strain fields that surround them. The inuence of such 3D effects is evaluated from the structural design point of view. Then versatile submodeling techniques are used to study similar 3D effects along the fronts of short and long cracks. Finally, a stepwise remeshing routine is used to show how an initially straight crack must slightly curve its front during its propagation by fatigue.
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Aluno(a) : Helton Rodrigo de Souza Sereno
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/2012
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Resumo: Estudos na área de veículos autônomos tem se apresentado de grande interesse na comunidade científica pela grande diversidade de aplicação. A utilização de veículos em escala tem sido uma alternativa de baixo custo e boa confiabilidade de resultados na análise do comportamento de veículos reais. O desenvolvimento de sistemas de controle aplicados em veículo utilizam diversos tipos de sensores. A motivação para o desenvolvimento deste trabalho é o início dos estudos visando o controle autônomo de um veículo em escala a partir de sensores de baixo custo com baixa capacidade de processamento, sem a necessidade de comunicação com computadores externos. Foram realizados testes de validação de uma Unidade de Medida Inercial (IMU) e análises utilizando um veículo elétrico em escala e medições das suas acelerações lineares e velocidades angulares em determinadas condições de movimento. Os resultados obtidos apontam a utilização das Unidades de Medida Inercial comerciais de baixo custo como componentes para controle embarcado de veículos em escala, desde que seja realizado um pós-processamento adequado dos sinais medidos através de seus acelerômetros e girômetros
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Aluno(a) : Allan Nogueira de Albuquerque
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2012
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Resumo: Simuladores de movimentos sío sistemas mecatrônicos que reproduzem as principais atitudes e movimentos de um veículo. Neste estudo serío analisados simuladores baseados em mecanismos com 3 e 6 graus de liberdade. No segundo caso, o mecanismo é capaz de reproduzir todos os ângulos de atitude (rolagem, arfagem e guinada) e todos os deslocamentos lineares (lateral, vertical e longitudinal) com limitações, porém com amplitude suficiente de modo a possibilitar os principais movimentos associados ao veículo. O uso de transdutores de deslocamento linear nestes mecanismos articulados introduz elevados efeitos de inércia, além de aumentar a massa dos mesmos, diminuindo sua relação carga/peso e sua eficiência. Atualmente, o grande desenvolvimento de sensores do tipo unidade de medição inercial (IMU) aumentou a disponibilidade destes no mercado e reduziu muito seu custo. Como se trata de acelerômetros triaxiais em conjunto com girômetros também triaxiais, sensores como este podem ser usados para determinar a posição e a orientação no espaço de mecanismos com seis graus de liberdade, como a Plataforma Stewart. Neste trabalho será desenvolvida uma metodologia para modelagem da cinemática de mecanismos paralelos baseada nos derivativos de suas matrizes Jacobianas. Esta metodologia é avaliada em um mecanismo paralelo plano de três graus de liberdade e em uma Plataforma Stewart. Com a metodologia de modelagem validada, é implementada uma estratégia de controle baseada no uso de um sensor tipo central inercial para o controle de posição, velocidade e aceleração destes mecanismos. Os resultados das simulações indicam a possibilidade do uso destes sensores nestes tipos de equipamentos e apontam para a necessidade de avaliar esta metodologia em testes experimentais.
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Aluno(a) : Gustavo Vianna Cezar
Orientador(a): Sergio Braga e Julio Cesar Cuisano Egúsquiza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/24/2012
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Resumo: Com o aumento das restrições às emissões e uma busca contínua pela melhora no desempenho dos motores a combustío interna, a necessidade de realizar testes em bancos de prova se torna cada vez maior. Porém, devido ao alto investimento inicial e custo de manutenção desses sistemas, a execução de ensaios confiáveis torna-se restrita a determinadas empresas e instituições acadêmicas. Neste cenário, o presente trabalho visa à integração de equipamentos e instrumentos, em sua grande maioria nacionais, através do desenvolvimento de um sistema de controle. O projeto pretende contribuir com a redução de custos dos bancos de prova e, ao mesmo tempo, possibilitar a realização de testes confiáveis. Serío descritas as etapas do projeto de uma bancada para ensaios de motores de até 175 cv, 587 Nm e 4.620 rpm. Testes foram conduzidos a fim de verificar o comportamento do banco em diferentes situações de operação. Os resultados obtidos mostram que o sistema é capaz de realizar os mais diversos ensaios que um banco de provas está sujeito com precisío e robustez.
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Aluno(a) : Daniel de Albuquerque Simíµes
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2012
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Resumo: A maioria dos componentes estruturais possui entalhes ou detalhes geométricos de transição, tais como furos e ombros, que sío necessários para montar e/ou para operá-los. Estes entalhes aumentam localmente as tensões nominais que atuariam em sua localização, caso eles nío existissem. Efeitos da concentração de tensío sío importantes em muitos mecanismos de falha, como por exemplo, na iniciação de trincas por fadiga. No entanto, os tradicionais raios circulares, usados na maioria dos elementos estruturais para aliviar os efeitos da concentração de tensío, nío sío os mais adequados para minimizá-los. Elementos estruturais naturais, tais como galhos de árvores, depois de milhões de anos de evolução aprenderam a usar raio de curvatura variável em vez do raio constante. Mas apesar deste problema ter sido reconhecido há muito tempo, raios variáveis ainda nío sío muito usados em projeto mecânico. A prática usual é especificar entalhes com os maiores raios possíveis, uma vez que eles podem ser facilmente fabricados em máquinas-ferramentas tradicionais. Entretanto, entalhes de raios variáveis corretamente especificados podem ter fatores de concentração de tensío muito mais baixos do que aqueles obtidos por raios constantes. Logo, eles podem ser uma boa opção para aumentar a vida à fadiga, sem afetar significativamente as dimensões globais e o peso dos componentes estruturais. Além disso, hoje em dia eles podem ser facilmente fabricados com precisío, devido à disponibilidade de máquinasferramentas CNC. Esta dissertação tem como objetivo quantificar a melhoria da concentração de tensío que pode ser obtidas através de receitas tradicionais de raios variáveis, e apresenta uma rotina numérica desenvolvida em ANSYS APDL para otimizar geometria de entalhes, tais como ombro de placas submetidas a tensío ou flexío, placa com furo submetido a um campo biaxial de tensões e corpos de prova de fadiga da ASTM.
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Aluno(a) : Marvin Aldo Chancán León
Orientador(a): Sergio Braga e Julio Cesar Cuisano Egúsquiza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2012
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Resumo: Os laboratórios projetados para testes de motores de combustío interna trabalham sob normas que especificam métodos de ensaios aplicados à avaliação do desempenho do motor. Um motor veicular testado em um dinamômetro de bancada possui equipamentos auxiliares necessários para garantir condições de ensaio específicas, tal como a temperatura do ar de admissío, que deve ser mantida dentro dos valores indicados nas condições-padrío de referência da aplicação pretendida. Diante deste cenário, é evidente a importância de um estudo dos sistemas de condicionamento presentes nas salas de testes de motores. Esta dissertação apresenta o projeto, dimensionamento e simulação de um sistema de condicionamento que controla a temperatura e umidade do ar de admissío para realização de testes de motores de combustío dispostos em dinamômetros de bancada, independente das condições ambientais. A modelagem dinâmica do condicionador de ar e seus componentes (trocador de calor de água gelada, aquecedor elétrico e umidificador) foi implementada no EES. O sistema de controle PID com dois esquemas de ajuste de ganhos (utilizando a fórmula de Ziegler-Nichols, e auto-sintonizado on-line por um sistema supervisório fuzzy) foi desenhado no MATLAB. Para avaliar o desempenho do condicionador e do seu sistema de controle foi estabelecida uma comunicação através do intercâmbio dinâmico de dados entre o MATLAB e o EES. Um estudo de simulação comparativa entre ambos esquemas de ajuste dos controladores, mostra que a estratégia de controle fuzzy supervisório PID proposta permite obter um melhor desempenho dinâmico do sistema condicionador, em termos de estabilidade diante variações tanto na vazío quanto nas condições do ar de admissío, segundo os resultados obtidos na simulação com dados experimentais de um motor diesel testado sob o ciclo de ensaios dos 13 modos em estado estacionário (ESC test) para certificação de emissões.
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Aluno(a) : Nilton Alejandro Cuellar Loyola
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/2012
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Resumo: O sucesso de diversas tarefas de teleoperação depende em grande parte da habilidade do operador e de sua capacidade de perceber o ambiente de trabalho. A realimentação visual em muitos casos nío é suficiente para promover esta percepção, por exemplo quando a qualidade da imagem do ambiente de trabalho é baixa, quando ocorrem oclusões na visualização, ou quando a tarefa envolve forças de contato associadas a folgas muito pequenas, visualmente imperceptíveis. Para compensar essas deficiências, os dispositivos hápticos surgem como uma alternativa à realimentação visual, uma vez que interagem com o usuário através do tato, produzindo uma sensação de força (force-feedback). O intuito da pesquisa nesta área é estudar a utilização de tecnologias hápticas para proporcionar ao operador uma força de retorno ao interagir remotamente com objetos, compensando eventuais deficiências em sistemas de visío por câmeras. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e modelagem de um sistema de interface háptica de cinco graus de liberdade para a tele-operação de robôs manipuladores, com foco naqueles que realizam trabalhos em ambientes perigosos ou hostis ao ser humano. A interface é desenvolvida a partir do acoplamento de dois dispositivos hápticos comerciais “Novint Falcon”, de três graus de liberdade cada. O sistema háptico resultante do acoplamento pode ser modelado como um manipulador paralelo, capaz de fornecer ao operador, realimentação de força 3D (em três direções) e realimentação de torque em duas direções. Para demonstrar a eficiência do sistema háptico experimental desenvolvido, um ambiente virtual é implementado com o auxílio de técnicas de computação gráficae bibliotecas como OpenGL, ODE e Chai3D. Um dos benefícios de utilizar estas bibliotecas é proporcionar um maior grau de realismo na hora da realização de treinamentos para tele-operação de robôs reais. Os modelos cinemático e dinâmico de um manipulador serial Schilling Titan IV, de seis graus de liberdade, sío implementados no ambiente virtual, incluindo sua interação com objetos (virtuais) do ambiente de tele-operação. Controladores nío-lineares sío implementados no manipulador serial virtual, incluindo controle de torque computado, robusto, e por modos deslizantes. O sistema háptico experimental é entío utilizado para o controle do manipulador serial virtual em seu ambiente, para a execução de tarefas representativas de teleoperação envolvendo manipulação de objetos com forças de contato e inserção. Os experimentos demonstram uma diminuição significativa no tempo de execução das tarefas com o uso da interface háptica, em relação ao uso de um dispositivo de entrada sem realimentação de força.
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Aluno(a) : William Schroeder Cardozo
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2012
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Resumo: Motores de passo sío os motores mais utilizados em aplicações de controle de posicionamento em malha aberta. Entretanto, as limitações desta forma de atuação têm fomentado o desenvolvimento de novas técnicas que incorporem o controle em malha fechada. Motores de passo possuem boa relação entre torque e custo, tornando-os atraentes para aplicações em manipuladores robóticos. Mas as técnicas tradicionais de controle de manipuladores elétricos, que normalmente assumem o uso de motores de corrente contínua, apresentam baixo desempenho quando aplicadas a motores de passo, mesmo com o uso de sensores de posição. A forma mais comum de controle em malha fechada de motores de passo exige um encoder diretamente acoplado ao eixo do motor, formando um “sistema colocado”. No entanto, o projeto de muitos motores de passo nío permite este acoplamento. Nesses casos, é necessário instalar os encoders na estrutura do manipulador, separados dos atuadores, caracterizando um “sistema nío-colocado”, que tipicamente apresenta problemas de estabilidade. Este trabalho propõe uma técnica de controle que recebe a realimentação de um encoder, nío diretamente acoplado ao motor, e gera uma sequência de pulsos para o driver do motor de passo. Esse trem de pulsos é calculado de modo a nío exigir acelerações excessivas, e assim prevenir a perda de passo do motor. O modelo de um sistema robótico usando este controlador é desenvolvido e simulado em Simulink/MATLAB. Um manipulador robótico de seis graus de liberdade acionado por motores de passo é especialmente projetado e construído para validar a técnica de controle apresentada, controlado por um microcontrolador PIC18F2431. O manipulador desenvolvido é modelado, e sua dinâmica analisada através de simulações.
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Aluno(a) : Pedro Bittencourt e Silva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2012
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Resumo: Robótica coletiva de enxame é uma abordagem para o controle de sistemas robóticos multi-agentes baseada em insetos sociais e outros sistemas naturais que apresentam características de auto-organização e emergência, com aplicações disruptivas em robótica e inúmeras possibilidades de expansío em outras áreas. Porém, sendo um campo relativamente novo existem poucas plataformas experimentais para seu estudo, e as existentes sío, em sua maioria, especialmente desenvolvidas para tarefas e algoritmos específicos. Uma plataforma de estudos genérica para o estudo de sistemas robóticos coletivos é, por si só, uma tarefa tecnológica nío trivial além de ser um recurso valioso para um centro de pesquisas interessado em realizar experimentos no assunto. Neste trabalho dois importantes algoritmos de controle colaborativo multi-robôs foram estudados: busca do melhor caminho e transporte coletivo. Uma análise completa dos mecanismos biológicos, dos modelos lógicos e do desenvolvimento dos algoritmos é apresentada. Para realizar os experimentos uma plataforma genérica foi desenvolvida baseada nos robôs móveis “iRobotCreate”. Sensores virtuais sío implementados através de um sistema de visío computacional combinado com um simulador em tempo real. O sistema de sensores virtuais permite a incorporação de sensores ideais no sistema experimental, incluindo modelos mais complexos de sensores reais, e a possibilidade da adição de ruído simulador nas leituras. Esta abordagem permite também a utilização de sensores para detecção de objetos virtuais, criados pelo simulador, como paredes virtuais e feromônios virtuais. Cada robô possui um sistema eletrônico embarcado especialmente desenvolvido baseado em micro controlador ARM. A eletrônica adicionada é responsável por receber as leituras dos sensores virtuais através de um link de radio em um protocolo customizado e calcular, localmente, o comportamento do robô. Os algoritmos sío implementados na linguagem de alto nível Lua. Mesmo com as leituras dos sensores virtuais sendo transmitidas de um sistema centralizado é importante ressaltar que todo o algoritmo de inteligência é executado localmente por cada agente. As versões modificadas e adaptadas dos algoritmos estudados na plataforma com sensores virtuais foram analisadas, juntamente com suas limitações, e se mostraram compatíveis com os resultados esperados e acessíveis na literatura que utiliza sistemas experimentais mais específicos e mais dispendiosos. Portanto, a plataforma desenvolvida se mostra capaz como ferramenta para experimentos em controle de sistemas robóticos multi-agentes com baixo custo de implementação, além da inclusío, através do mecanismo de sensores virtuais, de sensores ainda em desenvolvimento ou comercialmente indisponíveis.
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Aluno(a) : Darwin Gramer Falcón Soria
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/2011
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Resumo: O foco do presente trabalho é a deteção e o monitoramento de defeitos tais como perda de espessura por corrosío ou dano produzido por impacto em painéis metálicos planos. O sistema proposto emprega sensores de deformação a fibra óptica baseados em redes de Bragg, que possuem alta capacidade de multiplexação. Mapas das deformações produzidas na superfície da placa por um mesmo carregamento, cuja amplitude pode variar, sío continuamente comparados a um mapa de referência, obtido com a estrutura íntegra ou com um defeito já conhecido. Variações nos gradientes de deformações sío associadas ao surgimento ou crescimento de um defeito. Neste estudo, a metodologia foi avaliada através dos campos de deformação produzidos por carregamentos de tração em espécimes planos de alumínio contendo defeitos superficiais. Esses defeitos exemplificam danos causados por corrosío, e sío monitorados com arranjo de Redes de Bragg posicionadas ao longo da placa, no sentido das direções principais dos esforção. A abordagem do problema fundamenta-se na análise de dados experimentais e modelagem numérica por elementos finitos. Os resultados numéricos para as deformações sío comparados com dados experimentais. Esta técnica é utilizada para avaliar qualitativamente os defeitos em estruturas submetidas a carregamento estático. No final, conclui-se que esta metodologia pode ser aplicada alternativamente para monitorarção da perda de espessura por corrosío em dutos.
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Aluno(a) : Marcelo da Cruz Pereira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2011
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Resumo: Esse trabalho apresenta o estudo, manipulação e controle de um sistema de 2 graus de liberdade conhecido como pendulo planar usando rodas de reação para alcançar uma certa posição, sendo o conceito básico desse sistema fundamentado na dinâmica de um pendulo invertido. Utilizou-se o controle clássico PID e também controle Fuzzy, sendo gerado um modelo matemático simulado valendo-se de MatLab para análise desses controles, através da ferramenta Simulink que permite um auto-ajuste para o sistema. O PID foi construído de acordo com esse auto-ajuste e também usando o método de Ziegler Nichols discutindo-se as diferenças entre os dois procedimentos. O controle Fuzzy foi elaborado montando-se o banco de regras adaptando a estratégia de controle para que se torne mais propícia para o sistema. Atrito nas juntas, e no motor foram contabilizados no modelo matemático. Por fim foi montado um modelo real usando uma placa de aquisição de dados em conjunto com o LabView para controle e uma placa microcontrolada chamada Arduino e um encoder para aquisição de ângulos. Erros de medição e desbalanceamento do sistema sío problemas que nío puderam ser totalmente eliminados, mas tentou-se reduzir ao máximo seus efeitos. Resultados numéricos e experimentais sío apresentados comparando cada controle e cada montagem e analisando as diferenças.
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Aluno(a) : Roberta de Queiroz Lima
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2011
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Resumo: A parte inicial da dissertação apresenta uma discussío sobre o método de Monte Carlo e sobre geradores de amostras de variáveis aleatórias. Sío analisados geradores baseados em: congruência linear, Método da Transformada Inversa e, algoritmo de Metrópolis - Hastings (método de Monte Carlo com Cadeia de Markov MCMC). Posteriormente, sío apresentadas técnicas para a análise de vibrações estocásticas em sistemas mecânicos unidimensionais, multidimensionais e contínuos (barras e vigas). As propriedades dos sistemas sío consideradas determinísticas, e as forças sío caracterizadas por processos estocásticos. Ao longo das seções do trabalho, é mostrado como características da resposta do sistema em deslocamento (média, autocorrelação e densidade espectral) podem ser obtidas a partir das informações sobre o forçamento. A Transformada de Fourier, a função densidade espectral e a função de transferência sío importantes ferramentas utilizadas no estudo. No caso de sistemas multidimensionais, a análise é feita por dois métodos: Resposta ao Impulso e Modos Normais. Para os sistemas contínuos, é feita através do Método de Monte Carlo. Em cada realização do forçamento, uma aproximação para solução do problema é obtida pelo Método dos Elementos Finitos. Sío apresentados a formulação fraca da equação de movimento da viga e o modelo reduzido. Ao longo de todo o trabalho sío mostrados exemplos e resultados obtidos através de rotinas desenvolvidas em MATLAB.
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Aluno(a) : Luis Salomon Murillo Colquicocha
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2011
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Resumo: Neste trabalho avaliase-se uma metodología de cálculo para a previsío da pressío de falha de um duto que contêm colônias de corrosío, chamada " Método das Linhas Ortogonais de Ruptura (MLOR)". As colônias de corrosío sío representadas por defeitos retangulares, localizados na superfície externa do duto. O objetivo do MLOR é ser mais exato que os métodos semi-empíricos da ASME e DNV utilizados até o momento. O MLOR também tem como objetivo evitar resultados nío conservativos que podem ser obtidos com o método Mixed Type of Interacting (MTI). O MLOR apresenta outra forma de avaliar a perda de espessura efetiva de um grupo de defeitos. Ele propõe que se tracem linhas representativas do caminho pelo qual a ruptura do duto tem maior possibilidade de ocorrer, usando linhas paralelas às direções longitudinal e circunferencial do duto. Estas linhas sío chamadas de linhas ortogonais de ruptura (LOR). Também considera-se o emprego de um fator de resistência circunferencial f no cálculo de uma espessura efetiva para a colônia. Este fator multiplica somente os comprimentos das LOR que estiverem na direção circunferencial do duto. O material íntegro existente entre dois defeitos é considerado na resistência à ruptura por meio da seleção de um caminho crítico que une os defeitos retangulares e que usa as direções longitudinal e circunferencial. Para a avaliação do MLOR usou-se pressões de falha para tubos com colônias de defeitos determinados experimentalmente e já publicados, além de simulações numéricas feitas pelo método dos elementos finitos (MEF), utilizando-se para isto o software comercial ANSYS. Por fim, neste trabalho concluiu-se que o MLOR apresentou bons resultados (máximos erro médio igual a 3.27% e desvio padrío do erro igual a 1.90%) quando comparados com os resultados experimentais e numéricos, já publicados, de nove corpos de provas em tamanho real.
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Aluno(a) : Luis Ernesto Ynoquio Herrera
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/07/2011
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Resumo: SLAM (Mapeamento e Localização Simultânea) é uma das áreas mais pesquisadas na Robótica móvel. Trata-se do problema, num robô móvel, de construir um mapa sem conhecimento prévio do ambiente e ao mesmo tempo manter a sua localização nele. Embora a tecnologia ofereça sensores cada vez mais precisos, pequenos erros na medição sío acumulados comprometendo a precisío na localização, sendo estes evidentes quando o robô retorna a uma posição inicial depois de percorrer um longo caminho. Assim, a única solução conhecida para melhoria de desempenho de SLAM é representando sua formulação usando teoria das probabilidades. O SLAM com Filtro Extendido de Kalman (EKF-SLAM) é uma solução básica, e apesar de suas limitações é a técnica mais popular. O Fast SLAM, por outro lado, resolve algumas limitações do EKF-SLAM usando uma instância do filtro de partículas conhecida como Rao-Blackwellized. Outra solução bem sucedida é o DP-SLAM, o qual usa uma representação do mapa em forma de grade de ocupação, com um algoritmo hierárquico que constrói mapas 2D bastante precisos. Todos estes algoritmos usam informação de dois tipos de sensores: odômetros e sensores de distância. O Laser Range Finder (LRF) é um medidor laser de distância por varredura, e pela sua precisío é bastante usado na correção do erro em odômetros. Este trabalho apresenta uma detalhada implementação destas três soluções para o SLAM, focalizado em ambientes fechados e estruturados. Apresenta-se a construção de mapas 2D e 3D em terrenos planos tais como em aplicações típicas de ambientes fechados. A representação dos mapas 2D é feita na forma de grade de ocupação. Por outro lado, a representação dos mapas 3D é feita na forma de nuvem de pontos ao invés de grade, para reduzir o custo computacional. É considerado um robô móvel equipado com apenas um LRF, sem nenhuma informação de odometria. O alinhamento entre varreduras laser é otimizado fazendo o uso de Algoritmos Genéticos. Assim, podem-se construir mapas e ao mesmo tempo localizar o robô sem necessidade de odômetros ou outros sensores. Um simulador em Matlab® é implementado para a geração de varreduras virtuais de um LRF em um ambiente 3D (virtual). A metodologia proposta é validada com os dados simulados, assim como com dados experimentais obtidos da literatura, demonstrando a possibilidade de construção de mapas 3D com apenas um sensor LRF.
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Aluno(a) : Josue Valentin Uscata Barrientos
Orientador(a): Rubens Sampaio e Edson Luiz Cataldo Ferreira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/30/2010
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Resumo: O objetivo desta dissertação é classificar sinais de vozes, usando redes neurais, obtidos por meio de um modelo mecânico-estocástico para produção da voz humana, construído a partir de uma abordagem probabilística nío-paramétrica para considerar incertezas do modelo. Primeiro, uma rede neural artificial foi construída para classificar sinais de vozes reais, normais e provenientes de sujeitos com patologias nas cordas vocais. Como entradas da rede neural foram usadas medidas acústicas extraídas dos sinais glotais, obtidos por filtragem inversa dos sinais de vozes reais. Essa rede neural foi usada, posteriormente, para classificar sinais de vozes sintetizadas geradas por um modelo estocástico da produção da voz humana, no caso particular da geração de vogais. O modelo estocástico da produção da voz humana foi construído tomando por base o modelo determinístico criado por Ishizaka e Flanagan. Incertezas do modelo foram consideradas através de uma abordagem probabilística nío-paramétrica de modo que matrizes aleatórias foram associadas às matrizes de massa, rigidez e amortecimento do modelo. Funções densidade de probabilidade foram construídas para essas matrizes, usando o Princípio da Máxima Entropia. O método de Monte Carlo foi usado para gerar realizações de sinais de vozes. Os sinais obtidos foram entío classificados usando a rede neural construída previamente. Das realizações obtidas, alguns sinais de vozes foram classificados como normais, porém outros foram classificados como provenientes de sujeitos com patologias nas cordas vocais. Os sinais com características de patologia foram classificados em três grupos: nódulo, paralisia unilateral e outras patologias.
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Aluno(a) : Euler Botelho Antunes
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/26/2010
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Resumo: Este texto pode ser dividido em duas partes: a primeira trata da modelagem de sistemas dinâmicos, passando da chamada formulação forte ao importante conceito de formulação variacional, sem antes deixar de apresentar ferramentas básicas do cálculo variacional e o Princípio de Hamilton. Os conceitos sío exemplificados por duas estruturas que acompanham todo o texto: um cabo unidimensional e uma placa. Ainda na primeira parte, é apresentado o problema de autovalor de sistemas contínuos e sío mostradas as importantes propriedades dos operadores autoadjuntos. Ao longo desta etapa e no apêndice, soluções analíticas para o problema de autovalor sío desenvolvidas. Por serem as soluções analíticas dos problemas por demais engenhosas ou até mesmo impossíveis, outro caminho é proposto: a aproximação de soluções, sendo este o tema da segunda parte deste texto. Ela é iniciada pela apresentação de métodos de discretização de sistemas contínuos, sem deixar de exemplificá-los. Os métodos sío usados como ferramentas de aproximação dos modos de vibração. Sío abordados os Métodos de Ritz, de Galerkin e o da Colocação. As funções usadas no primeiro e no segundo sío dadas pelo Método dos Elementos Finitos e as aproximações dos modos por este método sío usadas na redução de sistemas, para entío se obter a resposta dinâmica dado um carregamento. Toda a teoria é reforçada ao final com dois problemas práticos: um cabo durante uma operação de abastecimento de uma plataforma de petróleo e de uma placa durante uma operação de jateamento. Por último, mas nío menos importante, um capítulo é dedicado ao Método da Colocação, onde polinômios de ordem superior, os polinômios de Chebyshev, sío usados para a aproximação com o uso de diferentes grades de interpolação, a grade de Chebyshev-Gauss e a grade de Gauss-Lobatto
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Aluno(a) : César Raúl Mamani Choquehuanca
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2010
Local:
Resumo: Nesta dissertação, um transportador pessoal robótico auto-equilibrante (TPRE) foi desenvolvido, consistindo de uma plataforma com duas rodas que funciona a partir do equilíbrio do indivíduo que o utiliza, assemelhando-se ao funcionamento do clássico pêndulo invertido. Entre as características que o TPRE tem, podem-se destacar a rapidez na movimentação, o uso de um espaço reduzido, alta capacidade de carga, e capacidade de fazer curvas de raio nulo. Ao contrário de veículos motorizados tradicionais, o TPRE utiliza alimentação elétrica, portanto gera emissões poluentes e, além disso, nío contribui com poluição sonora. Para a locomoção, sío utilizados dois motores de corrente contínua de potências entre 0,7HP e 1,6HP. Para medir o ângulo de inclinação e a velocidade da variação do ângulo de inclinação, é utilizado um acelerômetro de três eixos e um giroscópio de um eixo, respectivamente, que enviam sinais analógicos ao controlador. Para indicar a direção do TPRE, foi utilizado um potenciômetro deslizante. A modelagem matemática do sistema foi feita usando o método de Kane com a finalidade de obter as equações dinâmicas, utilizadas posteriormente em simulações na plataforma Matlab. O controlador lê os sinais provenientes do acelerômetro, do giroscópio e do potenciômetro deslizante, e envia o sinal de controle, em forma de PWM, a placas controladoras de velocidade dos motores, usando a linguagem eLua. Os algoritmos de controle desenvolvidos neste trabalho foram PID, Fuzzy e Robusto, tendo como variáveis de controle o erro e a velocidade da variação do erro do ângulo de inclinação. Experimentos demonstram que os controles Fuzzy e Robusto reduzem significativamente as oscilações do sistema em terrenos planos em relação ao PID. Verifica-se também uma maior estabilidade para terrenos irregulares ou inclinados.
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Aluno(a) : Ricardo Morrot Lima
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2010
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Resumo: Esta dissertação aborda conceitos interdisciplinares de Engenharia Mecânica e Engenharia de Software, com foco principal no estudo de sistemas Mecânicos. Atualmente, operações de monitoração através de veículos autônomos se tornam cada vez mais comuns, enquanto que os ambientes a que esses veículos robóticos sío submetidos passam a ser cada vez mais hostis, principalmente em relação aos obstáculos e características dos terrenos. O presente trabalho trata do desenvolvimento de um simulador 3D em tempo real de veículos robóticos em terrenos acidentados. Foi desenvolvido um algoritmo de interseção entre um terreno 3D genérico e cada roda de um veículo, e implementado um modelo de força de contato pneu-solo levando em consideração as derivas longitudinal e lateral combinadas. Foi também implementado um modelo para motores de corrente contínua levando-se em consideração a interação da parte mecânica com a elétrica e uma aproximação contínua do modelo de atrito de LuGre, considerando as limitações de potência das baterias do sistema. O simulador também possui um controle de estabilidade 2D, levando em consideração apenas o ângulo de arfagem (pitch) do veículo. Este trabalho propõe também um controle de estabilidade 3D utilizando um indicador de estabilidade que pode ser calculado em tempo real e baseado numa estimativa de distribuição de forças de contato entre roda e terreno. É feita uma validação através de modelos analíticos do comportamento longitudinal do veículo robótico.
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Aluno(a) : Giancarlo Luis Gomez Gonzales
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/01/2010
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Resumo: Esta dissertação apresenta uma metodologia para medição visual de campos de deformações (2D) em materiais, por meio da aplicação da técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform). A análise de imagens capturadas é feita por uma câmera digital em estágios diferentes durante o processo de deformação de um material quando este é submetido a esforção mecânicos. SIFT é uma das técnicas modernas de visío computacional e um eficiente filtro para extração e descrição de pontos de características relevantes em imagens, invariantes a transformações em escala, iluminação e rotação. A metodologia é baseada no cálculo do gradiente de funções que representam o campo de deformações em um material durante um ensaio mecânico sob diferentes condições de contorno. As funções sío calibradas com a aplicação da análise inversa sobre o conjunto de pontos homólogos de duas imagens extraídos pelo algoritmo SIFT. A formulação da solução ao problema inverso combina os dados experimentais fornecidos pelo SIFT e o método linear de mínimos quadrados para estimação dos parâmetros de deformação. Os modelos propostos para diferentes corpos de prova sío avaliados experimentalmente com a ajuda de extensômetros para medição direta das deformações. O campo de deformações identificado pelo sistema de visío computacional é comparado com os valores obtidos pelos extensômetros e por simulações feitas no programa de Elementos Finitos ANSYS. Os resultados obtidos mostram que o campo de deformações pode ser medido utilizando a técnica SIFT, gerando uma nova ferramenta visual de medição para ensaios mecânicos que nío se baseia nas técnicas tradicionais de correlação de imagens.
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Aluno(a) : Alexandre Ormiga Galvão Barbosa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2010
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Resumo: Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface cérebro-máquina (Brain Machine Interface - BMI) como um meio alternativo de comunicação para uso na robótica. O trabalho engloba o projeto e construção de um eletroencefalógrafo (EEG), assim como o desenvolvimento de todos os algoritmos computacionais e demais técnicas necessárias para o reconhecimento de atividades mentais. A interface cérebro-máquina desenvolvida é utilizada para comandar os movimentos de um manipulador robótico MA2000, associando quatro atividades mentais distintas a quatro movimentos do manipulador. A interface baseia-se na análise de sinais eletroencefalográficos, extraindo desses, características que podem ser classificadas como uma atividade mental específica. Primeiramente os sinais EEG sío pré-processados, filtrando-se os ruídos indesejados, utilizando filtros espaciais para o aumento da resolução espacial do escalpe, e extraindo-se características relevantes à classificação das atividades mentais. Em seguida, diferentes modelos de classificadores sío propostos, avaliados e comparados. Por último, duas implementações dos classificadores sío propostas para aumentar o índice de comandos corretos para o manipulador. Em uma das implementações, obtiveram-se taxas de acerto de até 91% dos comandos, enquanto a taxa de comandos incorretos chegou ao mínimo de 1.25% após 400 tentativas de controle do manipulador.
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Aluno(a) : Julio Quadrio de Moura Guedes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2010
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Resumo: Um novo conceito de manipulador esta sendo estudado com o intuito de realizar tarefas inviáveis para manipuladores tradicionais. Este modelo de manipulador se baseia em manipuladores contínuos. Eles apresentam uma estrutura similar a uma coluna vertebral, sío altamente modulares, leves, podem ser atuados remotamente e possuem alto índice de adaptabilidade com o ambiente. Este tipo de manipulador apresenta características interessantes para utilização em diversos tipos de tarefas, principalmente em inspeções em locais com muitos obstáculos e ambientes inóspitos para os seres humanos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de manipulador contínuo atuado remotamente por tendões. Ele possui estrutura modular formado por “vértebras” ligadas serialmente. Inicialmente projetado através de ferramentas computacionais para em seguida ser construído fisicamente. Sío apresentados estudos cinemáticos e simulações com comparações entre a parte teórica e experimental. Por fim, é desenvolvida uma situação para simular a atuação do manipulador em uma tarefa real.
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Aluno(a) : Fabiano Correia Santério
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/05/2010
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Resumo: O comportamento animal serviu de inspiração para o controle baseado por comportamento aplicado a robôs móveis autônomos. Este se baseia em diretivas simples, ou reações, separadas por camadas com respectivas prioridades. Quando agrupadas, estas diretivas conseguem executar as mais diversas e complexas funções no ambiente, tornando o controle em si uma tarefa segmentada, na qual se divide o objetivo principal em pequenos módulos chamados de comportamentos primários. Estes atuam independentes e, ao trabalharem de forma paralela resultam em comportamentos complexos capazes de realizar tarefas mais complexas, uma evolução do controle reativo. A lógica desta técnica torna mais simples a programação e organização das tarefas porque possui uma estrutura modular que permite a adição de novos sensores (novos comportamentos), sem grandes mudanças no código existente. Esta dissertação desenvolve e implementa a programação baseada em comportamento em robôs móveis autônomos com sensores óticos e ultra-sônicos em um ambiente de simulação open source muito comum chamado Player/Stage e validada experimentalmente em 2 robôs autônomos. A arquitetura utilizada no processo de desenvolvimento das camadas comportamentais foi a arquitetura de esquemas motores em conjunto com a técnica de campos potenciais, originalmente idealizada por Ronald C. Arkin em 1998. Os resultados simulados e experimentais foram confrontados com métodos de programação clássica e comprovam todas as vantagens do controle baseado em comportamento.
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Aluno(a) : Gilmar Wendor Romero Delgadillo
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2009
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Resumo: Este trabalho trata da medição de tensões em um tubo (API 5L X60 UOE), submetido a esforços combinados (pressão interna, flexão e esforço axial), fazendo uso de rosetas formadas por extensômetros de resistência elétrica que servem para a aplicação da “Técnica do Furo Cego”. Os resultados, medidos com os extensômetros antes e depois de se usinarem os furos cegos, foram comparados com deformações calculadas por meio de dois métodos: um analítico (Resistência de Materiais) e outro numérico (Elementos Finitos). Para a realização do trabalho, foi projetado e construído um dispositivo para aplicação de carregamentos e medição de tensões. O dispositivo consiste em duas placas reforçadas que foram soldadas nas extremidades do tubo. Estas placas servem como tampos para o tubo e, uma delas, contém uma tomada de pressão. As partes superiores das placas são interligadas através de dois fusos que têm extremidades roscadas e que possibilitam a aplicação de forças axiais e momentos fletores no tubo. Os fusos são instrumentados com extensômetros de resistência elétrica para a medição das forças neles aplicadas. Os resultados encontrados nas comparações revelaram exatidão satisfatória para os cálculos e medições empregados e validaram o uso do dispositivo de teste para a realização de novos ensaios. Esses ensaios serão realizados para auxiliar na verificação de exatidão de procedimentos usados para determinar e identificar as origens de tensões atuantes em dutos que estão em serviço de transporte de óleo e gás. A verificação é necessária, uma vez que as medições, pelo método do furo cego englobam a superposição de tensões causadas por esforços aplicados externamente com as tensões residuais geradas pelos processos de fabricação dos tubos e construção dos dutos.
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Aluno(a) : Gilvania Terto Alves
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2009
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Resumo: Diversas estruturas projetadas pelo homem estío suscetíveis a impacto e quando se menciona impacto mecânico, pensa-se em um esforço de natureza dinâmica, na qual a carga é aplicada repentinamente e rapidamente. O impacto é um fenômeno de bastante complexidade, pois estío envolvidos o módulo da força, duração da aplicação desta e velocidade do impacto, além do comportamento mecânico do material. O impacto pode ser encontrado em diversas situações, entre elas se pode citar o projeto de ferramentas, explosões, artilharia, segurança no armazenamento de substâncias perigosas, colisões entre meios de transporte tais como aeronaves, carros, trens, etc. O carregamento aplicado associado à velocidade fornece o que é chamado de energia de impacto, que dependendo de sua amplitude pode provocar grandes prejuízos estruturais ao meio ambiente ou ainda ao ser humano. Por isso, devem-se prover meios de absorção desta energia para reduzir suas consequências. O comportamento das estruturas mecânicas submetidas ao impacto é um tema de bastante relevância e atualmente vem sendo frequentemente discutido devido às colisões de veículos. Neste trabalho, foram realizadas simulações de carregamentos dinâmicos em estruturas similares representando componentes veiculares através do método de elementos finitos seguidos de testes de impacto por queda de peso com medição das deformações, registradas por um extensômetro conectado a um sistema de aquisição de sinais, de modo a se estabelecer um método para cálculo da energia absorvida pela estrutura.
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Aluno(a) : Patrick Merz Paranhos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/18/2009
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Resumo: Robôs se encontram em sua grande maioria na indústria, cumprindo tarefas repetitivas em plataformas fixas, o que limita seu uso e soluções em que podem ser empregados. A robótica móvel nío é limitada a um espaço restrito, podendo assim ser aplicada a uma maior gama de atividades e oferecer flexibilidade operacional. Um dos problemas em soluções que envolvam mobilidade é estimar a posição do robô com precisío. Em ambientes externos, o sensor GPS é o mais comumente utilizado, pois o mesmo fornece uma posição global, porém existe uma imprecisío que é superior a alguns metros, alem de depender da visibilidade aos satélites. Outra solução é utilizar um sensor inercial, que no início da operação apresenta uma boa precisío, porém o erro de posicionamento cresce ilimitadamente por ser calculado através da integral dupla das acelerações e velocidades angulares medidas. Técnicas de filtragem sío aplicadas aos valores medidos visando reduzir a incerteza. O filtro de Kalman é o mais comumente utilizado na robótica móvel, pois este fornece bons resultados ao considerar a dinâmica do sistema no processo de filtragem. O presente trabalho desenvolve um sistema de localização de robôs moveis em ambientes externos. As soluções do posicionamento via GPS e via sensor inercial sío combinadas através de um filtro de Kalman, reduzindo a incerteza da obtenção da posição. A metodologia é validada por simulações e experimentos.
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Aluno(a) : Eleazar Cristian Mejia Sanchez
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/17/2009
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Resumo: Sistemas hidráulicos sío utilizados em tarefas que necessitam de forças e torques relativamente altos, resultando em grandes acelerações. Por este motivo, máquinas de testes de fadiga sío baseadas em sistemas servo-hidráulicos. Os ensaios de fadiga sío quase sempre independentes da frequência de trabalho. Portanto, trabalhar com uma frequência elevada traz vantagens de redução de tempo e custo dos ensaios, sem interferir nos resultados. Nesta dissertação foram desenvolvidas técnicas de controle por aprendizado acelerado e Neuro-Fuzzy, aplicadas em um sistema servo-hidráulico para ensaio de fadiga. Estes sistemas têm o propósito de fazer ensaios em materiais para prever sua vida útil em serviço. O trabalho envolveu quatro etapas principais: levantamento bibliográfico, desenvolvimento de um controle por aprendizado acelerado, desenvolvimento de um controle por aprendizado Neuro-Fuzzy, e implementação experimental dos modelos de controle por aprendizado proposto em uma máquina de ensaios de materiais. A implementação do controle por aprendizado acelerado foi feita a partir do modelo tradicional desenvolvido em trabalhos anteriores, com o objetivo de acelerar o processo de aprendizagem. Esta metodologia consiste em fazer um controle do tipo bang-bang, restringindo a servo-válvula a trabalhar sempre nos seus limites extremos de operação, i.e., procurando mantê-la sempre completamente aberta em uma ou outra direção. Estes pontos de reversío dependem de diversos fatores, como a amplitude e carga média da solicitação, e sío influenciados pela dinâmica do sistema. Para que a servo-válvula trabalhe no seu limite de seu funcionamento, os instantes ótimos para as reversões sío obtidos pelo algoritmo de aprendizado, e armazenados em tabelas específicas para cada tipo de carregamento. Na metodologia proposta, a lei de aprendizado inclui um termo de momento que permite acelerar a aprendizagem dos valores das tabelas constantemente durante a execução dos testes, melhorando a resposta a cada evento. O desenvolvimento de um controle por aprendizado Neuro-Fuzzy foi motivado pela necessidade de ter um agente com a capacidade de aprendizado e armazenamento dos pontos ótimos de reversío. Este modelo de controle também consiste na implementação de um controle do tipo bang-bang, trabalhando com a servo-válvula sempre nos seus limites extremos de operação. O instante de reversío é determinado pelo sistema Neuro-Fuzzy, o qual tem como entradas a gama e o valor mínimo do carregamento solicitado. O processo de aprendizado é feito pelas atualizações dos pesos do sistema Neuro-Fuzzy, baseado nos erros obtidos durante a execução dos testes, melhorando a resposta do sistema a cada evento. A validação experimental dos modelos propostos é feita em uma máquina servo-hidráulica de ensaios de fadiga. Para este fim, o algoritmo de controle proposto foi implementado em tempo real em um módulo de controle CompactRIO da National Instruments. Os testes efetuados demonstraram a eficiência da metodologia proposta.
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Aluno(a) : Jorge Arturo Hinostroza Medina
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/14/2009
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se um procedimento para a avaliação da Integridade Estrutural em máquinas de levantamento e movimentação de materiais utilizando a metodologia de Inspeção Baseada em Risco (IBR) com o objetivo de identificar as partes com maior risco de falha. Esta metodologia avalia tanto as Probabilidades de falha como as Consequências de falha para identificar os pontos críticos que serío analisados com prioridade nos programas de inspeção futuros. Um guincho hidráulico de pequeno porte é usado como exemplo da aplicação deste procedimento a equipamentos de grande porte. No desenvolvimento desta metodologia se propõe uma analise detalhada das tensões envolvidas nos principais pontos da máquina, considerando o cálculo analítico, cálculo numérico e medições experimentais. Para o cálculo das probabilidades de falha foram considerados os mecanismos de dano: colapso plástico por carregamento excessivo, fadiga e corrosío. As probabilidades de falha para cada mecanismo sío calculadas e classificadas em diferentes níveis, assim como as consequências de falha, o que origina diferentes níveis de risco.
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Aluno(a) : Nilton Cesar Anchayhua Arestegui
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/14/2009
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Resumo: Esta dissertação introduz um estudo sobre os algoritmos de inteligência computacional para o controle autônomo dos robôs móveis, Nesta pesquisa, são desenvolvidos e implementados sistemas inteligentes de controle de um robô móvel construído no Laboratório de Robótica da PUC-Rio, baseado numa modificação do robô ER1. Os experimentos realizados consistem em duas etapas: a primeira etapa de simulação usando o software Player-Stage de simulação do robô em 2-D onde foram desenvolvidos os algoritmos de navegação usando as técnicas de inteligência computacional; e a segunda etapa a implementação dos algoritmos no robô real. As técnicas implementadas para a navegação do robô móvel estão baseadas em algoritmos de inteligência computacional como são redes neurais, lógica difusa e support vector machine (SVM) e para dar suporte visual ao robô móvel foi implementado uma técnica de visão computacional chamado Scale Invariant Future Transform (SIFT), estes algoritmos em conjunto fazem um sistema embebido para dotar de controle autônomo ao robô móvel. As simulações destes algoritmos conseguiram o objetivo, mas na implementação surgiram diferenças muito claras respeito à simulação pelo tempo que demora em processar o microprocessador.
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Aluno(a) : Rocem Pol Jiménez López
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2009
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Resumo: Músculos artificiais sío versáteis para o projeto de atuadores pois, assim como os músculos naturais, podem ter pequenos tamanhos ou serem agrupados para alcançar maiores dimensões. A capacidade do músculo de permitir a construção de atuadores sem partes móveis permite uma grande economia de energia, evitando atritos por deslizamento, menor desgaste, e baixos ruídos. Músculos artificiais sío usados para desenvolver atuadores contínuos ou binários, utilizando diversos tipos de configurações para aproveitar ao máximo as vantagens que oferecem estes materiais. Músculos artificiais eletrostrictivos, acionados por altas tensões, já estío sendo utilizados em aplicações comerciais. Circuitos eletrônicos estío sendo projetados para trabalhar com altas tensões elétricas e interagir com estes tipos de músculos. Diversos tipos de material estío sendo avaliados para a implementação destes músculos. Este trabalho visa desenvolver um atuador de configuração cilíndrica de acionamento elétrico, por efeito capacitivo. O atuador é acionado por 3 músculos artificiais em configuração paralela, construídos a partir do elastômero acrílico VHB4905, o qual possui características visco-elásticas e baixo custo de produção. Sío analisados distintos modelos constitutivos dos músculos, baseados em molas e amortecedores em série e em paralelo. Sío desenvolvidos métodos de calibragem para calcular os parâmetros dos modelos matemáticos dos músculos a partir de dados obtidos em laboratório. Um método de medição baseado em processamento de imagens e teoria de visío estéreo, desenvolvido especificamente para este trabalho, permite que a posição da extremidade do atuador seja medida de forma nío-invasiva, sem interferir em seu movimento, e sem a necessidade de colocar sensores ou instrumentos de medição. Os resultados mostram que os modelos matemáticos sío eficientes para descrever o comportamento do atuador.
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Aluno(a) : David Ronald Achanccaray Díaz
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/16/2009
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Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface cérebro computador como um meio de comunicação alternativo para ser utilizado na área de robótica. A dissertação contempla a implementação de um eletroencefalógrafo, os métodos e técnicas computacionais necessários para a realização desta interface. Para a aquisição dos sinais cerebrais um eletroencefalógrafo foi desenvolvido, por um sistema de tripla amplificação, um filtro passa-baixa, filtros passa-alta e uma conversío analógico-digital. O processamento do sinal digitalizado é feito em duas etapas. A primeira etapa consiste no pré-processamento, no qual se filtra o ruído elétrico e se detectam ruídos biológicos, denominados artifacts, que o sinal possa ter. A segunda etapa é o processamento propriamente dito, no qual se faz a extração de características que definem cinco tipos de atividades mentais escolhidas segundo a especialização do cérebro, e referências sobre interfaces cérebro computador. Com estas medidas obtidas, se procede ao reconhecimento de padrões mediante o treinamento de uma rede neural probabilística. Um protocolo de treinamento é estabelecido, que consta de três etapas. A primeira etapa é o treinamento de uma rede neural para a detecção de artifacts. A segunda etapa é o treinamento de uma rede neural probabilística para a classificação do tipo de atividade mental, e a terceira é a adaptação mutua entre a interface e o usuário mediante a realimentação da atividade reconhecida e a atualização dos parâmetros da rede neural. A interface desenvolvida é aplicada para a ativação de um robô móvel de 54 kg, associando cinco tipos de atividades mentais a comandos que podem ser enviados mediante uma interface de radiofreqüência. O desempenho do sistema e da interface com o usuário é avaliado.
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Aluno(a) : Jordana Luiza Barbosa da Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/14/2008
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Resumo: Tubos de aço de grande diâmetro, baixa espessura e alta resistência mecânica, possuem tendência à formação de rugas no lado compressivo do curvamento (intrados) ao serem curvados a frio. A presente dissertação descreve os principais códigos de projeto nacionais e internacionais, quanto à presença de rugas provenientes desse tipo de curvamento em dutos e propõe um ângulo para o qual há a formação do enrugamento. Os códigos internacionais mostram-se conservadores quanto à presença de rugas nos tubos curvados, uma vez que o enrugamento é uma mudança geométrica que, a princípio, gera concentração de tensões e susceptibilidade à ocorrência de falhas por fadiga. Esta dissertação faz uso do método de elementos finitos para modelar a formação do enrugamento e determinar fatores de concentração de tensões, nestas regiões, para carregamentos de pressío interna. Os fatores encontrados sío comparados com resultados encontrados na literatura e utilizados no cálculo contra a fadiga por meio de diferentes métodos: Markl, inclinações universais de Manson e ASME seção VIII divisío 2. Neste estudo foram utilizados tubos de aço estrutural API X-70 com razío diâmetro espessura (D/t) variando de 20 a 100, modelados por meio do software Abaqus®. Foram obtidas curvas com ângulo de 4°/diâmetro e enrugamentos severos, com razío entre a altura da ruga e o diâmetro do tubo (d/D) da ordem de 6,5% e fator de concentração de tensío chegando a 1,89. Os modelos de tubo enrugado nío apresentaram falha na resistência mecânica à pressío interna aplicada, quando esta é suficiente para obtenção de tensío circunferencial nominal equivalente a 100% do limite de escoamento do material. Os resultados de vida em fadiga para os diferentes métodos aplicados variam de acordo com o método utilizado, mas todos apresentam redução na vida do tubo com presença de enrugamento severo. O estudo propõe que se utilize para o cálculo da vida em fadiga um procedimento conservador que associa o fator de concentração de tensío determinado por Rosenfeld com o método de cálculo contra a fadiga recomendado pelo código ASME VIII.
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Aluno(a) : Gil Rudge Cavalcanti de Albuquerque
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/06/2008
Local:
Resumo: Um método para a simulação dinâmica bi-dimensional de bóias cilíndricas de superfície, sujeitas à ação de ondas e ancorada ao fundo marinho através de uma linha flexível é apresentado neste trabalho. O modelo de elementos finitos adotado por Lustosa (2002) é empregado na descrição do movimento do cabo de ancoragem, onde elementos de vigas de Euler-Bernouilli de dois nós sío empregados, com a cinemática do movimento descrita através de grandezas referidas ao sistema local co-rotacionado. No modelo numérico, sío consideradas as nío-linearidades geométricas resultantes dos grandes deslocamentos da linha e que resultam no acoplamento das rigidezes axial e flexional. Na caracterização do movimento da linha consideram-se os seguintes efeitos: peso próprio, empuxo, carregamento hidrodinâmico da correnteza marinha, deslocamentos impostos pela unidade flutuante, forças de inércia e, se presente, a ação de flutuadores. Os deslocamentos do cabo sío obtidos da solução do sistema algébrico de equações nío-lineares, resultante da integração temporal de Newmark das equações diferenciais temporais do movimento, cuja convergência é garantida através do método iterativo de Newton-Raphson. Para a bóia, considerada para efeito de análise como indeformável, três graus-de-liberdade sío considerados: dois de deslocamentos lineares e um de deslocamento angular. As ondas de superfície, monocromáticas e bi-dimensionais, sío representadas no modelo através da teoria linear de Airy associada à modificação empírica de Wheeler (Wheeler, 1969). Forças resultantes da ação das ondas sobre a bóia de superfície sío obtidas através da integração numérica da equação proposta por Chitrapu et al. (1998) que compõe-se de um termo viscoso - resultante da parcela de arrasto da equação de Morison - e de um termo nío-viscoso - considerado como resultante da soma da força de Froude-Krylov (Chakrabarti, 1987) à parcela de inércia da equação de Morison -. A integração numérica desta equação sobre a superfície “molhada” instantânea do cilindro é realizada, a cada incremento de tempo da análise, empregando-se o método da quadratura adaptativa de Simpson. Finalmente, na integração temporal das equações de movimento da bóia de superfície utiliza-se o método de Runge-Kutta de quinta ordem, com o controle adaptável do passo temporal. O procedimento descrito foi implementado em um programa de computador e os resultados obtidos de algumas análises numéricas comparados com os fornecidos por outras simulações independentes, de forma a verificar a adequabilidade da formulação proposta ao estudo da dinâmica de bóias flutuantes.
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Aluno(a) : Julia Lima Fleck
Orientador(a): Marcelo Dreux e Belkis Valdman
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2008
Local:
Resumo: O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos neurais para a inferência da qualidade do polietileno de baixa densidade (PEBD) a partir dos valores das variáveis de processo do sistema reacional. Para tal, fez-se uso de dados operacionais da empresa Riopol© – Rio Polímeros S.A., cujo pré-processamento incluiu a seleção de variáveis, limpeza e normalização dos dados selecionados e preparação dos padrões. Cinco modelos neurais distintos destacaram-se pela sua acurácia em representar o comportamento do índice de fluidez do polímero em função das variáveis de processo. A capacidade de inferência dos modelos neurais desenvolvidos neste estudo foi comparada com a de dois modelos fenomenológicos existentes. Para tal, utilizou-se como medida de desempenho o valor do erro médio quadrático dos modelos, tendo como referência valores experimentais do índice de fluidez. Neste contexto, os modelos neurais apresentaram maior acurácia do que os modelos fenomenológicos, o que os caracteriza como eficientes ferramentas de modelagem da qualidade do sistema reacional de produção do PEBD.
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Aluno(a) : João Luis Batista da Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/24/2008
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Resumo: A redução de espessura de parede causada por corrosío é um dos defeitos que mais afetam a integridade dos dutos. Estes defeitos podem ocorrer no metal base, nas soldas longitudinais ou circunferenciais. Com a expansío do número de dutos rígidos instalados no fundo do mar e o avançado tempo de uso, a indústria de petróleo tem desenvolvido diversas ferramentas de reparo desses dutos, sem comprometer a segurança e sem perda da produção. O objetivo inicial desse trabalho foi o estudo e a geração de modelos de computador, que uma vez parametrizados, possam servir como ferramenta para análise em projeto de dimensionamento de conexões de reparo. No decorrer desse estudo sobre apenas dois tipos de conexões de reparo foi percebido que o comportamento de falha descrito pelos modelos numéricos das mesmas possui detalhes que precisavam ser esclarecidos em complementação ao programa experimental ao qual foram submetidas. Uma fase dessa pesquisa foi o trabalho de laboratório onde se pode repetir a confecção da mistura de resina e cimento segundo as referencias adotadas no programa experimental e realizaram-se ensaios de compressío em corpos cilíndricos dessa mistura para levantamento de curva tensío e deformação assim como determinar o coeficiente de Poisson. Outra fase foi a pesquisa em diversos outros trabalhos que indicassem o comportamento esperado desse material quando submetido às cargas de compressío. Por fim, foram gerados modelos analíticos e numéricos e seus resultados foram comparados com os resultados do programa experimental. Ao final da comparação foram levantadas as diferenças e as possíveis razões e sugeridas ações para se alcançar o objetivo inicial.
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Aluno(a) : Juan Gerardo Castillo Alva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/2008
Local:
Resumo: Sistemas hidráulicos são usados onde se requerem forças e torques relativamente altos, alta velocidade de resposta para o início, parada e reversão da velocidade. Eles sío usados em sistemas industriais, em robótica, simuladores de movimento, plantas automatizadas, exploração de minérios, prensas, e especialmente em sistemas de testes de fadiga de materiais. As máquinas de testes de fadiga baseadas em sistemas servo-hidráulicos têm como propósito fazer ensaios nos materiais para prever a vida útil em serviço. Os ensaios de fadiga sío quase sempre independentes da freqüência de trabalho. Para uma dada resistência do material e magnitudes das tensões alternadas e médias aplicadas, a vida à fadiga depende essencialmente do número de ciclos de carga aplicados ao material testado. Por esse motivo, trabalhar com a máquina de ensaios de materiais a uma freqüência elevada traz vantagens de redução de tempo e custo dos ensaios, sem interferir nos resultados. A aplicação da carga pode ser repetida milhões de vezes, em frequências típicas de até cem vezes por segundo para metais. Para se atingirem estas frequências, relativamente altas para um teste de fadiga, é necessário um sistema de controle eficiente. Nesta dissertação, técnicas de controle por aprendizado são desenvolvidas e aplicadas a uma máquina de ensaios de materiais, permitindo a aplicação de carregamentos de amplitude variável em alta freqüência. A metodologia proposta consiste em fazer um controle do tipo bang-bang, restringindo a servo-válvula do sistema a trabalhar sempre nos seus limites extremos de operação, i.e., procurando mantê-la sempre completamente aberta em uma ou outra direção. Devido à dinâmica do sistema, os pontos de reversão devem ficar antes dos picos e vales de força ou tensão desejados. O instante de reversão é um parâmetro que depende de diversos fatores, como a amplitude e carga média da solicitação, e também é influenciado por zonas mortas causadas, e.g., por folgas na fixação dos corpos de prova. Para que a servo-válvula trabalhe no limite de seu funcionamento, o algoritmo de aprendizado obtém os instantes ótimos para as reversões, associados a variáveis adimensionais com valores entre 0 e 1, armazenados em tabelas específicas para cada tipo de carregamento. A lei de aprendizado popula e atualiza constantemente os valores das tabelas durante a execução dos testes, melhorando a resposta do sistema a cada evento. Apresentam-se a modelagem dinâmica de uma máquina servo-hidráulica e de sua malha de controle, e simulações comparando o controle PID com o controle por aprendizado proposto. A validação experimental é feita em uma máquina servo-hidráulica de ensaios de fadiga. Para este fim, um software de controle em tempo real foi especialmente desenvolvido e implementado em um sistema computacional CompactRIO. Os resultados demonstram a eficiência da metodologia proposta.
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Aluno(a) : Fernando Hey
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/14/2008
Local:
Resumo: Apresenta-se o uso das ferramentas lineares de Controle Clássico (Lugar Geométrico das Raízes) e Moderno (Realimentação de Estado e de Saída e Alocação de Pólos) para estabelecer os ajustes dos controladores adotados no problema de acompanhamento de trajetórias em traçados fechados por veículos terrestres, procurando reproduzir o comportamento do ser humano no comando deste tipo de sistema. Os modelos adotados para o veículo sío lineares (funções de transferência e matrizes de estado e de entrada), porém a caracterização da trajetória fechada é geometricamente nío-linear. Verifica-se deste modo como o projeto de um controle linear satisfaz as condições nío lineares associadas. Os conceitos e ferramentas conhecidos sío aplicados em diversos tipo de traçados, para diferentes condições do veículo – velocidade, limites de esterçamento, etc – e, a partir das simulações realizadas, sío analisadas as principais características de comportamento do veículo – acelerações, estabilidade, etc - e comparadas as previsões dos projetos lineares com os resultados encontrados. É feita ainda uma breve introdução ao emprego do Controle Ótimo no problema de determinação das condições necessárias para se estabelecer a trajetória ótima em um traçado aberto (uma curva pré-definida), dado como critério o tempo mínimo para percorrê-lo, utilizando um modelo bastante simplificado do veículo, e conhecidas suas velocidades e posições iniciais e finais.
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Aluno(a) : Ricardo e Sillva Sant anna
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/10/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme
Resumo: Um problema industrial ocorrido em um compressor de ar motivou esta Dissertação de Mestrado. Problemas em máquinas rotativas sío comuns na rotina de uma indústria. A coleta de dados cuidadosa pode levar a um estudo mais profundo de quais causas prováveis geraram o problema, permitindo-se modelar um sistema que simule as características do problema. O compressor de baixa pressío de ar de uma fábrica de fertilizantes, discutido nesta dissertação, faz parte de um trem de compressío, composto de: turbina a vapor, o compressor (de baixa pressío de ar), multiplicador e compressor de alta pressío. Falhas no mancal de escora do compressor de baixa pressío que causaram grandes perdas de produção motivaram a análise e a simulação numérica do problema. A análise dinâmica do Rotor, modelado matematicamente e discretizada pelo Método de Elementos Finitos, e sua Análise Modal sío os principais objetivos desta Dissertação, com o propósito de: contribuir para se evitar a recorrência deste problema na área industrial; e ajudar aos Engenheiros que trabalham com grandes máquinas a melhor conhecer a dinâmica de um rotor sujeito a esforção axiais, através de um compêndio didático, exceto desta Dissertação, como base de um curso de Análise Dinâmica. A Dissertação é organizada em seis capítulos: o Capítulo Um apresenta a motivação e a organização do trabalho; o Capítulo Dois apresenta o problema industrial, aspectos da falha, as medidas para solucionar o problema, o modo de analisar a solução da falha e o esforço para esclarecer a fonte do problema; o Capítulo Três discute a teoria dos mancais hidrodinâmicos cilíndricos, a fórmula de Reynolds, a simplificação do modelo de mancal, os conceitos de projeto e a relação entre força e movimento entre o munhío e o mancal. Traça-se o diagrama de Sommerfeld e se discute sua aplicação, assim como os diagramas de rigidezes e amortecimentos adimensionais, todos para o mancal radial curto, explicando-se a linearização dos termos cruzados; o Capítulo Quatro é o mais extenso pois mostra que o modelo simplificado de rotor (de Laval), representando sua dinâmica pela equação de Lagrange, nío é capaz de representar o problema industrial do rotor. Neste capítulo introduz-se a Teoria de Vibrações para sistemas com um e três graus de liberdade, traçando-se diagramas Bodé, de Campbell e do deslocamento no domínio do tempo. Funções de Transferência oriundas da Transformada de Laplace sío utilizadas para representarem a resposta em frequência do movimento; Simulações numéricas de modos complexos e seu significado geométrico sío apresentados. Análise Modal é apresentada para o caso de sistemas com dois e três graus de liberdade. O modelo matemático do rotor para sua discretização é apresentado. A seguir se aplica a discretização pelo Método de Elementos Finitos para a simulação numérica do rotor. Análise Modal do rotor aqui apresentado é simulada, na plataforma Matlab. A modelagem dinâmica do rotor submetido a uma força axial harmônica, extraída de referências especializadas, mostra uma semelhança bem próxima dentro do erro assumido (2% no 20o. modo, pelo critério de Rayleigh) e é capaz de reproduzir o fenômeno de ressonância a uma frequência observada em campo: 14850 CPM, Gráfico FFT (da simulação numérica) está de acordo com a ressonância axial observada em campo. Capítulo Cinco mostra resumidamente a teoria do Método de Elementos Finitos: o uso das funções interpolantes, os conceitos matemáticos subtendidos, a modelagem de barras e vigas, suas dinâmicas, modos e frequências naturais, tabelas com soluções matemáticas fechadas de arranjos de estruturas bem conhecidas e a solução de arranjos de vigas. O último Capítulo Seis comenta os resultados obtidos e propõe futuros trabalhos dentro da linha de estudo da Dissertação. Extensa revisío bibliográfica finaliza o trabalho. Palavras-chave: Rotodinâmica, Mancais Hidrodinâmicos, Análise Modal, Método de Elementos Finitos
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Aluno(a) : Habib Zambrano Rodriguez
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2007
Local:
Resumo: Estimativas da zona plástica, feitas a partir de soluções lineares elásticas tradicionais do campo próximo à ponta da trinca, nío levam em consideração o efeito nío desprezível da tensío nominal. De fato, supor que a ZP só depende do fator de intensidade de tensões nío basta para reproduzir as condições de contorno da peça. Este trabalho trata da influência da tensío nominal no tamanho da zona plástica em volta das pontas das trincas de fadiga, que é desprezada nas estimativas tradicionais de zona plástica. Para resolver este problema, sío propostas novas soluções para mapear as fronteiras das zonas plásticas partindo dos campos de tensío exatos de Inglis e de Westergaard.
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Aluno(a) : Michael Cordeiro Carvalho Merling
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/13/2007
Local:
Resumo: Apresenta-se uma visío gerencial para o procedimento de projeto de suspensões de veículos terrestres. Sío descritos, em linhas gerais, os principais aspectos técnicos relativos ao projeto deste sub-sistema veicular, e tratados, com detalhes, os tópicos fundamentais para a sua administração. Discute-se, entre outros, as etapas de especicação do projeto, quesitos necessários, normas a serem aplicadas, e as etapas a cumprir, segundo a visío do gerente administrativo do projeto, responsável pela organização do grupo de técnicos que irá desenvolvê-lo.
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Aluno(a) : Pedro Ferreira da Costa Blois de Assis
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/11/2007
Local:
Resumo: Resumo: É notória a necessidade de encontrar novas tecnologias para atuação de sistemas robóticos, tío eficazes quanto a do músculo natural. Os atuadores tradicionais possuem grande agilidade e força quando comparados aos músculos naturais, mas suas dimensões e peso sío elevados em relação à força que sío capazes de exercer, e demandam muita energia para cumprirem suas tarefas. Manipuladores robóticos menores e mais baratos poderiam existir se pudessem utilizar músculos naturais para impulsioná-los. Ao mesmo tempo, as indústrias gastariam menos com os custos envolvidos em energia e compra desses manipuladores. Este trabalho estuda o comportamento de músculos artificiais baseados no polímero acrílico VHB4905, através da construção de uma bancada de teste com sensor de força, incluindo especificação de todos os equipamentos e o desenvolvimento de circuitos de alta tensío (até 10kV) para acioná-los. Durante o desenvolvimento e implementação do circuito foram encontrados problemas intrínsecos à manipulação de tensões da ordem de vários kV. Esses problemas foram apontados e soluções satisfatórias foram implementadas, de forma a tornar os experimentos possíveis. Modelos matemáticos de algumas das principais configurações possíveis para atuadores foram desenvolvidos. Os modelos desenvolvidos para uma das configurações típicas foram comparados com resultados experimentais com um erro máximo absoluto de 1% (26,7mN) do valor real. Experimentos em atuadores de molduras fixas foram feitos com resultados de 223% de deformação da regiío ativa, com desempenho muito superior ao dos músculos naturais. A partir de um dos modelos desenvolvidos, implementou-se um controlador PID compensado que gerou melhores resultados a entradas em degrau que o PID padrío, o qual nío leva em consideração a nío-linearidade e a alta sensibilidade do atuador quando submetido a tensões próximas da tensío de quebra do dielétrico. A
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Aluno(a) : Trond Martin Augustson
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/03/2007
Local:
Resumo: Atualmente, a maioria dos manipuladores robóticos executa tarefas a partir de trajetórias pré-programadas a serem seguidas. Nessas condições, o robô atua (movimentando, por exemplo, objetos) em locais fixos, pré-determinados por seu operador humano. Por esse motivo, é necessário que os objetos a serem manipulados, assim como as partes do manipulador como um todo, estejam em locais previamente estabelecidos. Caso contrário, uma nova programação se fará necessária. Este método nío é indicado em certas operações robóticas onde a variação ambiental seja significativa. Outro método utilizado é a chamada teleoperação. Nesse caso, explora-se a arquitetura “mestre-escravo”, no qual o operador determina direta e continuamente a movimentação/posição do manipulador. Nesse caso, o único pré-requisito necessário ao sistema é um alto grau de repetibilidade, uma vez que possíveis erros de maior porte no posicionamento podem ser visualizados pelo operador humano. No entanto, perde-se em precisío absoluta, uma vez que a própria percepção humana pode ser falha ou insatisfatória. O objetivo desse trabalho é abordar o conjunto de técnicas utilizadas no posicionamento de um manipulador em ambientes na presença de incertezas. O trabalho concentra-se na calibração de manipuladores baseada em técnicas de visío computacional, envolvendo estudo da cinemática direta e inversa de manipuladores, calibração de câmeras, reconhecimento e correlação de padrões em imagens distintas, e estereoscopia. Apresentam-se também metodologias e técnicas para o posicionamento do manipulador, auxiliado por câmeras localizadas próximo de se sua extremidade. Isso torna viável a automação de tarefas específicas e complexas, tendo em vista que, posicionado o manipulador em relação a um sistema de coordenadas conhecido, é possível movimentá-lo por sua área de atuação com maior segurança e precisío. Tamanhas vantagens devem-se ao fato de que sensores como, por exemplo, câmeras conectadas a um sistema de visío computacional, tornam possível a percepção da diferença entre a posição real (ocupada pelo manipulador) e a posição ideal (desejada). Tais diferenças sío enviadas para os controladores, a fim de que esses corrijam a trajetória previamente programada. Além disso, os comandos para movimentação do manipulador podem entío ser programados off-line por um sistema de CAD, o que nío requer a ativação do robô durante sua geração, levando a uma maior agilidade em sua validação e resolução de problemas. Como estudo de caso, estudou-se uma aplicação real, baseada em um manipulador que tem por finalidade intervenções submarinas em plataformas petrolíferas. Este manipulador conecta-se a um ROV (Remote Operating Vehicle) e é levado ao seu local de atuação pelo operador de ROV. Toda vez que o ROV é reposicionado, é necessário estimar sua posição e orientação relativas ao local de atuação. O ROV atua em áreas de grande profundidade e existem poucos sensores que atuam em tais locais. Esse fato é um dos incentivos para o uso de visío computacional para estimar a posição relativa do manipulador, possibilitando que trajetórias previamente programadas sejam executadas mesmo na presença de incertezas, reduzindo o tempo de intervenção e, conseqüentemente, seu custo.
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Aluno(a) : Auderi Vicente Santos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/22/2007
Local:
Resumo: O uso de robôs móveis para monitorar locais inacessíveis vem se tornando cada vez mais comum. Essas operações podem ser autônomas ou tripuladas e quando sío feitas em terrenos irregulares é preciso garantir segurança na missío, pois muitas das vezes o resgate se torna inviável. O robô estudado nesta dissertação terá dificuldades para locomoção em certas localidades, como por exemplo: derrapagem em regiões alagadas, vencer atoleiro em regiões pantanosas e de brejos e capotagem nas regiões que apresentam aclives e declives. Diante deste quadro de problemas apresentados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Visando contribuir para o sucesso da locomoção do robô, esta dissertação apresenta uma técnica de controle de estabilidade de um robô móvel para sensoreamento remoto em terrenos irregulares, incluindo projeto, simulação e construção de um protótipo funcional. Este controle visa garantir que as rodas do veículo nío descolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores.
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Aluno(a) : Sergio Ibajé Oliveira Bueno
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/02/2007
Local:
Resumo: A redução de espessura de parede causada por corrosío é um dos defeitos que mais afetam a integridade dos dutos. Estes defeitos podem ocorrer no metal base, nas soldas longitudinais ou circunferenciais, bem como nas zonas afetadas pelo calor. Os métodos de avaliação da resistência remanescente introduzem ressalvas ou proíbem o tratamento de defeitos de corrosío coincidentes com as juntas soldadas. No presente trabalho foram avaliados os níveis de segurança dos métodos usuais de avaliação da resistência de dutos com defeitos introduzidos na regiío da solda longitudinal de tubos soldados por arco submerso. Os tubos testados eram de aço C-Mn fabricados na década de 60 e foram retirados de operação após uma campanha superior a 30 anos. Com estes tubos foram fabricados 5 espécimes, cada qual com 1 defeito externo produzido por eletro-erosío, sendo posteriormente submetidos a testes de pressío monitorados. Foram realizados ensaios de tração, ensaios de impacto Charpy e ensaios de dobramento, para determinação das propriedades mecânicas do metal de base, do metal de solda e da zona termicamente afetada (ZTA). Foram realizados também ensaios metalográficos do metal de base e do metal de solda, análise química do metal de base e do metal de solda e medição das tensões residuais no metal de solda. A aplicação dos métodos de nível 1 (ASME B31G, 085dL, RPA, DNV isolado e PCORRC) resultou em pressões previstas inferiores às pressões reais de ruptura para defeitos de formato esférico. Para defeitos de seção retangular a aplicação dos métodos de nível 1 resultou em pressões contrárias à segurança. A aplicação dos métodos de nível 2 (Effective Area e DNV geometria complexa) resultou em pressões previstas superiores às pressões reais de ruptura para defeitos de formato esférico e de seção retangular. As análises das fraturas indicaram que nío ocorreu falha por deficiência de tenacidade em nenhum espécime. Como causa mais provável dos resultados nío-conservadores foi apontada a corrosío alveolar leve pré-existente na supefície interna dos espécimes.
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Aluno(a) : Leonardo Dantas Rodrigues
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/16/2007
Local:
Resumo: O conhecimento dos esforção de flexío e normal provocados por movimentação de solo, é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforção. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação, utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação, das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforção existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforção agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforção de trabalho obtidos desconsiderando-as sío razoáveis. No mais, os procedimentos propostos para a determinação de esforção, mediante separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais.
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Aluno(a) : Mauricio Kreczmarsky Guimarães Meinicke
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/13/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme
Resumo: Neste trabalho é feito uma revisío sobre os conceitos de opacidade 1D e 2D para ser proposta uma implementação da técnica chamada de Opacidade 3D para visualização volumétrica de dados sísmicos. O grande desafio da visualização volumétrica é definir uma função de transferência multidimensional que melhor se adapte ao tipo de dado que se deseja visualizar. Serío apresentadas duas possíveis funções de transferência e exemplos de quando estas devem ser utilizadas. Para possibilitar uma boa interação com o usuário, a implementação utilizou a técnica de programação chamada de fragment program. Os resultados obtidos pela opacidade 3D sío comparados com os resultados provenientes das opacidades 1D e 2D que serviram de base e motivação para o desenvolvimento deste trabalho.
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Aluno(a) : Alexandre Francisco Barral Silva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/2007
Local:
Resumo: Em terrenos acidentados é crítico para robôs móveis manter uma adequada tração nas rodas, pois um excessivo deslizamento das mesmas pode fazer o robô capotar ou desviar da rota desejada. Também, se uma força excessiva é aplicada sobre uma regiío do terreno, pode levar o mesmo a ceder deixando as rodas presas. Para se evitar os problemas acima citados e ainda otimizar o consumo de energia em terrenos planos, a presente dissertação desenvolveu um controle de tração para terrenos acidentados com o intuito de aplicá-lo ao Robô Ambiental Híbrido (RAH) da Petrobrás. O RAH é um robô móvel anfíbio que está em fase de desenvolvimento no Laboratório de Robótica do CENPES (Petrobras), que poderá ser comandado por um operador ou se deslocar autonomamente. Esse robô faz parte do projeto Cognitus, braço tecnológico do projeto Piatam (Potenciais Impactos e Riscos Ambientais da Indústria de Óleo e Gás na Amazônia), e será aplicado na monitoração e coleta de dados do meio ambiente de dois gasodutos da Petrobrás na regiío Amazônica, o gasoduto Urucum (AM)- Porto Velho (RO) e o gasoduto Coari (AM) – Manaus (AM). A técnica de controle de tração de veículos robóticos em terrenos acidentados desenvolvida visa controlar a velocidade ao mesmo tempo em que garante a estabilidade dinâmica, nío deslizamento das rodas, evita a saturação dos motores, e em certas condições ainda permite minimizar a potência requerida através do conhecimento dos ângulos de contato entre as rodas e o terreno. Foram feitas duas modelagens independentes, uma considerando a suspensío do robô flexível e a outra considerando o veículo robótico como um corpo rígido, sendo ambas para o caso plano (2D). Foram realizadas simulações em terrenos suaves e acidentados, as quais comprovaram a eficácia das técnicas de controle propostas.
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Aluno(a) : Marlos Rego Menezes
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/21/2007
Local:
Resumo: Apresenta-se a aplicação dos algoritmos genéticos para o tratamento do problema inverso em reconstituição de acidentes e análise de colisões com veículos terrestres de estrutura deformável. Define-se como, a partir de restrições impostas, das posições finais, e das deformações encontradas nos veículos após uma colisío, o algoritmo de otimização pode fornecer o conjunto de variáveis e parâmetros que mais provavelmente levam os veículos àquela condição. Todos os procedimentos desenvolvidos foram implementados em Simulink/Matlab.
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Aluno(a) : Felipe Augusto Silva de Andrade
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/14/2007
Local:
Resumo: O estudo de fenômenos transitórios em sistemas hidráulicos está presente em diversos ramos da engenharia. Sua maior ênfase encontra-se na área de hidroelétricas e atualmente também está sendo aplicado na indústria do petróleo. O presente trabalho apresenta uma análise comparativa deste fenômeno utilizando três abordagens de modelagem distintas: o clássico método das características, a técnica de grafos de ligação e o tratamento através do fluxo de potência. No caso do método das caracaterísticas emprega-se o procedimento proposto por Streeter. Na modelagme através de grafo de ligação adota-se a analogia generalizada entre os sistemas fluido, mecânico e elétrico. Na representação pelo fluxo de potência acopla-se módulos previamente desenvolvidos considerando as relações de causa e efeito entre os componentes de um sistema. Todos os métodos foram implementados em MATLAB e sío testados e comparados a partir de simulações em dois sistemas simples compostos de um reservatório, linha fluida e válvula. Os resultados obtidos através da metodologia de fluxo de potência aproximam-se dos encontrados pelas aobrdagens tradicionais.
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Aluno(a) : Aldenir Costa
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/12/2007
Local:
Resumo: Freqüentemente, durante os estágios de produção de um poço de óleo, ocorre a produção simultânea de partículas sólidas que originam da massa rochosa ao redor, um processo chamado de produção de areia. Concentrações de tensões nas vizinhanças do poço podem causar perda de coesío entre os gríos, criando assim uma regiío de matéria granular solta suscetível a ser arrastada pela força de infiltrações. Este trabalho se baseia no estudo da formação de danos nas vizinhanças do poço. Este programa experimental é conduzido ao simular, do interior de uma célula especialmente construída, as pressões crescentes durante esses estágios de escavação numa amostra de rocha, geralmente arenito, pouco consolidada ou um material montado artificialmente simulando arenito. Este processo é conduzido em tempo real dentro do tomógrafo computadorizado de Raio X. Os ensaios tiveram por objetivo identificar a pressío de início e o modo de propagação da ruptura da parede da cavidade interna da amostra ensaiada. Estes sío estágios iniciais dos processos de produção de areia em rochas. As análises das imagens tomográficas adquiridas durante os ensaios permitiram a visualização de breakouts e arrombamentos dos poção. Estudos mais detalhados possibilitaram estimar a quantidade de areia produzida e reconstruir tridimensionalmente o processo de propagação de ruptura.
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Aluno(a) : Javã Atayde Pedreira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/12/2006
Local:
Resumo: O ganho em escala na produção de combustíveis e produtos petroquímicos tem levado à construção de novas plantas de processo de altíssima capacidade de processamento. Ao mesmo tempo, exige-se delas alta performance, traduzida em índices elevados de confiabilidade. As turbomáquinas (turbinas e compressores) desempenham um papel fundamental neste cenário, uma vez que devem operar continuamente durante a campanha operacional, que varia de 3 a 5 anos, sob pena de causar grandes prejuízos econômicos por perda de produção. A condição operacional que confere às turbomáquinas altas densidades de energia e vazío é a velocidade do rotor. Altas velocidades induzem a problemas potenciais de velocidade crítica, resposta ao desbalanceamento e instabilidade do rotor. Os mecanismos de instabilidade sío, em geral, a combinação de fenômenos oriundos dos mancais, selagem, roçamentos e efeitos aerodinâmicos das palhetas. Os mancais hidrodinâmicos desempenham um papel de extrema importância na dinâmica das turbomáquinas e sío largamente empregados na indústria por permitirem altas cargas em altas velocidades. As características dinâmicas de um rotor sío altamente influenciadas pelas propriedades dos mancais e fenômenos de instabilização tendem a aparecer em altas velocidades, devido à assimetria e efeito cruzado ("cross-coupling") das propriedades de rigidez e amortecimento. O presente trabalho analisa o projeto dos mancais sob o ponto de vista da estabilidade e a sua influência na determinação das velocidades críticas e resposta ao desbalanceamento do sistema rotor-mancal.
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Aluno(a) : Danny Hernán Zambrano Carrera
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/20/2006
Local:
Resumo: Em veículos de competição com velocidades elevadas, o principal objetivo é chegar em primeiro lugar, o que significa percorrer um determinado número de voltas em uma trajetória fechada fazendo algumas manobras para cumprir o circuito no menor tempo possível, dentro das limitações impostas pelas características dinâmicas e de condução destes veículos. A otimização é uma metodologia que pode ser usada para reproduzir trajetórias e técnicas de condução usadas pelos pilotos de corrida, e também para investigar os efeitos de vários parâmetros nas condições limites da estabilidade veicular. Neste trabalho, inicialmente é apresentado o desenvolvimento de um modelo dinâmico do veículo considerando as características suficientes para análise da trajetória, influenciada por parâmetros geométricos e físicos pertinentes. Em seguida é definido o problema de obtenção da trajetória empregando procedimentos de otimização, de modo a determinar como um veículo irá percorrer um traçado, considerando como função objetivo o tempo de percurso, que deverá ser mínimo, e tendo como restrições as condições dinâmicas do veículo e geométricas da pista, implementando rotinas que sío usadas em conjunto com os algoritmos existentes na Optimization Toolbox do Matlab. Finalmente apresenta-se o comportamento do veículo, representado pelo modelo desenvolvido anteriormente em uma malha de controle de trajetória, de modo a comparar o comportamento assim obtido com aquele previsto pelo procedimento de otimização.
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Aluno(a) : Thiago Gambóa Ritto
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/09/2006
Local:
Resumo: Neste trabalho a Análise de Vibrações é tratada no contexto da formulação fraca. O Teorema da Projeção é usado e a convergência das aproximações é garantida, pois as aproximações pode serdescrita através de elementos de um espaço de Hilbert. Para discretizar um sistema contínuo é feita uma aproximação pelo Método de Galerkin. Dois tipos de escolha de bases sío discutidos, o Método dos Modos Supostos e o Método dos Elementos Finitos (MEF).A Análise Modal Clássica e suas limitações sío examinadas. A Transformada Rápida de Fourier e a Função Resposta em Freqüênciasío ferramentas essenciais no contexto de vibrações e Análise Modal. Métodos de Decomposição Ortogonal Própria, em especial a Decomposição de Karhunen-Loève, sío introduzidos como alternativaà Analise Modal para sistemas dinâmicos nío-lineares. Todas essas teorias objetivam prever o comportamento dinâmico de uma estrutura ou equipamento. A Análise de Vibrações é muito usada na manutenção preditiva de máquinas rotativas. Um sistemarotor--mancal é modelado e sua resposta dinâmica comparadaqualitativamente com a resposta dinâmica captada através deacelerômetros fixados nos mancais de um exaustor de uma siderúrgica (CST).Durante o trabalho muitos programas foram desenvolvidos através dosoftware MATLAB. O objetivo destes programas é incentivar e facilitar alunos de graduação em seus estudos em vibrações
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Aluno(a) : Priscilla Oliveira de Almeida
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/16/2006
Local:
Resumo: Nesse trabalho, calcula-se a dinâmica de sistemas contínuos unidimensionais. Problemas de barras e vigas com diferentes condições de contorno e condições intermediárias sío tratados no contexto da formulação fraca para que seja aplicado o Método de Elementos Finitos; e entío seja possível calcular as aproximações das freqüências naturais e dos modos de vibração do sistema. Uma vez conhecidos os modos (exata ou aproximadamente), constrói-se um modelo reduzido de equações diferenciais ordinárias e, entío, calcula-se a dinâmica do sistema. Essa dissertação propõe um material didático a ser utilizado no curso de Vibrações, com o intuito de auxiliar os alunos de graduação no estudo de sistemas contínuos, através do desenvolvimento da formulação fraca e aplicação do MEF.
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Aluno(a) : Marco Antonio Perez Rosas
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/12/2006
Local:
Resumo: Devido à crescente necessidade de aumentar a disponibilidade de uso imediato dos dutos, o uso de reparos tem tido cada vez mais importância. Um novo método de reparo para dutos com perda de espessura externa foi analisado. O reparo consiste na utilização de multicamadas metálicas que sío coladas ao duto com adesivo epóxi. Existem vários tipos de reparos, mas o proposto, tem a vantagem de ser facilmente aplicável, sem uso de solda, e apresenta um alto módulo elasticidade, o que permite uma redução na deformação total presente na regiío do defeito. Este novo método de reparo tem como objetivo devolver a integridade estrutural do duto de uma forma simples e econômica. Para conhecer o comportamento e avaliar este tipo de reparo, utilizaram-se métodos analíticos, experimentais e numéricos. Fez-se uso da técnica de elementos finitos pela grande vantagem de poder considerar a nío linearidade do material, já que foram levadas em consideração situações de estado limite para o cálculo das pressões que originam a plastificação e a ruptura do duto. Foi desenvolvido um modelo analítico para o dimensionamento do reparo, que permitiu analisar o comportamento das tensões na regiío do defeito para cada pressío aplicada, sendo útil para uma ótima seleção do reparo. Na abordagem experimental foram testados oito espécimes tubulares: dois sem defeitos e seis com defeitos usinados para simular a perda de espessura, dos quais cinco foram reparados com diferentes números e tipos de camadas. Os espécimes foram devidamente instrumentados para a obtenção de dados de pressões, variações volumétricas e deformações ocorridas em pontos localizados nos espécimes tubulares. O duto reparado com quatro camadas de aço de baixo carbono e o duto reparado com duas camadas de aço inox 304 suportaram a pressío de ruptura de um duto sem defeito, ambos rompendo em seções longe daquelas reparadas. Os dutos reparados com uma, duas e três camadas de aço de baixo carbono romperam na regiío do defeito. Os resultados experimentais obtidos comprovaram a eficiência da nova técnica de reparo proposta, e foram satisfatoriamente previstos pelos modelos numéricos e analíticos.
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Aluno(a) : Guilherme Pinto Guimarães
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/25/2006
Local:
Resumo: O emprego de materiais compósitos em estruturas tem ganhado importância na prática da engenharia devido às suas características de alta resistência mecânica, baixa densidade e boa estabilidade a efeitos térmicos. Uma das classes de compósitos, a de laminados fibrosos, pode ser utilizada em tubulações sujeitas as diversas formas de carregamentos como pressío interna e/ou externa, tração longitudinal, torção, temperatura, etc. O presente Trabalho tem por objetivo propor, implementar e testar a formulação de um modelo de elemento finito axissimétrico, para a representação do comportamento de um tubo laminado por camadas de materiais compósitos fibrosos. A modelagem consiste em representar a seção geratriz de um tubo cilíndrico por um elemento quadrilateral de quatro nós, com três graus de liberdade por nó, com os deslocamentos nodais tomados em relação aos eixos de um sistema cilíndrico de coordenadas. Considera-se a perfeita adesío das camadas, garantindo a continuidade do campo de deslocamentos. Modelos constitutivos de materiais com o comportamento ortotrópico e/ou o transversalmente isotrópico foram implementados, obtendo-se respostas para os campos de deslocamentos, de deformações e de tensões atuantes. Na validação do modelo numérico considerou-se a comparação de seus resultados com os de soluções analíticas, disponíveis na literatura, e aqueles fornecidos por um programa comercial de elementos finitos, empregando o modelo com elementos sólidos. Foram propostos, para os testes em ambos os casos, exemplos de laminados com uma a quatro camadas, com fibras orientadas em diferentes ângulos. Destas comparações verifica-se uma boa convergência das soluções numéricas obtidas com o presente modelo, representativo das principais características cinemáticas da classe de problemas representada.
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Aluno(a) : Felipe dos Santos Scofano
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/18/2006
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Resumo: Recentemente, grande interesse tem se voltado na robótica para o conceito de manipuladores flexíveis. Estes dispositivos apresentam uma coluna vertebral deformável continuamente, em oposição aos tradicionais manipuladores robóticos elo/junta/elo com elos rígidos. Sistemas flexíveis oferecem um aumento em potencial da capacidade de interação com o ambiente, estando aptos a se ajustarem às limitações do meio através de sua deformação. Robôs flexíveis oferecem possibilidades atrativas para o uso em diversas aplicações, como em posicionamento em ambientes complexos com obstáculos, endoscópios ativos, e manuseamento de materiais frágeis. O uso de polímeros, em particular elastômeros, tem sido explorado nestes manipuladores para promover simplicidade de operação e menor rigidez, necessária para uma interação homem-máquina com maior segurança. Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um manipulador pneumático flexível contínuo de longo alcance. O manipulador é composto por uma estrutura modular, formada por vários elos ligados serialmente, permitindo que em sua extremidade sejam acopladas ferramentas que auxiliem a execução de diferentes tarefas. O sistema é baseado em um atuador pneumático denominado Músculo Artificial Pneumático (Pneumatic Artificial Muscles, PAMs). Ao serem pressurizados, estes dispositivos se contraem, exercendo uma força em sua extremidade proporcional à pressío aplicada. A movimentação do manipulador desenvolvido é obtida a partir da diferença de pressío entre câmaras independentes localizadas em seu interior. Modelos analíticos dos sistemas desenvolvidos foram elaborados. O controle do manipulador é feito a partir de servoválvulas pneumáticas controladas por computador. Experimentos foram realizados para verificar os modelos desenvolvidos e quantificar a repetibilidade do sistema. O sistema desenvolvido é aplicado à tarefa de inspeção interna de reservatórios de combustíveis. Inspeções internas atualmente requerem um completo esvaziamento do reservatório, se tornando muito trabalhosas e resultando em altos custos. Uma versío do manipulador é adaptada para executar esta tarefa sem a necessidade de esvaziar os tanques, devido à segurança intrínseca do sistema pneumático.
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Aluno(a) : Romulo Reis Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/13/2006
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Resumo: A perfuração de rochas duras ainda é um grande desafio para as empresas deperfuração e exploração de petróleo. Uma das linhas de pesquisas atuaisconsiste em combinar satisfatoriamente duas técnicas de aumento da taxa depenetração. Esta nova técnica vem sendo chamada de perfuraçãopercussiva-rotativa auto-excitada. Esta dissertação se propõe adesenvolver o primeiro protótipo de um dispositivo que irá operarem ressonância e que será capaz de gerar forças dinâmicas expressivas. Deforma resumida, este dispositivo será chamado de "RIMD" (Resonant ImpactDevice). Em princípio a idéia é construir um dispositivo em forma de uma"caixa preta", na qual será montada na estrutura que vibra, tendo estacaixa dois ajustes, um calibrando a freqüência de ressonância do RIMD eoutro agindo sobre os impactos (folga). É conhecido de trabalhos anterioresque o tamanho da folga também possui influência sobre a freqüência natural do sistema. Desta forma, existe uma interdependência entre ambos os ajustes.Um dos primeiros passos no projeto e desenvolvimento do protótipo do RIMDé o dimensionamento do mesmo, de forma que seja pequeno o suficiente parafacilitar sua construção e instrumentação no laboratório de vibrações da PUC-Rio, bem como seja representativo do sistema em tamanho real (a serimplantado na coluna de perfuração). Os componentes do RIMD envolvem umsistema massa-mola com baixo amortecimento e algum dispositivo de impacto e de variação da folga. Após a concepção e construção do protótipo, ospassos seguintes do estudo sío a obtenção das características do RIMD,como a faixa de freqüências o qual atua e a medição das forças impulsivasgeradas. Por último, o protótipo também servirá para validar um modeloanalítico que permitirá investigações posteriores neste tema, podendogerar outras possibilidades de construção do RIMD.
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Aluno(a) : Guilherme Nobrega Martins
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/05/2005
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Resumo: Uma das aplicações mais interessantes e desafiadoras da engenharia é a solução dos problemas inversos. Neste tipo de problema enquadra-se o tratamento científico da reconstituição de acidentes de veículos terrestres. Um outro tema diretamente relacionado é a análise de colisões, tanto no contexto da reconstituição de um acidente, quanto no que diz respeito ao grau de adequação do veículo ao impacto, associado à sua integridade estrutural e à segurança passiva dos seus ocupantes. Neste trabalho é aplicada uma técnica de otimização moderna, conhecida como algoritmo genético, para o tratamento do problema inverso em colisão de veículos terrestres, empregando modelos de veículos rígidos. Definiu-se como, a partir de restrições impostas e das posições finais dos veículos após uma colisão, o algoritmo de otimização pode fornecer o conjunto de variáveis e parâmetros que mais provavelmente levam os veículos àquela condição. Como resultado, o método foi considerado perfeitamente aplicável ao problema proposto e passível de ser utilizado como base para implementação como ferramenta de suporte à perícias judiciais em casos reais.
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Aluno(a) : Roberto de Abreu Alvim
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2005
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento teórico e a implementação de uma metodologia proposta para o dimensionamento de juntas soldadas, baseada em soluções de modelos de placas obtidas por elementos finitos. A técnica consiste em, a partir da avaliação do estado de tensões nas proximidades da junta resultante da simulação numérica sob carregamentos reais, obter-se a dimensão requerida da seção transversal (seção da garganta) ao longo do comprimento do cordão de solda. No dimensionamento do cordão, consideram-se simplificações das distribuições das componentes de tensões ao longo da espessura da casca, inerentes aos modelos de cascas finas. Com o objetivo de testar-se a aplicabilidade da metodologia proposta em soluções numéricas apresenta-se, inicialmente, o dimensionamento de cordões de solda sob carregamentos simples - cisalhamento transversal, membrana e flexão - em que os resultados são verificados com os obtidos de modelos analíticos. Além destes, são também apresentadas soluções para estruturas complexas formadas por chapas soldadas, como exemplos de aplicação prática da implementação desenvolvida.
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Aluno(a) : Fabio de Castro Marangone
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/06/2005
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se um procedimento que envolve técnicas de inspeção baseada em risco (IBR) e adequação ao uso, baseados nas recomendações API 581 e 579 respectivamente, para gerenciar a integridade estrutural de equipamentos estáticos e tubulações sujeitos a perda de espessura por corrosío. O risco de falha de um equipamento é analisado de forma quantitativa através do cálculo da probabilidade de falha (PoF) e da conseqüência de falha (CoF). Uma visío geral da IBR e da análise de risco é introduzida e seus objetivos, vantagens e desvantagens sío analisados. A deterioração da parede metálica de equipamentos sujeitos à corrosío causa um aumento da PoF ao longo do tempo. Esse aumento da PoF depende da taxa de corrosío, da qualidade da previsío da taxa e ainda da eficiência dos métodos de inspeção usados para detectar e quantificar essa taxa. A falha de um equipamento pode resultar em conseqüências tais como danos aos equipamentos vizinhos, danos às pessoas, parada e perda de produção, contaminação do meio ambiente e danos à imagem da empresa. Com base nesse procedimento, desenvolveu-se um programa para o gerenciamento da integridade de equipamentos. Com o programa é possível estabelecer um plano de inspeção para o equipamento, levando-se em conta a eficiência dos métodos de inspeção, com o objetivo de manter o equipamento abaixo de um risco de falha, dado como admissível. Apresenta-se entío, um exemplo de aplicação no qual um vaso separador de óleo e gás está sujeito à corrosío interna e corrosío externa. A PoF e CoF do equipamento sío calculadas de forma quantitativa. Um plano para realização de inspeções é proposto, sempre se respeitando os prazos máximos estabelecidos pela NR-13, considerando-se a eficiência da inspeção (interna, externa e teste hidrostático) adequada para detecção e acompanhamento do mecanismo de dano (corrosío interna e corrosío externa atmosférica) atuante no vaso. Verifica-se entío que com o plano proposto, consegue-se controlar o risco de falha, possibilitando assim um melhor aproveitamento dos recursos de inspeção. É verificado também se o vaso, na época da inspeção, estará adequado ao uso nas condições de operação estabelecidas
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Aluno(a) : Gustavo José Simíões
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2005
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Resumo: Este trabalho objetiva o projeto, a construção e teste de um dispositivo para reparos estruturais de tubulações danificadas externamente por amassamento. O dano a ser reparado é caracterizado por mossas sem cava, implicando em uma alteração suave da superfície sem a ocorrência de defeitos ou de redução na espessura da parede do duto. Considera-se ainda que esta perturbação geométrica nío afete a integridade de eventual cordío de solda presente na tubulação. Para a definição dos parâmetros geométricos dos corpos de prova, da carga de operação requerida nos ensaios e do material de construção do dispositivo (ferramenta) foram utilizados resultados de modelos analíticos aproximados e de soluções por elementos finitos. Neste caso, a representação da tubulação utilizada nos testes numéricos da operação do dispositivo considerou modelos com elementos de cascas finas incluido efeitos nío-lineares associados ao comportamento do material, a grandes deslocamentos e ao contato entre superfícies. Estas simulações numéricas permitiram avaliar-se as condições de solicitação e do funcionamento do dispositivo, necessárias para a execução dos procedimentos experimentais de validação do modelo numérico utilizado e para a identificação da integridade estrutural da tubulação ao final dos ensaios. Testes experimentais de operação do dispositivo foram realizados em dois espécimens tubulares de aço API5LGrB com valores nominais de diâmetro iguais a 355.6 mm e espessuras 6.35 e 25.4mm, respectivamente, ambos com 5m de comprimento. Nestes espécimens, tambem instrumentados com extensômetros elétricos, foram inicialmente impostos amassamentos por punções com geometrias padronizadas do tipo esférico e cilindrico e que resultaram na redução em 15% no diâmetro da tubulação. Em seguida, utilizando-se o dispositivo projetado para o desamassamento dos dutos, promoveu-se a recuperação da geometria de forma a deixar aparente uma indentação nío superior a 5% do seu diâmetro nominal. Ensaios de inspeção nío-destrutivos, realizados após os procedimentos experimentais nos dutos, permitiram verificar-se a integridade das tubulações, revelando em ambos os casos a inexistência de descontinuidades do material . Utilizando-se ensaios numéricos e experimentais, uma metodologia foi desenvolvida para o dimensionamento , construção e a avaliação do prototipo de um dispositivo com as características de portabilidade e de operação adequadas à sua utilização com robots automatos de posicionamento remoto no interior de tubulações (G.I.R.I.N.O./CENPES, p. ex.).
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Aluno(a) : Marcelo Neves Barreto
Orientador(a): Mauro Speranza e Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/22/2005
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Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um acionamento para motores de passo de 2 fases destinado a operar na faixa de 12 a 18 V, tornando-o muito útil para automações em veículos, embarcações ou robôs que operam com baterias. O acionamento desenvolvido implementa o controle da corrente via "chopper" como é usual nos acionamentos de motores de passo. Mas, ao contrário do usual, o tempo do ciclo ativo da onda responsável por ativar a corrente nas fases, é pré-programado em microcontroladores, evitando-se a instabilidade e criticalidade típica dos circuitos onde é feito o sensoramento da corrente e sua realimentação para controle do ciclo ativo. Outro aspecto inovador do trabalho foi a utilização do integrado TD340 da ST Microelectronics, desenvolvido para utilização no controle de motores de corrente contínua, e que está sendo utilizado com motores de passo. Os resultados experimentais apresentados no trabalho confirmam a adequação e utilidade do acionamento desenvolvido, tornando-o compacto e robusto.
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Aluno(a) : Alexsandro Barbosa Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/20/2004
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Resumo: Tradicionalmente, os equipamentos de elevação e transporte assumem uma posição de destaque na indústria, sendo as pontes rolantes uns dos equipamentos mais utilizados. No caso da ThyssenKrupp Fundições Ltda., as pontes rolantes sío responsáveis pelas principais paralisações dos negócios, trazendo prejuízos financeiros e operacionais. O emprego da IBR – Inspeção Baseada em Risco é bastante indicado para este tipo de equipamento, pois permite identificar as pontes rolantes que sío críticas e deste modo estabelecer uma metodologia de inspeção eficiente, visando concentrar esforção nestes equipamentos de modo a reduzir seu risco de falha e garantir a manutenção dos negócios. Neste trabalho analisou-se um conjunto de pontes rolantes e componentes críticos da empresa ThyssenKrupp Fundições Ltda.. Para se cumprir este objetivo, foi aplicada a metodologia de IBR qualitativa para a análise do banco de dados de manutenção e inspeção. A teoria de IBR qualitativa usou uma matriz de risco COF x FOF (Conseqüência de Ocorrência de Falhas X Freqüência de Ocorrência de Falhas) onde cada uma das 20 pontes teve sua classe de risco estabelecida. Também foi feita a análise da freqüência de falhas dos componentes de todas as 20 pontes através dos registros de inspeção e manutenção localizados dentro do período de janeiro de 1995 a junho de 2002. Após a determinação das pontes rolantes críticas (risco alto e muito alto) e dos componentes que mais falharam, foi elaborado um programa de inspeção para o gerenciamento dos mesmos, através de tabelas e fichas de inspeção onde a nova freqüência de inspeção foi calculada através da distribuição de probabilidade semi-empírica de Weibull. Além do programa de inspeção, foi proposta uma metodologia para análise dos resultados futuros obtidos com a aplicação do programa de inspeção e indicações para o contínuo aumento de sua eficiência.
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Aluno(a) : Abel Torres Andrews
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2004
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Resumo: No presente trabalho é desenvolvida uma metodologia numérica para a análise estática e/ou dinâmica bi-dimensional de linhas marítimas, em que o contato com o leito marinho é contemplado, empregando-se o método dos elementos finitos. Para a representação da linha marítima considera-se um elemento de viga com dois nós, baseado no modelo de Euler-Bernoulli, onde polinômios cúbicos de Hermite sío empregados na interpolação dos campos de deslocamentos da linha central e rotações da seção reta. Um sistema coordenado co-rotacionado é definido a partir das coordenadas espaciais dos nós da estrutura e, em relação a este, todas as grandezas estáticas e dinâmicas sío referidas na imposição das equações de movimento. Na formulação sío considerados os efeitos da nío-linearidade geométrica associados ao movimento de corpo rígido da estrutura, sob a hipótese de pequenas deformações. A configuração inicial considerada na análise dinâmica é definida a partir das equações da catenária em que apenas os efeitos do peso próprio e do empuxo sío considerados. Além destes, o movimento da linha marítima é também regido pela influência dos carregamentos hidrodinâmicos devidos às correntes marinhas, deslocamentos prescritos no ponto superior da linha, forças de inércia e a ação de flutuadores. Os efeitos sobre a linha associados ao contato com o fundo marinho sío considerados na análise numérica empregando-se a técnica dos multiplicadores de Lagrange. Estes representam, basicamente, as forças e momentos requeridos para garantir as restrições geométricas. No atual estágio do modelo nío sío ainda considerados os efeitos das forças de atrito com o fundo marinho, cuja rigidez é considerada muito superior a do cabo. No procedimento numérico, a matriz de rigidez usual do modelo de vigas para cabos resulta em uma matriz aumentada de forma a também acomodar novas incógnitas: as reações resultantes da imposição das condições de contato com deslizamento. Estas reações do leito marinho sobre o cabo, carregamento do contato, sío representadas por forças e momentos. Desta forma, condições de contato e de separação repetidos (contato variável) do cabo com o leito marinho assim como os grandes movimentos relativos entre a linha e o fundo marinho sío contemplados pelo modelo numérico. Apesar de resultar em um esforço computacional maior em relação ao método de penalidades, o método dos multiplicadores de Lagrange é mais atrativo neste caso considerando-se a sua eficácia numérica. A solução das equações algébricas nío-lineares resultantes da integração temporal passo-a-passo de Newmark é obtida com a técnica iterativa de Newton Raphson. A metodologia numérica foi implementada, alguns testes representativos de situações da engenharia "offshore" sío mostrados e os resultados numéricos obtidos comparados com aqueles apresentados por outros autores independentes.
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Aluno(a) : Daniel Almeida Camerini
Orientador(a): Arthur Braga e Claudio Soligo Camerini
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/24/2004
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Resumo: O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de ferramentas de inspeção capazes de detectar e localizar pequenos vazamentos em oleodutos e gasodutos. Hoje, diversos dutos brasileiros sío equipados com eficientes sistemas de detecção de vazamentos, porém ainda nío sío capazes de detectar pequenos vazamentos causados por lentos processos de corrosío. A tecnologia de inspeção de dutos mais utilizada mundialmente é a de pigs instrumentados. O pig é lançado dentro do duto e percorre toda sua extensío identificando defeitos como amassamentos e corrosío. Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de pigs para detecção e localização de pequenos vazamentos em dutos. Duas tecnologias foram desenvolvidas, uma para oleodutos e outra para gasodutos. O princípio de funcionamento do pig para oleodutos se baseia no registro da variação de pressío gerada pelo vazamento. Os copos de poliuretano responsáveis pelo impulsionamento do pig sío de um tipo especial capazes de selar o volume entre dois pigs. Quando o pig passa pelo vazamento, a pressío deste volume central diminui em relação às pressões à montante e jusante do pig, gerando um sinal característico que permite a identificação. A tecnologia para gasodutos utiliza a energia acústica gerada pelo vazamento. A idéia básica é equipar o pig com microfones capazes de “escutar” o som provocado pelo vazamento propagado no próprio gás. Com uma boa interpretação da assinatura acústica deste fenômeno, é possível detectar o evento ao longo do duto. O desafio é discriminar a assinatura do vazamento dos ruídos normalmente emitidos em um gasoduto, como ruído de bombeio, ruído da turbulência da vazío, abertura e fechamento de válvulas, etc. Cada tecnologia teve seu protótipo montado e testado em campo onde vazamentos foram detectados com sucesso. Sío apresentadas as fundamentações teóricas de cada tecnologia e os resultados dos testes de laboratório e de campo. Discuti-se também a eficácia das soluções propostas para detecção de vazamentos e as possibilidades para o futuro desenvolvimento destas tecnologias.
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Aluno(a) : Ruben Goméz Díaz
Orientador(a): Marcelo Dreux e Hélio Cortes Vieira Lopes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2004
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Resumo: Em muitas sío as aplicações onde se faz necessário transmitir modelos 3D via Internet. Entre eles merece destaque o compartilhamento de dados entre ambientes colaborativos situados em diferentes localidades. Este compartilhamento permite a sua análise e visualização, porém restrições de largura de banda da rede (Internet/Intranet) assim como o custo de armazenamento limitam a complexidade do modelo a ser transmitido/armazenado. As malhas geométricas sío utilizadas em diferentes áreas da computação gráfica e visualização científica, como exemplos podem se citar elementos finitos os quais sío utilizados em modelos CAD, jogos, modelagem de terrenos, geometria computacional entre outros. Devido à grande complexidade das malhas, estas sío processadas por meios computacionais usando alguma estrutura de dados que represente da melhor forma o modelo em questío. A principal motivação deste trabalho é verificar a viabilidade do uso de uma nova estrutura de dados para representar e comprimir malhas irregulares (triângulos e quadrângulos). Nesta nova abordagem será apresentada a estrutura de dados (Quadtri) derivada das estruturas de dados (HalfEdge e Corner Table) as quais representam modelos por contorno. Neste trabalho será desenvolvido um pós-processador gráfico 3D para a visualização de malhas geradas por ferramentas de modelagem por elementos finitos, assim como malhas irregulares dos mais diversos tipos dependendo da sua aplicação.
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Aluno(a) : Vinicius de Carvalho Lima
Orientador(a): Arthur Braga e José Augusto Pereira da Silva
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/17/2004
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Resumo: Operadores de dutos, diariamente, tomam decisões a respeito do melhor método ou combinação de métodos para avaliar as condições de suas tubulações. Para isso diferentes ferramentas de inspeção interna de dutos, os Pigs Instrumentados, sío utilizadas fornecendo diferentes tipos de informação quanto à integridade do duto. Múltiplas passagens de Pigs, através da mesma tubulação, têm custo operacional e em alguns casos podem até demandar interrupções na produção. Avanção recentes na tecnologia eletrônica e mecânica permitiram uma aquisição, um armazenamento, e uma integração mais eficientes dos dados dos Pigs instrumentados, possibilitando agora, que múltiplas tecnologias sejam incorporadas em uma única ferramenta. Os múltiplos tipos de dados, capturados em uma única passagem ou uma combinação precisa dos dados de diferentes corridas, fornecem aos operadores do duto, uma informação mais clara e detalhada da condição de sua tubulação. Isto permite uma melhor tomada de decisío na aplicação dos recursos para a manutenção da linha. Neste contexto, este trabalho descreve o desenvolvimento de um sensor combinando três tecnologias de inspeção para a detecção e caracterização de defeitos geométricos em tubos de aço, provocados por amassamentos, ou corrosío, o sensor Geométrico Magnético e Discriminador, GMD. Serío apresentados os aspectos técnicos, os detalhes construtivos do sensor, os testes de avaliação e os resultados de laboratório já obtidos.
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Aluno(a) : José de Jesús Leal Carvajalino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/21/2004
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se a avaliação do desempenho de ferramentas de inspeção em linha (ILI) ou pig instrumentado, na medição de defeitos causados por corrosío e estudam-se diferentes métodos para o cálculo da confiabilidade estrutural, ou cálculo da probabilidade de falha (POF), de um duto corroído. O relatório de inspeção do pig é avaliado através de comparação com as medições do defeito feitas por uma ferramenta de referência (medidas em campo) e os erros associados a cada sistema de medição podem ser encontrados a partir de métodos estatísticos tais como os métodos da raiz do erro quadrático médio (RMSE/D), e dos estimadores de Grubbs, de Thompson e de Jaech. As medições das duas ferramentas (pig e campo) sío também avaliadas através de testes estatísticos para a linha de tendência e o coeficiente de correlação linear (r). O número mínimo de medições de campo necessárias para verificar o desempenho do pig no dimensionamento dos defeitos de corrosío é determinado pela implementação de um teste baseado na análise seqüencial. Uma vez que o relatório do pig é avaliado e aceito, a POF de um duto corroído é calculada usando os métodos analíticos de primeira ordem (FORM) e propagação de incertezas, e o método de simulação de Monte Carlo. A POF do duto é calculada em função de modelos de pressío de falha onde suas variáveis sío definidas como funções de probabilidade (fdp). No caso das dimensões do defeito, a fdp e seus parâmetros estatísticos sío obtidos a partir da exatidío do pig. A comparação entre a POF calculada e a POF admissível permite determinar quando será necessário fazer uma nova re-inspeção. Quando a POF calculada atinge um valor maior que a POF admissível, antes de se completar um tempo desejado para a próxima inspeção, o procedimento desenvolvido permite determinar o número de reparos que deverío ser feitos para que este tempo seja alcançado.
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Aluno(a) : Harry Gustavo Saavedra Espinoza
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2004
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Resumo: Nesta dissertação apresenta-se uma formulação para a análise numérica de cascas espessas axissimétricas, sob os carregamentos de pressío e força distribuida ao longo de um paralelo,utilizando-se a técnica de elementos finitos enriquecidos. As discretizações dos campos de deslocamento axial e radial sío consideradas no domínio do elemento verificando-se as seguintes restrições: tensões nulas nas faces interna e externa da casca e uma combinação das soluções analíticas para cascas espessas cilíndricas e esféricas. A formulação resulta em um modelo com seis graus-de-liberdade generalizados por ponto nodal para elementos unidimensionais, considerando-se como referencia a superfície média da casca. Na imposição de condições de continuidade e de fixação associadas aos graus-de-liberdade empregou-se o método de penalidades. A formulação foi implementada e alguns testes numéricos sío apresentados para demonstrar sua aplicabilidade em comparações com outras soluções analíticas ou numéricas.
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Aluno(a) : Manoel Feliciano da Silva Jr.
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/26/2004
Local:
Resumo: A detecção da corrosío metálica em estruturas complexas e de difícil acesso apresenta dificuldades que até o presente nío foram satisfatoriamente contornadas nos diversos setores industriais. Os sensores para avaliação da corrosío metálica se baseiam normalmente em corpos de sacrifício ou na monitoração da reação catódica que ocorre junto com o processo de oxidação e redução da corrosío. As condições de ambiente como temperatura, pressío, vazío, composição química e pH sío fatores determinantes da agressividade do meio e influenciam diretamente na previsío das taxas de corrosío. Na indústria do petróleo a corrosío metálica pode significar a falha prematura de equipamentos e vazamentos causando onerosas operações de manutenção e pondo em risco a segurança e o meio ambiente. O presente trabalho mostra a concepção e desenvolvimento de um sensor de pH a fibra ótica para monitoração permanente em poção de petróleo. Duas possibilidades de medida com esse intuito foram avaliadas. A primeira utiliza a medida da variação do índice de refração efetivo em uma rede de Bragg especialmente preparada para este fim imersa em um meio contendo indicadores comerciais de pH. A segunda utiliza a variação de volume proporcionada por um polímero sensível ao pH para deformar uma rede de Bragg. Os resultados experimentais obtidos mostraram que a segunda técnica possibilitava uma maior sensibilidade para as condições de operação do sensor. E permitia a utilização de múltiplos sensores a fibra óptica inclusive de outras grandezas físicas como: pressío, temperatura e vazío condição necessária para ser utilizado na avaliação das taxas de corrosío. O sensor foi avaliado em meio ácido em temperatura, solubilidade e tempo de resposta. Novas investigações com pressões e meios salinos, contudo, ainda precisam ser conduzidas para permitir sua utilização em condições reais de operação de um poço de petróleo.
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Aluno(a) : Raul Ademar Valdivia Pacheco
Orientador(a): Marcelo Dreux e Roberto Santos Martins
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/27/2004
Local:
Resumo: O crescente aumento da disponibilidade de recursos computacionais para a simulação numérica permite que cientistas e engenheiros produzam enormes quantidades de dados. A melhor compreensío destes dados mediante o uso de técnicas de computação gráfica é conhecido como visualização científica. Este trabalho propõe a visualização científica de problemas de engenharia usando uma arquitetura distribuída via WEB. Os dados simulados sío lidos diretamente de um banco de dados e sío gerados arquivos com as informações necessárias para sua visualização. Geram-se arquivos com dados de pré-processamento (como nós, elementos, linhas, áreas e elementos diferenciados por índices) e pós-processamento (como deformação, deslocamento e tensões, resultados mais importantes na análise utilizando o método de elementos finitos). Considerando uma arquitetura distribuída, a simulação numérica pode ser feita em um computador (servidor) e a visualização pode ser feita em um outro computador (cliente), utilizando uma interface simples, porém robusta para a visualização, como é o caso da WEB. A utilização do formato VRML facilita a distribuição e compartilhamento nesta visualização, fazendo assim independente a plataforma do servidor, que contém o software de simulação numérica, da plataforma do cliente. Usando como caso de estudo o software de Análise de Elementos Finitos ANSYS, os resultados obtidos mostraram-se satisfatórios e melhor manipuláveis ao se comparar com resultados visualizados por aquele software. O estudo de caso pode ser estendido para outros softwares de simulação da área de mecânica dos sólidos.
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Aluno(a) : Fábio Vinicius Moura de Carvalho
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/19/2004
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Resumo: É apresentado um procedimento para simulação de colisões de veículos terrestres deformáveis, cuja entrada são as condições imediatamente anteriores ao choque, produzindo como saída a evolução das variáveis ao longo do tempo de duração do impacto. Foram feitas simulações de casos semelhantes aos apresentados na literatura, e os resultados obtidos validaram os modelos criados. O procedimento foi implementado em Simulink/MatLab, seguindo a mesma estrutura dos demais programas em desenvolvimento nesta linha de pesquisa, de modo a futuramente integrá-lo aos pré- processadores e pós-processadores gráficos do programa SVDV - Simulação e Visualização da Dinâmica de Veículos.
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Aluno(a) : Ramiro Germán Diaz Chávez
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/21/2003
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Resumo: Dentro do campo dos controladores passivos, um dos dispositivos usados pelas suas propriedades de amortecimento sío os Apoios Elásticos, que constituem uma solução econômica e efetiva na supressío ou atenuação das vibrações em sistemas dinâmicos com problemas de ressonância ou instabilidade, freqüentemente pela falta de amortecimento suficiente. Este trabalho envolve o estudo de um rotor horizontal com apoios elásticos (silicone), adaptado a partir de um rotor existente, o estudo de diversos efeitos sobre a sua operação, a medição de seu movimento , a identificação dos parâmetros do problema, a medição e validação a partir de resultados simulados em um modelo numérico. Os fenômenos incluídos no estudo sío o efeito giroscópio (rotor for do meio), desbalanceamento do rotor e empenamento do eixo. Neste trabalho os parâmetros do sistema foram determinados usando técnicas de identificação, análise modal e otimização nío linear devido à anisotropia do sistema.
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Aluno(a) : Ricardo Diaz de Souza
Orientador(a): José Luiz Freire e Adilson Carvalho Benjamin
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/27/2003
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Resumo: A avaliação estrutural de dutos com defeitos de corrosío vem sendo estudada desde o final da década de 60. A partir dos conceitos da Mecânica da Fratura, foram elaboradas expressões semi-empíricas que permitiram estimar a pressío de ruptura de defeitos de corrosío. Desde entío, essas expressões foram sendo ajustadas e aprimoradas por testes de ensaios destrutivos e análise de elementos finitos. Os principais métodos desenvolvidos sío o ASME B31G, 085dL, “Effective Area”, DNV RP F-101 (defeitos isolados) e DNV RP F-101 (defeitos complexos). Esta tese está sendo elaborada utilizando alguns dos ensaios programados para o projeto Produt 600536, e parte dos seus resultados será aproveitada neste projeto. Para o trabalho de tese, foram utilizados cinco espécimes tubulares de aço API 5L X46, com 3,0 m de comprimento aproximado, diâmetro nominal de 457,2 mm e espessura nominal de 6,35 mm. Estes espécimes continham defeitos reais de corrosío interna, do tipo longo, localizados na geratriz inferior, e foram retirados do oleoduto Orbel I, pertencente à Petrobras, durante a sua obra de reabilitação, em 2001. Os defeitos de corrosío foram mapeados com medições manuais por ultra-som espaçadas em 20 mm e com medições mecanizadas CSCAN espaçadas em 5mm. Para cada espécime, foram realizados ensaios de tração em 4 corpos de prova, sendo 2 corpos retirados transversalmente e 2 longitudinalmente. Estes espécimes foram instrumentados com extensômetros de resistência elétrica e pressurizados até a ruptura. Para cada espécime, foram levantados diversos perfis de corrosío em função do comprimento estabelecido para o defeito e do tipo de medição (manual ou mecanizada). A pressío de ruptura foi estimada pelas equações dos métodos ASME B31G, 085dL, “Effective Area”, DNV RP F-101 (defeitos isolados) e DNV RP F-101 (defeitos complexos), utilizando planilha Excel e/ou os programas computacionais RSTRENG e DNV RP F-101. Os valores de pressío de ruptura estimados para os espécimes, utilizando os métodos acima relacionados, foram comparados com as pressões de ruptura reais, obtidas nos ensaios de pressío. Os resultados confirmaram o conservadorismo embutido no método ASME B31G e comprovaram que os métodos “Effective Area” e DNV RP-F101 (complexo), que utilizam o perfil de corrosío, apresentam resultados melhores que os métodos ASME B31G e 085dL e podem ser considerados uma boa ferramenta para avaliar defeitos de corrosío.
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Aluno(a) : Germain Carlos Venero Lozano
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/30/2003
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Resumo: Identificação paramétrica de sistemas mecânicos é uma das principais aplicações das técnicas de identificação de sistemas na Engenharia Mecânica, especificamente para a identificação de parâmetros modais de estruturas flexíveis. Um dos principais problemas na identificação é a presença de ruidonas medições. Este trabalho apresenta uma análise na presença de ruído de alguns dos métodos no domínio do tempo aplicáveis na identificação de parâmetros modais de sistemas mecânicos lineares invariantes no tempo com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), usando como base o modelo em espaço de estados tipicamente usado em Dinâmica e Vibrações. Os algoritmos de subespaço envolvidos neste estudo destacam-se pela utilização da decomposição em valores singulares (SVD) dos dados, obtendo subespação ortogonais dos modos associados ao sistema e dos modos associados ao ruído. Outros complicadores no processo de identificação que serío explorados neste trabalho sío: flexibilidde e baixo amortecimento. Comparam-se as técnicas usando o modelo no espaço de estado da estrutura Mini-mast desenvolvida pela NASA Langley Research Center esimulações sío feitas variando o nível de ruído nos dados, o amortecimento e a flexibilidade da estrutura. O problema de identificação de parâmetros estruturais (matrizes de massa, rigidez e amortecimento) também é estudado, as características e limitações dos algoritmos utilizados sío analisados. Como exemplo de aplicação prática, um experimento foi realizado para identificar os parâmetros modais e estruturais de um rotor flexível e os resultados sío discutidos.
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Aluno(a) : Mário Pezzi Filho
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/26/2003
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Resumo: Verificação de Consistência com as Práticas Usuais da Indústria para Avaliação de Risco. A sociedade tem feito crescentes exigências quanto à redução de eventos com dutos, que resultem em danos à pessoa humana e ao meio ambiente. A competição de mercado exige dos operadores de dutos, confiabilidade e disponibilidade dos servição de transferência e transporte de hidrocarbonetos, importante elo da cadeia logística da produção de petróleo. Este cenário leva, muitas vezes, os agentes regulamentadores a emitirem medidas prescritivas para a garantia da integridade dos dutos. Apesar disto e de muitos operadores excederem os requisitos prescritos, muitos acidentes com dutos tem ocorrido. Em resposta a este cenário desafiante, a indústria tem se organizado para sistematizar o gerenciamento da integridade de dutos baseando-se em risco. A norma API STD 1160 - Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines é de aplicação específica para dutos de hidrocarbonetos líquidos instalados em áreas de grandes conseqüências, definidas pela legislação norte-americana, porém nío apresenta uma sistemática de aplicação simples e imediata. Iniciativas para indicar à indústria, metodologias simplificadas de avaliação de risco de modo a proporcionar aos operadores de dutos, ferramentas para a otimização dos recursos de inspeção com vistas à redução do risco, sío bem recebidas e devem ser incentivadas. Neste trabalho é feita uma avaliação da metodologia de IBR para plantas industriais proposta no API 581 BRD, quanto a sua aplicabilidade a dutos. É verificada ainda a sua consistência com as práticas para avaliação de risco usadas pela indústria dutoviária, representadas neste estudo, pelo aplicativo comercial chamado IAP, Integrity Assessment Program. A metodologia do API 581 BRD foi aplicada à 4 oleodutos terrestres de uma unidade de Exploração & Produção, através dos métodos qualitativo, semi quantitativo e quantitativo de análise de risco para IBR e os resultados sío discutidos. Observou-se a limitação do API 581 BRD para aplicação a oleodutos devido à falta de critérios para abordar alguns modos de falha que ocorrem em dutos e para tratar de conseqüências ambientais. Esta limitação decorre das diferenças fundamentais entre o modo de instalação de um duto e de um vaso de pressío. Mesmo assim foram avaliados programas de inspeção para os dutos estudados e os resultados alcançados foram considerados consistentes. Quanto ao software IAP, justamente por ser um aplicativo especialista, recomenda-se o seu desenvolvimento na direção da sistematização da busca de cenários mitigadores de risco otimizados em relação a custo. É proposta uma melhoria ainda mais desafiante, ou seja, a incorporação no algoritmo do IAP, do método do teorema de Bayes para se atualizar as expectativas do avaliador da integridade do duto sobre a evolução de um defeito sob observação, considerando-se a eficácia das técnicas de inspeção empregadas e o tempo decorrido entre uma inspeção e outra. Deste modo, se poderá avaliar diretamente programas de inspeção para dutos com o software IAP, usando-se uma metodologia simplificada similar à proposta no API 581 BRD adaptada para os modos de falha típicos de dutos. Recomenda-se para futuro estudo a aplicação do software em desenvolvimento para a norma API RP 580 a oleodutos para verificar igualmente sua metodologia quanto a adequação e simplicidade.
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Aluno(a) : Ernandes Pereira de Oliveira
Orientador(a): Marcelo Dreux e Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/16/2003
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Resumo: Este trabalho tem como objetivo apresentar um ambiente computacional integrado para a simulação e visualização tridimensional da dinâmica de veículos terrestres, o SVDV. O ambiente está dividido em três módulos: interface gráfica, simulação e visualização gráfica. O módulo de interface, desenvolvido em Visual Basic, gerencia os bancos de dados e serve como ligação entre os módulos de simulação e visualização gráfica. O módulo de simulação permite a inclusío de diferentes modelos de dinâmica de veículos, estando disponíveis atualmente modelos em Matlab/Simulink, Visual C++ e MS Excel. O módulo de visualização gráfica faz uso da poderosa linguagem de programação Maxscript, linguagem de scripts do 3D Studio Max (3DS Max). Com esta linguagem é possível incluir inúmeros efeitos de iluminação, texturização e modelagem, disponíveis no 3DS Max, garantindo um elevado grau de realismo na visualização da simulação.
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Aluno(a) : Bruno Pereira Rosas
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2003
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Resumo: A contaminação do solo nos postos de serviço é um risco ambiental associado à atividade de distribuição de derivados de petróleo que precisa ser controlado. O aumento deste risco está diretamente ligado à idade dos tanques e tubulações e à baixa qualidade na operação dos postos. Tais problemas vêm sendo minimizados ao longo das duas ultimas décadas graças à utilização de equipamentos mais modernos e das crescentes exigências ambientais. Nesta tese foi desenvolvido e testado em laboratório um equipamento de controle ambiental, baseado em tecnologia de sensores a fibra óptica, para a detecção de vazamentos em tanques jaquetados (dupla parede) de produtos derivados de petróleo. A detecção de vazamentos neste tipo de tanque tornou-se uma exigência dos órgíos de proteção ambiental. O uso de tanques jaquetados com sistema de detecção permite que seja evitado o contato dos fluidos combustíveis com o solo, pois, uma vez rompida a parede interna de aço carbono do tanque, o sistema de detecção de vazamento acusa a presença de hidrocarbonetos no interstício do equipamento, informando o operador do posto de serviço da necessidade imediata de manutenção. Outrossim, a discriminação do fluido quando ocorrido o vazamento é importante para que se possa detectar mais facilmente se o rompimento se deu na parede interna ou externa do tanque, possibilitando um rápido diagnóstico e a consequente tomada de medidas corretivas do problema. Com a evolução legislativa no campo ambiental e o foco do Poder Público na garantia de uma maior qualidade de vida, o País está passando por um momento de transição onde, em um curto espaço de tempo, quase que 70 dos tanques em operação deverío ser substituídos. Dessa feita, o equipamento para monitoramento ambiental desenvolvido nesta tese visa também tornar economicamente possível a substituição do atual parque de tanques por novos, já com sensores ópticos incorporados.
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Aluno(a) : Fredy Jonel Coral Alamo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/2003
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Resumo: Neste trabalho um modelo dinâmico para um rotor vertical em balanço, considerando o fenômeno de contato com a sua guarda, é analisado. O conjunto é modelado como um sistema eixo-rotor-estator com contato. A análise do contato é particularmente complexa pela nío linearidade nas equações de movimento. O impact com o estator é levado em conta através do modelo de contato tipo Kelvin-Vôigt, e, as equações de movimento, do rotor, sío deduzidas através da formulação Lagrangeana; estas equações podem capturar os fenômenos devido à vibração lateral, como: precessío direta, precessío retrógada, rolamento eescorregamento. Pela existência de diferentes parâmetros combinados e devido à nío linearidade da equação de movimento, a resposta dinâmica nío é simples de ser obtida à priori. Portanto, métodos numéricos sío empregados para a solução, especificamente emprega-se o método de Runge-Kutta Fehlberg de passo variável. Os resultados da simulação mostram que para certas condições, o rotor pode mudar de órbita devido aos impactos com o estator, podendo chegar a realizar precessío retrógrada. Este tipo de fenômeno é considerado como o mais violento e perigoso nas máquinas rotativas. Com o fim de estudar a dinâmica lateral do sistema, um rotor vertical em balanço com guarda anular é investigado. A passagem dela através de sua velocidade crítica, quando conduzida por um motor elétrico, é analisada (e também quando o sistema opera em velocidades constantes). Além disso, neste trabalho, os resultados experimentais obtidos da bancada de experimentação sío usados para estuda ro fenômeno da precessío.
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Aluno(a) : Carlos Enrique Rivas Aroni
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/20/2003
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Resumo: Esta dissertação trata da modelagem do comportamento dinâmico de cascas cilíndricas laminadas numa faixa considerada de altas freqüências onde o comprimento de onda é menor que a espessura da casca. Nestes casos, as teorias tradicionais de cascas tem problemas para representar com acuracidade a resposta dinâmica destas estruturas. Para superar este inconveniente, empregou-se a teoria discreta de Reddy para compósitos laminados. Esta teoria tem como característica o emprego de funções de interpolação para descrever a variação dos campos de deslocamento ao longo da espessura do laminado. Assim, discretizou-se a espessua da casca em lâminas delgadas na direção radial, impondo condições cinemáticas para cada uma delas. Por isto um estado tridimensional de tensões foi assumido para cada lâmina. Esta técnica permitiu a representação de campos de deslocamentos complexos na espessura do laminado representativos daqueles associados às ondas guiadas em altas freqüências. A equação que governa a dinâmica da casca foi entío obtida no domínio da freqüência a partir da aplicação do princípio variacional, sendo empregado o método de Riccati para solucionar a mesma. A validação da metodologia proposta nesta dissertação foi feita comparando o espectro de freqüência exato com aquele previsto pela teoria aproximada. Desta forma, demonstrou-se que a teoria de Reddy é capaz de representar com precisío o comportamento dinâmico da casca cilíndrica na faixa de alta freqüência. Além disso, os resultados obtidos na faixa de baixa freqüência foram comparados pelo método dos elementos finitos com excelentes resultados.
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Aluno(a) : Diogo Soares Abdulmassih
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/27/2002
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Resumo: Apresentam-se nesta dissertação os principais modelos para análise e simulação de colisões e reconstituição de acidentes, desenvolvidos especialmente para reproduzir a dinâmica de uma colisío de forma adequada. Esse tipo de tratamento está se tornando uma indispensável ferramenta de auxílio nas perícias judiciais e para uma melhor interpretação de problemas de colisío em geral. Os programas desenvolvidos em MATLAB sío baseados na implementação das equações relacionadas à interação entre os veículos, supostos rígidos, que ocorre durante uma colisío e sío aplicáveis aos casos de colisões centrais e oblíquas, gerando resultados válidos e compatíveis aqueles obtidos através da teoria de conservação da quantidade de movimento, e com as medições realizadas após os acidentes.
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Aluno(a) : Joel Vieira dos Santos Jr.
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2002
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Resumo: Grande parte das indústrias e do comércio atacadista e varejista, depara-se com problemas referentes à estocagem de seus produtos em galpões. Visando otimizar as operações de armazenamento e recuperação destes produtos (livros, remédios, CD’s, caixas, pallets etc) e melhorar a utilização dos espação vagos, foi idealizado o desenvolvimento de um protótipo que busca funcionalidade operativa associada a baixo custo. O presente trabalho consiste na construção de um manipulador robótico, controlado através da porta paralela de um microcomputador e composto por guias lineares estruturais, fixadas a um módulo de armazenamento com escaninhos. Para a execução dos movimentos é utilizada a tecnologia de motores de passo, onde dois motores horizontais efetuam os movimentos na coordenada X e um motor vertical, na coordenada Y. Um mecanismo de garras, acionado por motoredutor, foi desenvolvido para a captação dos volumes padronizados (containers). Finalmente, um programa para gerenciamento dos movimentos também foi implementado, com o objetivo de minimizar as operações do manipulador
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Aluno(a) : Flávio Luiz Vaz Vianna
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2002
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Resumo: Esta tese tem como principal objetivo o estudo do comportamento cinemático de um simulador de movimentos de 6 (seis) graus de liberdade, utilizando um novo conceito de análise computacional.Inicialmente, foi apresentado um software comercial, Working Model 3D, que teve seu desempenho matemático validado comparando-se seus resultados computacionais com os de outro software comercial, conhecido como Matlab.Foi introduzido, então, o conceito de mecanismos paralelos. Analisou-se, primeiramente, o mecanismo paralelo planar com três juntas rotacionais, conhecido como 3RRR. Foram feitas as análises cinemáticas e os estudos de algumas singularidades, apresentando-se ainda algumas recomendações para futuros trabalhos. O estudo do mecanismo paralelo usado em aplicações como simuladores de movimentos foi também apresentado, através da análise plataforma Stewart- Gough. A exeqüibilidade deste novo conceito de análise cinemática foi comprovada através de diversas simulações, incluindo o acoplamento de um objeto, representado por um chassi veicular, na plataforma.
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Aluno(a) : Jorge Luiz Countinho Diniz
Orientador(a): José Luiz Freire e Ronaldo Vieira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2002
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Resumo: Segundo Muhlbauer [1], 25 % dos acidentes com dutos sío causados por corrosío. Com o envelhecimento da malha dutoviária, os acidentes tendem a ser mais freqüentes ou seus custos de manutenção majorados. Isto porque as metodologias atuais sío, em sua maioria, demasiadamente conservativas. Com o surgimento de novas técnicas de inspeção e o avanço da microinformática, justifica-se o investimento em pesquisa e no desenvolvimento de metodologias numéricas mais fiéis ao comportamento mecânico do defeito, mantendo a segurança dos dutos e assegurando a competitividade econômica de suas operadoras. Neste trabalho utilizou-se nove espécimes tubulares de aço API 5L X60, com comprimento nominal de 2 m, diâmetro de 323 mm e espessura de 9.53 mm. Nestes espécimes foram usinados defeitos por eletroerosío com o objetivo de simular corrosío. Esses defeitos tinham espessura residual de 3 mm (30% da espessura nominal), 95.3 mm de largura (10 vezes a espessura nominal) e comprimentos entre 250 e 525 mm. Estes espécimes foram instrumentados com extensômetros de resistência elétrica especiais para grandes deformações plásticas e foram pressurizados até sua ruptura. Baseado nas geometrias dos corpos de prova existentes construiu-se modelos para a análise numérica. Esta análise utilizou o elemento sólido de oito nós por exigir um tempo computacional menor que o de 20 nós. Com relação ao elemento de casca, o elemento sólido de 8 nós modela melhor a geometria do defeito e o perfil de deformações elastoplásticas ao longo da espessura. Inicialmente foram feitas análises lineares. Estas foram seguidas de análises nío-lineares, onde utilizou-se as propriedades reais do material de cada tubo. Os valores obtidos nestas análises foram confrontados com os valores experimentais de deformações elastoplásticas medidas, com o objetivo de validar o modelo numérico, obtendo-se boa correlação. Durante a validação do modelo analisou-se o critério de ruptura numérico a ser adotado, a influência de pequenas variações da espessura, a influência do raio de adoçamento entre a superfície externa do defeito e as paredes íntegras do tubo, os incremento ótimos de pressío interna, e a importância do uso das propriedades mecânicas do material específico de cada tubo. Este trabalho faz uma análise completa dos espécimes tubulares, conseguindo desenvolver uma metodologia capaz de reproduzir o experimento. Ponderam-se todos os fatores que influenciam uma análise nío-linear e concluiu-se que a ruptura experimental acontece dentro de uma faixa de valores cujos limites dependem do critério de ruptura adotado. Verificou-se que esta faixa está compreendida entre a pressío que causa tensío equivalente de Mises igual à tensío de ruptura do material no primeiro elemento e a instabilidade numérica, que ocorre quando todos os elementos ao longo da espessura, em qualquer regiío do defeito, atingem a tensío equivalente de Mises igual à tensío de ruptura verdadeira do material. Nos casos estudados, esta faixa teve limites distantes entre si da ordem de 0.4 MPa, abaixo de 2% da pressío de ruptura.
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Aluno(a) : Jorge Luiz Fontanella
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/2002
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Resumo: Esta pesquisa visa ao desenvolvimento de um protótipo de traçadora gráfica, para desenhar sobre uma superfície rígida na posição vertical. A principal aplicação desta traçadora é no segmento de comunicação visual para anúncios em grandes superficies. Com a intenção de atingir alto grau de flexibilidade nesta utilização, a traçadora é concebida para trabalhar em coordenadas polares, dispensando um quadro fixo composto de várias guias lineares como seria o caso de uma traçadora x, y. Numa primeira parte, apresenta-se o layout básico, a construção do protótipo e as equações cinemáticas que governam o movimento. Em seguida, é feita uma análise estática da traçadora e do momento máximo requerido para movimentar o braço, visando à correta especificação dos atuadores. Com base nas equações geométricas utilizadas, foi elaborado um algoritmo de traçado que contempla as nío linearidades inerentes ao problema. Vários testes com figures geométricas foram realizados, para a avaliação do protótipo.
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Aluno(a) : Wagner Mundy Valverde Filho
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2001
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Resumo: Nesta dissertação sío relatadas as etapas que resultaram na construção do protótipo de um sensor acústico a fibra óptica. O trabalho faz parte de um projeto mais amplo visando o desenvolvimento de um medidor de vazío sônico baseado em fibras ópticas. Nesta fase inicial, os esforção foram voltados para a concepção, construção e testes do protótipo do sensor responsável pela deteção dos sinais sônicos emitidos por uma fonte também baseada em tecnologia de fibras ópticas. O uso de um sensor extrínseco foi a solução aqui empregada, que adota uma proposta de medição diferente da utilizada em medidores de vazío sônicos convencionais. O sistema de medição de vazío proposto na linha de pesquisa na qual este trabalho está inserido, baseia-se em medidas de variação de fase, em contraste com o método sônico tradicional, que utiliza medidas de tempo de trânsito para daí inferir a vazío volumétrica do fluido que escoa pelo duto. O sistema foi concebido para operar apenas numa banda estreita de freqüências, casada com o sinal senoidal emitido pela fonte sonora. Neste trabalho um sensor acústico a fibra óptica foi projetado, montado e testado, tendo seu funcionamento sido demonstrado para freqüências de operação em torno de 3,7 kHz. A escolha desta faixa de freqüências deveu-se basicamente a limitações do sistema de leitura optoeletrônico utilizado nos testes de medição. Entretanto, uma vez que o princípio de funcionamento foi demonstrado com sucesso, nío existem a priori limitações para o re-dimensionamento do sensor de forma que este possa vir a operar em bandas de freqüência mais elevadas.
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Aluno(a) : Claudio Wolter
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/25/2001
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Resumo: Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansío ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressío de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para formulação de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, sío apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansío de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização. É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansío e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, sío discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansío como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas nío-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes. Os modos empíricos obtidos através da expansío de Karhunen-Loève sío, entío, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e a robustez deste novo modelo investigada em diferentes situações dinâmicas.
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Aluno(a) : Alexandre Rodrigues Tavares
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/21/2001
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Resumo: Foi desenvolvido neste trabalho um conjunto de procedimentos computacionais com o objetivo de estudar o comportamento dinâmico de veículos terrestres. Utilizando recursos de armazenamento em banco de dados, programas de simulação de modelos dinâmicos e de geração de animações gráficas é possível analisar o comportamento dos veículos, representados por modelos matemáticos consagrados ou que estejam sendo desenvolvidos. A característica mais importante da estrutura computacional implementada neste trabalho é o conceito de modularidade, ou seja, diversos modelos dinâmicos podem ser empregados e simulados, a partir da alteração ou adaptação dos módulos correspondentes, sem que seja necessário modificar toda a estrutura. O ambiente de banco de dados pode armazenar os parâmetros dos veículos e pneus, além da descrição da pista e da trajetória a ser percorrida. O objetivo é que todas as informações pertinentes ao estudo da dinâmica de veículos estejam contidas neste banco de dados, e que futuramente ele se torne um ponto de referência para consultas diversas nesta área. Já o ambiente de animação gráfica permite apresentar a trajetória real percorrida pelo veículo, que depende de suas características dinâmicas, e os seus movimentos típicos, como as rotações em torno dos eixos lateral e longitudinal, além de possibilitar a visualização do contexto no qual o veículo está inserido e o acompanhamento do percuso através de câmeras localizadas em posições escolhidas pelo usuário.
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Aluno(a) : Josélio Alves Machado
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/01/2001
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Resumo: Este trabalho apresenta a modelagem e a simulação de um dinamômetro para motores elétricos empregados nos veículos terrestres em escala, e a especificação dos principais componentes, mecânicos e eletrônicos, necessários para construção de um dinamômetro do tipo "Flywheel". Todos os componentes que compõe um dinamômetro foram modelados matematicamente e simulados individualmente, para posterior simulação do conjunto nas condições de operação dos motores elétricos aplicados em veículos rádio-controlados. Estas simulações, que visam validar os modelos, com o monitoramento das principais variáveis de cada componente do sistema, foram empregados motores cujos parâmetros e desempenho eram conhecidos. Foi desenvolvido ainda um programa em LabView para ler e tratar os dados gerados na simulação, a fim de manipular e exibir o desempenho dos motores em testes.
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Aluno(a) : Elizabeth Roxana Villota Cerna
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/25/2001
Local:
Resumo: O controle ativo de vibrações consiste na supressío ou atenuação das vibrações mediante a adição deliberada de forças de controle ao sistema. O controle ativo de vibrações tem um grande interesse na indústria aeroespacial devido às restrições de peso. As técnicas de controle ótimo nío sío propícias qu ando se tem dinâmica nío-mdelada, incertezas paramétricas e ambientes ruidosos, como é o caso na indústria aeroespacial. Assim, as técnicas de controle robusto parecem mais adequadas. A procura da maior vizinhança em torno de uma dada planta nominal dada para a qual um único controlador produz estabilidade em malha fechada pode ser formulado como o problema de controle H∞. De fato, para muitos problemas de controle que requerem bons desempenhos, como por exemplo, controle de grandes sistemas espaciais , o controle ótimo robusto (controle H2 / H∞ ) é um dos que assegura arobustez em estabilidade e o desempenho ótimo requerido. O presente trabalho considera o problema de atenuação de distúrbios para uma viga flexível simplesmente apoiada. A viga é modela como um sistema de parâmetros concentrados. Um procedimento é estabelecido de forma que se leve em conta o desempenho da viga controlada e a robustez em estabilidade do sistema controlado. O problema de controle foi formulado em um contexto Hilbertiano que permitiu garantir a existência (e unicidade) da solução. Uma aproximação de controlador é calculada através de uma projeção da solução em um espaço de dimensío finita gerado pelo método de Galerkin considerando-se funções racionais como base par um espaço de Hardy ponderado. Resultados da aplicação indicam que o desempenho é fortemente relacionado à estabilidade. Existe um compromisso entre estabilidade e desempenho. Quando se incrementa uma, perde-se na outra.
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Aluno(a) : Eduardo Magalhães Lustosa
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/01/2000
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta uma abordagem pelo método dos elementos finitos para o cálculo da resposta tridimensional, estática e dinâmica, de estruturas unidimensionais total ou parcialmente imersas em um fluido em movimento. A técnica utilizada baseia-se na separação do movimento de corpo rígido dos deslocamentos totais do elemento resultando naqueles que efetivamente causam deformações, consideradas infinitesimais, sob condições de rotações finitas. A posição da estrutura é definida por um conjunto de eixos co-rotacionados e a avaliação das rotações deste sistema é detalhada. O estudo apresentado considera as nío-linearidades decorrentes da mudança de geometria, do acoplamento entre os mecanismos de rigidez axial e transversal e do carregamento hidrodinâmico, considerado proporcional ao quadrado da velocidade relativa entre fluido e estrutura. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a hipótese de pequenas deformações é empregada. Desta forma, a utilização do sistema de coordenadas co-rotacionado permite considerar-se um elemento de dois nós baseado no modelo de viga de Euler-Bernoulli com funções de interpolação dos deslocamentos nodais utilizando os polinômios cúbicos de Hermite e referidos ao sistema convectivo de cada elemento. Na integração de cada elemento. Na integração temporal das equações de equilíbrio, utiliza-se o procedimento passo-a-passo de Newmark juntamente com a técnica iterativa de Newton-Raphson, obtendo-se, a cada instante de tempo, a configuração correspondente ao equilíbrio dinâmico da estrutura discretizada. O procedimento apresentado foi implementado em um programa de computador tendo-se verificado, para diversos exemplos, uma convergência satisfatória entre os resultados do modelo implementado e aqueles obtidos de outros com origem independente.
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Aluno(a) : James Wilson Aliaga Salazar
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/28/2000
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Resumo: Os objetivos deste trabalho sío três: o primeiro é fazer uma revisío suscinta da teoria de sistemas lineares e de estimação de parâmetros que é usada nos problemas de estruturas mecânicas; o segundo consiste no estudo do algoritmo ERA (Eigensystem Realization Algorithm) que fornece uma realização mínima, usando os sinais de entrada (forças, momentos, impulsos) e saída (acelerações); e o terceiro objetivo é desenvolver algumas aplicações tanto numéricas quanto experimentais. Assim, é realizado um estudo dos sistemas dinâmicos determinísticos e estocásticos para fornecer alguns conhecimentos básicos. Da mesma forma, sío apresentados características e propriedades dos estimadores Bayesianos, de máxima verossimilança e de quadrados mínimos. Com esta base, o algoritmo ERA e o algoritmo alternativo chamado ERA/OKID (Observer Kalman Filter Identification) sío descritos. Como o uso de um observador faz com que o problema tenha uma estrutura estatística, o que permite ao estimador trabalhar com ruído, foi estudado o comportamento de ERA e ERA/OKID aplicados numa treliça bidimensional afetada por diferentes níveis de ruído. A última parte deste trabalho corresponde às aplicações, que estío divididas em parte experimental e parte numérica: na parte experimental, foram gerados dois conjuntos de dados a partir de dois experimentos. Em cada um deles, uma treliça tridimensional foi excitada por uma força randômica e foram medidas as acelerações em doi pontos da estrutura. Com um dos conjuntos de dados, identificou-se um modelo de espaço de estado de ordem mínima, usando ERA e ERA/OKID. Compararam-se os sinais de saída gerados pelo modelo identificado e pela estrutura real para cada um dos sinais de entrada. A idéia é obter um modelo de espaço de estado de ordem mínima sem ter que fazer uma modelagem matemática prévia. Na parte numérica é feita uma aplicação do algoritmo RSS (Remote Sensor System) usando um sistema de massas, molas e amortecedores. Este algoritmo, proposto em [42] é famoso porque foi usado para identificar se ocorria algum dano na estação espacial MIR depois de cada processo de acoplamento. No processo de identificação do algoritmo RSS, foram usados ERA e ERA/OKID.
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Aluno(a) : Ana Cristina Cosme Soares
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/10/2000
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Resumo: A fotoelasticidade é uma ferramenta poderosa para análise de tensões em problemas bi e tridimensionais. Nos últimos anos a técnica vem ganhando renovado interesse da comunidade científica devido à adaptação de modernas técnicas de aquisição e processamento digital de imagens. Uma das linhas mais promissoras é a Fotoelasticidade RGB, que entende a cor como uma combinação única dos níveis de intensidade das componentes Red, Green e Blue. Trata-se de uma metodologia poderosa, porém de fácil compreensío e aplicação em ambientes industriais. Uma aplicação tradicional da fotoelasticidade é na inspeção de tensões residuais em componentes de vidro, utilizando-se a Norma ASTM F218. Esta Norma estabelece dois procedimentos para a determinação da ordem de franja isocromática: um quantitativo e outro qualitativo. O vidro tem birrefringência muito baixa, o que faz com que a resposta ótica seja basicamente em tons de cinza. No seu procedimento qualitativo a Norma ASTM F218 recomenda a utilização de um filtro retardador de onda inteira. Com esse simples procedimento, a resposta ótica se modifica. No lugar de tons de cinza tem-se cores em torno da passagem do vermelho para o azul, o que simplifica muito a análise de birrefringência por um operador. A aplicação da Fotoelasticidade RGB para componentes de vidro, transforma este método qualitativo em quantitativo: a cor deixa de ser um parâmetro abstrato, e passa a ser um número. Este trabalho analisa os procedimentos necessários para aplicar a Fotoelasticidade RGB à indústria do vidro. A Norma ASTM F218 recomenda que o filtro de onda inteira, seja inserido com sua direção principal alinhada à direção principal de cada ponto analisado. Foi pesquisada a diferença entre os resultados obtidos, quando a norma é seguida, e quando é utilizado um procedimento simplificado, ou seja, é utilizada apenas uma posição do filtro para analisar todos os pontos. Além disso, o método foi aplicado a dois casos: um esteme e um bulbo de lâmpada. Nos dois casos, foram analisados um componente considerado "bom" e outro considerado "ruim", por seu fabricante, procurando mostrar seus estados de tensões residuais através da Fotoelasticidade RGB.
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Aluno(a) : Alberto Edwin Ildefonso Alvino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/2000
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Resumo: O presente trabalho, propõe um procedimento de Avaliação de Integridade Estrutural (AIE) nível I aplicado a estruturas de grande porte, e relaciona a AIE com a Análise de Risco (AR) através de um modelo de Lógica Nebulosa. A partir de uma AIE nível I o cálculo da Vida Residual (VC) é feito, considerando os fenômenos de danos por fadiga, corrosío e fadiga - corrosío. A VC é comparada com uma Vida Desejada (VD), a qual é obtida da matriz de risco. Se VC é menor que a VD, recomenda-se fazer uma AIE nível II, ou fazer um programa de substituição do equipamento. Se VC é maior que VD determina-se um Tempo de Inspeção (T) baseado na Análise de Risco. A VD, que é a mínima vida residual aceitável em uma estrutura de grande porte, é determinado de uma Análise de Risco. Para isso, o especialista constrói uma matriz de risco, na qual, indicam-se os diferentes níveis de risco aceitáveis para as estruturas. Para cada nível de risco associa-se uma VD e uma probabilidade desejada de falha (Pfd). O presente trabalho propõe duas metodologias para cálculo de VC e T, a primeira baseada em um modelo teórico e a segunda em lógica nebulosa, onde os cálculos e simplificações sío feitos considerando uma AIE nível I.
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Aluno(a) : Sérgio Ricardo Kokay Morikawa
Orientador(a): Arthur Braga e Antonio Lopes Gama
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2000
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Resumo: O uso de sistemas de monitoração em tempo real da integridade de estruturas e componentes mecânicos tem demonstrado um grande potencial como alternativa para técnicas convencionais de inspeção e manutenção. A possibilidade de monitoração contínua de falhas e defeitos pode permitir que sejam evitadas paradas desnecessárias para inspeção durante a operação de equipamentos. Neste trabalho é apresentada uma técnica de monitoração do crescimento de defeitos superficiais em vigas e estruturas utilizando sensores e atuadores piezoelétricos. A técnica proposta baseia-se no uso de cerâmicas piezoelétricas (sensores/atuadores), diretamente coladas na superfície da estrutura, para acompanhar variações na resposta eletromecânica do conjunto à medida que os defeitos se tornam mais profundos. Para avaliar o método proposto, foram realizados experimentos e simulações computacionais em vigas contendo entalhes usinados e trincas de fadiga. O potencial de aplicação da técnica proposta foi também avaliado para aplicações em estruturas reticuladas simples. A partir dos resultados obtidos, foram levantadas correlações entre a queda relativa do sinal e o aprofundamentoo do defeito. Os resultados experimentais e numéricos obtidos, que exibiram uma concordância satisfatória. demonstraram que o método proposto apresenta uma boa sensibilidade e reprodutibilidade. Nesta dissertação, foi também desenvolvido um sistema de aquisição e filtragem de sinais que pode possibilitar o emprego da técnica proposta na monitoração de defeitos estruturais com o componente mecânico sob condições normais de funcionamento.
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Aluno(a) : Juan Mario Paniagua Vargas
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/31/2000
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Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento e testes de um sistema de acionamento de motores de passo em nível de micropasso, utilizando duas tecnologias distintas. A crescente capacidade de regulação e a possibilidade de chaveamentos precisos das correntes de fase dos motores de passo, tem possibilitado o surgimento de acionamento em micropasso cada vez mais eficientes. Com isto, a nociva, e, muitas vezes, limitadora trepidação dos motores de passo operando em passo inteiro ou meio passo, foi grandemente reduzida, fazendo com que este tipo de motores sejam uma solução viável em quase todos os projetos de automação e robótica. Nos acionamentos convencionais, é fundamental o acompanhamento do nível da corrente na fase do motor. Este acompanhamento, por ser realizado em baixos níveis de tensío e na presença de ruído, acaba sendo um sério inconveniente exigindo uma montagem elaborada e eventuais filtros. O presente trabalho apresenta duas propostas de acionamentos em micropasso. Uma, do tipo convencional com realimentação de corrente de fase, e outra, em que a necessidade do acompanhamento da corrente é eliminado. Os testes indicam a viabilidade do novo conceito, apresentando resultados extremamente animadores.
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Aluno(a) : Roberth Waldo Angulo Llerena
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/25/2000
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Resumo: No presente trabalho desenvolveu-se o projeto básico de um Simulador de Movimentos em Escala, que é um equipamento utilizado para reproduzir as excitações de base provocadas pelo movimento sobre o qual um veículo em escala trafega. Utilizando modelos consagrados na literatura, obteve-se a representação matemática do Simulador, que é tratado como 3 subsistemas acoplados entre si, mediante a aplicação de um procedimento baseado no Fluxo de Potência. Para o tratamento dos modelos em escala é empregada a Teoria de Similaridade, através da qual sío determinados números adimensionais que relacionam o sistema real com o seu equivalente reduzido ou ampliado. Sío apresentadas 3 metodologias, das quais duas tradicionais, e uma outra que é conhecida como Método por Inspeção. Aplicam-se estes procedimentos a modelos de veículos com 1, 2, 4 e 7 graus de liberdade. Emprega-se também a Análise Dimensional para achar um modelo em escala do Simulador e do sistema completo, isto é, o conjunto Simulador - Veículo acoplado. Para todos os casos sío realizadas simulações para os modelos real e em escala, utilizando parâmetros típicos encontrados na literatura ou em manuais de operação de equipamentos semelhantes, com o objetivo de verificar o comportamento dos sistemas, determinar a influência da redução ou ampliação do tamanho, e validar os procedimentos empregados.
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Aluno(a) : Tiago Guizzo
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/02/1999
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Resumo: Neste trabalho sío avaliadas as incertezas experimentais associadas à obtenção das propriedades necessárias ao método eN. Além disto, analisa-se o problema da flambagem inelástica nos testes eN. Verifica-se a metodologia tradicional e a metodologia implementada na linguagem ViDa para descrição dos lação de histerese. Discute-se a melhor maneira de obtenção experimental das propriedades mecânicas necessárias ao método eN. Conclui-se que há a necessidade de mudanças, na obtenção das propriedades mecânicas e na metodologia tradicional para descrição dos lação de histerese.
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Aluno(a) : Geraldo Gurgel Filho
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/21/1999
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Resumo: Este trabalho visa avaliar o comportamento dinâmico de um Giroscópio em Suspensío Cardânica com dois graus de liberdade de suas equações de movimento, obtidas analiticamente, considerando possíveis imprecisões de fabricação ou variações na geometria esperada. A partir do resultado de simulações de um sistema real em vôo, pretende-se compará-las com o resultado de simulações realizadas com o modelo analítico e avaliar as causas de possíveis discrepâncias. Assim, analisa-se a influência da variação de parâmetros geométricos na precisío de medição de um giroscópio cardânico de dois eixos sob a ação do sistema em uma manobra de inclinação e sob a ação de uma elevada aceleração linear quando houver uma excentricidade no centro de gravidade do rotor. Duas hipóteses vío ser exploradas, uma idealizando o rotor do giroscópio como livre no espaço, outro imaginando a influência dos quadros da suspensío cardânica, tomados todavia como rígidos. Apresenta-se uma implementação que testa vários parâmetros geométricos, e procura-se adequar a forma de representar os resultados de tal forma que seja possível uma validação do modelo matemático proposto.
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Ingar Valer
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/1999
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Resumo: Este trabalho tem como objetivos principais a apresentação, análise e síntese de sistemas de controle por realimentação de saídas com características robustas. São consideradas incertezas no modelo do tipo não estruturada ( dinâmica não modelada ) e estruturada ( valores desconhecidos nos parâmetros ), distúrbios ( entradas desconhecidas ) e ruídos no sensor. Ênfase especial é dada ao projeto de sistemas de controle implementados usando observadores de estado, que representam um tipo especial de sistemas de controle por realimentação de saídas. Uma revisão dos principais tipos de observadores é feita, incluíndo observadores robustos com capacidade de rejeição e estimação simultânea de distúrbios, comparando suas características através de um exemplo. Logo após, o sistema resultante, quando observadores de estado são introduzidos na lei de controle, é analisado em presença de incertezas, mostrando a limitação na validade do Princípio da Separação. Técnicas modernas de controle robusto são usadas para melhorar as propriedades de robustez dos sistems de controle, entre elas: Recuperação da Função de Transferência da Malha (LTR) e Controle H-infinito. É mostrado também, que através de uma escolha conveniente dos parâmetros livres do controle LQG, é possível sintetizar controladores robustos. Estas técnicas são usadas para resolver problemas específicos no controle de estruturas flexíveis, incluíndo perturbações na entrada da planta, incertezas paramétricas. As técnicas aplicadas no presente trabalho demonstram eficácia e simplicidade.
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Aluno(a) : Alberto Coronado Mattuti
Orientador(a): Rubens Sampaio e Fernando Alves Rochinha
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/1999
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Resumo: Sistemas de isolamento de vibrações sío utilizados numa grande variedade de aplicações (automóveis, edifícios, estruturas espaciais como aeronaves, satellites e em máquinas rotativas) para reduzir a transmissío de vibrações geradas por equipamentos ou transmitidas pela vizinhança a eles. Um isolamento é obtido inserindo-se um componente mecânico (isolador) que desempenha o papel de vínculo entre o sub-sistema que contém a perturbação e o sub-sistema a ser isolado. Duas sío as quantidades geralmente utilizadas para avaliar a efetividade de um sistema de isolamento: a transmissibilidade e a potência. Neste trabalho foi utilizada a potência, sendo esta uma metodologia mais geral que pode ser facilmente utilizada em sistemas complexos, mas tem a desvantagem de uma difícil avaliação experimental. Nesta tese, serío estudados numericamente vários sistemas de isolamento passivo com components rígidos ou flexíveis, os quais serío modelados por suas respectivas matrizes de mobilidade ou impedância. Estas matrizes serío obtidas por métodos analíticos ou numéricos dependendo da conveniência de cada caso específico. Os projetos tradicionais de sistemas de isolamento geralmente consideram uma excitação unidirectional e avaliam somente alguns components da resposta do sistema, isso pelas limitações que impõe o uso da transmissibilidade. Além disso, eles nío dío a devida importância a alguns parâmetros de configuração geométrica do sistema (localização e ângulo de inclinação dos isoladores, localização dos apoios da base, etc.). No presente trabalho, sera mostrada a relevância desses parâmetros mencionados anteriormente no processo de busca configurações ótimas e também se verá como essas configurações sío fortemente dependents do tipo de excitação do sistema, para isso serío utilizadas combinações de excitações harmonicas multidirecionais.
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Aluno(a) : Alvaro Enrique Chavez Alvarado
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/1999
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Resumo: Este trabalho possibilita o desenvolvimento de um protótipo para uma bancada de rotação em escala reduzida pela modelagem, simulação e variação dos parâmetros usando o método analítico e o método dos elementos finites. A estrutura da bancada é composta por duas seções, cada uma delas com três discos (rotores), unidas por um acoplamento. A bancada está ancorada numa base (estrutura), e foi montada sobre uma mesa isolada. As seções sío acionadas por um motor elétrico (CA) monitorado por um inversor de frequência. A avaliação da sensibilidade dos parâmetros do sistema tais como: características de eixo, dos rotores (massas e inércias) e mancais. Forneceram um melhor entendimento do comportamento dinâmico. Os parâmetros do sistema foram escolhidos de tal forma a poder medir o desbalanceamento, empenamento do eixo, anisotropia dos mancais. Com este protótipo de bancada, sera possível estudar as influências do acoplamento e desalinhamento nos mancais em sua operação, procurando-se obter dados experimentais que permitam conhecer o desenvolvimento dinâmico deste tipo de máquinas rotativas (sistemas multirotor-mancais).
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Aluno(a) : Felipe Tavares de Vilhena Brandão
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/12/1999
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Resumo: Neste trabalho sío apresentados modelos para a dinâmica vertical e para a dinâmica lateral de veículos terrestres e desenvolve-se um procedimento para o acoplamento desses modelos. A simulação computacional é empregada para a análise e comparação do desempenho de veículos com suspensío convencional e ativa, quanto à dirigibilidade e estabilidade em curva. É realizado um estudo sobre a influência dos parâmetros típicos dessas suspensões no comportamento das principais variáveis que caracterizam a dinâmica dos veículos, utilizando dados reais.
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Aluno(a) : Luis Paulo Franco de Barros
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/23/1998
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Resumo: Esta Dissertação trata da modelagem dos esforção transmitidos por atuadores piezoelétricos, colados ou embutidos em vigas composites laminadas. O trabalho é motivado por aplicações na area de materiais e estruturas inteligentes. Em particular, procura-se avaliar o comportamento de diferentes teorias aproximadas nas faixas de medias e altas frequencies, quando os comprimentos de onda podem ser da ordem da espessura da viga. Nestes casos, teorias tradicionais de vigas deixam de representar com acuracidade a resposta dinâmica de estruturas composites. Além disso, modelos convencionais que procuram representar os esforção gerados pelo atuador por forces e momentos fletores equivalents, geralmente resultants de uma análise estática, deixam de ser efetivos. Sío estudados modelos baseados na Teoria Clássica de Laminação (hipótese cinemática de Bernoulli-Euler), Teoria de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (hipótese cinemática de Timoshenko) e na Teoria Discreta de Laminação proposta por Reddy (Reddy’s Layerwise Theory). Os três modelos sío escritos na forma de equações de estado, e um método de solução é proposto para se obter a matriz de impedância dos atuadores. Resultados dos modelos estudados sío comparados com os obtidos pelo método dos elementos finites (código ANSYStm). Sío apresentados resultados para atuadores formados por camadas de PZT e alumínio, bem como por camadas intercaladas de PZT, Aramide-Epóxi e Alumínio.
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Aluno(a) : Luciano Gurgel Valente
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/1998
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Resumo: Sistemas de aquisição e visualização de dados multicanais automatizados vêm se impondo como a tendência nas aplicações que demandam a medição e análise de resultados de testes. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema orientado à extensometria com as características mencionadas, e este sistema foi testado em diversas aplicações correlacionadas. Sío analisadas a performance, vantagens e desvantagens dos programas quando aplicados em três diferentes técnicas extensométricas: tradicional utilizando-se Ponte de Wheatstone, medição direta de resistência (ligação em 4 fios), e medição de Tensões Residuais pelo método do furo cego.
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Aluno(a) : Ricardo Birtel Mendes de Freitas
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/1998
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Resumo: Reflexões difusas de uma dada superfície podem ser modeladas acuradamente considerando-se a transferência de energia entre superficies, seguida da aplicação do princípio de conservação de energia. A técnica que implementa esse conceito é chamada de Método da Radiosidade. Imagens realistas de uma cena que contenha em grande parte superficies difusas podem ser produzidas usando-se essa técnica. Por outro lado, o método original é mais apropriado para representação realista de superficies suaves, ou lisas (sem rugosidade). Mas a maioria dos objetos nío possuem superficies desse tipo. Modificar o método básico da Radiosidade levando-se em conta esse fato resultaria em uma tarefa extremamente complexa para se aplicar ao modelo de iluminação global. Um meio termo adequado para se conseguir uma boa representação de superficies rugosas seria a pós-renderização das superficies usando um modelo de iluminação local, feita logo após da aplicação do método básico da Radiosidade. As Técnicas que procuram adicionar detalhes de superfície no nível de iluminação local sío conhecidas por Métodos de Texturização, dos quais podemos citar o Mapeamento de superficies, “Bump mapping” e Texturas procedurais como exemplos. O presente trabalho é uma tentativa de produzir imagens realistas usando uma combinação das duas técnicas descritas. Partindo-se de um pacote gráfico existente que implementa o método básico de Radiosidade, foram feitas modificações no código fonte com o intuito de implementar técnicas de texturização de pós-renderização em dois casos (Mapeamento de superficies e Texturas procedurais). O resultado foi a produção de imagens que, embora nío totalmente corretas (do ponto de vista da conservação de energia), conferem às cenas um maior grau de realismo.
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Aluno(a) : Ricardo Leiderman
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/17/1998
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Resumo: O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de medição de deformações utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. Experiências preliminaries empregando um analisador de espectro óptico comprovaram que a relação entre deformação e translação espectral do sinal refletido pelo do sensor é linear. Baseado neste princípio, foi proposto um circuito óptico para a demodulação do sinal. Este circuito, de construção simples e barata, utiliza uma rede de Bragg como sensor e outra, com largura spectral bem maior, como filtro óptico. Dois fotodetetores sío responsáveis pela recepção do sinal e por tornar o sistema auto-compensável. Dois métodos de calibração do sistema, um numérico e outro experimental, sío apresentados e testados. A partir dos resultados das experiências, sugestões sío feitas no sentido de melhorar os métodos de calibração. A automatização das calibrações e medicos é proposta e um método de separação de efeitos de temperatura e deformação mecânica é apresentado.
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Aluno(a) : Luiz Eduardo Azambuja Sauerbronn
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/09/1998
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Resumo: O propósito da Visío Robótica consiste em permitir que um robô entenda o ambiente em que se situa a partir de informações visuais. O mundo no qual robôs se movem é tridimensional e dinâmico. Ele se altera em função do próprio movimento do robô e do movimento dos demais objetos. A presente Dissertação descreve a implementação de sistema robótico autônomo, que utiliza visío para alcançar objetivos pré-determinados. Consiste, essencialmente, em um robô que carrega consigo uma camera de video. Esta camera transmite as imagens capturadas (por radio) para um micro à distância. Este micro processa a imagem e retorna ao robô (também por radio) os comandos referentes a que trajetória deve ser seguida. Este processo ocorre sucessivamente até alcançar-se o objetivo pré-determinado. A característica multi-disciplinar do projeto reune três areas distintas do conhecimento, sendo elas: Mecânica, Eletrônica (Linear e Digital) e Processamento Digital de Imagens. Descreve-se a implementação de cada area isoladamente e de que forma sío integradas a fim de formar um sistema único.
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Aluno(a) : Walter de Brito Vidal Filho
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/1998
Local:
Resumo: O presente trabalho aborda o desenvolvimento e construção de um protótipo de uma máquina, de baixo custo, para corte automático de materiais flexíveis controlada por computador. A motivação deste é a crescente importância, no contexto da indústria nacional, da manufatura de materiais flexíveis. Enfatiza-se aqui o corte de tecido, apesar da grande variedade de materiais utilizados pela indústria do vestuário. O problema aqui abordado, consiste no controle simultâneo de três graus de liberdade e na escolha da ferramenta de corte que melhor se preste a este tipo de material. O terceiro grau surge na utilização de uma ferramenta de corte por aresta cortante, onde gira-se a ferramenta para alinhar o fio de corte com a tangente à trajetória. No corte de materiais flexíveis como tecido, a fixação do material é um outro ponto crítico. Por sua natureza flexível a fixação de alguns pontos nío garante a rigidez do todo, podendo o mesmo enrugar com a passagem da ferramenta de corte. Como será visto o estudo das alternativas de ferramentas determinou uma configuração de porta-ferramenta e ferramenta que elimina o problema crítico da fixação e simplifica o processo de corte. No sistema computacional de controle procurou-se garantir uma boa precisío do posicionamento, no controle de três graus de liberdade, bem como uma iniciativa de eliminar o terceiro grau de liberdade pelo controle de um porta-ferramenta excêntrico.
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Aluno(a) : Paulo Roberto Rocha Aguiar
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/30/1997
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Resumo: Neste trabalho desenvolve-se a técnica da superposição modal para a solução temporal das equações do equilíbrio dinâmico, resultantes da discretização especial de estruturas pelo método de elementos finitos. Para esta solução numérica sío empregados os auto-pares solução do problema de autovalor generalizado, obtido das características de vibração sem amortecimento das estruturas discretizadas. É proposto um algoritmo e a auto-solução é obtida combinando-se os métodos de Lanczos e QR. Esta solução é utilizada através de uma transformação da base de solução, desacoplar as equações de equilíbrio dinâmico juntamente com o da superposição modal. A análise é desenvolvida considerando-se sistemas sem características de amortecimento, porém, também sío apresentadas soluções analíticas para sistemas amortecidos. O algoritmo foi implementado em computador e alguns resultados numéricos sío comparados com outras soluções analíticas e/ou numéricas verificando-se o desempenho computacional e a aplicabilidade do método proposto na solução de sistemas dinâmicos.
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Aluno(a) : Renato Reis Machado
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/28/1997
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Resumo: As dificuldades para a instalação e proteção de Extensômetros de Resistência Elétrica (EREs) em ambientes inóspitos pelos processos normais de colagem, limitam bastante seu uso. A utilização de extensômetros soldáveis pode reduzir sensivelmente os problemas de instalação e proteção, oferecendo uma ampliação na faixa de utilização e abaixando seu custo. Os ESs sío instalados nos componentes estruturais metálicos a partir de micro-pontos de soldas, gerados por instrumentos soldadores que trabalham através de descargas capacitivas. Estes micro-pontos geram dois efeitos. Um deles afeta a distribuição das macro tensões atuantes na regiío. O outro efeito está relacionado com a mudança na estrutura do material, nas suas propriedades mecânicas, e tem implicações na geometria da superfície. No presente trabalho, procurou-se estudar a influência da instalação de EREs soldáveis na residência à fadiga de ação de baixo carbono, através da soldagem de pequenas chapas finas de aço inoxidável com espessura de 0,1 mm, em espécimes de aço-carbono. Os espécimes utilizados foram retirados de chapas de aço estrutural, utilizados em plataformas marítimas (ASTM A-36 e o USIMINAS SAR-60). Os testes de fadiga foram feitos em uma máquina de flexío rotativa UBM e em uma máquina INSTRON 8501 servo-hidráulica, em tração-tração, ambos em controle de carga. A partir dos resultados obtidos, das análises efetuadas e considerando espécimes com bases de medidas longas, ensaiados sob flexío rotativa e tração-tração, pode-se concluir que estes micro-pontos de solda nío influenciaram de maneira significativa a resistência fadiga dos materiais testados. A ausência de influência destes micro-pontos na resistência à fadiga foi também detectada a partir de avaliações feitas nas regiões de fratura dos corpos de prova, onde a grande maioria aconteceu nas regiões próximas aos ombros dos espécimes. Isto pode ter acontecido devido a: defeitos de usinagem na regiío do ombro, formação de tensões residuais compressivas ao redor dos micro-pontos de solda e fortalecimento da regiío dos micro-pontos pela transformação microestrutural de ferrite em martensita.
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Aluno(a) : Renato de Viveiros Lima
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/20/1997
Local:
Resumo: O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema para controle de motores de passo em nível de micropasso. Embora a performance obtida com os acionamentos convencionais em passo inteiro e meio passo seja satisfatória para muitas aplicações, há um certo número de problemas intrínsecos na operação sob esta forma de acionamento que impedem a generalização do uso dos motores de passo. Assim, a adoção de um ângulo de passo menor que o habitual (micropasso) se mostra uma interessante alternativa para aumentar a resolução e reduzir os problemas de vibração motor. O trabalho descreve o sistema proposto e mostra os resultados obtidos, comparando-o com os sistemas convencionais.
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Aluno(a) : Anchizes do Egito Lopes Gonçalves Filho
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/1996
Local:
Resumo: Nos processos de Automação Industrial, em que se deseja manipular peças sem a intervenção humana, sío necessaries sistemas capazes de reconhecer objetos em zonas de transferência, independentemente do seu posicionamento. Para solucionar este problema selecionou-se um conjunto de características espacialmente invariants baseadas nos momentos invariants de Hu. Para a classificação dos objetos, a partir de suas características, utilizou-se um classificador de distribuição livre por árvore binária de decisío. Esta árvore é gerada automaticamente para cada grupo de objetos a serem reconhecidos. O sistema desenvolvido permite deste modo o reconhecimento de peças variadas ou semelhantes em posições aleatórias.
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Aluno(a) : José Luciano Farias Jr
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/28/1996
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Resumo: Dentre as diversas técnicas, modelos e procedimentos desenvolvidos para a produção de imagens realistas em computador, há um subconjunto que tem como objetivo a síntese de texturas. O presente trabalho realiza um estudo sobre a geração de texturas em imagens realistas produzidas por computador. Aborda-se os conceitos teóricos fundamentais e os principais parâmetros de textura com seus modelos e mapeamentos. Desenvolve-se um sistema de visualização de texturas utilizando o algoritmo de produção de imagens ray-tracing aliado ao paradigma da programação orientada a objetos. Com esta plataforma executou-se uma série de testes que permitiram uma análise dos assuntos tratados.
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Aluno(a) : Carlos Alberto Moreno Barbosa
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/16/1996
Local:
Resumo: Este trabalho considera uma abordagem conjunta de orientação a objetos e teorias de design propostas por alguns autores como fundamentos para uma aplicação real de Engenharia Mecânica. Várias necessidades sío apresentadas durante a sua modelagem, implementação e testes. Estas observações sío reunidas em um modelo genérico para comportar o processo exploratório e evolutivo da atividade de design. O modelo proposto é estruturado com poucos tipos de objetos, porém, estes formam uma eficaz árvore de hierarquias e decomposições de objetos. Esta árvore incorpora tanto os aspectos relativos aos requisitos para o artefato, inerentes aos estágios iniciais do processo, como a sua evolução e a fase final de design onde encontra-se a especificação do artefato em estudo. A abordagem adotada no modelo apresenta novas questões sobre o paradigma da orientação a objetos aplicado para tartar design, como também, propõe abordagens inovadoras a respeito da atividade de design, entre estas, cita-se uma “nova visío sobre o DPS”. Este modelo é apresentado a nível de implementação, em um contexto que visa formalizar um ambiente completo de design.
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Aluno(a) : Marco Antonio Meggiolaro
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/16/1996
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Resumo: Neste trabalho a análise do comportamento de sistemas rotativos do tipo eixo-rotor-mancal é estendida para incluir os efeitos da presença de mancais hidrodinâmicos na resposta dinâmica. Estes efeitos estío associados à nío-linearidade da força de reação exercida pelos suportes sobre o eixo e dependem dos deslocamentos, velocidades transversais e da rotação própria do rotor. A modelagem estrutural do sistema é obtida empregando-se o método dos elementos finites. O eixo é representado pelo modelo de viga de Timoshenko com dois nós, quarto graus-de-liberdade por nó, e a interpolação do campo de deslocamentos é obtida utilizando-se as funções de Hermite. Os rotors sío modelados empregando-se elementos de inércia concentrada associada aos graus-de-liberdade de um ponto nodal do modelo. E, na representação dos mancais hidrodinâmicos utilizou-se a equação de Reynolds, com as hipóteses simplificadoras para mancais curtos, obtendo-se a solução para a distribuição de pressío do filme de óleo em forma fechada. Esta distribuição de pressío permite a obtenção dos coeficientes das matrizes de rigidez e de amortecimento associadas aos graus-de-liberdade do eixo no ponto nodal de representação do mancal. Para a integraçõ temporal do sistema de equações diferenciais utiliza-se o procedimento passo-a-passo, tendo-se implementado os métodos implícitos de Newmark e Wilson-q, na forma incondicionalmente estável. Devido à nío-linearidade das equações obtidas com a presença dos mancais hidrodinâmicos, em cada intervalo de tempo utiliza-se o procedimento de Newton-Raphson modificado para a correção da solução numérica. O desempenho do sistema computacional proposto é avaliado através da comparação das soluções numéricas obtidas com outros resultados analíticos/numéricos disponíveis na literature. Também, uma representação numérica para mancais hidrodinâmicos segmentados é apresentada, utilizando-se o desenvolvimento teórico para mancais simples. Neste caso a avaliação do procedimento numérico é fornecida comparando-se a solução numérica com resultados experimentais obtidos dos rotors de usina hidrogeradora avaliada pelo CEPEL. Em ambos os procedimentos o rotor idealizado de jeffcott é empregado no estudo de casos. Verifica-se que os principais resultados associados aos efeitos da precessío auto-excitada (oil whirl), de chicoteamento (oil whip), e da estabilização dinâmica do sistema sío reproduzidos pelos métodos numéricos utilizados.
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Aluno(a) : Marcelo Areias Trindade
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/24/1996
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Resumo: Este trabalho tem por objetivo apresentar uma introdução à dinâmica de sistemas de multi-corpos compostos por partes rígidas e flexíveis, através da exposição das diversas etapas: Modelagem, Simulação e Controle. A modelagem de sistemas de multi-corpos é apresentada, atentando para os problemas de representação de rotações, caracterização de deformações dos corpos flexíveis e manipulação simbólica para formulação das equações do movimento. A parametrização de rotações é apresentada utilizando parâmetros clássicos como ângulos de Euler e Bryant, parâmetros de Euler e Rodrigues, assim como, vetor rotação, vetor rotação conforme e quaternios. O problema de singularidade das paramerizações é estudado, através da comparação de diferentes parametrizações. Para a caracterização de deformações dos corpos flexíveis é apresentado o método de modos supostos. A formulação das equações do movimento é apresentada utilizando as equações de Lagrange e Maggi-Kane. O toolbox de manipulação simbólica do MATLAB é utilizado para derivar as equações do movimento. O controle linear de sistemas de multi-corpos é apresentado utilizando a representação no espaço de estados. Duas metodologias de projeto de controle sío apresentadas: controle via imposição de pólos e controle ótimo. A simulação de sistemas de multi-corpos é apresentada por meio de alguns exemplos ilustrativos da dinâmica e do controle de multi-corpos, atentando para a escolha do método de integração. Todas as etapas sío realizadas no ambiente do MATLAB, utilizando suas funções de manipulação simbólica para a modelagem, suas funções de linearização e controle para o controle e seus algoritmos de integração e funções gráficas para a simulação.
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Aluno(a) : Claudenize Francisca Japiassú Campos
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/02/1996
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Resumo: É apresentado um algoritmo eficiente para o cálculo da Dimensío Fractal (DF) de imagens digitais, de modo a fornecer valores em toda a regiío teoricamente admissível (DF Î [2,3]). É investigada a possibilidade de utilização deste algoritmo como uma “ferramenta” para identificação de falhas em tecidos. Foram realizados experimentos para verificar a eficiência do algoritmo desenvolvido: em imagens reais e sintéticas; na identificação de parâmetros de variação do cálculo; e na verificação da influência da posição e da rotação do padrío da imagem na estimative da imperfeição.
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Aluno(a) : Ricardo Gaz
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e T.Diana de Macedo-Soares
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/1995
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Resumo: A pesquisa foi motivada pelo fato de, em diversas Companhias Aéreas, ocorrer fratura nos parafusos que fixam os semi-cubos das rodas dos trens de pousos dos Boeing 747. A despeito da especificação de vida infinita preconizada pelo fabricante, a presente investigação, realizada com parafusos disponíveis no Centro de Manutenção (CEMAN) da VARIG, revelou fratura prematura, cuja causa é atribuída à inadequação do projeto. Com base nesta dissertação, foi realizado um estudo de fadiga dos parafusos e recomendações técnicas são apresentadas para evitar a fratura prematura. A sistemática do processo mecânico de manutenção dos parafusos pode contribuir positiva ou negativamente à vida destes. Portanto, complementando o estudo da fadiga dos parafusos, apresentam-se reflexões da prática da Qualidade Total como estratégia de otimização e racionalização do processo mecânico de manutenção dos parafusos, normalmente utilizados no CEMAN.
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Aluno(a) : Douglas Migliano Quaresma
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/13/1995
Local:
Resumo: Neste trabalho a formulação do modelo de elementos finitos para cascas finas axissimétricas é estendida à análise numérica, incluindo os efeitos da nío-linearidade do material, para a modelagem de fenômenos elasto-plásticos. O algoritmo utilizado emprega a solução incremental em um esquema explícito de integração com sub-incrementação da carga no processo iterativo de solução da equação de equilíbrio. Este esquema de integração da solução permite o controle do campo de estado de tensões mantendo a tensío equivalente no interior ou sobre a superfície de escoamento. Na implementação, o método de Newton-Raphson, na forma modificada, é utilizado na solução do sistema de equações de equilíbrio resultante. A cinemática de deformação do modelo utilizado emprega apenas graus-de-liberdade de translação referidos à curva geratriz da superfície média da casca para representar as condições de compatibilidade geométrica da casca. Condições de contorno de continuidade e de fixação, referidas a rotação da normal à casca sío impostas no modelo através do método de penalização. O desempenho do modelo proposto na análise nío-linear elasto-plástica é avaliado através da comparação com outros resultados analíticos/numéricos disponíveis na literatura e discutidas as características de convergência da solução no controle do erro numérico permitido entre duas iterações sucessivas.
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Aluno(a) : Luiz Carlos de Faria Porto
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/07/1995
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Resumo: Um dos processos que mais tem se difundido na área de automação industrial é o processo de corte de chapas. Diversas máquinas de vários tamanhos têm sido desenvolvidas para o corte de inúmeros materiais como aço, alumínio, madeira, couro, pedra etc. Neste procedimento específico, têm sido utilizados os mais diversificados métodos de corte, desde facas em movimento alternativo ou rotativo, até a utilização de maçaricos, jato de água, laser ou plasma. O presente trabalho visa o desenvolvimento de uma mesa de corte de baixo custo para a automatização do processo de corte de chapas plásticas de pequenas espessuras. As aplicações para uma máquina deste tipo são máquinas são mais diversas, com destaque na utilização em fabricação de letreiros luminosos de acrílico. Em termos gerais, o protótipo aqui desenvolvido constitui-se de uma mesa com fresa, sendo movimentada em XY a partir de comandos vindos de um microcomputador. Além de movimentação no plano horizontal XY, existe um terceiro movimento de levantar e abaixar a fresa executado na direção vertical. Uma inovação examinada nesta protótipo, foi a utilização de guias lineares construídas a partir de perfis em C, de alumínio, com uma corrente neles fixada que desempenha o papel de cremalheira para converter o torque do motor em força motriz. Assim, a guia passou a ter a finalidade dupla e simultânea de guia propriamente e elemento de tração, evitando a necessidade de utilização de cabos ou correias. Assim , esta dissertação tem por objetivo descrever os principais elementos do protótipo construído e apresentar alguns resultados dos testes realizados.
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Aluno(a) : Adrian Giassone
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/07/1995
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Resumo: O desenvolvimento de técnicas de reparos com baixos custos vem sendo a tendência dominante na indústria de exploração de petróleo. Um exemplo é o processo de “soldagem molhada”, a ser utilizado em reparos submarinos com custos consideravelmente inferiores à tradicional soldagem seca hiperbárica. Este trabalho tem como objetivo analisar e modelar as características à fadiga de soldas molhadas, comparando o comportamento de dois materiais: o metal de adição resultante do processo de soldagem molhada, e o metal base. A partir deste estudo, torna-se possível obter um conjunto completo de propriedades à fadiga, incluindo dados de fadiga de baixo ciclo e de mecânica da fratura. Estas propriedades foram analisadas e comparadas com dados da literatura. Diversos modelos, anteriormente desenvolvidos, que relacionam as propriedades relativas à fadiga oligocíclica à taxa de propagação de trincas, sío amplamente discutidos, e algumas modificações sío propostas no sentido de melhor ajustá-los aos dados experimentais obtidos.
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Aluno(a) : Leonardo Leal de Sá
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/12/1995
Local:
Resumo: A indústria de confecção vem aplicando cada vez mais equipamentos que visam o aumento da produção aliado à qualidade elevada. Esses, em sua maioria, são máquinas automáticas na etapa que antecede o corte do tecido, ou seja, na criação, desenho e encaixe dos moldes (peças que compõem a roupa). Esse trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um equipamento para captura das imagens dos moldes, com o uso de apenas um sensor ótico. É proposto como uma alternativa para mesas digitalizadoras e scanners de mesa comerciais. Visto que a maioria das empresas possui seus moldes em chapas de acrílico ou cartolina, é interessante a existência de um dispositivo capaz de transportá-los para o computador. A partir daí, ele pode ser trabalhado como uma imagem digitalizada. É apresentado o processo de fabricação, com suas partes mecânicas, eletrônicas e algoritmos de controle e captura das imagens. O custo das imagens. O custo e desempenho final deve estar situado entre a mesa digitalizadora e a scanner de mesa comercial. Ao final, são traçados alguns comentários sobre os resultados alcançados.
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Aluno(a) : Jorge Aurélio Santa Cruz Pastor
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/27/1994
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Resumo: Apresenta-se a formulação de um modelo isoparamétrico para a análise de viga tridimensional por elementos finitos que inclui a cinemática de deformação axial, de flexão, de torção e do empenamento da seção reta. A geometria do elemento e o campo de deslocamentos são aproximados, na direção longitudinal, por funções cúbicas de interpolação definidas na linha central. O elemento possui três graus-de-liberdade de translação e um grau-de-liberdade de rotação em torno do eixo axial da viga que permitem representar as deformações lineares longitudinais e de cisalhamento devidas aos esforços axiais, de flexão e de torção na viga. Além destes um número de graus-de-liberdade generalizados é utilizado na representação do estado de deformações resultante do empenamento da seção reta. Condições de compatibilidade dos deslocamentos entre elementos contíguos ou entre um elemento e uma parede rígida são obtidas através de um procedimento de penalização na expressão da energia de deformação. A condensação estática dos graus-de-liberdade generalizados na matriz de rigidez do elemento permite reduzir o desenvolvimento a uma formulação com quatro graus-de-liberdade por nó. A formulação foi implementada e resultados numéricos são utilizados para ilustrar as características do elemento em representar análises típicas de engenharia com vigas.
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Aluno(a) : Silvio Rogério de Freitas Batista
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/29/1994
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Resumo: O presente trabalho apresenta uma generalização do teorema de Castigliano para a análise quase-estática de treliças inelásticas com dano. É desenvolvida uma formulação abstrata geral para o problema considerando-se qualquer tipo de teoria constitutiva elasto-plástica e elasto-viscoplástica com variáveis internas. Uma técnica de aproximação numérica é apresentada, com base na decomposição aditiva do operador, e um algoritmo de solução é proposto. Finalmente, a teoria proposta é testada simulando-se a ruptura de treliças metálicas submetidas a carregamentos monótonos e cíclicos (fadiga).
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Aluno(a) : Wlasmir Cavalcanti de Santana
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/14/1993
Local:
Resumo: Apresenta-se neste trabalho a implementação de um método adaptativo de refinamento automático de malhas de Elementos Finitos. O método aplica-se a problemas planos da elasticidade linear. Elementos triangulares e quadrilaterais (lineares e quadráticos) sío utilizados. Estimativas de erro a-posteriori sío obtidas através do estimador de erro proposto por Zienkiewicz-Zhu, empregando-se uma técnica de recuperação da solução numérica fornecida pelo MEF (superconvergent patch recovery technique). A metodologia de adaptação da malha emprega o conceito de remalhamento do domínio na forma proposta por Peraire e Zhu para malhas de elementos triangulares e quadrilaterais, respectivamente. Implementa-se um esquema de localização de singularidades presentes no domínio baseado no conceito de concentração da energia de deformação. O uso deste esquema combinado com a metodologia de adaptação permite um processo automático sem a intervenção do usuário durante os ciclos de refinamento da malha. Para demonstrar-se a performance do método sío analisados três problemas: uma viga curta em balanço sob carregamento distribuído, uma placa quadrada com furo quadrado e uma placa quadrada com dupla trinca.
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Aluno(a) : Renato Breder de Carvalho
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/1993
Local:
Resumo: O presente trabalho apresenta uma técnica numérica geral para aproximação do problema de evolução quase-estático em treliças elasto-plásticas com dano. Uma formulação geral e abstrata é apresentada e uma técnica simples de aproximação baseada numa decomposição aditiva do operador associada com um algoritmo sequencial é proposta. Alguns exemplos tratando da análise da falha de treliças metálicas sío usados para mostrar a eficiência do método.
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Aluno(a) : Cláudia Belmiro Proença
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/1993
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Resumo: Este trabalho apresenta um sistema, desenvolvido em linguagem C, para desenho e animação de figuras em tempo real. A técnica de animação por interpolação de quadros-chaves é usada. A interpolação entre figuras pode ser feita linearmente ou por splines. O número de quadros-chaves, a visibilidade dos quadros intermediários, o tempo de exposição dos quadros e a velocidade de animação sío determinados pelo usuário. Introduz-se a idéia de generalizar o número de quadros-chaves que podem ser usados. A esta generalização denomina-se agrupamento, o que possibilita a animação de movimentos mais completos.
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Aluno(a) : Washington José Noberto de Lima
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/30/1993
Local:
Resumo: A escolha da teoria aproximada a ser utilizada na modelagem da resposta dinâmica global de placas compósitas é ditada pelas frequências presentes no carregamento. Para baixas frequências espera-se obter resultados com a teoria clássica. No caso de altas frequências, associadas a comprimentos de onda comparáveis à espessura da placa ou das lâminas, apenas uma teoria tridimensional levando em conta as múltiplas interações (reflexío e refração) ocorrendo ao longo das interfaces entre as lâminas pode oferecer resultados confiáveis. Entre estes limites, o analista tem a seu dispor várias teorias aproximadas utilizando diferentes hipóteses cinemáticas. O objetivo do presente trabalho é comparar as curvas de dispersío de ondas hamônicas em placas compósitas, modeladas por diferentes teorias aproximadas, com o espectro de frequência obtido a partir da teoria da elasticidade linear. Através deste tipo de comparação é possível levantar a regiío de validade no domínio de frequência das diferentes teorias aproximadas. Em particular, sío avaliadas a de primeira ordem (Reissner-Mindlin), a teoria de terceira ordem simplificada proposta por Reddy e a teoria de terceira ordem de Lo-Christinsen-Wu. Procura-se investigar a influência do número de camadas, direção de propagação e lay-out da placa compósita sobre a regiío de validade das quatro teorias aproximadas analisadas.
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Aluno(a) : Marcelo Magalhães Valente
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/29/1993
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta uma teoria de vigas para metais e ligas metálicas a altas temperaturas que leva em conta os endurecimentos cinemático e isotrópico induzidos pela plastificação. Apesar da nío-linearidade das equações constitutivas consideradas, propõe-se uma técnica numérica extremamente simples de solução, válida para diferentes tipos de carregamentos. Desta forma, é possível se fazer, a baixo custo, uma avaliação das tensões atuantes e das deformações permanentes induzidas por carregamentos complexos, o que é um passo fundamental no estudo da integridade de certos equipamentos industriais
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Aluno(a) : Marcio Santos de Queiroz
Orientador(a): João Carlos Espíndola Ferreira e Pedro M.G. Ferreira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/23/1993
Local:
Resumo: O método da dinâmica inversa para o controle de manipuladores robóticos é apresentado. A idéia básica deste método é cancelar as nío-linearidades e acoplamentos, que caracterizam o comportamento dinâmico de manipuladores, através de um modelo dinâmico do mesmo (controlador primário). Com isto, o sistema resultante é linear e desacoplado, podendo ser controlado por técnicas de controle linear (controlador secundário). O método é inicialmente desenvovimento considerando o caso ideal do controlador primário (onde o modelo dinâmico é perfeito) e um PD para o controlador secundário. As implicações de imperfeições no cancelamento das nío-linearidades e acoplamentos do sistema pelo controlador primário sío mostradas. As duas formulações existentes para o controlador primário – “computed-torque” e “feedfoward” – sío descritas. É sugerida uma formulação “híbrida” para contornar os problemas de implementação das duas formulações. Um enfoque maior é dado às versões simplificadas da formulação “computed-torque”, que sío motivos de controvérsia na literatura. Simulações sío feitas para melhor esclarecer esta questío. Em substituição ao PD, é descrito o projeto de um compensador linear robusto a partir do método das fatorações por matrizes próprias e estáveis. O projeto é apresentado com análises mais detalhadas de algumas questões e com correções nos erros encontrados, em relação ao projeto existente na literatura. Análises comparativas com o PD sío feitas.
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Aluno(a) : José Maria Andrade Barbosa
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/22/1993
Local:
Resumo: É considerado neste trabalho um modelo mecânico para simulação do comportamento anisotérmico de materiais inelásticos submetidos a carregamentos dinâmicos. O trabalho tem como motivação o estudo, através de simulações numéricas, dos efeitos da propagação da onda de tensão no meio, e de fenômenos como o aquecimento e a degradação local induzida pelas deformações inelásticas. A equação da energia com seus termos de acoplamentos entre os efeitos térmico e mecânico é incluída na modelagem. A teoria constitutiva utilizada baseia-se na mecânica do dano continuo no contexto de variáveis internas sendo particularizada para materiais elasto-viscoplásticos e aplicado ao caso de uma barra solicitada axialmente. O sistema não linear de equações diferenciais parciais resultante do modelo é resolvido através do uso uma técnica de decomposição do operador que permite a aplicação de procedimentos numéricos clássicos de solução. Dentre estes procedimentos, foi usado no trabalho, o método de Glimm. Exemplos numéricos retratando a evolução do dano e da temperatura induzida pela deformação plástica devido a carregamentos de impacto e de alta frequência, são apresentados e analisados. Comparações entre simulações com os modelos isotérmico e anisotérmico permitem caracterizar as influências da equação da energia e do dano.
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Aluno(a) : Jorge Luiz de Almeida Ferreira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/31/1993
Local:
Resumo: O dano por fadiga de elementos mecânicos ou estruturais submetidos a carregamentos aleatórios é geralmente previsto através da associação da regra de acumulação de danos de Miner com o método “Rain Flow” de contagem de ciclos. O procedimento de contagem de ciclos requer uma história de carregamentos no tempo representativa para cada tipo de componente. As repetições das previsões de danos para várias histórias semelhantes fornecem um dano médio e outras informações sobre sua distribuição. Embor aeste procedimento seja enfadonho e necessite de muitos cálculos, seu tempo de processamento tornou-se muito curto com o emprego das novas gerações de microcomputadores. A gravação de va’rias histórias de carregamentos é, entretanto, um gargalo na aquisição de dados. Isot pode ser contornado aplicando-se a transformada rápida de Fourrier (FFT – através de software ou hardware) para armazenar apenas espectros de potência dos carregamentos monitorados. O dano é entío calculado através de histórias simuladas de carregamentos a partir dos espectros de potência. O presente trabalho compara resultados numéricos à experimentais. Além de analisar diversos aspectos do processo de simulação.
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Aluno(a) : Christoph Bergmann
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/19/1993
Local:
Resumo: Neste trabalho apresenta-se a formulação e implementação de um modelo bidimensional de elementos finitos para análise estática, isotérmica, linear elástica de cascas finas tridimensionais isotrópicas submetidas a carregamentos gerais. A geometria e o associado campo de deslocamentos do elemento quadrilateral proposto sío representados por número variável de quatro a dezesseis pontos nodais definidos na superfície mediana da casca. O modelo emprega a formulação isoparamétrica e a cinemática de deformações da casca é representada por três graus-de-liberdade à translação, definidos na superfície mediana do elemento. Da condição de que segmentos inicialmene retos e perpendiculares à superfície mediana da casca, permanecem retos, normais e inextensíveis durante e após o processo de deformação-teoria de LOVE para cascas finas – as rotações sío definidas nas direções de curvatura principais da casca com os graus-de-liberdade à translação. As condições de contorno de continuidade da rotação da normal à casca entre elementos ou de nulidade da rotação no contorno de um elemento, devido a fixação, sío garantidos utilizando-se o Método de Penalidades. No estado plano de deformações considerado os mecanismos de flexío e distensío da casca sío associados às direções das curvaturas principais em cada ponto da superfície mediana, devido a simplicidade da expressío analítica das equações de compatibilidade geométrica. Soluções numéricas para algumas estruturas, utilizando o modelo proposto, sío comparadas com outros resultados analíticos e/ou numéricos disponíveis na literatura, demonstrando a aplicabilidade do elemento na representação de cascas finas tridimensionais utilizando apenas graus-de-liberdade à translação.
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Aluno(a) : Jack Alberto Silberman
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/28/1992
Local:
Resumo: Esta dissertação propõe um exemplo prático de um sistema robotizado que não necessita de um operador com conhecimentos profundos em robótica. A interface com o usuário é amigável, tanto quanto possível. O objetivo ao final do trabalho é ter um sistema que seja capaz de pegar peças mecânicas com um simples comando dado, usando-se a voz do operador do sistema. Para tanto, realiza-se uma integração de diversos sistemas independentes que, colocados para trabalhar em conjunto, irá proporcionar um certo grau de Inteligência ao sistema como um todo. Foram usados: um sistema de reconhecimento de voz, para permitir que a voz do operador interaja com o controle central, um sistema de reconhecimento de imagens, para possibilitar a identificação de objetos, e um Robô, para manipular pequenas peças. Serão introduzidos os seguintes temas: a digitalização de imagens, explicando-se métodos de reconhecimento de imagens usados em robóticas, a digitalização e o reconhecimento de voz e, finalmente, o funcionamento de um robô servo controlado. Em cada capítulo, vai ser mostrado, a integração do sistema discreto com o computador gerenciador. Este computador gerenciador é o responsável pelo controle dos diversos subsistemas.
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Aluno(a) : Fabiana Rodrigues Leta
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/21/1992
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um ambiente integrado para o estudo de figuras articuladas sobre o efeito de carregamentos dinâmicos. É apresentado um sistema de animação por computador que busca o realismo do movimento a partir da análise dinâmica. Três aspectos sío abordados: o Método dos Elementos Componentes para descrever os efeitos de carregamentos sobre as partes dos corpos articulados; o Método de Aproximação por Diferenças Finitas para analisar o comportamento dos elementos a cada instante e a Computação Gráfica como um meio de representar, através de imagens realistas, os efeitos de movimento das figuras articuladas sobre carregamentos dinâmicos.
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Aluno(a) : Edilberto Strauss
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/21/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho visa estudar a modelagem de sólidos com forma livres. É apresentada uma proposta de fragmentação da modelagem em dois níveis de abstração (inferior e superior). A modelagem no nível inferior de abstração relaciona-se com uma forma tradicional de modelagem, onde o sólido é gerado a partir da definição de seu contorno (Brep). Gera-se um “objeto real” composto exclusivamente de faces planares. O nível superior de modelagem consiste na modelagem de um objeto com seu contorno definido por uma superfície B-Spline periódica fechada (“objeto abstrato”). O “objeto abstrato” é definido a partir da associação das informações paramétricas (uv) com o poliedro de controle da superfície B-Spline periódica fechda, o que permite uma otimização na armazenagem de dados de um objeto com alta complexidade de forma. Todo “objeto abstrato” será associado a um “objeto real” consolidando a perfeita integração entre os dois níveis de abstração.
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Aluno(a) : Paulo Parga Nina
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/13/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho trata da modelagem e simulação numérica de carregamentos cíclicos em estruturas elasto-plásticas. Uma decomposição aditiva do problema contínuo é usada para o desenvolvimento de técnicas por elementos finitos para a aproximação da solução com boas propriedades de estabilidade e que: - consideram a matriz de rigidez constante (exatamente igual à obtida num problema elástico equivalente). Esta matriz de rigidez é montada e triangularizada uma única vez ao longo do processo de solução; - integram as leis de evolução elemento por elemento. A eficiência e utilidade das técnicas numéricas propostas é verificada analisando-se o comportamento cíclico de vasos de pressío e treliças de alumínio AU4G e aço inoxidável 316L.
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Aluno(a) : Wilson Ferreira da Silva
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/1992
Local:
Resumo: O trabalho descreve um método para análise numérica de cabos de aço de geometria complexa. É utilizada a teoria de Costello que permite a obtenção dos esforção e deformações em cabos com alma de aço de qualquer geometria. Discute-se o eeito das formas de construção e enrolamento do cabo. Diversos exemplos sío apresentados. É analisado também o efeito de torção e flexío (passagem por roldanas
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Aluno(a) : Paulo Hoyer da Silva Costa
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/24/1992
Local:
Resumo: O trabalho consiste basicamente na determinação precisa de um modelo matemático do problema de fluido com bolhas usando a Teoria de Misturas clássica. Este modelo é analisado e comparado com o modelo clássico proposto por L. Van Wijngaarden através de suas características acústicas, como velocidade de propagação e decaimento de ondas lineares. O presente artigo foi inspirado na seguinte asserção contida numa publicação feita por Atkin & Craine (1974) sobre teoria de misturas: “Há uma grande dificuldade de comparação do equacionamento usado por Wijngaarden com a Teoria de Misturas”. Notou-se que esta dificuldade provinha: 1o ) da determinação de uma equação constitutiva para a teoria de misturas que tornasse os dois modelos citados comparáveis; e 2o) da escolha de um método de comparação adequado. Tal equação constitutiva foi encontrada e o método escolhido foi o de comparação das características acústicas provenientes dos dois modelos. Como conclusío, observa-se que o modelo construído é capaz de captar a influência da velocidade relativa das bolhas em relação ao líquido. No entanto, a influência da taxa de variação do raio das bolhas nío pode ser introduzida no modelo pois, na formulação de Atkin & Craine (1974), a energia livre de Helmholtz nío pode depender da taxa de variação da massa específica de qualquer constituinte.
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Aluno(a) : Federico Pablo Hubscher
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/17/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho trata da modelagem da fadiga de baixo ciclo de barras elasto-plásticas. O modelo unidimensional proposto é desenvolvido a partir dos princípios básicos da mecânica do dano contínuo. Seu principal objetivo é considerar a influência de vários fenômenos complexos – como a história da deformação plástica, a viscosidade, o endurecimento e o amolecimento cíclico induzido pela deformação plástica acumulada – na vida da estrutura. As equações constitutivas resultantes formam um sistema de equações diferenciais ordinárias nío-lineares e, para um conjunto de condições iniciais dado, a solução é aproximada usando-se um método preditor-corretor de quarta ordem com passo variável. O modelo proposto é verificado através da análise de uma barra de aço inoxidável 316L submetida a carregamentos de tensío nío monotônicos á temperatura ambiente (20o C). Para carregamentos de tensío cíclica com amplitude constante e tensío média nula, as vidas computadas encontram-se em muita boa concordância com aquelas obtidas pelo método e - N clássico. Todavia, a simulação de outros tipos de carregamentos (com tensío média nío nula por exemplo) mostra que o modelo contínuo é mais geral e mais eficaz que os métodos clássicos. Uma das principais vantagens do modelo proposto é que pode ser facilmente estendido a um contexto tridimensional, o que nío pode ser feito de maneira imediata no método e - N. Assim, no futuro, este modelo de dano contínuo poderá ser usado como uma ferramenta simples e acurada no projeto de estruturas mecânicas mais baratas, segura e confiáveis.
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Aluno(a) : Jairo Terra Moura
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/23/1992
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Resumo: O trabalho consistiu no projeto e construção de um sistema automatizado de usinagem (fresamento de topo), destinado à fabricação de modelos fotoelásticos planos com geometrias complexas. O objetivo é munir o Laboratório de Fotomecânica da PUC-Rio de um sistema automatizado e totalmente controlado por um computador IBM-PC, que permita realizar experimentos na área de Análise Experimental de Tensões em geometrias de difícil usinagem manual. Como avaliação do desempenho do sistema construído, foram usinados furos elípticos em barras retangulares de material fotoelástico, e medidos os fatores de concentração de tensões para carregamento uniaxial trativo cuja solucío analítica é conhecida. Finalmente foi feita uma análise dos erros introduzidos pelo sistema de posicionamento automatizado, e foram propostas alterações no sentido de melhoria da qualidade de usinagem.
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Aluno(a) : João Antonio Pires Alves
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/18/1992
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se a formulação geral básica para a análise nío-linear geométrica em estruturas treliçadas tridimensionais, com comportamento material linear elástico, utilizando o método de Elementos Finitos. Especificamente para o caso de elemento de barra, sío obtidas as equações de equilíbrio correspondentes às formulações numéricas Lagrangeana Atualizada e Lagrangeana Total, normalmente empregadas nesse tipo de análise. O regime de carregamento é proporcional, controlado por um valor escalar, sendo preservada a direção do vetor carregamento durante a análise. Todas as configurações de equilíbrio, para os diversos níveis de carregamento, sío obtidos com o processo iterativo Newton-Raphson/Newton-Raphson modificado da equação de equilíbrio resolvida, em conjunto com equações restritivas de deslocamento e carregamento, objetivando o controle interativo desses vetores. Diversos procedimentos utilizados para o controle de magnitude do incremento sío também apresentados e discutidos. Na análise dinâmica de estruturas treliçadas, é utilizada a técnica de integração temporal de Newmark, em conjunto com processo iterativo de solução, incorporando os efeitos de nío-linearidade geométrica. Alguns exemplos numéricos simples sío analisados e os resultados comparados com outras soluções, para demonstrar a aplicabilidade da formulação na análise de nío-linearidade geométrica de estruturas treliçadas.
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Aluno(a) : Luiz Otávio Guerreiro de Castro
Orientador(a): Jose Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/29/1992
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Resumo: Ese trabalho tem como finalidade a apresentação de um método novo e eficiente para a análise e separação de tensões em materiais compostos (conjugados). O método consiste no acoplamento da lei fotoelástica para materiais ortotrópicos com as equações de compatibilidade e equilíbrio para corpos anisotrópicos. As soluções destas equações sío representadas por funções analíticas de variáveis complexas. O método propõe que se aproximem as funções analíticas por funções polinomiais. Estas funções aproximadas sío determinadas através do acoplamento das equações de equilíbrio e compatibilidade com dados experimentais, obtidos da resposta fotoelástica, e com métodos numéricos (Newton-Raphson e mínimos quadrados), possibilitando a determinação dos coeficientes integrantes das funções polinomiais. Sío apresentados resultados obtidos com a aplicação do método desenvolvido em alguns casos específicos, envolvendo um material composto por uma matriz de resina reforçada por fibras de vidro com um arranjo unidirecional.
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Aluno(a) : Alex Sandro Barbosa Passos
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/23/1992
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Resumo: Buscando oferecer aos laboratórios de bioquímica sanguínea um meio rápido e seguro na execução de exames, desenvolveu-se o projeto de sistemas mecânicos de um equipamento que realiza rotinas automáticas de exames de bioquímica sanguínea. Com esse objetivo selecionou-se, entre várias alternativas, uma configuração de montagem dos sistemas mecânicos. Esse sistema mecânico é parte do equipamento, juntamente com o sistema eletrônico de acionamento e controle, além de um sistema ótico para análise espectrofotométrica.
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Aluno(a) : Eduardo Atem de Carvalho
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/1992
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Resumo: A partir das equações de Williams e Creager foi desenvolvido um método computacional para determinação dos fatores de intensificação de tensões em placas planas sujeitas aos Modos I e II de abertura, com ou sem arredondamento na raiz do entalhe. O método se caracteriza pelo acoplamento de um polinômio completo que acrescenta uma distribuição de tensões nío singular às equações que descrevem o campo de tensões na raiz de um entalhe ou trinca. Três programas de computador foram desenvolvidos para cada formulação (William ou Creager): 1o) a partir da configuração das franjas isocromáticas, obtem-se KI e KII e os termos relativos à tensío nío singular; 2o) o desvio relativo a cada ordem de franja é determinado a partir dos termos acima; 3o) a partir dos valores determinados regenera-se as franjas isocromáticas para compará-las com as originais. As formulações foram testadas em modelos de barras com trincas e entalhes (com e sem arredondamento na raiz) e seus resultados comparados com dados disponíveis na literatura. Como fatores de influência na determinação de KI e KII foram estudados: a quantidade de pontos e o ângulo delimitador da regiío de coleta de dados bem como a influência dos termos referentes ao campo nío singular e alguns aspectos do método numérico implementado. Como aplicação estudou-se o caso do corpo de prova tipo Charpy, onde, a partir das equações de Creager e dos valores de KI e KII assim determinados pode-se obter o valor de Kt para uma dada geometria.
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Aluno(a) : Aristagoras Moraes de Castro
Orientador(a): Arthur Martins Barbosa Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/23/1992
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Resumo: O presente trabalho tem por objetivo o estudo de tensões críticas em bocais cilíndricos soldados a vasos de pressío, também cilíndricos, com tampas de geometria cônica submetidos a pressío interna e a um carregamento axial externo. O problema é atacado analiticamente através da teoria de cascas de revolução, particularizada para cascas finas axissimétricas. É utilizado o método de flexibilidade para imposição da continuidade dos esforção e deslocamentos nas junções bocal/tampa e tampa/vaso. Foi desenvolvido um programa de computador que fornece as tensões máximas que ocorrem no bocal, bem como as resultantes de tensío, momentos, deslocamentos e rotações ao longo da estrutura. Observou-se que para uma dada configuração do sistema (diâmetros do bocal e vaso, e ângulo da tampa cônica) existe uma relação ótima entre as espessuras do bocal e da tampa, para a qual o fator de concentração de tensões é mínimo. Esta relação é independente da razío entre os carregamentos axial e a pressío.
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Aluno(a) : Reidson Pereira Gouvinhas
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/11/1991
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Resumo: Este trabalho tem como finalidade apresentar o desenvolvimento de dois protótipos de amortecedores viscosos utilizados na atenuação das oscilações em motores de passo. É apresentada a metodologia para observação do desempenho dos amortecedores frente diversas condições de acionamento e uma análise dos resultados obtidos.
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Aluno(a) : Paulo Pedro Kenedi
Orientador(a): Jaime Tupiassú Pinho de Castro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/11/1991
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Resumo: Este trabalho tem como objetivo a proposição de um modelo que correlacione duas metodologias de projeto à fadiga, o Método e N e a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE), tradicionalmente utilizadas de forma estanque para se estimar a taxa de propagação de trincas de fadiga. Para tal um modelo foi construído a partir de hipóteses e limitações bem estabelecidas, com cada passo explicitamente mostrado e comentado. Alguns aperfeiçoamentos ao modelo proposto foram implementados e seus resultados avaliados. Finalmente através da comparação das curvas geradas pelos modelos com as curvas dos resultados experimentais de 4 materiais, cujas propriedades mecânicas retiramos da literatura, validamos os modelos propostos.
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Aluno(a) : Harith Taha Mohamed Hussain
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/18/1991
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Resumo: A proposta do trabalho é realizar um estudo sobre a viabilização de uma traçadora gráfica à laser, de funcionamento vetorial, para a produção de desenhos de grandes dimensões. A grande vantagem deste conceito é a obtenção de elevada velocidade de risco devido às peças móveis de número e dimensões reduzidas. Uma aplicação típica é o risco de encaixe na indústria de confecção. A recente construção de um protótipo no Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio indicou a viabilidade prática do conceito.
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Aluno(a) : Carlos Alberto Vianna Tavares
Orientador(a): Carlos Edilson de Almeida Maneschy
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/06/1991
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Resumo: Este trabalho apresenta a modelagem teórica e correspondente solução numérica associada ao problema de tensões e deformações em cascas compostas de geometrias arbitrárias, submetidas a carregamento térmico e/ou de pressío. A casca composta é constituída de uma camada viscoelástica reforçada por outras duas elásticas. Apresentam-se as hipóteses adotadas na caracterização térmica e mecânica do material, bem como procedimentos e resultados obtidos na aplicação destas suposições. Problemas envolvendo geometrias cilíndricas e cônicas sío resolvidas com o objetivo de exemplificar a teoria deenvolvida.
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Aluno(a) : Marcelo Ferreira Pinto Ururahy
Orientador(a): Carlos Edilson de Almeida Maneschy
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/1991
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Resumo: Apresenta-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo teórico-numérico baseado na Teoria da Viscoelasticidade Linear capaz de prever as distribuições transientes e residuais dos componentes de tensío e de deformação em um cilíndrico polimérico longo submetido a resfriamento brusco. Descrevem-se, ainda, os procedimentos experimentais adotados com o intuito de se determinarem algumas propriedades térmicas e mecânicas do sistema epoxi DER 331/XG 0103/XB 81215. Finalmente, comparam-se os resultados fornecidos pelo modelo teórico-numérico com os resultados experimentais obtidos através da utilização de uma técnica extensométrica conhecida como “Método de Sachs”.
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Aluno(a) : Antonio Lopes Gama
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/19/1991
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Resumo: Neste trabalho, procurou-se estudar principalmente a influência da rugosidade nas distribuições de tensões de contato. O método da fotoelasticidade foi utilizado para análise dos campos de tensões provocados pelo contato de corpos rugosos. As situações envolvendo o contato de superfícies cilíndricas rugosas com o plano liso foram preferidas em virtude das facilidades apresentadas para confecção dos modelos. Primeiramente, realizou-se um estudo de similitude para definir os termos adimensionais considerando as variáveis físicas relevantes às tensões de contato. Posteriormente comprovou-se que estes termos sío adequados através de ensaios fotoelásticos em que variou-se as dimensões dos corpos de prova, sua rugosidade e materiais, incluindo entre estes o vidro e materiais metálicos combinando-se os últimos com materiais birrefringentes. Os resultados experimentais fotoelásticos mostraram que a rugosidade superficial provoca grandes reduções sobre a tensío cisalhante máxima e consequentemente sobre a pressío de contato. Outros autores, que trabalharam com condições de corregamento e rugosidade diferentes, encontraram reduções bem superiores à dos resultados fotoelásticos. Constatou-se que a rugosidade provoca um aumento da largura de contato entre cilindros, aumentando desta forma a área de contato. Os experimentos fotoelásticos com cilindros também fornecem uma comprovação para a teoria de Lo sobre o contato de cilindros rugosos.
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Aluno(a) : Andrés M. Villafuerte Oyola
Orientador(a): Solly Andy Segenreich e Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/29/1991
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Resumo: A modelagem dos tecidos, assim como sua representação visual tem sido objeto de estudos diversos ao longo dos últimos anos. Uma importante abordagem que serve como ponto de partida é efetuada por Mansfield [10-12], que utiliza a teoria dos campos de tensío aplicando-a ao estudo de membranas perfeitamente flexíveis. O trabalho aqui apresentado, considera os tecidos como membranas inextensíveis com rigidez à flexío muito baixa. Com algumas restrições a teoria dos campos de tensío é usada para modelar o comportamento de tecidos retangulares suspensos verticalmente. A equação diferencial das linhas de tensío fornece os deslocamentos e o perfil das dobras que ocorrem ao tecido no estado pré-flambado. Posteriormente é feita a análise tridimensional dos deslocamentos, com a qual se consegue incluir o estado pós-flambado dos tecidos. É apresentado um sistema de equações que, resolvido iterativamente através de métodos numéricos simples, fornece as variáveis básicas do tecido, número de dobras (n), relação entre a amplitude das dobras do tecido (Q), e o deslocamento máximo na direção z (zmax). É conseguida uma representação, onde as características de maleabilidde, caimento e número de dobras do tecido sío modeladas, levando-se em consideração as suas características físicas (peso, elasticidade, etc.).
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Aluno(a) : Douglas Pohl Martins
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/27/1991
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Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema computacional para ser utilizado na diagramação (encaixe) de figuras planas em cartões retangulares na indústria de embalagens de papel. O sistema aparece como o primeiro passo para a automação total da fabricação de embalagens. Consta de quatro subsistemas: a edição de figuras; a edição de cores das arestas destas figuras; a confecção e edição de encaixes, onde se leva em conta a relação entre as cores das arestas das figuras de acordo com diferentes tipos de problema; a saída destes encaixes por plotter. É apresentada uma discussío detalhada sobre os cálculos de distância entre figuras e sua utilização no esquema de encaixe. Uma série de exemplos gráficos é apresentada cobrindo as diversas situações possíveis.
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Aluno(a) : Peter Tanscheit
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/18/1991
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se a formulação de um modelo unidimensional de elementos finitos para análise estática, isotérmica, linear elástica de cascas finas axissimétricas isotrópicas submetidas a carregamentos gerais. A geometria e o campo de deslocamentos sío definidos a partir de um número variável de pontos nodais, máximo de quatro (4), distribuídos ao longo da linha média da casca na direção longitudinal. Utiliza-se a formulação isoparamétrica e a cinemática de deformações é definida a partir de três graus-de-liberdade a translação definidos na linha média do plano de simetria da casca. O acoplamento da rotação e os graus-de-liberdade a translação é garantida a partir da hipótese de LOVE para cascas finas, em que, segmentos inicialmente retos e perpendiculares à superfície média da casca, permanecem retos, perpendiculares à superfície mediana e inextensíveis durante o processo de deformação. Para se garantir a continuidade entre elementos, ou entre um elemento e um flange, devido aos efeitos de flexío, utiliza-se o Método de Penalidades. A formulação do presente modelo inclui as deformações lineares nas direções longitudinal e circunferencial devido aos efeitos de flexío e membrana da casca, e a deformação angular, todas obtidas em um plano paralelo a superfície mediana de referência da casca, nas direções de curvatura principais. Um carregamento geral periódico, de período máximo 2 h, aplicado ao modelo unidimensional em questío, é representado por uma Função carregamento que pode ser expandida em série de Fourrier no domínio circunferencial da casca. Para acomodar as deformações associadas a este carregamento, a discretização dos graus-de-liberdade a translação deve conter uma expansío em série na direção circunferencial equivalente a do carregamento, mantendo-se a discretização polinomial na direção longitudinal. Esta formulação, permite que carregamentos generalizados na direção longitudinal possam ser aplicados ao modelo. Soluções numéricas de algumas estruturas utilizando o modelo proposto sío comparadas com outros resultados analíticos e/ou numéricos disponíveis na literatura, demonstrando a aplicabilidade do elemento na representação de cascas finas axissimétricas, em geral.
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Aluno(a) : Antonio Carlos Joséde Pinho
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/1990
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Resumo: Buscando oferecer à indústria, uma opção barata e eficiente, é desenvolvido o projeto de um equipamento que busca automatizar prensas convencionais. Com esse objetivo, é selecionada, entre várias alternativas, uma configuração de montagem das partes mecânicas, sío especificados seus componentes, assim como os acionadores que produzirío os movimentos. Como última etapa, é implementado um programa interativo, BRAIN MACHINE, que, após dialogar com o operador, controla automaticamente o posicionamento da chapa e aciona a ferramenta no devido momento.
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Aluno(a) : Marco Antonio Martins Cavaco
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/02/1990
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Resumo: Este trabalho apresenta uma nova técnica para análise de tensões em modelos fotoelásticos planos. Esta técnica baseia-se na determinação de coeficientes para funções de tensío aproximadas através da coleta dos dados extraídos de ordens de franjas isocromáticas e de condições de contorno de modelos fotoelásticos planos. A técnica tem como vantagens a determinação de fatores de concentração de tensões com boa precisío além de permitir a separação de tensões em pequenas ou grandes regiões, de modelos fotoelásticos planos, sem requerer a leitura de franjas isoclínicas. Foram encontrados excelentes resultados em problemas onde haviam isoclínicas. Foram encontrados excelentes resultados em problemas onde haviam concentradores de tensío e no estudo de regiões próximas a cargas concentradas. A determinação dos coeficientes das funções é feita através de um programa escrito em BASIC que utiliza o método de Newton-Raphson em conjunto com o ajuste dos dados por mínimos quadrados. Vários exemplos foram estudados com o objetivo de avaliar sua performance. Entre eles estío: carga concentrada sobre uma superfície semi-infinita, placa infinita e finita com furo circular sujeita à tração, disco circular submetido à cargas diametrais compressivas, viga reta carregada à tração constante e a momento constante e barra com duplo entalhe em “U” submetida a momento constante.
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Aluno(a) : Vânia Regina Velloso
Orientador(a): Carlos Edilson de Almeida Maneschy
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/1990
Local:
Resumo: Neste trabalho é proposto um método numérico de fácil implementação com a finalidade de obter limites inferiores para auto-valores associados com equações diferenciais ordinárias. Este método transforma, sob determinadas condições, a equação diferencial original em uma outra equação diferencial com coeficientes constantes cuja solução analítica é facilmente determinada. É entío mostrado que auto-valores obtidos desta transformação representam limites inferiores para os auto-valores do problema original. Alguns casos práticos serío resolvidos com a finalidade de testar a validade do método.
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Aluno(a) : João Felipe dos Santos Gomes
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/20/1990
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Resumo: Apesar de tensões residuais estarem inevitavelmente presentes em estruturas fabricadas pelos processos convencionais, elas têm sido relegadas a um segundo plano na maioria dos projetos devido a dificuldade em medi-las, levando muitas vezes à necessidade do uso de fatores de segurança muito altos, como ocorre, por exemplo, no projeto mecânico à fadiga. No entanto, o desenvolvimento de metodologias, práticas e confiáveis, para a medição de tensões residuais pode reverter este quadro. Dentre as metodologias experimentais disponíveis, a mais promissora é a furação instrumentada, que foi recentemente normalizada pela ASTM (ASTM 837-85). Neste método, um furo é introduzido em uma estrutura gerando uma redistribuição de tensões que é relacionável ao estado de tensões residuais previamente existente. Como o método exige um acompanhamento, passo a passo, das deformações geradas pelo furo, e os cálculos envolvidos no relacionamento dessas deformações com o estado de tensões residuais sío complexos, foi desenvolvido e qualificado um sistema computadorizado de aquisição e processamento dos parâmetros necessários ao levantamento do estado de tensões residuais em tempo real. Para a qualificação do sistema de medição, houve a necessidade de obter-se espécimes isentos de tensões residuais para que se pudesse realizar um levantamento do limiar de resolução do método, e para que fossem realizadas medidas com estados de tensío bem conhecidos, simulados com o auxílio de carregamentos.
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Aluno(a) : Hugo Mário Tavares Junior
Orientador(a): Edgar Nobuo Mamiya e Rubens Sampaio Filho
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/21/1990
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um estudo do escoamento num meio poroso com fronteira livre. Modela-se o escoamento através da Teoria Contínua de Misturas para um meio homogêneo, isotrópico, rígido, estacionário e saturado com fluido newtoniano incompressível, obtendo-se a equação diferencial que rege o fenômeno de percolação. Considera-se a geometria do meio poroso retangular e reformula-se o problema em desigualdade variacional sobre domínio conhecido via transformada de Baiocchi, onde se elimina a necessiade de se saber a fronteira livre a priori. Discretiza-se o problema pelo método de Galerkin e emprega-se o Métodos dos Elementos Finitos para aproximar o espaço de funções envolvido. Resolve-se o Problema Linear de Complementaridade utilizando um algoritmo baseado num Método de Continuação para Desigualdades Variacionais para encontrar a regiío de escoamento.
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Aluno(a) : Sandra de Almirante Frid
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/20/1990
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um estudo experimental do funcionamento do protótipo de uma traçadora gráfica de grande porte desenvolvida no Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Sío detalhadas as características cinemáticas e dinâmicas do modelo de posicionamento adotado. As respostas de traçados sío analisadas em função de diversas variáveis. É feito um estudo sobre rampa de aceleração e sua influência na qualidade do traçado. Finalmente, é apresentado um algoritmo de traçamento de arcos de círculo, que permite maior versatilidade no seu funcionamento.
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Aluno(a) : Adair Roberto Aguiar
Orientador(a): Edgar Nobuo Mamiya
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/15/1989
Local:
Resumo: Simula-se numericamente o fenômeno de estricção em um bloco sob tração. Supõe-se que o material seja hiperelástico, isotrópico e que tenha uma lei de comportamento descrita pelo modelo de Blatz e Ko para espuma de borracha de poliuretano. Discretiza-se o problema de problema de equilíbio utilizando o Método dos Elementos Finitos clássico. A pesquisa das soluções é realizada por meio da implementação de uma Técnica de Continuação de Euler-Newton, que permite abordar situações onde instabilidades mecânicas, tais como a localização de deformações e o amolecimento, estejam presentes. Finalmente, identifica-se as regiões do material onde estas instabilidades ocorrem.
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Aluno(a) : Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/07/1989
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Fátima Maria Nogueira de Souza
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/01/1988
Local:
Resumo: Neste trabalho apresenta-se a formulação e a implementação de um modelo de elementos finitos unidimensional para análise elástica linear isotérmica de estruturas axissimétricas finitas isotrópicas com espessura variável e submetidas a carregamentos axissimétricos. A geometria do elemento proposto é definida ao longo da linha médica da casca por um número variável de pontos nodais. Emprega-se no modelo a formulação isoparamétrica e a cinemática de deformação de casca é representada por graus-de-liberdade e translação definidos no plano de simetria. As condições de fixação e da continuidade da rotação entre elementos, devido à flexão da casca, são impostas pela utilização de Método de Penalidades. O Acoplamento da rotação com os graus-de-liberdade de translação é garantido no modelo através da hipótese de que segmentos retos perpendiculares à superfície média da casca permanecem retos, normais e inextensíveis após a deformação. Na formulação do elemento incluem-se as deformações lineares nas direções longitudinal e circunferencial da casca devidas aos efeitos de membrana e da flexão. Soluções numéricas de algumas estruturas utilizando o modelo proposto são comparadas com outros resultados Analíticos ou numéricos, recentemente publicados, para demonstrar a eficiência do elemento na representação de cascas finas axissimétricas.
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Aluno(a) : Arnaldo Freitas Camarão
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/1988
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Leda Maria Passos Faria Braga
Orientador(a): Carlos Edilson de Almeida Maneschy
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/1988
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta a modelagem teórica e correspondentes soluções numéricas, associadas ao problema de tensões e deformações num cilindro longo de material viscoelástico, submetido a resfriamento em meio homogêneo. Apresentam-se as hipóteses adotadas na caracterização térmica e mecânica do material, bem como procedimentos e resultados experimentais obtidos na aplicação destas suposições e técnicas para a resina poliéster.
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Aluno(a) : Hayder Taha Mohamed Hussain
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/07/1988
Local:
Resumo: O presente trabalho desenvolve um sistema computacional que, baseado em conceitos algébricos bem simples, discretiza domínios planos de contornos irregulares em elementos triangulares equilaterais ou próximas a estes. A técnica utilizada consiste em gerar faixas consecutivas de elementos triangulares a partir do contorno externo, de tal forma a diminuir consecutivamente a área restante a ser discretizada. O método apresentado envolve várias modificações feitas sobre o método de Sadek como a atualização instantânea do contorno após o processo de geração, cortes sequenciais, teste de interferência, sequência do processo de geração e o cálculo da posição do nó gerado. Vários exemplos gráficos são mostrados.
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Aluno(a) : Antonio Pedro Clapis
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/08/1988
Local:
Resumo: A formulação de um modelo para a análise por elementos finitos, da torção de vigas retas com seção transversal I é apresentada. O modelo de viga isoparamétrico para seções retangulares que não se deformam em seu plano ou fora deste, é estendido para acomodar o empenamento das seções complexas submetidas a carregamentos de torção. Utiliza-se graus de liberdade generalizados na representação do campo de deformações da seção reta e modificações nas relações de compatibilidade geométricas são introduzidas no sentido de acomodar as deformações de cisalhamento devido a rotação da seção. As condições de compatibilidade no engastamento e entre elementos adjacentes devidas a flexão nos flanges são garantidas empregando-se uma técnica de penalidades entre os graus de liberdade de rotação longitudinal no ponto nodal. Implementa-se o modelo numérico demonstrando-se a sua aplicabilidade na representação de problemas de torção linear em vigas retas, com diversas seções, e.g, triangular equilátera, elíptica, retangular, I – simétrica e não simétrica e T.
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Aluno(a) : José Ricardo Rebello
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/30/1987
Local:
Resumo: O presente trabalho visa determinar, experimentalmente,Fatores de Intensidade de Tensões, KI e KII em barras e tubos, submetidos à tração, com trincas situadas: I) Junto ao pé do cordão de solda em barras planas soldadas ortogonalmente com relações comprimento de trinca, a, largura da barra, B, a/B igual a 0,1 e a/B igual a 0,2. II) Próximo à raiz da solda em tubos unidos a 90 graus com relações comprimento de trinca, espessura do tubo principal, t, a/t igual a 0,1; a/t igual a 0,2; a/t igual a 0,3. III) Barras e tubos simples (sem uniões soldadas) tendo as relações a/B igual a 0,1; 0,2; 0,3 e a/t igual a 0,1; 0,2; 0,25 e 0,3. Nos modelos planos, foi feito um estudo comparativo entre espécimes que possuíam entalhes usinados para simular as trincas e espécimes onde forma propagadas trincas de fadiga. Os resultados para as barras forma obtidos utilizando-se a técnica fotoelástica bidimensional e para os tubos, o método tridimensional de congelamento de tensões e corte em fatias. Nas barras os dados coletados foram submetidos aos programas CRACK e FLAW, e nos tubos, apenas ao programa FLAW, para determinação dos valores de KI e KII.
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Aluno(a) : Rogério Athayde Antonelli
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/20/1986
Local:
Resumo: Este trabalho procura estudar materiais compostos constituídos por uma matriz de resina poliéster reforçada por fibras de vidro, com propriedades de ortotropia, transparência e birrefringência, através do desenvolvimento de métodos apropriados para a sua obtenção e sua caracterização mecânica e ótica. O material foi obtido a partir de um tipo de fibra de vidro disponível no mercado nacional: fio Roving 374, da Ocfibras, que serviu de reforço à resina poliéster Crystic 199PA rígida, comercializada pela Leo Glass, que constituiu a matriz. O material desenvolvido teve ambos comportamentos mecânico e ótico estudados através de diversos modelos sujeitos a estados uniaxiais e biaxiais de tensões. A discussão dos resultados obtidos e do método de análise experimental empregado, conhecido como foto elasticidade ortotrópica, levou à conclusão que este método pode ser aplicado com uma precisão razoável (mais ou menos 20 por cento), a despeito das dificuldades relativas à interpretação da resposta ótica do material, que depende da transparência do mesmo e da existência de baixas tensões residuais elásticas.
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Aluno(a) : Geraldo Augusto Filgueiras Junior
Orientador(a): Carlos A. Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/24/1986
Local:
Resumo: Desenvolve –se um método de integração direta para solução temporal das equações de equilíbrio dinâmico resultantes de discretizações utilizando o método de elementos finitos. O algoritmo proposto consiste na generalização do método de Newmark com variação dos parâmetros de integração, permitindo uma redução do erro gerado no período da solução numérica e o aumento do passo temporal de integração. O método resultante é condicionalmente estável e uma análise detalhada do operador de aproximação temporal da solução, permite identificar a flexibilidade do método quanto ao erro introduzido na solução passo a passo. A Análise é desenvolvida considerando-se sistemas não dissipativos, porém conclusões da aplicação do método proposto são estendidas à sistemas amortecidos. O Algoritmo foi implementado em computador e alguns resultados são comparados com soluções analíticas e numéricas disponíveis que ilustram o desempenho e as possibilidades do método proposto.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : João Carlos Espíndola Ferreira
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/25/1986
Local:
Resumo: Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um Sistema de Encaixe de Figuras Planas utilizando a computação gráfica como ferramenta. Além do sistema de edição e encaixe, foi, também, desenvolvido um sub-sistema para o escalonamento automático de figuras. O sistema é todo guiado por menus, com plenas facilidades de correção de erros de entrada. Após a descrição do sistema, são apresentadas algumas saídas gráficas que ilustram a capacidade do programa. Finalmente, apresentam-se algumas conclusões sobre o trabalho, onde são discutidas as vantagens da utilização deste sistema em relação aos métodos tradicionais de encaixe.
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Aluno(a) : Fernando Alves Rochinha
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/26/1986
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Resumo: No presente trabalho é feito um apanhado de teorias de estruturas unidimensionais que não se utilizam da teoria tridimensional como ponto de partida. São discutidos alguns modelos sob a mesma ótica, ressaltando-se seus pontos comuns e suas diferenças. Posteriormente é desenvolvido um modelo exato para estruturas unidimensionais. São discutidos em profundidade medidas de deformação e esforços internos. É tomado um modelo constitutivo elasto-plástico. A modelagem utilizada não faz restrições quanto ao tamanho das deformações e considera a extensibilidade da estrutura. Através de técnicas numéricas simples, conhecidas como métodos do Tiro, são resolvidos alguns problemas de estruturas unidimensionais modelados pela teoria desenvolvida neste trabalho. Dentro destes casos estuda-se o problema da instabilidade, o efeito do cisalhamento para vigas e o comportamento não linear de materiais (plasticidade). Os resultados são apresentados graficamente. Por fim são indicados novos caminhos que dão continuidade a este trabalho.
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Aluno(a) : Carlos Augusto Carpanzano Barcellos
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/19/1986
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Resumo: O principal objetivo deste trabalho foi avaliar de forma quantitativa a aplicação da fotoplasticidade como técnica experimental, na predição das grandes deformações plásticas que ocorrem em componentes metálicos, quando são trabalhados em processos de conformação mecânica. Esta avaliação foi feita através do estudo do problema de extrusão plana. As distribuições das deformações obtidas através da analise fotoplastica foram comparadas com as obtidas técnica de malha, em modelos planos feitos de resinas poliéster e epóxi, chumbo e alumínio. Na procura de determinar o polímero que melhor reproduz o comportamento mecânico dos outros materiais comumente empregados em processos de conformação, várias combinações de resinas poliéster rígida e flexível, e uma nova formulação de resinas poliéster rígida e flexível, e uma formulação de resina epóxi ainda em desenvolvimento, foram estudadas quando submetidas a extrusão plana. Os resultados foram comparados com os obtidos para modelos de alumínio e chumbo, submetido ao mesmo processo de conformação mecânica. Embora outras misturas de resina poliéster tenham tido resultados satisfatórios, verificou-se, que a mistura 70 por cento rígida e 30 por cento flexível modela bem as deformações plásticas que ocorrem na extrusão de materiais como chumbo e alumínio, se fatores de correção adequados forem utilizados.
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Aluno(a) : Marcio Arab Murad
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/1986
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Resumo: O presente trabalho visa dois objetivos. 0 primeiro, didático, é de apresentar algumas versões da Termodinâmica dos Meios Contínuos, elucidando suas semelhanças e diferenças várias formas da segunda lei são apresentadas, questionando-se em alguns casos as suas supostas generalidades. O segundo objetivo, de pesquisa, desenvolve na versão de Serrin os conceitos de Estabilidade Termodinâmica e Exergia, aplicando-os no estudo dos ciclos de Carnot e de Rankine. Através do conceito de função de acumulação introduz-se uma nova maneira de se determinar a eficiência dos referidos ciclos. Ainda na versão de Serrin, aplica-se a teoria de processos de transição no estudo do efeito Joule-Thomson. Os fluidos de trabalho são um gás ideal, caracterizado pela convexidade do seu espaço de estados, e um fluido de Van der Halls, que não possui a mesma característica. Finalmente, no contexto da Termodinâmica de Processos Irreversíveis é feita uma comparação entre as soluções de problemas de condução de calor em meios rígidos e elásticos lineares isotrópicos.
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Aluno(a) : Tiago Ferreira da Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/11/1986
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Resumo: Foi desenvolvido um método computacional para a determinação dos fatores de intensidade de tensão, para os modos de abertura I e II, a partir de configurações de franjas isocromáticas. O método se caracteriza pela generalização na formulação do campo de tensões na vizinhança da ponta de trinca, que busca determinar, além dos fatores de intensidade de tensão, alguns parâmetros significativos do campo de tensões não singular, associados a diferentes geometrias, que interferem no campo singular, próximo à trinca. Um programa de computador foi desenvolvido para a obtenção KI, KII e dos demais fatores considerados. O erro das respostas pode ser calculado a partir das diferentes opções de saída do programa. O método foi testado em modelos de barras com trincas a 90 e 45 graus e os resultados comparados com dados experimentais e analíticos disponíveis na literatura. Como fatores de influência na determinação de KI e KII forma estudados: a quantidade e a posição dos pontos de coleta de dados, e o número de parâmetros considerados no campo não singular. Foram analisados ainda, como exemplo de aplicação ainda, como exemplo de aplicação, três modelos de solda de topo com trincas a 45 e 90 graus com diferentes posicionamentos em relação ao reforço de solda.
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Aluno(a) : João Miguel Truong Dinh Tien
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/1985
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Resumo: No presente trabalho são introduzidas considerações sobre modelos constitutivos viscoelasticos e suas formulações. É apresentada uma teoria de estruturas uni-dimensionais imersas no espaço tri-dimensional, a partir de uma formulação diferencial, permitindo-se a análise de problemas no contexto de grandes deformações.(caracteristicas não-lineares). Adota-se uma lei constitutiva viscoelastica linear, sob forma diferencial. São resolvidos três problemas planos que caracterizam a aplicação do modelo proposto: 1) Viga reta engastada submetida em sua extremidade livre a uma força não-seguidora compressiva cuja direção coincide com a do eixo longitudinal da viga na configuração indeformada. 2) Viga curve bi-rotulada com ambas as extremidades Fixas carregada uniformemente. 3) Viga reta engastada submetida em sua extremidade livre a uma força cíclica perpendicular ao eixo longitudinal da viga na configuração indeformada. Nos dois primeiros problemas é adotada a hipótese quasi-estatica, conservando a influência da inercia apenas no terceiro problema quando é feito um estudo comparativo entre o modelo elástico e o viscoelástico. São propostos os métodos numéricos de solução para os casos viscoelásticos quasi-estáticos - baseados num acoplamento do Método do Tiro (Runge-Kutta de Quarta ordem / Steffensen); considerando o problema espacial, e de Euler Modificado; na evolução temporal - e para o caso dinâmico, valendo-se da aproximação de diferenças finitas para avaliar as velocidades e acelerações.
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Aluno(a) : Paulo Roberto Gardel Kurka
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/14/1985
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Resumo: Desenvolve-se uma técnica para a extração de auto-pares relacionados com a solução de problemas de Elementos Finitos. O algoritmo consiste no uso dos métodos da Iteração Inversa e Gradiente Conjugado para a obtenção do vetor solução associado ao menor auto-valor. As soluções do auto-sistema são calculadas sequencialmente pela modificação da matriz dos coeficientes das equações de equilíbrio do problema através do uso de uma técnica de Deflação. O uso extensivo desta técnica introduz auto-valores múltiplos na matriz dos coeficientes, tornando necessário proceder-se a uma combinação dos dois métodos. É efetuado também um estudo para encontrar vetores iniciais apropriados a serem utilizados pelos métodos. O algoritmo foi implementado e alguns resultados de resolução de exemplos são apresentados, para ilustrar o seu desempenho.
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Aluno(a) : Arthur Martins Barbosa Braga
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/31/1985
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Resumo: Este trabalho procura apresentar e discutir, através do estudo de um caso especifico, alguns aspectos da análise de tensões em tubulações compostas por curvas em gomos. O problema estudado corresponde às condições de operação de um sistema que liga o reator a um vaso de pressão de uma planta de produção de ácido fosfórico. A elevada relação diâmetro/espessura deste duto impede que os procedimentos usuais do cálculo de flexibilidade de tubulações, baseados na teoria de vigas, sejam aplicados. Assim, foi utilizado o método dos elementos finitos através de elementos tipo casca. Esta análise numérica foi validada através de modelagens experimentais - extensometros elétricos e medidas de ovalização num modelo reduzido - e analitica - solução de Kitching. Foram também examinados os efeitos sobre o comportamento da tubulação devido aos flanges e diferentes condições de contorno impostas às suas extremidades. Alem disso, o procedimento de calculo sugerido pela norma ANSI/ASME foi discutido.
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Aluno(a) : Mauro Speranza Neto
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/19/1984
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Resumo: Este trabalho apresenta a abordagem do problema de análise de tensões e deformações em estruturas elasto-plásticas através de técnicas de programação matemática, e alguns métodos de solução deste problema. A determinação da evolução das tensões e deformações que ocorrem em uma estrutura de material elasto-plástico, submetida à um programa de carga que evolui no tempo, é definida por um sistema de equações e inequações obtidas a partir das equações constitutivas do material e das equações de compatibilidade e de equilíbrio da estrutura, formuladas em taxas. Este sistema é equivalente as condições necessárias de Kuhn-Tucker para a minimização de um funcional quadrático com restrições de igualdade e desigualdade. Para a solução deste problema de otimização através de técnicas numéricas, que permitem determinar a cada incremento de carga a evolução das tensões e deformações na estrutura, adota-se uma formulação incremental do problema elasto-plástico, própria para o tratamento numérico.
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Aluno(a) : Lavinia Maria de Moraes Sanabio
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/14/1984
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Resumo: São apresentados os conceitos da análise limite de estruturas, constituídas de material elasto-plástico ideal, objetivando o cálculo da carga de colapso em pórticos planos. As equações cinemáticas, de equilíbrio e constitutivas são estabelecidas em variáveis generalizadas. Ao se definir as condições de admissibilidade plástica é considerada a opção de ter a superfície limite dependendo apenas dos momentos fletores ou da interação entre momentos fletores e esforços normais. São desenvolvidas as equações que definem a superfície limite de perfis retangulares, em I, circulares, tubulares e vigas sandwiche. O fenômeno do colapso plástico é caracterizado matematicamente e identificado como um problema de otimização, mediante a consideração dos teoremas estático e cinemático de carga limite proporcional, que são enunciados como princípios de máximo e mínimo, respectivamente. Sendo a análise limite um problema de otimização, os métodos de resolução utilizados são os da programação matemática, em particular a programação linear dos resultados leva em conta os fundamentos dessa teoria matemática. Como aplicação, são apresentados modelos de pórticos planos, arco e treliças.
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Aluno(a) : Angela Cristina Souza Leão de Salles
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/1984
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Resumo: Este trabalho apresenta a formulação de um elemento recentemente proposto à análise de tubos curvos segmentados. A formulação do elemento inclui os deslocamentos axiais, de flexão, de torção e de ovalização, todos interpolados cubicamente ao longo do eixo longitudinal do tubo. Os efeitos da interação entre seções retas oblíquas de tubos adjacentes são modelados incluindo-se na matriz de rigidez as deformações correspondentes, e utilizando o método de penalidades para garantir a continuidade das rotações devido à flexão da casca ao longo da seção comum aos tubos. As possibilidades e limitações do modelo são ilustradas em algumas análises e os resultados comparados com soluções de outros modelos experimentais, analíticos ou de formulação numérica mais complexa.
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Aluno(a) : Mario Mourelle Pérez
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/1984
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Resumo: Um programa de análise de grandes estruturas treliçadas é desenvolvido utilizando-se a técnica de montagem da matriz de rigidez por blocos, em forma de segmentos de banda. Desta forma, o sistema de equações lineares é armazenado na memória auxiliar do computador. O programa apresenta grande capacidade de resolução, ou seja, múltiplas condições de carregamento são admitidas simultaneamente. A estrutura é analisada no regime elástico linear e a entrada de dados é feita de maneira simples, permitindo o uso de geração automática. Sua estruturação permite a interface com as rotinas de redimensionamento desenvolvidos paralelamente por Hombeeck(1) o resultado final obtido é um sistema (programa de análise e rotinas de redimensionamento) que permite a análise e redução de peso do projeto inicialmente proposto, com a virtude de fornecer resultados compatíveis com os perfis tubulares comercializados através de sua especificação nos dados de entrada. Outro aspecto relevante do trabalho é alocação dinâmica de memória associada á utilização, com o objetivo de armazenar grandes quantidades de dados.
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Aluno(a) : Maria Eugênia Mosconi de Gouvêa
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/1984
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Resumo: Se presenta el problema de localización de los soportes de una tubería como un problema de optimización donde se busca minimizar una media ponderada de las tensiones que actúan en las bocas de los equipamientos lifados a la línea. La localización de estos soportes debe ser realizada de manera que los esfuerzos que actúan en la tubería debido a los varios cargamentos posibles estén dentro de los límites especificados por las normas ANSI. Para el proceso de optimización se hace uso del método de gradientes conjugados aplicado a una función de penalidad que transforma el problema inicial con restricciones en uno sin restricciones. Por último se presentan algunos resultados numéricos.
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Aluno(a) : Heraldo Silva da Costa Mattos
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/1984
Local:
Resumo: Um dos principais limitantes para a aplicação das teorias não-lineares de estruturas unidimensionais tem sido a inexistência de técnicas gerais de solução dos sistemas de equações diferenciais resultantes. Em qualquer das teorias o equilíbrio é modelo por um sistema não-linear de equações diferenciais ordinárias com condições de contorno (lineares ou não) definidas em dois pontos. Este trabalho apresenta técnicas numéricas simples de soluções desses problemas, conhecidas como métodos do Tiro, comentando suas vantagens e limitações. Como exemplo são resolvidos alguns problemas não-lineares de autovalor que modelam o equilíbrio de arcos elásticos. A modelagem utilizada não faz restrições quanto ao tamanho das deformações e considera a extensibilidade da estrutura. Em todos os casos apresentados, para alguns valores do carregamento, são encontradas mais de uma configuração de equilíbrio. Os resultados são apresentados graficamente. Os métodos do tiro permitem a solução de vários problemas não-lineares das teorias de estruturas unidimensionais de forma rápida e precisa, tornando possível a utilização de teorias mecânicas ainda mais sofisticadas.
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Aluno(a) : Almir Silveira de Souza Filho
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/02/1984
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Resumo: No projeto de tubulações que interligam vasos de pressão, reatores, etc., é comum a utilização de curvas para atenuar os esforços que atuam nas paredes dos vasos e reatores. Esses esforços que atuam nas paredes dos vasos e reatores. Esses esforços ocorrem devido aos deslocamentos gerados pela dilatação térmica dos componentes da tubulação. Essas curvas devem, então, possuir grande flexibilidade para a acomodação dos deslocamentos tornando, por isso, menores os esforços nos vasos e reatores. A flexão da curva, provocada pelos deslocamentos, faz surgir, entretanto, tensão normal circuferenciais e longitudinais relativamente grandes quando comparadas à teoria de flexão simples de vigas. Essas tensões são ocasionadas por um fenômeno de ovalização que ocorre em curvas lisas e gomadas. Este trabalho teve como objetivo o estudo da ovalização, das tensões geradas nos tubos curvos compostos por trechos retos (tubos gomados), e da avaliação da confiabilidade dos resultados obtidos para essas tensões. Este estudo foi feito através de uma análise pela teoria de Kitching para tubos gomados; um modelo experimental em forma de U, construído a partir de um tubo de aço de baixo carbono (diâmetro externo de 54mm e espessura de 2.0mm), com uma curva de 176.6mm de raio, analisado pelo método de extensometros elétricos e, finalmente, um modelo analisado pelo Método dos Elementos Finitos. Os resultados obtidos por estes três métodos foram, então, comprados entre si.
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Aluno(a) : Alejandro Andueza
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/05/1984
Local:
Resumo: Neste trabalho é apresentada a formulação do modelo matemático de um elemento com número reduzido de graus-de-liberdade para a análise linear tridimensional de vigas. O elemento possui quatro graus-de-liberdade por ponto nodal, sendo três deslocamentos e uma rotação local da seção reta do elemento em relação ao eixo longitudinal da viga. Os efeitos de rotação local da seção reta do elemento em relação ao eixo longitudinal da viga. Os efeitos de rotação reta devido à flexão são considerados na formulação através da condição de não haver deformações transversais por cisalhamento. As condições de contorno de engastamento e de compatiblidade entre elementos contíguos são garantidas através de um procedimento de penalidade, introduzindo modificações no funiconal da energia potencial total da estrutura, assegurando a compatibilidade entre os elementos. Análises de algumas estruturas simples são apresentadas para demonstrar a eficiência da formulação, e suas soluções comparadas com resultados analíticos ou numéricos. A formulação é proposta de forma a ser facilmente estendida a análises mais gerais que incluam efeitos dinâmicos e de não linearidade do material.
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Aluno(a) : Amaury Fonseca Junior
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/23/1984
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Marcelo Krajnc Alves
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/18/1983
Local:
Resumo: Neste trabalho apresentamos uma teoria de cascas, que inclui a distorção transversal, em uma formulação compacta, para pequenos deslocamentos e deformações. Desenvolvemos, também, 2 elementos finitos que são: 1) Elemento de Viga (Flexão) – onde utilizamos as seguintes interpolações: quadrática para o desenvolvimento transversal, e linear para a rotação. Condensamos, posteriormente, o nó central do elemento. 2) Elemento triangular de Cascas (Placas) – no qual utilizamos as seguintes interpolações: quadrática para o deslocamento transversal, e linear para as rotações e deslocamentos de membrana. Apresentamos inúmeros resultados objetivando mostrar a performance numérica dos elementos finitos desenvolvidos.
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Aluno(a) : Hiroshi Arai
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/07/1983
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um método para determinação de fatores de intensidade de tensão, KI e KII, baseado nas técnicas de Newton-Raphson e mínimos quadrados onde o termo Teta 0x, referente ao campo de tensões distante, é tomado como um polinômio completo em x e y para ajustamento do campo de tensões não singular. Um análise do número e da localização dos pontos utilizados na coleta de dados é feita com intuito de melhor poder-se avaliar sua influencia sobre os valores de KI e KII determinados pelo método proposto. Apresenta-se uma comparação entre as distribuições de franjas isocromáticas obtidas experimentalmente e aquelas plotadas com auxílio de um computador utilizando-se para isto os valores determinados de KI e KII e, também, uma comparação entre os resultados obtidos e aqueles existentes na literatura. Finalmente, o método é utilizado na determinação de KI e KII para o problema da existência de trincas nas proximidades de junções soldadas de placas a 90 graus e 45 graus como exemplo de aplicação.
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Aluno(a) : Antônio Manoel Dias Henriques
Orientador(a): Victor Prodonoff
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/1983
Local:
Resumo: Apresenta-se uma análise não-linear da estabilidade de torres suportadas por cabos. A estrutura é dividida em dois subconjuntos, coluna e cabos, inicialmente estudados separadamente. Na obtenção da matriz de rigidez de estrutura utiliza-se a formulação de viga-colunas e a forma catenária dos cabos, com uma relação força-deslocamento não-linear. A solução é obtida supondo a linearidade do sistema entre dois estados consecutivos no processo iterativo. Coeficientes da flambagem são calculados para três casos individuais: variação de carga vertical de peso próprio e compressão devido aos cabos, variação da carga horizontal de vento, e para o momento de inércia crítico da coluna.
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Aluno(a) : Dauro Braga Noronha Jr.
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/31/1983
Local:
Resumo: Neste trabalho, apresenta-se uma nova proposta para forma de bocais radicais de vasos esféricos tal que as tensões de flexão devidas a um carregamento axial sejam as mínimas possíveis. Investigam-se os esforços de flexão oriundos da compatibilização entre o bocal e o vaso utilizando a técnina dos elementos finitos com um elemento curvílineo com três nós e um campo de deslocamentos com quatro variáveis. Obtem-se, também, a distribuição de tensões proveniente da pressão interna para o bocal ótimo para esforço axial. Considera-se a união tubulação-vaso esférico com espessuras diferentes utilizando um local com a mesma forma de meridiano dos bocais ótimos, tendo, porém, espessura de parede variável. Tendo como objetivo a comparação com os bocais ótimos, anali sam-se, também, os bocais tradicionais. A nova geometria mostrou-se, para os casos usuais de carga, superior á convecional, no que se refere aos níveis de tensão alcançados.
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Aluno(a) : Jorge Dias Lage
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/1982
Local:
Resumo: Três tipos de resinas poliéster comercializadas no mercado brasileiro foram analisadas em modelos sob carregamento e após descarregamento para diferentes estados de tensões e deformações, visando sua aplicação em fotoplasticidade. As resinas Leoglass 130PA e Polylite T-208 tiveram seu comportamento mecânico a comportamento mecânico a compressão avaliado em termos da variação do módulo de elasticidade e da tensão de escoamento com a temperatura e taxa de deformação. Os comportamentos mecânico e ótico de misturas de resinas Crystic 199 (rígida) e 279 (flexível) forma mais profundamente estudados através de ensaios uniaxiais. Biaxiais, de flexão e em modelos de indentações bi e tridimensionais. A discussão dos resultados obtidos e do método de análise de deformações por fotoplasticidade levou à conclusão que este método já apresenta boa confiabilidade, embora problemas como o das tensões residuais elásticas e o da determinação quantitativa da variação do parâmetro ótico Fe (valor de franja) durante carregamento, entre outros, ainda necessitem de estudos mais detalhados.
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Aluno(a) : Paulo Afonso Costa Filho
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/27/1982
Local: DEM
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Ronaldo Domingues Vieira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/07/1982
Local:
Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um material nacional constituido de misturas de resinas poliéster CRYSTIC rígida e flexível, para ser utilizado em Fotoplasticidade. Foi feito um estudo completo sobre o método de fundição e sobre o comportamento mecânico e ótico. Através de ensaios uniaxiais de tração e compressão, compressão diametral de discos e flexão pura de barras,estudou-se as influências da composição do material (teor de resina flexível na mistura) e de parâmetros de ensaio nos comportamentos mecânico e ótico, durante ciclos de carregamento e descarregamento e após descarregamento. A Técnica Fotoplástica Tridimensional, que analisa fatias de modelos descarregados, e que procura simular problemas de Conformação Mecânica de metais, foi aplicada à compressão plana de barras. Com o objetivo de se comparar resultados, realizou-se o mesmo ensaio em barras de alumínio e empregou-se, para o mesmo exemplo, um programa não linear de elementos finitos (NONSAP), baseado nos critérios de Von Mises, Tresca e Drucker-Prager. Esta comparação de resultados permitiu concluir que a Técnica Fotoplástica, utilizando as misturas de resinas poliéster CRYSTIC, é eficiente na determinação de deslocamentos e deformações plásticas em problemas de forjamento.
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Aluno(a) : Fernando José Cardoso Saldanha Cunha
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/14/1981
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Arthur Muller
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/07/1981
Local:
Resumo: Consiste este trabalho na elaboração de um elemento finito de simples aplicação para placas e cascas. Por apresentar um campo de rotações independentes do de deslocamentos, pode se utilizar polinômios de interpolação bastante simples, tendo-se adotado os de segundo e terceiro grau. Uma penalização implícita no funcional energia total permite que, no limite para cascas finas, as hipóteses de Kirchoff – Love sejam automaticamente satisfeitas.
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Aluno(a) : Fulvio Enrico Giacomo Chimisso
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/24/1981
Local:
Resumo: Utilizam-se métodos de energia para a análise das resultantes de tensões que surgem em cascas esféricas de pequena espessura, submetidas a pressão interna. A análise é conduzida, aplicando o princípio da Energia Potencial Mínima, primeiramente através do método de Ritz e, logo após, através da descretização do vaso em elementos finitos, aproveitando a simetria da casca e utilizando um elemento curvilíneo. São obtidos resultados numéricos, estudando-se o comportamento dos esforços e distribuições dos mesmos, para calotas esféricas com engaste circunferêncial na base. Admitem-se variações na posição do vínculo assim como a presença ou não de um apoio elástico com espessura constante ou variável.
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Aluno(a) : Carlos Edilson de Almeida Maneschy
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/24/1981
Local:
Resumo: Neste trabalho são estudados diferentes tipos de estruturas sujeitas a carregamentos térmicos e sob condições de apoio distintas, com o objetivo de analisar o mecanismo de Thermical Ratchet. Tal fenômeno é previsto no aspecto de segurança de usinas nucleares, uma vez que vasos de pressão e tubulações podem sofrer deformações permanentes devido a diferenças térmicas. Um primeiro modelo estuda o comportamento de um conjunto de dois tubos ligados por suas extremidades e sujeitos a variações lineares de temperatura ao longo de suas seções transversais. Também são determinadas condições para que ocorra acúmulo de deformações plásticas. O terceiro modelo simula um vaso cilíndrico livre ou ligado à um flange a variações térmicas lineares na espessura, através do estudo de vigas sobre base elástica. Neste caso não se admite a estrutura sofrendo ciclos de temperatura e apenas o comportamento para o caso de aquecimento ou resfriamento é estudado.
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Aluno(a) : Fernando Augusto Mourão Villas-Boas
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/1981
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Jayme Pereira de Gouvêa
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/12/1980
Local:
Resumo: São obtidas expressões analíticas para a análise de tensões atuantes em cascas esféricas submetidas aos carregamentos de pressão interna, peso próprio e pressão hidrostática. Apenas a teoria de membrana é utilizada. O vaso esférico pode ser apoiado por um suporte elástico ou por colunas. O problema de uma calota apoiada num sólido elástico semi-infinito também é estudado. Para estas considerações, são utilizadas teorias de flexão para carregamentos axissimétricos aplicados na borda e para carregamentos arbitrários, como também são estudados deslocamentos, em sólidos semi-infinitos, devido a carregamentos axissimétricos ao longo de um anel.
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Aluno(a) : Marcellus Geraldo de Araújo
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/20/1980
Local:
Resumo: É desenvolvido um programa de computador para minimizar o peso de pórticos planos submetidos a carregamento no plano, sendo possível a consideração de várias hipóteses de carga. As estruturas sintetizadas satisfazem as especificações do AISC – American Institute of Steel Construction que são usadas como restrições do problema de otimização. Faz-se uso de um algoritmo de redimensionamento baseado no Critério de Otimalidade, no qual as restrições de desigualdade são transformadas em restrições de igualdade pela inclusão de variáveis de desvio. Exemplos numéricos são apresentados e discutidos.
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Aluno(a) : José Eduardo de Almeida Maneschy
Orientador(a): Luiz Bevilacqua
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/18/1980
Local:
Resumo: Neste trabalho é estudado o problema do chicoteamento de tubulações de alta energia após a ruptura em guilhotina. O modelo físico é representado por uma viga em balanço sujeita à ação de uma força impulsiva aplicada em sua extremidade livre, e por um suporte projetado para absorver a máxima energia cinética associada ao tubo. O método de análise é baseado na teoria de Bernoulli para hastes retas em combinação com a lei momento-curvatura bi-linear para o tubo. A viga é discretizada em elementos finitos uni-dimensionais, e a solução das equações do movimento são obtidas através do procedimento passo-a-passo para a discretização temporal (Newmark). O suporte tem comportamento rígido-plástico. São investigadas as influencias da folga entre o tubo e o suporte, e da relação momento-curvatura na resposta dinâmica do problema.
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Aluno(a) : Jaime Tupiassú Pinho de Castro
Orientador(a): Visvanatha Sundararajan
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/18/1977
Local:
Resumo: Este estudo é uma investigação experimental das vibrações flexurais de uma viga em balanço causadas por impactos axiais.Uma série de medidas foi feita usando-se uma viga de aço inoxidável submetida a impactos de diferentes magnitudes,aplicados através de um arranjo massa-pêndulo. A amplitude dos impulsos foi variada mudando-se o peso e o ângulo de lançamento da massa do pêndulo. Para a gama e a característica dos impactos utilizados nesta investigação,concluímos que a amplitude dos impulsos aplicados é o parâmetro relevante da resposta transversal da viga. As máximas tensões de flexão e os máximos deslocamentos laterais relacionam-se linearmente com a amplitude dos impulsos axiais aplicados.Não foi observada nenhuma instabilidade dinâmica,no sentido de deslocamentos laterais excessivos, na gama de impulsos utilizados nessa pesquisa.
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Aluno(a) : Carlos Alberto de Almeida
Orientador(a): Henner Alberto Gomide
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/07/1976
Local:
Resumo: O desenvolvimento de um modelo fotoelástico com módulo de elasticidade variável, é objeto deste trabalho. O material utilizado foi obtido a partir da resina epoxi (Cy-205-CIBA) com a combinação dos endurecedores anidrido ftálico e anidrido maleico. Obtidas as curvas de nível do módulo de elasticidade, temperatura crítica e coeficiente de dilatalção térmico para materiais com diferentes partes em peso dos enducedores, pode-se escolher por supersição dessas curvas materiais com mesma temperatura crítica e expansão térmica a essa temperatura. Feita a colagem dos materiais, foi analisado o efeito das tensões térmicas durante o aquecimento até alcançarem a temperatura de congelamento(crítica) e discutidos os resultados. Este trabalho destina-se a fotoelasticidade tridimensional para a análise e congelamento de tensões em materiais diferentes módulos de elasticidade, minimizando-se os efeitos causados por diferentes nos coeficientes de dilatação térmico.
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Aluno(a) : José Carlos Balthazar
Orientador(a): Henner Alberto Gomide
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/1975
Local:
Resumo: A concentração de tensões nas extremidades de cilindros montados com interferência é muito pouco conhecida. Neste trabalho estudou-se a concentração de tensões na extremidade do cilindro oco. Foram analisadas várias relações de diâmetros e diferentes posições do cilindro interno, utilizando o método fotoelástico tri-dimensional. Os modelos foram construídos usando resina epóxi e anidridos ftálico e maleico como endurecedores. Após o congelamento das tensões retirou-se fatias para análise no polariscópio. Para o cálculo das tensões foi usado o método da diferença das tensões cisalhantes. Os resultados são apresentados em gráficos e analisados.
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Aluno(a) : José Gonçalves de Almeida
Orientador(a): Jules Ghislain Slama
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/1975
Local:
Resumo: O presente trabalho se refere a uma anáise experimental da influência das pré cargas de flexão e torção combinadas, na resistência à fadiga dos aços quando submetido a uma flexão plana variável. Verificou-se que as pré cargas de flexão e troção combinadas tem pouca influência na resistência a fadiga para vidas (10)3 menor que N menor que 10 ciclos. Nesta faixa a maior influência foi de 13,97 por cento correspondendo a uma vida n mais (10)3 ciclos e uma pré carga uniaxial equivalente o m igual a 45,8 kgf/mm2, Todavia, para uma vida n maior que 5x10 ciclos não se verifiou nenhuma influência com pré cargas variando de 0 a 63,7 kgf/mm2. Por meio de testes de hipótese, com uma confiança Y igual a 90 por cento, constatou-se que não existe influência com pré cargas quando 17,4 menor que o mi menor que 63,7 kgf/mm2. Isto se deu para qualquer valor de N entre (10)3 e 10 ciclos. A teoria de falha adotada foi a teoria da máxima energia de distorção aplicada, separadamente, as componentes alternadas e médias. O corpo de prova utilizado tem um acabamento superficial de retificação fina, uma concentração de tensão a fadiga de 1,1 por cento (que foi considerada desprezível) e um diâmetro digual a 6 mais ou menos 0,5 mm na secção efetiva. O carregamento na região efetiva é de flexão pura tanto para a pré carga de flexão quanto para a componente alterada. Na análise estatística dos resultados utilizou-se a função de distribuição de Weibull, de grande aplicação no estudo de fadiga. A máquina utilizada faz parte deste trabalho e é de concepção original.
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Aluno(a) : Edival Ponciano de Carvalho
Orientador(a): João Luis Pascal Roehl
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/1975
Local:
Resumo: Este trabalho se propõe a estudar o comportamento de máquina operatriz sob condições reais de operação, tendo em vista sua estabilidade de funcionamento. É analisado o efeito da variação da força de corte sobre a estrutura elástica de uma Furadeira Radial de Bancada, através da interpretação da Curva de Ressonânica, do Lugar Geométrico de Resposta Harmônica e do Diagrana de Estabilidade. E este último indica as faixas de velocidade de operação onde não há risco de instabilidade, em função do diâmetro e do avanço da broca. No final, é apresentada uma proposta de Teste de Aceitação para Máquinas Operatrizes, englobando aspectos dinâmicos e construtivos.
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Aluno(a) : JoséLuiz de França Freire
Orientador(a): Henner Alberto Gomide
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/05/1975
Local:
Resumo: Foram determinados experimentalmente fatores de concentração de tensões teóricos para placas e eixos com entalhes simétricos e circunferenciais em U sujeitos à combinação de esforços de flexão e tração, para as placas e, flexão e torção para os eixos. Os fatores obtidos foram plotados em gráficos para comparação com fatores determinados aplicando-se o princípio da superposição. Foram utilizadas as relações geométricas D / d = 1,5; 1,25; 1,10 e r/d = 0,30; 0,25; 0,20 para as placas. Para os eixos utilizaram-se apenas as relações 0/d = 1,3 e r/d = 0,25. Também foram obtidos fatores de concentração de tensões para os esforços puros e seus valores comparados com resultados já publicados. Os resultados para as placas foram obtidos a partir da fotoelasticidade bidimensional. Foi empregado o método fotoelástico tridimensional de congelamento de tensões para os eixos. Neste caso, os modelos foram cortados em finas fatias para separação das tensões. Para o estudo tridimensional foi utilizado um material desenvolvido no laboratório de Fotomecanica da PUC-RJ.
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Aluno(a) : Clóvis de Albuquerque Rosa
Orientador(a): Jan Cernosek
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/1973
Local:
Resumo: Este trabalho se propõe a analisar o estado de tensões do fêmur humano, usando o método da fotoelasticidade tridimensional. O modelo de fêmur feminino foi construído, de um material oticamente sensível, desprezando as propriedades não homogêneas e anisotrópicas do osso real. O modelo do fêmur foi carregado por uma força vertical e o estado de tensões, foi analisado na região do colo onde ocorre com frequência a fratura do osso real. É discutido em detalhes o procedimento de confecção do modelo. O estado de tensão é determinado em um modelo sem considerar a medula óssea, e comparado com modelos onde esta é simulada usando fluidos viscosos. Este trabalho pode ser considerado como um primeiro, com o objetivo de analisar a distribuição de tensões em ossos humano, usando o método da fotoeslasticidade tridimensional.
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Aluno(a) : Luiz Otávio Brito de Souza Ferreira
Orientador(a): Jan Cernosek
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/05/1972
Local:
Resumo: A determinação do fator teórico ou geométrico de concentração de tensões em um cilíndrico oco de paredes espessas com furo lateral oblíquo é o objeto deste estudo. É analisada a influência do ângulo de ineliação do furo lateral sobre o fator teórico de concentração de tensões. Foi usado na análise, o método fotoelástico. Os cilindros foram fabricados com uma mistura de araldite CY-205, anidrido ftálico e anidrido maleico. O carregamento é feito, introduzindo-se no cilindro um pino fabricado com o mesmo material. É usada a técnica do congelamento das tensões. Para determinar as tensões, o cilindro é cortado em fatias que são analisados em um polariscópio. São apresentadas conclusões, formuladas a partir dos resultados obtidos na experiência. Com este trabalho, novos dados são acrescidos ao problema de concentração de tensões, ampliando os recursos para aqueles que se dedicam ao projeto de máquinas.
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Aluno(a) : Carlos Miguel Montestruque Vilchez
Orientador(a): Jan Cernosek
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/1972
Local:
Resumo: No presente trabalho de tese, é analisado a distribuição de tensões na parte extrema de um cilindro de parede grossa, submetido a uma pressão exercida por outro cilindro. É feito o estudo da distribuição das tensões para diferentes posições do cilindro interno, utilizando uma mesma relação de diâmetros para o cilindro oco. Resina epoxi é usada como material fotoelástico para a construção dos modelos. O método de congelamento das tensões foi empregado. O modelo foi cortado em fatias e analisados no polariscópio. As tensões foram determinadas por integração numérica das equações diferenciais de equilíbrio, em coordenadas cilíndricas. Os resultados são apresentados em gráficos e analisados.
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Aluno(a) : Henner Alberto Gomide
Orientador(a): Jan Cernosek
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/1972
Local:
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um material foto elástico, utilizando matéria-prima exclusivamente brasileira, para o emprego na análise das tensões em ensaio tridimensional. As experiências foram feitas com as resinas epóxi CY-205 e CY-175. Como endurecedores foram utulizados os produtos HY-901 (anidrido ftálico) e HT-906 (anidrido metilendometilene), todos da Ciba S/A, e ainda o endurecedor anidrido maleico produzido pela Ucebel S/A. Foram fundidos diferentes partes em peso desses componentes, resina epóxi-endurecedor e descritos o método de fundição como também o de tratamento térmico. Algumas propriedades foram inicialmente consideradas para a seleção da melhor composição. O material feito de epoxi CY-205 com a combinação dos endurecedores anidridos maleico e ftálico são apresentados como sendo o melhor. Os polímeros resultanes são feitos usando diferentes partes em peso desses endurecedores combinados e são traçados nomogramas de suas temperaturas críticas e módulos de elasticidade a essa temperatura, para determinar a composição ideal. Foi determinado o gelling time dos materiais selecionados. A aplicação desse material desenvolvido é adequada para análise tridimensional. Um modelo foi construído para ilustrar sua utilização, usando uma técnica especial de modelagem.
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Aluno(a) : Halei Fagundes de Vasconcelos
Orientador(a): Luiz Fernando S. Candiota
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/05/1972
Local:
Resumo: No comportamento de sistemas mecânicos a relação entre força aplicada e deslocamento resultante não obedece sempre a uma lei linear, de proporcionalidade constante. É bastante comum o fenômeno da histeresse mecânica, em que o deslocamento resultante depende da força aplicada e do sentido do deslocamento, ainda que não seja atingido o limite de escoamento, em nenhum ponto do sistema. Neste trabalho propomos um modelo baseado na associação paralela de elementos bi-elásticos, que apresentam histerese apresenta contornos diferentes da histerese bi-linear. É obtida então uma solução para a resposta de amplitude do sistema, em regime estacionário, quando excitado por um deslocamento harmônico. Os resultantes foram tabelados com o auxílio de um computador digital IBM. A verificação dos resultados foi feita por meio de feixes de molas, basicamente semelhantes aos usados na suspensão de veículos, excitados em uma mesa vibradora eletrodinâmica. As medições das respostas de deslocamento do sistema concordem razoavelmente com as previsões teóricas.
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Aluno(a) : Clovis Sperb de Barcellos
Orientador(a): Luiz Fernando S. Candiota
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/05/1970
Local:
Resumo: Quando se analisa a distribuição de tensões e de formações em tubos cilíndricos circulares submetidos à pressão interna ou externa, resultados são facilmente encontrados; se o tubo for considerado de comprimento infinito e a pressão uniformemente distribuída ao longo de todo o seu comprimento. Neste caso, o estado de tensões pode ser considerado plano. Entretanto se o tubo for infinito e a pressão estiver aplicada em parte de seu comprimento, o estado de tensões deverá ser estudado com tridimensional. Advém daí uma maior complexibilidade do problema, acarretando soluções matemáticas bastante elaboradas. Uma solução para cilindros circulares de comprimento foi desenvolvida neste trabalho. Nos casos analisados, o carregamento constitui em um anel de pressão uniforme, interna ou externa, aplicado simetricamente em relação à secção transversal média do tubo. Procura-se assinalar a importância que assume a tensão axial para certas dimensões do tubo e posição do carregamento. Indicou-se também a discrepância existente entre os valores calculados, considerando o problema como plano e como tridimensional. Os resultados gráficos mostram as distribuições de tensão na secção transversal média referentes a cilindros curtos de parede espessa com razões entre dinâmico interno e comprimento de .. 0,25, 0,50, e 0,75 e com razões entre comprimento do anel de pressão e do tubo de 0,5 e 1,0, embora outras relações tenham sido estudadas. Devido à solução encontrada, as condições de fronteira incluem flanges nas extremidades do tubo, exercendo tensões cisalhantes sobre as secções transversais externas e tendo características de flexibilidade às deformações axiais e rigidez às deformações radias. Muitos problemas de computação surgiram na obtenção dos resultados numéricos, tais como as limitações nas sub-rotinas usadas no cálculo das funções de Beesel. A resolução do problema para o caso de tubos com extremidades livres pode ser alcançada através da utilização de métodos matemáticos mais sofisticados.
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Aluno(a) : JoséJoão de Espíndola
Orientador(a): Heitor M. Herrera
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/05/1967
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Carlos Silberman
Orientador(a): Luiz Fernando S. Candiota
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/05/1967
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Eduardo Jorge Pereira Lima
Orientador(a): Luiz Fernando S. Candiota
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/05/1967
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Ramiro de Araújo Almeida Sobrinho
Orientador(a): Gabriel A. G. Fasekas
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/1966
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Andrea Vanessa Vaca Mora
Orientador(a): Márcio Carvalho e Anthony Hutin
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/17/2024
Local: 106L
Resumo:
Partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) is widely employed in enhanced oil recovery (EOR) process. However, its effectiveness is hindered by
degradation of polymer molecules during flow through injection lines, valves and reservoir. This degradation leads to a decrease in average molecular weight and subsequently reduces the solution’s viscosity and viscoelastic properties, impacting its effectiveness on displacing oil. Our research characterized the degree of mechanical degradation of HPAM solutions using shear and extensional rheology. We induced degradation by flowing the solutions through a valve with varying constriction and flow rates and through a microfluidic porous medium model. Our findings reveal that the addition of silica (SiO2) nanoparticles has a negligible effect on the shear and extensional viscosities of fresh solutions and minimizes the mechanical degradation of HPAM solutions. The rheological properties of HPAM solutions with SiO2 nanoparticles are not significantly affected by mechanical degradation, suggesting that incorporating nanoparticles could enhance the efficiency of polymer injection in EOR processes by stabilizing HPAM solutions. In addition, our study explored oil displacement flow using both fresh and degraded HPAM polymer solutions in microfluidic devices used as models of porous media. The findings suggest that fresh HPAM is more efficient in displacing oil than degraded HPAM. Furthermore, the addition of silica nanoparticles into degraded NPs-HPAM solutions resulted in a 9-13% increase in oil recovery, highlighting the enormous potential of nanoparticles in enhancing EOR processes.
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Aluno(a) : Thiago Fabricius Konopka
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/02/2024
Local: 106L
Resumo:
Multiphase flow in highly heterogeneous porous media holds substantial importance in the petroleum industry since there are large oil volumes in vuggy and fractured reservoirs. In this study, Brinkman equation is employed to model two-phase flow in highly heterogeneous porous media. Brinkman model represents flow dynamics through the porous matrix and vugs using a single differential equation without the need for interfacial conditions. However, accurately characterizing the vugular and porous matrix regions remains a challenging task, especially in reservoir-scale models that typically represent geological formations with large areas. Reservoir simulations often involve models discretized into computational cells, each with dimensions on the order of several meters that are not fine enough to describe in detail the geometry of the vugs and fractures embedded in the porous matrix. This investigation explores two distinct approaches for generating equivalent properties of vugular media. The first approach uses results from the Brinkman model to derive equivalent properties for the single-continuum Darcy model at the same level of descritization. The second approach employs homogenization theory to generate equivalent properties on a coarse scale. This theory is applied to both single-continuum and dual-continuum Darcy models. Single-continuum models can effectively describe vugular structures characterized by dispersed vugs in the porous matrix without strong fluid channeling. However, for systems exhibiting substantial channeling, homogenization can only be achieved through dual-continuum models. In both proposed approaches, the determination of equivalent absolute permeability and equivalent absolute permeability curves is imperative for an efficient homogenization process.
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Aluno(a) : Leandro Andrade Furtado
Orientador(a): Florian Pradelle, José A. Parise e Sergio Ribeiro
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/06/2023
Local:
Resumo: A busca global por sustentabilidade tem se caracterizado por uma tendência em viabilizar a recuperação energética de resíduos. Neste contexto, no setor sucroalcooleiro, um dos principais desafios é aproveitar, adequadamente, os resíduos gerados no processamento da cana-de-açúcar. Nesta tese, estuda-se a produção de eletricidade, a partir do bagaço e biogás da vinhaça, em usinas termelétricas que operam com ciclos combinados híbridos. Um modelo matemático e numérico, desenvolvido na plataforma Excel, é proposto para simular cinco modos de operação de ciclos combinados híbridos e calcular, simultaneamente, indicadores termodinâmicos (energéticos e exergéticos), econômicos e ambientais. Adicionalmente, a aplicabilidade dos sistemas híbridos é demonstrada para usinas alimentadas por resíduos sólidos urbanos e gás natural. O estudo considera dados da literatura e informações adquiridas durante visitas técnicas a diversas usinas no Brasil e no exterior. Uma análise paramétrica mostra a influência de temperaturas e pressões de operação dos componentes da planta em questões econômicas, ambientais e operacionais de cada setor. Os resultados indicam um aumento relativo médio de 7,0% na eficiência elétrica de plantas sucroalcooleiras e uma redução média de 11,0% nas emissões de CO2eq para a geração de eletricidade, respeitando o caráter intermitente e as demandas energéticas do setor. Para usinas de resíduos sólidos urbanos, integradas a um consumo de gás natural significativamente reduzido, o aumento relativo de eficiência é superior a 26%, resultando em um potencial de abatimento das emissões em torno de 272,0 ktonCO2eq/ano. Taxas de retorno superiores a 25% são obtidas para projetos de usinas híbridas de ambos os setores. A pesquisa é inovadora ao apresentar uma aprimorada rota tecnológica para o tratamento de residuos, permitindo reduzir a sua disposição inadequada. Além disso, os estudos podem contribuir, concomitantemente, para o aproveitamento eficiente do gás natural e da biomassa residual no Brasil, diversificando a matriz energética do país. Link da Defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/98329207170?pwd=NGlmcVErUXNtREV1bllNYkxLdGV1UT09 ID da reunião: 983 2920 7170 Senha: 659249
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Aluno(a) : Ana Carolina Guimarães Alves Rebello
Orientador(a): Monica Naccache e Gustavo Sandoval
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/26/2023
Local: 106 L
Resumo:
In the oil and gas industry, the stoppage of the production and transportation flowlines caused by the deposition of organic and inorganic compounds yields huge financial losses and environmental concerns. One of the most common and critical inorganic deposition is related with gas hydrates, which are crystalline water-based solids, physically similar to ice, formed in conditions of high pressure and low temperatures. Due to the worrying facts, phenomena related to hydrates, as formation, dissociation, and forms to its mitigation have been studied for years by researchers. In this work, experiments were carried out to analyze ethane gas hydrate formation in water-in-model oil emulsions, through a rheological analysis based on the variation of pressure, shear rate and water volume fraction, and using the vane and concentric cylinder geometries. High pressure time sweep tests were performed, and the results were presented through viscosity and pressure curves. The amount of water converted to hydrate was also estimated through the equation of state and related to the viscosity of the hydrate slurries formed. The results obtained showed that the induction period was reduced by increasing the subcooling, water cut, and shear rate. The higher the water volume fraction, the higher the level reached by viscosity when hydrate formation is identified. The relative viscosity after hydrate formation was studied. This knowledge provided a more effective understanding of some differences observed between the two geometries. And to complement the study, shear rate ramps were performed showing similarities between results with concentric cylinders but differences with vane. Both geometries, vane and concentric cylinders, seem to be adequate to study hydrate formation and similar qualitative results were obtained.
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Aluno(a) : Tálita Coffler Botti Braz
Orientador(a): Márcio Carvalho e Anthony Hutin
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/18/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Several studies have been conducted to understand emulsions formation and stability. In some situations, it is desirable to have stable emulsions; in others, phase separation through drop coalescence is beneficial. In both cases, it is important to understand the mechanisms associated to the coalescence process. The present work investigates the relationship between rheological properties of oil-water interfaces and the drainage time of a thin oil film between two aqueous drops. Interfacial tension and dilatational rheology were measured using the axisymmetric drop shape analysis. We evaluated different concentrations of a nonionic surfactant (Span 80) dissolved in mineral oil (Primol 352) phase. The results indicate a direct relationship between the properties of the structure formed at the oil-water interface and the absence of droplet coalescence. For low surfactant concentrations, below the critical micelle concentration (CMC), the interface is weakly elastic (fluid-like) and the coalescence process always occurs; the draining time is not to related to the aging time of the interface. For surfactant concentrations above CMC, the elastic and viscous moduli showed significant changes with aging leading to the formation of a solid-like film at the interface preventing further coalescence. We used a drop/drop coalescence experiments to evaluate the effect of interfacial rheology on the coalescence dynamics. To better understand the phenomenon of non-coalescence, we study the structure of interfacial film microscopically and observe the appearance of small water droplets formed at the interface by spontaneous emulsification. We found that the emergence rate of these microdroplets is directly related to the surfactant concentration. As the surfactant concentration increases, faster the spontaneous emulsification process occurs, which confirms the results obtained with the interfacial rheology. Finally, a new method to promote emulsion destabilization by imposing a perturbation of the interfacial film by flowing the drops through constricted capillaries is proposed and tested.
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Aluno(a) : Paula Kozlowski Pitombeira Reis
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/04/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Liquid dropout and accumulation in gas-condensate reservoirs, especially in the near wellbore region, hinder gas flow and affect negatively the produced fluid composition. Yet, condensate banking forecasting is commonly inaccurate, as experiments seldom reproduce reservoir extreme conditions and complex fluid composition, while most pore-scale models oversimplify the physical phenomena associated with phase transitions between gas and condensate. To address this gap, a fully implicit isothermal compositional pore-network model for gas and condensate flow is presented. The proposed pore-networks consist of 3D structures of constricted circular capillaries. Condensation modes and flow patterns are attributed to the capillaries according to the medium's wettability, local saturations and influence of viscous and capillary forces. At the network nodes, pressure and molar contents are determined via the coupled solution of molar balance and volume consistency equations. Concomitantly, a PT-flash based on the Peng-Robinson equation of state is performed for each node, updating the local phases saturations and compositions. For the proposed model validation, flow analyses were carried out based on coreflooding experiments reported in the literature, with matching fluid composition and flow conditions, and approximated pore-space geometry. Predicted and measured relative permeability curves showed good quantitative agreement, for two values of interfacial tension and three values of gas flow velocity. Following the validation, the model was used to evaluate wettability alteration and gas injection as prospect enhanced recovery methods for gas-condensate reservoirs. Results exhibited similar trends observed in coreflooding experiments and conditions for optimal flow enhancement were identified.
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Aluno(a) : Pedro Jose Tobar Espinoza
Orientador(a): Rafael Oliveira e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/23/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
O deslocamento de um líquido por outro em espaços anulares é comumente encontrado na indústria do petróleo, e a maioria deles envolve materiais não newtonianos. O espaço anular muitas vezes apresenta irregularidades causadas pela erosão, onde quantidades consideráveis de fluido de perfuração podem ser deixadas para trás durante o processo de deslocamento, comprometendo a qualidade da operação de cimentação. Motivados por esse processo industrial, testes de deslocamento entre líquidos a vazão constante foram realizados em espaços anulares cuja parede externa possui, em uma determinada posição axial, um aumento repentino de diâmetro seguido de uma diminuição repentina de diâmetro mais a jusante. O objetivo dos experimentos era determinar a eficiência do deslocamento em função da vazão, reologia dos fluidos e geometria da cavidade. Os resultados revelaram forte influência desses parâmetros na eficiência de deslocamento.
Ao mesmo tempo, um estudo numérico foi desenvolvido. Simulações numéricas das equações de Navier-Stokes em geometria axissimétrica para fluidos incompressíveis foram acopladas ao método Level-Set para captura da interface. Fluidos com viscosidade constante e o modelo newtoniano generalizado de Carreau-Yasuda foram utilizados. Isso permitiu simular deslocamentos entre dois fluidos newtonianos e entre um fluido newtoniano e outro não-newtoniano. Este foi utilizado tanto como fluido deslocador quanto como deslocado. Foram realizadas simulações para várias razões de diâmetros, viscosidades, tempos de relaxação, e números de capilaridade e de Reynolds. Identificamos quando a aproximação do espaço anular por duas placas paralelas pode ser aplicada e calculamos como a forma da interface depende dos parâmetros investigados.
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Aluno(a) : Maria Angélica Acosta Perez
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/24/2020
Local:
Resumo: Neste estudo é apresentada a análise da interação da luz laser de alta potência com rochas nos processos de perfuração por fragmentação térmica, cujo objetivo principal do trabalho é estabelecer, através de um estudo experimental a possibilidade de utilizar a tecnologia a laser na perfuração de rochas duras, tais como o granito, quartzo entre outros. Encontrando sua motivação na aplicação de novas tecnologias para desenvolver ferramentas que melhorem a eficiência no processo de perfuração de poços (maior taxa de penetração), e conseguir retirar a maior quantidade de material fragilizado pela irradiação do laser. Para isto, foi necessário fazer uma montagem opto – mecânica envolvendo um sistema de limpeza que ajudasse a remover o material fragilizado pela ação do laser, usando-se gás nitrogênio a alta pressão. Foram analisados diferentes intervalos de tempo de exposição da radiação do laser nas rochas, para avaliar a taxa de volume retirado, a quantidade de energia especifica requerida para perfurar diferentes materiais, em função da potência e do tempo de irradiação do laser. Para este fim, foi necessário montar um sistema de limpeza que permitisse a remoção do material fragilizado pela ação do laser. Seguindo a revisão bibliográfica na seleção do material foram escolhidos três tipos de materiais (granito branco, granito cinza e travertino) conhecidos comercialmente no Brasil e que tem similitude com as rochas encontradas nos reservatórios do Pré-sal. A partir desta seleção foi indispensável conhecer a composição química dos materiais através de fluorescência, raios X, microscopia de varredura (MEV). Além disso, estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas a traves de analises térmicos (Termogravimetria e Analise Térmico Diferencial), para identificar e compreender os fenômenos envolvidos no processo de perfuração. Os resultados obtidos são analisados para parametrizar as variáveis em consideração, melhorando as condições do processo de perfuração por fragmentação térmica dependendo do material estudado.
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Aluno(a) : Maria Luisa Nerys de Moraes Carneiro
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/09/2019
Local:
Resumo: This thesis aims to foster the development of hybrid waste-energy technology and its application in countries with access to natural gas reserves, such as Brazil. The method consists of evaluating it through an integrated analysis of energy, exergetic, economic and environmental indicators. The system consists of a topping and a bottoming cycle integrated through a heat recovery boiler. Raw non-recyclable urban waste feeds the waste boiler while natural gas feeds a gas turbine. The goal is to propose a cycle with high efficiency able to generate electricity/treat waste within affordable costs, which is achieved with an optimized design. The cycle’s performance is proportional to the share of natural gas thermal input, that is, the greater the amount of waste the lower the efficiency (waste has lower calorific value). Therefore, the challenge is to seek greater efficiency with higher percentage of waste, also combining the cost aspect. In general, there are two scenarios in the world’s actual context: developed and developing countries. The former has several non-hybrid plants, few natural gas reserves and face reduced waste production, causing underutilization of the existing systems. This thesis provides a complete analysis of potential alternatives for ’repotentiation’ of these plants, demonstrating how worse their performance is compared to the optimized cycle. On the other hand, developing countries present increasing waste generation, under exploited reserves of natural gas and zero waste-to-energy plants. Therefore, there is a great potential for building hybrid waste-to-energy systems. This work demonstrates this is a much more reasonable alternative than building non-hybrid conventional waste-to-energy plants.
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Aluno(a) : Paulo Henrique de Lima Silva
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/03/2019
Local:
Resumo:
Esta tese de doutorado se propõe a estudar a reologia de pastas de hidratos composta por água e tetrahidrofurano (C4H8O - THF) em diversas conjunturas. Os hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, análogos ao gelo, formados pela agregação de água e de gás numa determinada estrutura organizada. Sua preocupação para a Indústria de petróleo e gás deve-se ao risco potencial relacionada a área de garantia de escoamento. Assim sendo, amplos investimentos são feitos com o propósito de prevenir e avaliar os ricos da formação de hidratos. Neste contexto, a reologia é um elemento chave, pois permite detectar a formação dos hidratos a partir de variações das propriedades reológicas, sendo as mais comuns: viscosidade, módulos viscoso e elástico. Entretanto, duas condições fundamentais para o sucesso desta abordagem são relativamente difíceis de se conseguir em laboratório, a combinação de alta pressão e baixa temperatura. Inicialmente serão estudadas pastas de hidratos formadas à pressão atmosférica, ainda a temperaturas acima de 0 graus Celsius. Em outro momento, serão estudados os efeitos da adição de álcool nas pastas de hidratos e, finalmente, serão analisadas as pastas formadas em pressões acima da pressão atmosférica. Foram realizados ensaios reológicos para diferentes composições de fluidos. Alcançam-se resultados transientes e de estado estacionário, mostrando que a reologia é fortemente afetada pela aglomeração e desagregação de cristais de hidratos que ocorrem simultaneamente à medida que os hidratos se formam e as condições de contorno que cercam os experimentos.
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Aluno(a) : William Fernando Lopez Candela
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/01/2018
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Resumo: O escoamento de bolhas de gás em fluidos complexos é um fenômeno presente em diferentes setores industriais como alimentos, farmacêutico, químico e petróleo & gás. O presente trabalho analisou experimentalmente o deslocamento de bolhas de gás em fluidos com comportamento mecânico elasto-viscoplástico e tixotrópico. A motivação do estudo é o problema de invasão de gás em pastas de cimento durante o processo de cimentação de poços de petróleo. Este problema é governado por diferentes parâmetros como tamanho das bolhas, reologia do fluido, histórico de cisalhamento do material, pressão e vazão de injeção. Utilizou-se nos experimentos fluidos modelo, a saber suspensões de Carbopol ® e Laponita®, que têm propriedades elasto-viscoplásticas e tixotrópicas, respectivamente. No estudo com Carbopol, investiga-se o efeito da tensão limite de escoamento, e a relação entre forças elásticas, viscosas e inerciais, e sua influência na dinâmica e na geometria da bolha de gás. A análise com a Laponita visa simular o processo de invasão e migração de gás durante o processo de cura do cimento, já que suas propriedades se alteram ao longo do tempo. O efeito da tixotropia no formato e na dinâmica de migração das bolhas foi analisado. Observou-se a formação de bolhas de gás com geometria plana, que permitem o escoamento com baixa resistência e formam caminhos preferenciais, que podem se tornar canais de escoamento de gás a alta vazão. Por fim, apresenta-se também um modelo matemático simplificado para a dinâmica do fenômeno de migração de gás, com aplicação na indústria do petróleo.
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Aluno(a) : José Daniel Hernández Vásquez
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/27/2018
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Resumo: A tese de doutorado tem por objetivo avaliar os impactos decorrentes da implementação de estratégias de eficientizacão energética na indústria de papel e celulose. A motivação pela escolha do tema resultou da necessidade de promover políticas de eficiência energética no setor industrial, visando uma redução do consumo de energia e considerando os impactos decorrentes desta eficientização no âmbito social, técnico, econômico e ambiental. A metodologia utilizada –Método Multicritério de Apoio à Decisão Fuzzy-AHP-TOPSIS– (i) permitiu selecionar as tecnologias para eficientizar o subsetor de papel e celulose e (ii) possibilitou avaliar a influência de cada critério e subcritério nesta eficientização. Os resultados consolidados permitiram: (i) confirmar que mudanças tanto nos processos, quantos nas tecnologias transversais do subsetor de papel e celulose devem ser implementadas em relação a refinadores eficientes, análise dos sistemas de pressão, dispersores eficientes, bombas de alta eficiência, ventiladores de alta eficiência, compressores eficientes e LEDs; (ii) identificar os principais aspectos decorrentes da eficientização energética, i.e.: custo do investimento inicial, custo da energia consumida e exergia gerada, geração de emissões de gases de efeito estufa (GEE), tempo vida útil da tecnologia e a segurança ocupacional. Como conclusão, as estratégias de eficientização energética e seus impactos decorrentes em relação ao subsetor de papel e celulose foram avaliadas, constituindo uma contribuição ao setor energético brasileiro e ao desenvolvimento de novos estudos na área de eficiência energética
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Aluno(a) : José Angel Florián Gutiérrez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/06/2018
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Resumo: Alguns projetos pilotos de injeção de polímeros em campos de produção de petróleo mostraram um incremento na recuperação de óleo, embora os mecanismos que governam a dinâmica do escoamento não são bem compreendidos. Recentes investigações experimentais mostraram que as propriedades viscoelásticas de soluções poliméricas podem alterar o comportamento do escoamento na escala de poros e reduzir a saturação residual de óleo. Para entender esses fenômenos em meios porosos, é importante estudar o escoamento de soluções viscoelásticas através das gargantas dos poros. Este trabalho apresenta um estudo experimental do escoamento de uma solução viscoelástica de PEO (0,1% em peso de óxido de polietileno) de alto peso molecular escoando através de uma constrição, utilizado como modelo de uma geometria de garganta de poro de um meio poroso.Medições de queda de pressão e campos de velocidade do escoamento são obtidos utilizando a técnica de velocimetria por imagem de partículas (Micro-PIV). Experimentos com uma solução viscosa de glicerina (39% em peso de glicerina em água) de viscosidade similar à solução de PEO foram também realizados com a finalidade de estimar os efeitos elásticos da solução de PEO. O escoamento da solução de PEO exibiu uma queda de pressão extra (comportamento não linear) acima de uma condição crítica do escoamento, acima da qual os efeitos elásticos passam a ser preponderantes.Para toda a faixa de vazão explorada, os campos de velocidade da solução de glicerina mostraram um regime de escoamento Newtoniano, enquanto a solução de PEO apresenta instabilidade no escoamento a partir de um número de Weissenberg crítico, coincidindo com o aumento da queda de pressão. Esta instabilidade pode ser relacionada ao aumento da viscosidade extensional na entrada da garganta acima de uma determinada taxa de extensão.Os resultados obtidos indicam a variação do padrão do escoamento da solução polimérica de PEO devido à presença dos efeitos elásticos do polímero, e fornecem informações importantes sobre o comportamento das soluções poliméricas viscoelásticas em um meio poroso e que podem impactar sua utilização na recuperação melhorada de óleo.
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Aluno(a) : Deibi Eric Garcia Campos
Orientador(a): Igor de Paula e Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/11/2018
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Resumo: No presente trabalho estudou-se numericamente a instabilidade das ondas na interface do escoamento estratificado de água e óleo em um canal plano. Esse padrão de escoamento, associado ao estágio inicial da formação de golfada, é comum em aplicações industriais, de áreas como produção de petróleo, nuclear, química e muitas outras. Através da introdução de perturbações controladas na interface do escoamento estratificado, analisou-se a evolução dessas perturbações à luz das teorias de estabilidade hidrodinâmica. Os experimentos numéricos foram realizados utilizando o método de Volume of Fluid (VOF) do simulador comercial ANSYS Fluent®. Analisou-se o comportamento do escoamento em dois regimes distintos com relação a amplitude das ondas interfaciais. No primeiro regime, empregou-se ondas pequenas o suficiente para que efeitos não lineares fossem desprezíveis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com as previsões fornecidas por um “solver” das equações de Orr-Sommerfeld, para escoamento bifásico estratificado em um canal, indicando que a ferramenta numérica foi capaz de reproduzir o comportamento das ondas interfaciais. Mostrou-se que existe uma faixa de amplitudes, em torno de 0,2% da altura do canal, a partir da qual os efeitos não lineares se tornam relevantes. No regime não linear foram avaliados diferentes cenários de interação não linear entre ondas, os quais geralmente são associados a transição do regime do escoamento estratificado para golfadas. Identificou-se o cenário mais relevante, analisando-se a eficiência de cada uma dessas interações isoladamente. Observou-se que interações não lineares entre ondas de comprimento parecido são as que crescem mais rápidamente. Esse mecanismo parece ser dominante também na presença de um grande número de ondas, como é o caso esperado em um evento “natural”. Utilizou-se um modelo fracamente não linear, baseado nas equações de Stuart-Landau, para modelar o comportamento das ondas no escoamento, obtendo-se excelente concordância com os resultados das simulações. Isso é interessante do ponto de vista prático, pois sugere que modelos não lineares simples, como é o caso da equação de Stuart-Landau, podem ser implementados para melhorar as ferramentas utilizadas para prever mudanças de regime em escoamentos bifásicos.
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Aluno(a) : Priscilla Ribeiro Varges
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/07/2017
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Resumo: Operações de posicionamento de tampão de cimento na indústria do petróleo representam um exemplo de escoamento dominado por efeitos gravitacionais. Essa situação é altamente instável visto que o cimento geralmente é mais denso que o fluido do poço e, como consequência, suas posições tendem a se inverterem. O presente estudo objetiva aprimorar a percepção dos mecanismos físicos associados às operações de tamponamento através da análise de escoamentos de inversão por gravidade. Com esta finalidade, executam-se experimentos de visualização com líquido mais denso posicionado sobre outro de menor densidade em tubo vertical. Ademais determina-se a velocidade da interface através do processamento e análise de imagens. A influência dos parâmetros governantes é averiguada sobre a velocidade de inversão e o regime de escoamento. A importância relativa entre as forças gravitacionais, viscosa, inercial e interfacial são avaliadas. A primeira etapa do estudo consiste na realização de experimentos com pares de fluidos newtonianos e imiscíveis com pequena diferença de densidade. Examinam-se dois regimes de escoamento, a saber gotas e slugs em queda. Os resultados experimentais demonstram que a velocidade terminal pode ser estimada por correlações empíricas de esferas rígidas em queda dentro de um tubo. A segunda etapa da pesquisa consiste na análise de escoamento de inversão por gravidade com fluido elasto-viscoplástico tixotrópico sobre óleo newtoniano menos denso. Constatam-se três diferentes regimes de escoamento, denominados instável, quase-estável e estável (sem escoamento). O regime instável apresenta escoamento wavy core-annular com o líquido mais denso no centro. No regime quase-estável há formação de plug flow após um tempo de retardo, que é função dos efeitos tixotrópicos e elásticos do material. Através da análise dos resultados experimentais é possível identificar, para um dado par de fluidos, a janela de operações no espaço de parâmetros governantes dentro da qual a velocidade de inversão é suficientemente baixa (ou nula) para assegurar o sucesso da operação de tamponamento
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Aluno(a) : Rodrigo Araujo Cardoso Dias
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/12/2017
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Resumo:
Reservatórios de petróleo são meios porosos altamente heterogêneos. A determinação da produtividade de um poço acoplado ao reservatório é fundamental para a tomadas de decisão com relação a operação do mesmo. Tradicionalmente, a determinação do escoamento nessas situações é realizada utilizando a equação de Darcy. O grande sucesso do uso da equação de Darcy, infelizmente, levou sua aplicação para fora do âmbito dos problemas para os quais esta se aplica. A equação clássica de Darcy apresenta limitações quando aplicadas em meios porosos altamente heterogêneos, por exemplo com cavidades conectadas por redes de fraturas, com vugs e cavernas. Outra limitação de Darcy é quando os meios porosos são submetidos a altas pressões. Ao longo dos anos, outras modelagens foram propostas e derivadas de outros pontos de vista para tratar o escoamento em meios porosos, por exemplo, através do processo de média de volume ou através de teoria de mistura. O presente trabalho considera o processo de análise de escalas utilizando médias volumétricas em meios porosos para a obtenção de um conjunto de equações de conservação (massa e quantidade de movimento) mais geral para a determinação do escoamento. O modelo desenvolvido contabiliza termos adicionais para a equação de quantidade de movimento linear que são relevantes em várias situações práticas, e envolve a solução conjunta das equações de conservação. O acoplamento poço-reservatório é outro fator que pode afetar da determinação acurada da produtividade. Este acoplamento envolve um desafio numérico relacionado com o tratamento da grande diferença das escalas do poço e do reservatório. No modelo desenvolvido neste trabalho, o escoamento no reservatório é resolvido de forma acoplada ao escoamento ao longo do poço, considerando a possibilidade de utilização de diferentes tipos de completação. As previsões dos campos de pressão e velocidade, assim como a produtividade de poços de petróleo utilizando o modelo desenvolvido são comparadas com as previsões do modelo baseado na equação de Darcy. Mostra-se que para determinadas situações, em especial em reservatórios carbonáticos, altamente heterogêneos, grandes diferenças podem ser obtidas. A previsão da produtividade de um poço a partir da equação de Darcy pode ser significativamente super-estimada.
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Aluno(a) : Dario Prada Parra
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/29/2016
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Resumo:
Atualmente, os lasers de alta potência estão sendo testados pela indústria de petróleo como ferramentas de perfuração. Isto ocorre visando dois objetivos fundamentais: (i) aumentar a eficiência na perfuração de poços (maior taxa de penetração) e (ii) melhorar o controle da geometria do corte de revestimento no processo de canhoneio de poço. Assim, o objetivo deste trabalho é simular o processo de canhoneio a laser pelo método de elementos finitos por meio de um modelo termomecânico, elástico, transiente e axissimétrico que verificou as condições de perfuração estática (aquela na qual não há movimentação do laser) e dinâmica (onde o laser percorre uma trajetória espiral). Para isso, foram usados como parâmetros característicos do laser a densidade de potência e a distância focal, além de propriedades térmicas e mecânicas da rocha. Os resultados numéricos foram comparados com resultados de ensaios experimentais. Nesses testes experimentais, para simular as rochas do reservatório, foi utilizada a rocha carbonática Bege Bahia. Foram realizados testes a pressão atmosférica e também utilizando uma câmara de pressão projetada para emular a pressão confinante do reservatório. A análise dos corpos de prova foi feita através de uma caracterização por microtomografia, que permitiu verificar as propriedades da rocha, a zona termicamente afetada (ZTA), assim como as características geométricas do furo. Nos testes experimentais, foi observado que o teste dinâmico consegue remover uma quantidade maior de material, além de produzir uma ZTA menor em comparação com o teste estático, gerando uma melhor relação tempo x potência. Os testes estáticos e dinâmicos permitiram chegar a condições de canhoneio mais eficientes para a perfuração da rocha. O modelo numérico permitiu observar o comportamento das tensões e temperaturas nos testes que envolvem altas temperaturas e altas pressões, dada a dificuldade de medir tais valores em ensaios experimentais. Foi observada uma boa correlação entre os perfis de temperatura medido e simulado. A análise de tensões do modelo mostrou uma correlação compatível com o perfil do dano encontrado nos ensaios experimentais
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Aluno(a) : Fernando Zegarra Sánchez
Orientador(a): Carlos Valois Braga e Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/29/2016
Local:
Resumo: Com o passar do tempo, a humanidade tem uma maior dependência na geração de energia, utilizada para promoção de conforto, transporte e outros. Com a finalidade de resolver este aumento de demanda, novas fontes eficientes, de preferência renováveis, estão sendo pesquisadas. O transporte é uma das atividades que tem maior dependência dos combustíveis fósseis, além de ser também um dos maiores geradores de gases de efeito estufa. É por isso, que em diversas partes do mundo, o homem pesquisa novas fontes de energia renováveis que possam ser substitutas dos atuais tradicionais usados no transporte. Sabe-se, que os motores Diesel são mais eficientes com relação aos motores Otto. Devido a este fato, há mais de 30 anos pesquisam-se e desenvolvem-se sistemas de ignição por compressão, movidos com combustíveis renováveis, o qual permita a diminuição da dependência dos combustíveis fósseis e garanta a redução de gases de efeito estufa. O etanol é um candidato para substituir o óleo Diesel, mas tem que se levar em conta algumas alterações (aumento da relação de compressão, adição de melhoradores da autoignição, etc.) antes de ser utilizado nos motores Diesel. Com base nisto, a presente tese apresenta uma nova proposta, utilizar como melhorador da autoignição do etanol o n-butanol. Para tal propósito se desenvolveu diversos testes com diversas relações de compressão, percentuais em massa de aditivo na mistura de etanol e diversos avanços da injeção. Os testes foram realizados em uma máquina de compressão rápida (MCR) com misturas de etanol e polietilenoglicol 400 e 600, e n-butanol, além dos testes referenciais com óleo Diesel e ED95. Os resultados mostram que o n-butanol, com uma participação de 10% na mistura, pode ser utilizado como melhorador da autoignição do etanol em sistemas de ignição por compressão.
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Aluno(a) : Gustavo Vinicius Lourenço Moisés
Orientador(a): Mônica Naccache e Ian Alistair Frigaard
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/12/2016
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Resumo: One of the main issues in deepwater production in the oil industry is the blockage of production lines, caused by the growth of paraffin crystals that occur when temperature drops below the Wax Appearance Temperature (WAT). The yield stress appearance when gelation occurs constitutes a significant problem in static conditions that occur in the restart flow, needed after a shutdown. In essence, there exist two stages in a flow pipeline restart: apply a large enough pressure drop in order to mobilize the gel in the pipe i.e. a process of fluid start-up or inject either miscible fresh oil or any other low viscosity fluid (preferably Newtonian, e.g. sea water, diesel) at the pipe inlet, to flush the gelled oil out of the pipe, i.e. a process of fluid displacement. We investigate yield stress and thixotropy effects over Non-Newtonian fluid flows in a horizontal pipe. Two flow types are considered: non-Newtonian fluid start-up and isodense displacement of yield stress fluid by a less viscous Newtonian fluid. The yield stress and thixotropic properties of waxy crude oils are rheological simulated by water base fluids: Carbopol solutions and Laponite suspensions. The results of experimental and numerical studies of isodense displacement of a yield stress fluid are presented. A central type displacement flow develops for the configuration given. Three distinct flow types belonging to this central displacement are identified in the experiments namely corrugated, wavy and smooth depending on the level of the residual layer variation along the pipe. The transition between these flow regimes is found to be a function of the Reynolds number defined as the ratio of the inertial stress to the characteristic viscous stress of the viscoplastic fluid. Besides, the influence of NaCl and Laponite concentrations in the rheological parameters of Laponite suspensions is detailed. Start-up experiments of yield stress and thixotropic fluids are also performed and the impact of thixotropy in Laponite suspensions start-up is analyzed.
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Aluno(a) : Luciana Boher e Souza
Orientador(a): Angela Nieckele e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/10/2014
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Resumo: Parafinas de alto peso molecular presentes no petróleo escoando em ambientes de baixa temperatura cristalizam-se e depositam-se nas paredes internas dos dutos, ocasionando a redução da taxa de escoamento e o aumento do custo de produção, podendo levar até mesmo ao bloqueio das linhas de transporte. O processo de deposição é complexo e envolve conhecimento multidisciplinar, de modo que diferentes abordagens têm sido propostas para a sua modelagem. O principal objetivo deste trabalho foi investigar o fenômeno de deposição de parafina em uma geometria simples, com condições bem controladas, utilizando uma abordagem numérica e experimental, com foco no melhor entendimento dos mecanismos que induzem a deposição, a formação dos depósitos e seu envelhecimento. Experimentalmente, foram conduzidos testes com fluidos de laboratório que permitiam a visualização e a medição da evolução espacial e temporal de depósitos de parafina formados sob escoamentos laminar e turbulento. Numericamente, foi desenvolvido um modelo multicomponente para escoamento laminar, chamado de entalpia-porosidade. Tanto a espessura quanto a composição do depósito foram determinadas através de um modelo termodinâmico acoplado às equações de conservação de massa, de quantidade de movimento linear, de energia e de espécies. Os resultados indicaram que o efeito Soret não influencia a deposição de parafina. A espessura do depósito foi bem avaliada numericamente para regime permanente, apresentando diferenças na sua evolução temporal. O modelo composicional desenvolvido fornece importantes dados além da espessura depositada, como a temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC) e o número de carbono crítico (NCC) do sistema, ampliando a previsão do processo de deposição com informações sobre a composição e o envelhecimento do depósito. As investigações numéricas mostraram que maiores taxas de cisalhamento e temperaturas da parede resultam em depósitos menos espessos. Mostrou-se também que maiores taxas de cisalhamento resultam em depósitos mais densos, e que maiores temperaturas da parede tendem a aumentar a saturação de sólido na região intermediária do depósito.
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Aluno(a) : Juan Carlos V. Loiaza
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/11/2014
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Resumo: Serão necessários muitos anos para que os biocombustíveis sejam capazes de substituir integralmente os derivados fósseis. Este trabalho visa estudar formas alternativas de conversão de energia contida nos combustíveis utilizados em motores de combustão interna. Maiores eficiências na conversão da energia contida no combustível e uma menor emissão dos gases de exaustão são benefícios associados à ignição por compressão de reatividade controlada, RCCI, onde dois fluidos com diferentes reatividades são introduzidos na câmara de combustão em instantes diferentes. Optou-se pelo uso de uma máquina de compressão rápida, MCR, capaz de controlar parâmetros relevantes, como taxa de compressão, pressões, tempos de injeção, que foi adaptada para receber dois sistemas de injeção direta na câmara de combustão. Como segundo combustível, que substitui parcialmente o óleo diesel, que é empregado tradicionalmente em motores de ignição por compressão, optou-se pelo etanol hidratado. Os estudos revelaram que diferentes formas de injeção dos dois combustíveis produzem processos muito diferentes, para as mesmas quantidades de combustíveis injetados. Os resultados são apresentados na forma de pressão indicada como função do ângulo equivalente, bem como calor liberado e atraso de ignição. Experiências foram conduzidas para uma ou duas injeções de etanol por ciclo, em diferentes tempos. Altas razões de substituição do combustível fóssil foram obtidas, quando comparadas com a técnica de fumigação, onde o segundo combustível é misturado externamente ao ar de combustão.
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Aluno(a) : Herberth Arturo Vasquez Haro
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/25/2014
Local:
Resumo: O sequestro de dióxido de carbono (CO2) em campos de petróleo já desenvolvidos é considerado uma das opções para mitigar o CO2 antropogênico expelido na atmosfera. O CO2 tem sido utilizado como fluido de injeção em operações de recuperação avançada de petróleo com CO2 (CO2-EOR). Como parte deste processo, o CO2 reage com o óleo que expande seu volume, reduz sua viscosidade e a tensão interfacial CO2/óleo, tornando mais fácil sua recuperação. Enquanto, quantidades significativas de CO2 ficam retidas no reservatório. O objetivo desses projetos é maximizar a produção de óleo, minimizando a injeção de CO2. No entanto, em projetos de sequestro para maximizar a produção de óleo com a maior quantidade de armazenamento de CO2, o gás injetado requer ser maximizado. O objetivo desta pesquisa é entender melhor o potencial tanto para a recuperação avançada de óleo e armazenamento de CO2, por meio da simulação da CO2-EOR. Para atingi-lo propõe-se os seguintes objetivos específicos: (1) caracterização dos fluidos, modelagem do comportamento de fases dos fluidos usando a equação de estado (EOS) para aplicação confiável na simulação composicional; (2) investigar diferentes processos EOR, injeção contínua de gás (CGI) e injeção alternada de água e gás (WAG); e, (3) otimização do desempenho do processo CO2-EOR e a avaliação da capacidade de armazenamento de CO2 durante a produção de óleo. Os seguintes parâmetros foram considerados no estudo da otimização: i) miscibilidade; ii) a injeção cíclica; iii) a taxa de injeção e produção; iv) segregação gravitacional; v) tipo, número e locação dos poços de injeção e produção; e, vi) razão de WAG e tamanhos dos slugs. São necessárias um grande número de simulações para alcançar uma compreensão abrangente e avaliar as diferentes estratégias de injeção e tempo de injeção, em otimização de recuperação de óleo e capacidade de armazenamento de CO2.
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Aluno(a) : Manoel Leopoldino Rocha de Farias
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/05/2013
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Resumo: A injeção de água é o método de recuperação secundário mais utilizado no mundo. Mesmo em situações em que esse método não é o mais adequado, a facilidade de implantação e os menores custos comparativos impõem esse método como a opção selecionada. Em campos de óleo pesado, a razão de mobilidade desfavorável e as heterogeneidades de reservatório precipitam a formação de digitações viscosas e altos valores de saturação residual de óleo, levando a baixos fatores finais de recuperação. Os poços produtores desses campos produzem com altas frações de água muito rapidamente. O tratamento da água produzida é o principal custo operacional desses campos. O uso de emulsões diluídas de óleo em água foi avaliado como método de controle de mobilidade. Foi desenvolvido um extenso programa experimental em sandpacks de areia de sílica e plugs de arenito (Berea e Bentheimer) de forma a comparar as recuperações finais de óleo, perfis de pressão de injeção e razões água-óleo acumuladas nos casos de injeção de água, injeção de surfactantes e macroemulsões. Todos os meios porosos ensaiados foram saturados com petróleo cru originário da Bacia de Campos (20 graus API). Um estudo paramétrico foi feito de forma a identificar a influência da vazão de injeção, distribuição de tamanhos de gotas de óleo emulsionadas, concentração de óleo e permeabilidade no desempenho das emulsões injetadas. O programa foi complementado com um ensaio 3D (arenito Castlegate na configuração um quarto de five-spot) onde o fluido injetado foi dopado com Iodeto de Potássio para permitir melhor visualização da modificação de saturações de óleo e água com um tomógrafo de raios X. Os resultados obtidos indicaram ganhos na produção de óleo e redução da razão água-óleo acumulada. A possibilidade de preparar as emulsões óleo-água a serem injetadas a partir da água produzida pelo próprio campo traz um grande ganho ambiental ao se reduzir o descarte superficial de água oleosa. O efluente se transforma em um recurso.
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Aluno(a) : Manoel Feliciano da Silva Junior
Orientador(a): Márcio Carvalho e Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/30/2012
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Resumo: A tecnologia de poção inteligentes já possui muitos anos de experiência de campo. Inúmeras publicações tem descrito como o controle de fluxo remoto e os sistemas de monitoração podem diminuir o número de intervenções, o número de poção e aumentar a eficiência do gerenciamento de reservatórios. Apesar da maturidade dos equipamentos de completação o conceito de poço inteligente integrado como um elemento chave do “Digital Oil Field” ainda nío está completmente desenvolvido. Sistemas permanentes de monitoração nesse contexto tem um papel fundamental como fonte da informação a respeito do sistema de produção real visando calibração de modelos e minimização de incerteza. Entretanto, cada sensor adicional representa aumento de complexidade e de risco operacional. Um entendimento fundamentado do que realmente é necessário, dos tipos de sensores aplicáveis e quais técnicas de análises estío disponíveis para extrair as informações necessárias sío pontos chave para o sucesso do projeto de um poço inteligente. Este trabalho propõe uma nova forma de tratar os dados em tempo real de poção inteligentes através da centralização do pré-processamento dos dados. Um modelo poço inteligente numérico para temperatura em regime transiente foi desenvolvido, testado e validado com a intenção de gerar dados sintéticos. A aplicação foi escolhida sem perda de generalidade como um exemplo representativo para validação dos algorítmos de “limpeza” e extração de características desenvolvidos. Os resultados mostraram aumento da eficiência quando comparados com o estado da arte e um potencial para capturar a influência mútua entre os processos de produção quando a extração de características é incluida no pre-processamento.
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Aluno(a) : Yipsy Roque Benito
Orientador(a): José A. Parise e José Viriato Coelho Vargas
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/04/2012
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Resumo: É estudada a aplicação de nanofluidos como fluidos secundários em sistemas de refrigeração por compressío de vapor mediante do desenvolvimento de um modelo termodinâmico de parâmetros concentrados. Quando um nanofluido é usado como fluido térmico, sua condutividade e viscosidade aumentam com respeito às propriedades do fluido base correspondente. Como conseqüência, a irreversibilidade por transferência calor diminui enquanto que a por atrito aumenta. Uma vez quantificadas as irreversibilidades de cada um dos componentes, é aplicado o método dos coeficientes estruturais para determinar o efeito da concentração de nanopartículas no fluido secundário na irreversibilidade global do sistema, levando em consideração as inter-relações da estrutura analisada. Para estimar os limites práticos da redução da irreversibilidade térmica com o uso de nanofluidos é proposta uma otimização do custo operacional, a partir de análise termoeconômica, considerando a aplicação do novo fluido secundário no sistema, sem nenhuma outra modificação no mesmo. A partir do modelo proposto, simulou-se um caso particular de operação. Mediante uma otimização parcial, é determinado o ponto de mínimo custo operacional, com a simples variação da concentração volumétrica de nanopartículas. Os resultados das otimizações fornecem diferentes valores da concentração ótima para diferentes cenários, caracterizados por vários comprimentos equivalentes do circuito secundário e diferentes tempos de operação anual.
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Aluno(a) : Victor Raul Guillén Nunez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/12/2011
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Resumo: Como a sede mundial por energia aumenta todo ano, enquanto o fluxo de petróleo dos campos petroferos conhecidos juntamente com a descoberta de novos reservatórios declina a uma velocidade considerável, torna-se A injeção de água é o método mais comum para manter a pressío e melhorar a recuperação de óleo contido em um reservatório. A eficiência de recuperação de óleo no caso de óleos pesados é limitada pela alta razío de mobilidade entre o fluido deslocante e o fluido deslocado. indispensável utilizar métodos mais efetivos para extrair o petróleo dos reservatórios conhecidos. Diferentes métodos de recuperação avançada de óleo sío desenvolvidos em busca de alternativas. A injeção de dispersões, em particular a injeção de emulsões óleo-em-água, como um agente de controle de mobilidade do fluido injetado tem sido testada e estudada com relativo sucesso. Porem esta técnica ainda nío é totalmente desenvolvida ou compreendida. O uso efetivo de injeção de emulsões como uma alternativa para a recuperação de petróleo requer uma completa análise dos diferentes regimes de fluxo de emulsões dentro do espaço poroso de um reservatório. Se o tamanho de gota da fase dispersa for da mesma ordem de magnitude do tamanho de poro, as gotículas podem se aglomerar e bloquear parcialmente o escoamento através do espaço poroso, controlando assim a mobilidade do fluido deslocante, obtendo assim um deslocamento mais uniforme e um aumento no fator de recuperação. Este trabalho tem como objetivo principal o estudo do processo de deslocamento de óleo em um meio poroso por injeção de água e emulsões óleo-in-água. Diferentes experimentos foram realizados para análise de diferentes aspectos do problema, incluindo a injeção alternada de água e emulsío óleo-em-água a diferentes vazões, injeção alternada de água e emulsío em meios com diferentes permeabilidades conectados paralelamente e visualização do escoamento através de um meio poroso transparente formado por esferas de vidro nío consolidadas.Um modelo do escoamento de emulsío foi considerado através da modificação da curva de permeabilidade relativa da fase aquosa, que é escrita como função nío só da saturação, mas também da concentração de gotas de emulsío e do número de capilaridade local. O processo de deslocamento de óleo através de injeção alternada água-emulsío foi também estudado numericamente através de um código desenvolvido em Matlab utilizando o modelo TPFA (Two Flux Approximation) and IMPES (IMplicit Pressure and Explicit Pressure Saturation).
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Aluno(a) : Luiz Henrique Paraguassú de Oliveira
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/03/2011
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Resumo: Nos últimos anos, o sensoriamento por fibras óticas vem ampliando a sua aceitação e utilização, através da tecnologia de redes de Bragg para realizar medições de diferentes grandezas. As características dielétricas das fibras óticas favorecem particularmente à fabricação de sensores de temperatura, indo ao encontro de uma necessidade crescente de diversos segmentos para medições especialmente em altas temperaturas. Dessa forma, surgiram grandes possibilidades de desenvolvimento de pesquisa direcionada à ampliação da faixa de medição de temperatura, praticada atualmente com redes de Bragg do tipo I e que apresentam restrições para medições em altas temperaturas. Na Tese, foi desenvolvida e aprofundada uma metodologia de calibração, caracterização, avaliação e validação, a fim de assegurar a confiabilidade metrológica às redes de Bragg do tipo I, II e regeneradas, visando à construção de um sensor para altas temperaturas em torno de 1000 ⁰C, voltado para áreas demandantes dessa tecnologia, tais como: petróleo e gás, nuclear, aeroespacial, etc.
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Aluno(a) : Júlio Cesar Cuisano Egúsquiza
Orientador(a): Sergio Braga e Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/21/2011
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Resumo: No presente trabalho, ensaios experimentais de um motor Diesel consumindo etanol hidratado ou gás natural em substituição parcial ao óleo diesel, foram realizados. Os objetivos principais foram verificar as influências dos combustíveis alternativos e avaliar as técnicas do avanço da injeção do diesel e da restrição parcial do ar de admissío, em relação aos parâmetros característicos da combustío, desempenho e emissões. Com base nos dados do diagrama pressío-ângulo de virabrequim, foi possível analisar alguns parâmetros característicos da combustío, tais como o início da combustío, a máxima taxa de elevação de pressío e o pico de pressío. Os parâmetros do desempenho e emissões do motor foram analisados através do rendimento térmico e as concentrações de monóxido de carbono, hidrocarbonetos, material particulado e óxidos de nitrogênio. Os resultados obtidos mostraram que as técnicas avaliadas no modo bicombustível favoreceram a melhor decomposição e oxidação do combustível alternativo, refletindo-se favoravelmente em menores emissões de CO, HC e MP, além de um pequeno aumento no rendimento térmico do motor. No entanto, houve também um acréscimo nas emissões de NOX e, no caso específico do avanço da injeção, foi notado um maior ruído gerado pelo motor.
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Aluno(a) : David Iván Maldonado Távara
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/04/2011
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Resumo: Escoamentos espiralados incidentes em superfícies sío escoamentos altamente complexos, envolvendo uma variedade grande de regimes. A previsío numérica deste tipo de escoamento pode auxiliar na compreensío dos diversos fenômenos envolvidos, o que poderá permitir o desenvolvimento de processos mais eficientes, assim como auxiliar na avaliação de modelos de turbulência. Visando avaliar o desempenho de diferentes modelos de turbulência para a previsío de um jato axi-simétrico espiralado incidindo em uma placa quente, determinou-se numericamente o escoamento com o auxílio da ferramenta computacional FLUENT, utilizando duas metodologias. A primeira baseada na média de Reynolds (RANS) e a segunda na simulação de grandes escalas (LES). Diversos modelos RANS de duas equações diferenciais foram testados, visando identificar a validade de aplicação de cada um deles através da comparação com dados experimentais disponíveis. A metodologia LES foi avaliada utilizando o modelo dinâmico de sub-malha de Smagorinsky. Apesar do alto custo, devido a necessidade de utilizar grande espaço de memória e tempo de simulação, os resultados obtidos com a metodologia LES foram significativamente superiores, uma vez que o escoamento apresenta alta anisotropia, a qual os modelos RANS apresentam dificuldade em prever.
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Aluno(a) : Ana Luísa Auler da Silva Ferreira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/27/2010
Local:
Resumo: O medidor de vazío ultrassônico é um medidor robusto, tem conseguido boa exatidío, mas é uma tecnologia relativamente nova e apresenta desafios principalmente no que se refere às verificações e calibrações. O presente trabalho tem por objetivo indicar um caminho para avaliar o desempenho do medidor ultrassônico em operação. Medidores ultrassônicos de 1 a 5 canais com diferentes arranjos foram simulados em escoamento completamente desenvolvido ou em escoamento com assimetrias e swirl devido a uma curva, duas curvas, degrau simples ou entre degraus. O posicionamento dos transdutores, desvio da trajetória, método de integração dos multicanais paralelos, influência da instalação e parâmetros de diagnóstico sío analisados focando sua influência nos resultados das medições e nas simulações numéricas realizadas. Foi verificada a influência do número de Reynolds. Foram realizadas simulações diretamente com perfis turbulentos (Nikuradse, Reichardt, Bogue-Metzner e Power Law) e simulações com software CFX. Estas referem-se à distorção do perfil de velocidades ao longo da seção transversal, provocada por uma curva, duas curvas no mesmo plano e em planos perpendiculares, a montante do medidor, o que caracteriza um erro de instalação em relação às condições de calibração. Medidores multicanais mostraram desempenho melhor do que os monocanais. Mas sem a utilização de fatores de correção, as diferenças nos resultados devido a curva a montante ultrapassam 5% e até 10% mesmo para medidores multicanais. Um degrau de -4% gera diferenças na ordem de 0,3% para medidores de 3 canais e degraus de 4% as diferenças ultrapassam 0,5%. Experimentos para avaliação do efeito do degrau, similares à simulação com degrau, sío analisados. Os parâmetros de desempenho apresentados pelos fabricantes nío sío eficientes. Uma curva de 90º pode influenciar a resposta do medidor mesmo a 50 diâmetros a montante desse medidor.
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Aluno(a) : Marcelo Neves Barreto
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/19/2010
Local:
Resumo: Os materiais usados como agentes de sustentação em operações de fraturamento para estimular a produção em poção de petróleo devem exibir propriedades tais que garantam a estabilidade da fratura, ao mesmo tempo que assegure o escoamento do fluido da formação pelo material de sustentação. Em virtude das diferentes condições encontradas nas formações rochosas, materiais com diferentes características prestam-se a esta finalidade. A busca por materiais alternativos é desejável para otimizar desempenho e minimizar custos.Este trabalho relata a avaliação de diferentes materiais para uso como gente de sustentação. Os materiais testados sío: piso cerâmico moído, porcelanato granulado, miçangas vazadas e miçangas maciças (ambas usadas na confecção de bijuterias) e microesferas de vidro. Os materiais foram submetidos à avaliação previstas nas normas API, ISO e ABNT aplicáveis.Os resultados mostraram que as microesferas de vidro possuem potencial de uso como propantes, desde que revestidas com resina fenólica, enquanto que os demais materiais falham em algum dos critérios de avaliação, principalmente da resistência ao esmagamento.
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Aluno(a) : Mao Ilich Romero Velasquez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/21/2009
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Resumo: Transporte de emulsões num meio poroso é relevante para diversas aplicações em sub-superfície. Muitos processos de recuperação melhorada de petróleo envolvem formação de emulsões. A modelagem do fluxo de emulsões num meio poroso é extremamente desafiante. As descrições disponíveis baseadas na viscosidade efetiva nío sío validas quando o tamanho das gotas é da mesma ordem de magnitude que o tamanho dos corpos de poros num meio poroso. Neste caso, intercepção e captura de gotas podem bloquear parcialmente a passagem dos poros e um modelo apropriado deve ser capaz de descrever estas mudanças locais de mobilidade. O modelo desenvolvido neste trabalho é baseado na relação vazío e queda de pressío do escoamento de emulsões através de capilares com constrição. Um modelo de redes de capilares é construído com objetivo de obter parâmetros macroscópicos a partir do comportamento microscópico. Os resultados mostram como a variação da permeabilidade com o número de capilaridade e propriedades da emulsío. Para baixas vazões, ou baixos números de capilaridade, as gotas maiores bloqueiam parcialmente os poros pequenos, resultando em uma redução da permeabilidade. Para altas vazões, o gradiente de pressío em cada capilar é alto o suficiente para forçar as gotas fluir através da constrição. Conseqüentemente, a permeabilidade aumenta com o número de capilaridade. Um programa, escrito na linguagem Fortram, é desenvolvido neste trabalho para simular o escoamento monofásico e bifásico de emulsões através de um meio poroso utilizando o modelo de rede de capilares. Na modelagem monofásica, os resultados apresentam uma boa concordância com as medidas experimentais feitas em mostras de arenito. Na modelagem bifásica, a comparação dos resultados entre a injeção da fase continua da emulsío e a injeção de emulsões (fase continua mais gotas) sobre uma rede inicialmente saturada com óleo mostra um aumento no fator de recuperação de óleo e uma frente de deslocamento mais uniforme no caso de injeção de emulsío.
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Aluno(a) : Ranena Verónica Ponce Flores
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/04/2008
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Resumo: Nas últimas décadas, tem se desenvolvido um crescente interesse em polímeros de troca iônica capazes de responder a diversos estímulos externos, sendo utilizados nos mais variados campos da ciência como sensores, transdutores e atuadores. Este tipo de materiais em contato com soluções aquosas sofrem deformações decorrentes de mudanças de campos magnéticos, temperatura, pH, campos elétricos e/ou força iônica. Sendo o pH um dos parâmetros operacionais críticos no controle de diferentes processos químicos, os polímeros sensíveis a pH constituem uma alternativa promissora em diversas áreas de pesquisa, e de particular interesse neste trabalho; na área de monitoramento do pH aplicado à industria do petróleo. O grande potencial e funcionabilidade deste tipo de polímeros tem despertado a necessidade de estudar e entender seu comportamento através de modelos matemáticos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo químico-eletro-mecânico para o estudo do inchamento de uma resina de troca iônica em equilíbrio com uma solução aquosa eletrolítica, como função das mudanças do pH e concentração salina da solução. Com o intuito de determinar parâmetros inerentes ao equilíbrio químico associados à densidade de carga elétrica superficial da resina, foram conduzidos ensaios de titulação potenciométrica bem como medidas de inchamento para três concentrações de NaCl. Objetivando investigar a microestrutura e composição do polímero foram realizados ensaios de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIV). A modelagem matemática foi desenvolvida em duas escalas (micro-macro) adotando a técnica de homogeneização de estruturas periódicas. Para a modelagem do inchamento da resina foi assumida a hipótese de material linearmente elástico, incorporando os fenômenos eletro-osmóticos na escala local mediante a solução do problema de Poisson-Boltzmann e do balanço de momento linear no fluido. O sistema de equações nío lineares postos na escala macroscópica foi discretizado através do Método de Elementos Finitos (Galerkin) e resolvido em forma acoplada mediante o método de Newton-Raphson. Os resultados teóricos mostram a existência de dois regimes de inchamento na resina: um regime dominado pela densidade de carga elétrica na superfície do sólido e um segundo regime onde o inchamento da resina é puramente governado pela força iônica da solução eletrolítica.
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Aluno(a) : Sygifredo Cobos Urdaneta
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/27/2007
Local:
Resumo: O escoamento de emulsões é encontrado em diversos processos de produção e recuperação de petróleo. O escoamento de emulsões em meios porosos depende de diversos parâmetros como a relação do tamanho das gotas ao tamanho dos poros, a razío de viscosidades, a vazío volumétrica e o efeito destes parâmetros ainda nío é bem compreendido. Uma análise detalhada na escala microscópica dos fenômenos envolvidos se faz essencial para a melhora do entendimento completo do escoamento de emulsões em um reservatório. Isto permite o desenvolvimento de melhores modelos de simulação para o escoamento multifásico em meios porosos. Neste trabalho, o escoamento de emulsões óleo-água através de um capilar com garganta foi estudado através de experimentos e teoria. A análise experimental consistiu da visualização sob um microscópico do escoamento e da medição da queda de pressío em função da vazío para diferentes emulsões. A análise teórica englobou o estudo do escoamento em regime permanente de uma gota de óleo infinita imersa em água através de um capilar e o estudo do escoamento transiente da mesma gota através de um capilar com uma garganta. Os resultados mostram que os modelos de escoamento de emulsões em meios porosos nío devem ser baseados em propriedades macroscópicas da emulsío quando o tamanho das gotas da fase dispersa for da mesma ordem de grandeza do tamanho dos poros. Nestes casos, a queda de pressío é função da tensío interfacial, razío de viscosidade, vazío e razío entre o tamanho das gotas e o diâmetro do poro. Os resultados apresentados neste trabalho podem ser usados no projeto de emulsões apropriadas para controle de mobilidade em operações de EOR através de injeção de emulsões.
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Aluno(a) : Teresa Juliet Peña Bastidas
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/25/2007
Local:
Resumo: A presença de emulsões durante a produção de óleo causa vários problemas e traz desafios tecnológicos a serem vencidos, já que afeta a produtividade dos poção, a elevação artificial, o tempo de vida dos equipamentos e o processo de separação do óleo produzido. Existe incerteza em relação à origem das emulsões geradas durante a produção de petróleo, podendo resultar do escoamento no meio poroso, do fluxo turbulento no fundo do poço, nas bombas, ou nas instalações de superfície. Este trabalho é focado na geração de emulsões no meio poroso e em alguns aspectos das emulsões produzidas em escoamentos turbulentos. Emulsões podem ser formadas no escoamento bifásico em um meio poroso através de diversos mecanismos. A quebra de gotas da fase nío molhante durante a passagem por uma garganta é um dos mecanismos mais importantes. Este fenômeno foi estudado em detalhe através da visualização do escoamento de grandes gotas de óleo suspensas em água através de uma garganta de poro. Foi obtido o mapeamento numa única curva das condições que levam à quebra de gota dentro de um capilar com garganta. Os resultados obtidos determinam as condições nas quais o processo de emulsificação ocorre em um meio poroso. O estudo de geração de emulsões no escoamento turbulento foi focado no estudo do tipo de emulsío (distribuição de tamanho de gotas e fase externa) obtida através de mistura de óleo e água em um misturador, em função da concentração e propriedades das fases. Especial atenção é dada às condições necessárias para a inversío da fase externa e formação de água livre. Os resultados obtidos permitem conhecer a influência das propriedades e concentração das fases no tipo de emulsío produzida, além de proporcionar ferramentas que permitem o monitoramento remoto da morfologia das emulsões que escoam em algum ponto especifico dos processos de produção, desde o fundo de poço até as instalações de superfície.
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Aluno(a) : Márcia Soares Gama
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/04/2006
Local:
Resumo: Os processos de destilação atmosférica e a vácuo do petróleo tem como subprodutos mais pesados os resíduos atmosféricos e de vácuo, respectivamente. Modelos encontrados na literatura nío descrevem bem a dependência da viscosidade com a temperatura para estas frações. Há grandes diferenças entre valores experimentais e calculados e no comportamento da curva temperatura x viscosidade. As viscosidades dinâmicas de sete diferentes amostras de resíduos foram determinadas experimentalmente. As amostras foram caracterizadas através de ensaios de: densidade, SARA, concentração de asfaltenos e destilação simulada. Com base em suas características físicas sío propostos modelos de viscosidade de frações pesadas de petróleo.
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Aluno(a) : Ricardo Hernandez Pereira
Orientador(a): Sergio Braga e Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/14/2006
Local:
Resumo: Medidas do desempenho de quatro diferentes motores, todos operando no modo bicombustível Diesel / gás natural, foram realizadas em dinamômetro de bancada. Selecionaram-se os motores a ensaiar por suas características construtivas e operacionais, representativas das distintas aplicações dos motores Diesel (cilindrada, faixa de rotação, uso ou nío da turbo-alimentação e arrefecimento do ar de combustío). Obtiveram-se pontos experimentais por amplas faixas dos parâmetros com influência sobre o desempenho de motores. Variou-se a razío de substituição de Diesel por gás natural de modo a levantar as regiões por onde a operação bicombustível é possível. Embora o foco do trabalho esteja sobre o desempenho também se tomaram dados relativos às emissões (fumaça / opacidade), tanto durante a operação Diesel original quanto para a bicombustível. Os resultados indicam que, por grande parte dos campos de funcionamento dos motores ensaiados, apenas parte do gás natural efetivamente queima. Os dados experimentais foram empregados na proposta de correlações empíricas a serem utilizadas na estimativa do desempenho de motores, originalmente Diesel, quando operando no modo bicombustível. Tais correlações foram utilizadas na conversío à operação Diesel / gás natural de três diferentes grupos geradores de eletricidade (motores de 212, 535 e 1.570hp). De forma distinta das medidas tomadas em laboratório as conversões destes geradores foram feitas em campo, sem oportunidade para a medida cuidadosa e metódica de todos os parâmetros de interesse. Os dados verificados nas conversões de tais grupos geradores, quando considerados com qualidade suficiente, foram incorporados ao presente trabalho.
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Aluno(a) : Daniel Boechat de Marins
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/13/2024
Local: 106L
Resumo:
Ambientes industriais, especialmente no setor de petróleo e gás, apresentam desafios únicos para técnicas de identificação de sistemas. Apesar dos avanços, ainda existe uma lacuna em nossa compreensão da integração de algoritmos black box, abordagens grey box e aprendizado de máquina para simulação de dados reais. Com o objetivo de otimizar a compreensão e previsão em ambientes industriais complexos, foram explorados a simulação de dados do mundo real na produção de petróleo e análise da velocidade de perfuração. Este estudo propõe uma análise da integração de algoritmos black box, abordagens grey box e aprendizado de máquina na simulação de dados reais, com ênfase na produção de petróleo e o estudo da interação broca rocha no processo de perfuração de poços de petróleo. Neste trabalho foram empregados técnicas de aprendizado de máquina, como redes neurais e métodos clássicos de identificação de sistemas, como modelos lineares como ARX (AutoRegressive with eXogenous inputs) e não lineares como o NARX (Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs), para capturar os comportamentos dinâmicos dos processos em estudo utilizando dados reais da produção de petróleo e de perfuração, levando em consideração as características específicas e desafios operacionais desses ambientes. Com base nos resultados obtidos, as técnicas utilizadas demonstraram viabilidade de aplicação, na qual a utilização desses modelos híbridos, que combinam conhecimentos físicos com abordagens de múltiplos modelos formados por algoritmos de identificação de sistemas e aprendizado de máquina, demonstrou potencial para aprimorar as simulações. Esses resultados ressaltam a eficácia desses métodos, indicando que pesquisas futuras podem se dedicar à implementação dessa técnica na identificação de sistemas complexos.
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Aluno(a) : Fabiano Edson Carlos
Orientador(a):
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/06/2024
Local: 106L
Resumo:
Empregamos simulações numéricas para calcular a forma da interface que separa uma gota de fluido não magnético cercada por um ferrofluido confinado em uma célula de Hele-Shaw. O sistema está sujeito a um campo magnético azimutal gerado por um fio condutor de corrente. O campo azimutal tem um efeito desestabilizador na interface e puxa o ferrofluido radialmente para dentro. Por outro lado, a tensão superficial tende a estabilizar as deformações da interface. O comportamento dinâmico e as formas morfológicas resultantes também são influenciados pelas viscosidades de ambos os fluidos e pela suscetibilidade magnética do ferrofluido. No presente trabalho, empregamos um método preciso de integrais de contorno baseado no formalismo de vortex sheet para examinar a dinâmica não linear e determinar essas deformações interfaciais. Analisamos como a interação entre efeitos magnéticos, de tensão superficial e de viscosidade afeta a morfologia da interface. Isso é capturado variando os parâmetros adimensionais que controlam o escoamento. São eles: a susceptibilidade magnética do material magnético, o contraste de viscosidade entre a gota não magnética e o ferrofluido e a tensão superficial efetiva, que pondera efeitos da tensão superficial com a intensidade do campo aplicado. Comparamos casos particulares de nossas simulações não lineares com previsões teóricas de uma análise perturbativa de modos acoplados que retém termos lineares e fracamente não lineares. A concordância entre as duas abordagens para tempos curtos corrobora a validação do método numérico e indica a validade e algumas limitações da abordagem aproximada.
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Aluno(a) : Eliza Galvao da Silva Cardoso
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/19/2024
Local: 106L
Resumo:
A energia desempenha um papel estratégico global, com a indústria do petróleo sendo uma fonte crucial. No entanto, iniciativas visando reduzir a dependência do petróleo surgem, impulsionadas principalmente por preocupações ambientais, como as mudanças climáticas. A transição energética ganha destaque nas agendas nacionais, refletindo a interligação entre energia e meio ambiente. Apesar da queda na demanda global de petróleo, a indústria do petróleo permanece vital, sustentando fontes de energia, gerando receitas e empregos.
Contudo, a indústria enfrenta pressões ambientais crescentes, destacando a necessidade de investir continuamente em segurança nas operações de exploração de poços. O blowout, apesar de ser evento com baixa probabilidade de ocorrência, representa uma ameaça grave, não apenas para a imagem da empresa, mas também para o meio ambiente e a vida das pessoas. O exemplo do blowout de Macondo, ocorrido no Golfo do Mexico, em operação da British Petroleum (BP) evidencia os impactos significativos.
O combate ao blowout envolve mitigação de impacto e controle da fonte. Estratégias essenciais para mitigação de impactos e o controle da fonte incluem o capeamento do poço e a construção de um poço de alívio. O primeiro é uma ação rápida para fechar o poço e cessar o vazamento de hidrocarboneto para o meio ambiente, enquanto o segundo visa construir um poço adicional para interceptar, amortecer e abandonar de forma definitiva o poço em blowout.
O presente trabalho concentra-se em apresentar soluções para amortecimento do poço em blowout via poço de alívio em situações que exigem altas vazões e volumes. Simulações revelam desafios técnicos, como demandas de grandes volumes e altas vazões de amortecimento. Portanto, a pesquisa busca oferecer soluções diferenciadas para atender a essas demandas específicas e contribuir para a segurança e eficácia das operações.
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Aluno(a) : Manoela Dutra Canova
Orientador(a): Márcio Carvalho e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/23/2023
Local:
Resumo: Campos de petróleo com gás não associado do tipo gás condensado possuem destaque pelo maior valor econômico agregado associado a seu recurso energético: a expressiva quantidade de condensado produzida, além do próprio gás. Porém, tais reservatórios possuem um comportamento termodinâmico particular, induzindo mudanças de composição e, consequentemente, fase ao longo do processo de produção por depleção. Nas condições de reservatório, por exemplo, pode ocorrer o fenômeno chamado de condensate blockage, em que bancos de condensado se formam, geralmente em regiões próximas aos poços, dificultando assim o escoamento e afetando a produção de gás. A fim de definirmos a melhor estratégia de gerenciamento de um projeto a ser implementado ao longo da explotação desse tipo de reservatório, uma ferramenta importante utilizada pelos engenheiros é a simulação numérica. Especialmente relacionadas à representação do fenômeno físico-químico citado, nas simulações se utilizam as curvas de permeabilidade relativa. Na realidade, porém, existe uma certa limitação de representatividade do fenômeno nos ensaios laboratoriais praticados pela indústria e os melhores insumos poderiam ser fornecidos por simulações em rede de poros, com modelos que representem a sua alteração com função das mudanças na tensão interfacial e na velocidade de escoamento ao longo do reservatório. A reprodução de uma simulação de escoamento em rede de poros para a escala mais próxima possível em uma simulação de simulador comercial de diferenças finitas é validada. Da simulação em rede de poros até a escala de campo praticada nas simulações de reservatórios, uma metodologia de scale-up é proposta, utilizando um processo de otimização, procurando ser fiel à curva de permeabilidade relativa original, em escala de microporo, obtida simulando fenomenologicamente o processo de condensação no reservatório, através de um modelo que reproduza sua dependência com a velocidade desenvolvida pelas fases em meio poroso. A comparação de produtividades na escala de campo e na evolução da saturação de condensado em regiões próximas aos poços foi apresentada para as três curvas de permeabilidade relativa utilizadas. Os resultados mostram que a metodologia proposta consegue ser mais fiel à influência da condensação no reservatório sobre a produtividade dos poços quando comparada ao insumo de curva de permeabilidade relativa de ensaio laboratorial que apresenta o condensado mais móvel. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/94297499293?pwd=VGFaK3VUL3pHbTNmOXJoOTRITWtBdz09
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Aluno(a) : Rafael Peralta Muniz Moreira
Orientador(a): Mônica Feijó Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/20/2023
Local: 106L
Resumo:
This master dissertation investigates multiphase displacement flow in annular geometries involved in well cementing operations with foamed cement slurries and spacers. Well cementing plays a relevant role in well integrity and some applications require combining a low-density cement slurry with high compressive strength, and foamed cement suits this purpose. To properly model the displacement complexity involving foamed fluids flow - pressure and temperature dependent densities and non-Newtonian rheology - a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed from the open-source OpenFOAM toolbox. The mass, momentum and phase conservation equations are solved in an annular geometry, taking the effect of pressure in the fluid density and rheology, and the volume-of-fluid (VoF) method was used to capture the interface between the fluids. The models were validated using exact solutions for axisymmetric single-phase flow with incompressible and compressible fluids, and Newtonian and non-Newtonian constitutive models. Further, multiphase simulations were performed to estimate the removal efficiency of the drilling fluid by the foamed cement slurry/spacer in different conditions – density and viscosity contrast, eccentricities, and flow rate - and with different correlations for the foamed cement rheological behavior. Finally, the displacement simulations with constant density and rheology displacing fluids (unfoamed) were performed and used to compare the results with the foamed displacing fluids. The results indicate that the displacement efficiency with a foamed cement technique outperforms constant density lightweight cement slurries with similar conditions and are much less sensitive to impairment when challenging conditions are present.
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Aluno(a) : Dr. Sergio Margulis
Orientador(a):
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/11/2023
Local: 106L
Resumo:
A descarbonização além de urgentíssima e extremamente atrasada em relação às metas do aquecimento global, envolve uma série de desafios tecnológicos, econômicos e políticos que vêm alimentando a procrastinação dos países ricos e pobres. O sistema costurado pela UNFCCC e o Acordo de Paris estão longe de servir de efetiva solução para o problema.
Sergio Margulis é matemático, com doutorado em economia ambiental pelo Imperial College, Londres. Foi economista de meio ambiente do Banco Mundial em Washington DC durante 22 anos, Secretário de Desenvolvimento Sustentável da SAE (Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência), Presidente do INEA (Rio de Janeiro) e pesquisador do IPEA. Desde 2005 tem trabalhado e estudado quase que exclusivamente sobre temas ligados ao aquecimento global. Atualmente é professor do Mestrado Profissional de Ciência da Sustentabilidade na PUC-Rio e pesquisador sênior associado da WayCarbon.
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Aluno(a) : Rodrigo Borges Rabelo
Orientador(a): Ivan Menezes e Luis Fernando Pires
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/15/2023
Local:
Resumo: Transiente hidráulico ou “golpe de aríete” é a rápida variação da pressão de um fluido em um sistema. Em dutos, está frequentemente associado ao fechamento de válvulas e partida e parada de bombas. Em instalações aéreas, ele pode produzir grandes forças axiais, devido aos grandes diferenciais de pressão que podem ocorrer. Para dimensionar corretamente os suportes da tubulação, as análises de tensões devem considerar essas cargas, o que, por sua vez, requerem simulações hidráulicas. Frequentemente, esses dados não estão disponíveis, em função da demanda requerida para o estudo e a disponibilidade e prazo para realização das simulações. Este trabalho tem por objetivo fornecer dados sobre forças dinâmicas geradas em transientes hidráulicos em uma ampla gama de casos encontrados na indústria do petróleo. Simulações hidráulicas foram realizadas considerando vários diâmetros de duto, velocidades de escoamento e diferentes fluidos, analisando o fechamento rápido de uma válvula de esfera. Uma metodologia foi então utilizada para obter os gradientes de pressão que ocorrem em vários comprimentos de tubulação. Diferentes interpolações foram então realizadas com os dados obtidos pelas simulações, e verificou-se que as de segunda ordem são adequadas para obter gradientes de pressão para cenários de velocidades de escoamento intermediários aos dos casos simulados, sem a necessidade de novas simulações. O mesmo processo foi realizado para a massa específica do fluido, confirmando que tais interpolações são também apropriadas para obter gradientes de pressão para valores de massa específica intermediários aos simulados. Uma terceira correlação foi proposta considerando uma interpolação linear para os resultados da massa específica e quadráticas para a velocidade de escoamento, obtendo-se resultados não tão precisos quanto os anteriores, mas capazes de fornecer gradientes de pressão satisfatórios para valores intermediários de densidade e velocidade, simultaneamente. Verificou-se ainda que um polinômio de quinta ordem pode descrever perfeitamente as curvas de gradiente de pressão de cada cenário, permitindo que os resultados possam ser obtidos por equações simples. Os resultados deste trabalho servem como dados de entrada para a análise dinâmica dos cálculos de flexibilidade de tubulação, fornecendo os esforços gerados pelo fechamento rápido de uma válvula de esfera, considerando uma ampla gama de diâmetros, vazões e densidades. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/95811224221?pwd=cWw2dVJaVzdkRTE1R0UwdHcyS0tjdz09 Meeting ID: 958 1122 4221 Passcode: 044272
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Aluno(a) : Guilherme Henrique Castro
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/10/2023
Local:
Resumo: A mobilidade urbana possui significativa interação com o meio ambiente, seja através dos recursos extraídos para produção e abastecimento de frotas automotivas ou da poluição promovida pela circulação e descarte de resíduos. Sendo do conhecimento geral que os principais combustíveis utilizados atualmente são oriundos de fontes naturais finitas e de alto impacto ambiental, faz-se necessário a avaliação de outras alternativas de propulsão dos meios de transporte. Dentro dessas condições os veículos elétricos e os veículos movidos à etanol apresentam-se como opções consistentes sob o aspecto sustentável. A abordagem desenvolvida contempla as interações entre as matrizes energéticas e elétricas, as emissões atmosféricas e os diferentes tipos de propulsão, tendo em vista o comportamento de cada um desses fatores nos seguintes países: Estados Unidos, Alemanha, China, Japão, Índia e em especial o Brasil. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/95173908527?pwd=VzZTdHF5OWUvU1J5ME83cDBJSGl0UT09
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Aluno(a) : Frederico Resende de Carvalho
Orientador(a): Rafael Oliveira
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/28/2023
Local: 154L
Resumo:
Umas das etapas mais complexas e críticas durante a construção de poços de petróleo é o processo de cimentação primária, definida como "O processo de instalação de cimento no anular entre o revestimento e a formação exposta ao poço" [1]. Ela fornece isolamento zonal permanente para evitar contaminação ou migração de fluidos indesejáveis no anular, protege o revestimento da ocorrência de corrosão e fornece estabilidade hidráulica e mecânica para o revestimento ao longo da vida produtiva do poço de petróleo. Neste processo, ainda na etapa de perfuração, irregularidades na seção transversal (washouts) podem ser geradas como resultado de diversos colapsos parciais da seção do poço aberto em decorrência da presença de rochas pouco consolidadas da formação. Uma operação de cimento bem-sucedida dependerá se a pasta de cimento desloca de forma adequada e completa a lama de perfuração do anular e washouts.
Motivados por esse problema industrial, a presente dissertação usa um simulador numérico DNS (Direct Numerical Simulation) com o objetivo de analisar sistematicamente o comportamento hidrodinâmico e calcular a eficiência do deslocamento entre dois fluidos newtonianos miscíveis através de um anular contendo uma expansão seguida de uma contração abrupta. Investigamos como diferentes viscosidades e densidades dos fluidos injetado e deslocado, a miscibilidade entre eles, a taxa de injeção e a dimensão do washout com configuração geométrica retangular podem afetar o escoamento bifásico. Consideramos uma geometria axissimétrica em processos de deslocamentos verticais, e as equações governantes são resolvidas em coordenadas cilíndricas, permitindo investigar diferentes aberturas anulares. Nossos resultados preveem eficiências de deslocamento altíssimas, próximas a 100%.
Apesar dos fluidos utilizados nos processos industriais de cimentação
serem não-newtonianos, as altas eficiências de deslocamentos encontradas em nossos resultados motivam o uso de fluidos espaçadores para tentar controlar as propriedades de interface. Assim, a aproximação das condições de escoamento entre fluidos newtonianos miscíveis pode contribuir para um aumento da eficiência de deslocamento e, consequentemente, da segurança de poços de petróleo
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Aluno(a) : Michel Angelo Oliveira Werneck de Carvalho
Orientador(a): Florian Pradelle e Brunno dos Santos
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/27/2023
Local: 106L
Resumo:
Defesa restrita - sem público
O biogás é uma energia renovável com grande potencial de produção a partir de resíduos, incluindo resíduos alimentares, podendo ajudar a reduzir a dependência de fontes de energia não renováveis e contribuindo para a sustentabilidade ambiental. Portanto, é importante desenvolver modelos precisos para prever a produção de biogás a partir desses resíduos. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de três modelos distintos usando Redes Neurais Artificiais (RNAs), com a capacidade de prever o volume cumulado de biogás, de metano e a concentração de CH4 presente nas amostras. As variáveis do processo de biodigestão anaeróbia foram: tipo de biomassa, tipo de reator/alimentação, teor de sólido volátil, pH, taxa de carga orgânica, tempo de retenção hidráulica, temperatura e volume do reator. Foi construído um banco de dados original e robusto com informações disponíveis na literatura para treinar, testar e validar os modelos investigados. Para cada modelo, foram desenvolvidas e testadas 24 RNAs utilizando a ferramenta computacional MATLAB. As RNAs foram avaliadas pela sua capacidade de estimação através do coeficiente de determinação (R2) e também através da soma do erro quadrático (SSE) obtidos. Após a realização das etapas mencionadas anteriormente, as redes neurais foram empregadas na elaboração de superfícies de resposta que combinam diferentes variáveis de entrada para identificar as regiões ideais para produção de biogás e metano. Ao final os resultados mostraram que as RNAs desenvolvidas tinham aptidão para estimação do grupo usado para o treinamento, teste e validação. A melhor rede neural para produção cumulada de biogás, de metano e a percentagem de metano obtiveram R2 igual a 0,9955, 0,9962 e 0,9448 e SSE igual a 0,8167, 0,7444 e 7,225, respectivamente. A combinação de variáveis do processo para produzir superfícies de resposta se mostrou uma abordagem útil para identificar pontos ótimos no processo produtivo.
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Aluno(a) : Jesús Daniel Fernández Escalante
Orientador(a): Marcio Carvalho e Jorge Antonio Benavides
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/18/2023
Local: por acesso remoto
Resumo:
It is estimated that 50% of world oil production comes from naturally fractured carbonate reservoirs. One of the biggest challenges in this type of formation is its heterogeneous nature. Besides the presence of fractures that longitudinally connect the porous media, vugs at different scales and distributions are scattered throughout the porous matrix. These cavities cause fluid flow characteristics to significantly differ from those of homogeneous reservoirs and bring the need to evaluate equivalent petrophysical properties of the system. Permeability is a key property to understand and predict operations involving one or more phases flowing through porous media. However, for vugular formations, obtaining representative rock samples to perform measurements is especially difficult. In addition, interpreting equivalent relative permeability maps can be challenging, since fluid saturation may not be uniform throughout the porous and vugular space.
Microfluidics approaches by means of artificial porous media micromodels have been widely used for pore-scale multiphase fluid flow visualizations, in order to relate macroscopic fluid flow properties to microscopic displacement mechanisms. When these devices are coupled with precise pressure drop measurements, additional information gathered from permeability determination could lead to important advances in this area. For example, improving the interpretation of data that are fed into simulations or that are obtained from core-flooding experiments.
In this study, a microfluidic approach is used to determine the water and oil relative permeability curves and phase distribution profiles in 2D micromodels of vugular porous media. It involved prototyping a randomly-constricted porous matrix, incorporating different designs of vugs, and microfabrication of PDMS-glass micromodels. Steady-state water-oil injection experiments were performed in these devices at different fractional flow, monitoring the dynamics of the pressure drop and visualizing the fluid displacement at the pore scale. Live-image acquisition through fluorescence microscopy made it possible to examine the evolution of the saturation of water and oil phases. The direct comparison between the relative permeability curves of well-characterized vugular porous media and its porous matrix showed that the incorporation of vugs leads to (i) higher equivalent absolute permeability, especially with longer cavities and higher vug density, (ii) increased oil occupancy in the porous matrix, due to less efficient water invasion into the porous matrix, and (iii) higher relative permeability to water, which flows preferentially through the vugular space. These results are consistent with the oil-wet nature of micromodels, since the vugs are offering less capillary resistance to the flow of the non-wetting phase. Our low-cost microfluidic approach will likely allow us to systematically study more complex vugular-fractured systems.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/92303948074?pwd=OSt3K1MraXFEcmNSeW5oVHptS3BoQT09
Meeting ID: 923 0394 8074
Passcode: 188662
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Aluno(a) : Ana Lúcia Matias Maria
Orientador(a): Márcio Carvalho, Marcos Vitor Machado e Flávia Falcão
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/09/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Mais de 60% da produção de petróleo no Brasil é oriunda de Reservatórios Carbonáticos. Estes reservatórios passaram a ter grande importância na matriz energética brasileira com a descoberta da chamada camada Pré-Sal, responsável por mais da metade da produção de petróleo na PETROBRAS. Um dos principais desafios para o desenvolvimento de jazidas típicas do Pré-Sal brasileiro é a caracterização dos sistemas fraturados e carstificados. Determinar parâmetros requeridos pelos simuladores de reservatórios, tais como porosidade, permeabilidade e compressibilidade de carste de forma a gerar curvas que representem a variação destes parâmetros ao longo do tempo representando efeitos geomecânicos de forma combinada ainda se configura no estado da arte das pesquisas da indústria do petróleo.
Este trabalho apresenta uma metodologia para estimativa da compressibilidade de feições cársticas.
O modelo geológico proposto foi gerado a partir de afloramento, Lajedo Arapuá, situado na Bacia Potiguar. O Lajedo Arapuá possui dimensões compatíveis com as de uma célula do modelo de simulação típico (200 x 200 x 3) dos campos do Pré-Sal e foi construído utilizando malha estruturada utilizando aproximações por diferenças finitas para resolver as equações de escoamento.
Os efeitos geomecânicos serão pseudo acoplados no simulador comercial IMEX (fluido BlackOil) da CMG através da inclusão de tabelas de modificadores de porosidade, permeabilidade em função das variações de pressão de poros (pressão de reservatórios). Desta forma será possível avaliar o impacto destes parâmetros nas curvas de previsão de produção ao longo tempo em um campo sob o mecanismo de produção por depleção.
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Aluno(a) : Fernanda da Silva Pimentel
Orientador(a): Florian Pradelle e Brunno dos Santos
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/26/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Na tentativa de reduzir os efeitos das emissões de dióxido de carbono, há uma necessidade por maior utilização de fontes de energia renováveis, tal como energia proveniente de biomassa. Para geração de energia a partir da biomassa, destaca-se o processo de gaseificação, por meio do qual é possível gerar um combustível nobre. Objetivou-se simular no software Matlab® a gaseificação da biomassa usando técnicas de inteligência artificial que são as Redes Neurais Artificiais (RNA). Particularmente, objetivou-se desenvolver modelos abrangentes de RNA com dez variáveis de entrada (carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, material volátil, teor de umidade, cinzas, razão de equivalência, temperatura e razão vapor/biomassa), aplicáveis a uma diversidade de biomassa, com diversos tipos e concentrações de agentes de gaseificação em diferentes tipos de gaseificadores, capazes de predizer a composição do gás de síntese (CO2, CO, CH4 e H2). Para treinamento, teste e validação dos modelos, foram preparados bancos de dados robustos, a partir de informações coletadas em estudos anteriores disponíveis na literatura e do tratamento dos dados obtidos dos artigos. Foram avaliadas 33 topologias das redes neurais para eleger a melhor delas de acordo com quatro critérios referente a robustez do treinamento e do teste. A rede considerada como tendo a melhor topologia possui 10 neurônios na camada de entrada; 2 camadas intermediárias, com funções de ativação logsig e 10 neurônios em cada camada intermediária; função de ativação purelin na camada final; 4 neurônios na camada final; e algoritmo de treinamento trainbr. Tal rede possui um bom desempenho, com valores de R2 de treinamento e de teste maiores que 0,88 e 0,70, respectivamente, para cada uma das quatro saídas. Para avaliação do modelo, uma validação foi executada, cujo desempenho não foi muito adequado, mas foi possível identificar com uma métrica quantitativa simples as regiões mais confiáveis onde há uma maior densidade de dados no treinamento.
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Aluno(a) : Naiara Rinco de Marques e Carmo
Orientador(a): Florian Pradelle e Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/20/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Diante da crise ambiental dos dias atuais, desenvolver tecnologias de menor impacto negativo e promover ações de eficiência energética tornam-se imprescindíveis para conciliar produtividade e redução de emissões. Neste contexto, aprofundar-se no estudo de motores de combustão interna modelando seu funcionamento se apresenta como uma ferramenta bastante interessante, seja por ensaios em bancada ou modelagens. O presente trabalho buscou desenvolver modelos usando diferentes arquiteturas de Redes Neurais Artificiais (RNAs) para obter parâmetros de performance de Motores de Combustão Interna movidos a gás natural e a misturas de diesel – biodiesel – etanol. Para o primeiro caso, foram coletados dados de 5 motores visando a avaliação da eficiência térmica, consumo específico, temperatura de exaustão, e para o segundo a base de dados contempla um motor, sobre o qual foram avaliados, em acréscimo aos parâmetros mencionados, os coeficientes de compressão e expansão da politrópica, o consumo específico de etanol, a taxa máxima de liberação de calor e a pressão máxima. Para as redes que apresentaram melhores resultados, foram construídas superfícies de resposta a fim de analisar os modelos sobre a perspectiva do fenômeno que representam. Foi possível obter modelos com boa representatividade dos parâmetros mencionados (obtendo valores de R² acima de 70% para dados de treino e teste), exceto para os dois coeficientes da politrópica. Neste caso, embora os erros fossem relativamente satisfatórios, as superfícies de resposta atingiram extremos que não condizem com a teoria relacionada. Por outro lado, foi possível construir um modelo para a eficiência térmica a partir do consumo e abertura da válvula, com R² de 99% para treino e teste. Isto se explica pelo fato de que a primeira variável de entrada é parte da equação que calcula o parâmetro em questão, e a segunda está ligada à relação ar-combustível da mistura.
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Aluno(a) : Daniel Vaz Campos
Orientador(a): Márcio Carvalho e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/18/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Nesta dissertação é apresentado um estudo comparativo entre dois métodos de descrição do escoamento de fluidos em meios porosos heterogêneos e compostos de elementos arquiteturais de permoporosidade elevada, chamados fraturas e carstes. Fraturas são descontinuidades nas formações desencadeadas por tensão mecânica e carstes são espaços vazios na rocha formados por dissolução. Ambos são característicos das rochas carbonáticas do Pré-Sal, principais reservatórios produtores de petróleo do Brasil. A presença destes elementos traz grande dificuldade de caracterização e, por consequência, introduz grande incerteza nas curvas de produção previstas para cada campo. Os simuladores numéricos em diferenças finitas de Engenharia de Reservatórios, responsáveis pela geração destas curvas, representam de forma aproximada o escoamento nos espaços vazios da rocha devido à formulação aplicada. Além disso, devido à escala de quilômetros de extensão em que normalmente são utilizados, usam células que incluem os três meios (matriz porosa, carste e fratura), cujas escalas são menores que a de cada célula. Nesta dissertação, busca-se entender a equivalência entre simuladores numéricos black oil e o modelo de Brinkman, ainda não utilizado amplamente, que é um modelo físico constituído por equações que representam mais fielmente o escoamento, tanto na matriz porosa, quanto nas regiões de altíssima porosidade e nas fronteiras entre elas. Para esse objetivo, foi desenvolvido um simulador de Brinkman de fluxo monofásico em duas dimensões e capaz de representar o regime transiente, utilizando o método dos elementos finitos para resolução das equações diferenciais. Os comportamentos transiente e permanente do simulador criado foram validados por meio de exemplos da literatura e os valores obtidos para a propagação da pressão e velocidade de fluxo foram comparados com os de um simulador numérico black oil na reprodução do escoamento em camadas selecionadas do modelo do carbonato do Lajedo Arapuá. Foram realizados estudos com modelos de duplo contínuo (que representam, através de parâmetros específicos, o fluxo na matriz porosa e nas fraturas, com um termo de transferência entre eles) buscando, através da variação da permeabilidade efetiva da fratura e do fator de forma, convergência aos resultados do modelo de contínuo único de referência, selecionado após análise dos resultados comparativos com Brinkman. Os resultados mostraram pouca variação entre os resultados dos métodos em cenários nos quais o sistema cárstico é composto por vugs dispersos e desconectados, enquanto que carstes em forma de condutos e com configurações complexas causam alterações na propagação da onda de pressão e nas velocidades de fluxo entre os modelos, principalmente em cenários com valores de permeabilidade mais próximos entre carste e matriz porosa na simulação black oil. A análise em duplo contínuo mostrou ser possível obter, através de modelos homogêneos e com escala até 10 vezes maiores, resultados semelhantes aos obtidos com uma modelagem black oil heterogênea com caracterização do sistema cárstico. Também foi possível concluir que a permeabilidade efetiva de fratura é suficiente como parâmetro de ajuste para encontrar um modelo equivalente, dentro de um critério de valor de variação, ao modelo de contínuo único.
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Aluno(a) : Vinicius Mattoso Reis da Silva
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 01/26/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Reservoir characterization is an important tool for production/reservoir management. Well tests are commonly used in reservoir characterization and are the only source of dynamic data during the exploitation period. These tests typically measure the pressure and temperature responses at a well during controlled production, injection, or static conditions. Generally, only pressure data is post-processed in reservoir characterization. However, considering only pressure data can lead to misinterpretation associated with the neglected thermal effects, causing errors in reservoir properties estimation and consequently inefficient reservoir management. Besides that, pressure data have several noise sources that may compromise the accuracy of test results. Recent results have shown that temperature data can be used to improve reservoir parameter estimation. In this work, the ensemble smoother with multiple data assimilation method (ES-MDA) was applied in synthetic cases created by an in-house non-isothermal reservoir-well flow simulator that considers the Joule-Thomson heating and cooling, adiabatic fluid expansion/compression, conduction, and convection effects in the thermal energy balance equation. The synthetic measured data was obtained by adding gaussian and harmonics noises to the numerical predictions to simulate equipment and tidal effects, respectively. A sensitivity analysis of the effect of the CD matrix used for updating parameters of the ES-MDA method on the parameters estimations was carried out. The results show that adding temperature data to the observed data in the history matching improves the estimates of the reservoir parameters, especially for the skin region and reservoir porosity. For the analyses in which the pressure data had the addition of harmonic noise, the inclusion of temperature data also proved to be of great importance for an accurate characterization of the reservoir.
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Aluno(a) : Guilherme Rezende Bessa Ferreira
Orientador(a): Helon Ayala e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/06/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Ultrasonic non-destructive evaluation (NDE) is of extreme importance inthe oil and gas industry (OGI), especially for assets and structures subjected to conditions that accelerate failure mechanisms. Despite being widely spread, ultrasonic non-destructive methods depend on a specialized workforce, thus being error-prone and time-consuming. In this context, pattern recognition methods, like Machine Learning (ML), fit conveniently to solve the challenges of the task. Hence, this work aims at applying ML techniques to address the interpretation of data acquired through ultrasonic NDE in the context of the OGI. For that purpose, this dissertation involves three case studies. Firstly, Ultrasonic Guided Wave (UGW) signals are used to classify defects present in welded thermoplastic composite joints. Results have shown that, when using features extracted with autoregressive models, the accuracy of the ML model improves by at least 72.5%. Secondly, ultrasonic image data is used to constructo an automatic weld diagnostic system. The proposed framework resulted in a lightweight model capable of performing classification with over 99% accuracy. Finally, simulation data was used to create a deep learning model for estimating the severity of corrosion-like defects in pipelines. R2 results superior to 0.99 were achieved.
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Aluno(a) : Débora Yohane Cunha Azevedo Silva
Orientador(a): Márcio Carvalho e Paula Reis
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/10/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Em reservatórios de gás retrógrado com pressões inferiores à pressão de orvalho, a produtividade dos poços pode ser comprometida devido ao aparecimento e acúmulo da fase líquida nas suas imediações. Este fenômeno é conhecido como bloqueio por condensação retrógrada e está associado à uma série de desafios para compreendê-lo. Um deles é a determinação da permeabilidade relativa das fases líquida e gasosa, que comumente advém de curvas de permeabilidade obtidas a partir da extrapolação de poucos dados experimentais. Dessa forma, elas tendem a não representar fielmente efeitos importantes para o escoamento, comprometendo a precisão da modelagem do fluxo no meio poroso. A fim de investigar o efeito das curvas de permeabilidade relativa sobre a formação de bancos de condensado, foi desenvolvido um modelo composicional em escala de reservatório para o estudo do escoamento de gás e condensado. Com o modelo, o uso de curvas de permeabilidade relativa obtidas através de simulação do escoamento de gás retrógrado na escala de poros e de correlações propostas na literatura foi avaliado. Considera-se: sistema isotérmico, escoamento bifásico e incorporação dos efeitos de forças capilares por meio do modelo de permeabilidade relativa. Equações de balanço molar e consistência de volume formam um sistema não linear resolvido pelo método de Newton que fornece pressão e número de mols de cada componente, em todos os volumes de controle do modelo, a cada passo de tempo. Para o equilíbrio de fases, a equação de Peng & Robinson foi implementada com uma rotina de flash a pressão e temperaturas constantes. O modelo foi validado contra a solução analítica para sistema monofásico e por fim, o simulador obteve a evolução temporal das curvas de pressão e saturação em função da distância do poço, a fim de comparar o efeito dos diferentes modelos de curvas de permeabilidade relativa na predição do bloqueio por condensado. Os resultados foram obtidos variando-se a permeabilidade absoluta do meio e a vazão de gás imposta no poço, e o impacto desses parâmetros no acúmulo de condensado foi avaliado.
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Aluno(a) : Renata Oliveira Vieira
Orientador(a): Sergio Braga e Epifanio Ticona
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/22/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Este trabalho consiste no estudo de um sistema de geração isolada de energia. Um sistema isolado é aquele que não está ligado à rede. Seus objetivos consistem na construção de um simulador e na realização de testes experimentais. O sistema possui como componentes: painéis fotovoltaicos, grupo de baterias, inversor de corrente e um sistema integrado (reformador + célula combustível). Onde, o reformador utiliza o etanol como combustível para geração de gás reformado, e a célula combustível é do tipo LTPEM (Low Temperature Proton Exchange Membrane). O gás reformado é composto, principalmente, por hidrogênio e óxidos de carbono, além do metano em baixas porcentagens. O sistema foi desenvolvido para que um consumidor fosse atendido por um SIGFI. Sendo seus diferenciais: a utilização de gás reformado, não possui compressor e nem armazenamento. Fez-se um volume de controle em cada componente do sistema, analisando alguns dados como: potência, vazão, consumo elétrico, entre outros. Com estes dados, foi possível o desenvolvimento de um simulador em Excel e VBA (Visual Basic for Applications). Após isso, testes em conjunto foram feitos, para que estes dados experimentais fossem comparados aos simulados, a fim de se validar o simulador. Ou seja, comparar os dados simulados com dados reais. Com o simulador validado, foram feitas diversas análises, com alguns cenários, pré-estabelecidos, a fim de se comprovar ou não a viabilidade técnica do sistema de geração isolada de energia elétrica.
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Aluno(a) : Rafael Fonseca de Mesquita
Orientador(a): Ivan Menezes e Luis Carlos Junior
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/08/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Este trabalho faz uma análise da variação dos parâmetros que têm importância na propagação de fraturas hidráulicas e da influência desses parâmetros na contenção do fraturamento. Os experimentos numéricos foram feitos em um modelo 2D utilizando um simulador de elementos finitos com acoplamento sequencial hidrodinâmico, tendo como premissa o comportamento estacionário dos processos envolvidos. Inicialmente, foram feitos testes de validação das soluções numéricas empregadas neste trabalho a partir de casos cujas soluções são bem conhecidas. Então, efeitos de variações de poropressão, de estado de tensões, propriedades das rochas, intervalos de início da fratura hidráulica, efeitos térmicos e o dano à formação permoporosa foram utilizados para avaliar a contenção da fratura hidráulica. Primeiramente, os efeitos foram avaliados separadamente e, em seguida, foram combinados aos pares, por meio de sorteio, e então avaliados. Os estudos levaram à conclusão de que o fator de maior influência para o início da propagação da fratura hidráulica na rocha capeadora (primeiros metros) é o valor da tensão mínima de confinamento do reservatório e a continuidade da propagação vertical na rocha selante é dominada pelo contraste de tensões entre rochas reservatório e capeadora. Entretanto, os demais parâmetros exercem influência na contenção do fraturamento hidráulico e devem ser levados em consideração neste tipo de estudo, principalmente os que servirão de insumo para a tomada de decisões.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Jonathan Strefling Aguiar
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/08/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
O presente trabalho apresenta evidências e visa confirmar as tendências gerais de que reparos feitos de materiais compósitos podem ser utilizados para restaurar completamente a integridade estrutural, desconsiderando efeitos de tempo, de segmentos de dutos que apresentam anomalias (defeitos) de perda de metal em sua superfície externa, causados por corrosão ou erosão. Sete espécimes tubulares de API 5L Gr. B e dez espécimes tubulares de API 5L X65 foram testados até a ruptura por meio de testes hidrostáticos monotônicos, com diâmetro externo nominal de 323,9 mm e espessura nominal de 8,38 mm. Duas amostras testadas não tinham defeitos. Seis espécimes apresentavam defeitos e não foram reparados. Nove espécimes apresentavam defeitos e foram reparados usando três sistemas de reparo de compósito diferentes. Os defeitos continham profundidades variando entre 40%, 55% e 70% da espessura do tubo. Os sistemas de reparos foram baseados em compósitos de epóxi e fibra de carbono, epóxi e fibra de vidro, e poliuretano e fibra de vidro. (FREIRE, VIEIRA, et al., 2019)
Para a constatação dos resultados experimentais foram implementadas metodologias analíticas e numéricas. O método analítico utiliza equações normativas semiempíricas (ISO 24817 e ASME PCC-2) e da teoria de reparos para dutos (Equação de Equilíbrio). A avaliação numérica consiste no método de elementos finitos para modelagem do problema através do software ANSYS®.
Os sistemas de reparo dos três fornecedores mostraram ser eficazes e que reparos de compósitos podem restaurar completamente a integridade estrutural de dutos com defeito externo, desconsiderando efeitos de tempo, conforme o Fator de Resistência Remanescente (RSF) calculado. Os resultados dos testes mostraram que métodos analíticos e numéricos podem ser usados para compreensão do comportamento mecânico do problema.
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Aluno(a) : Rodolfo Spinelli Teixeira
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/06/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Fuel consumption in companies in the rail transport sector represents one of the largest operating expenses and one of the biggest concerns in terms of pollutant emissions. The high fuel consumption also entails a high representation in the emissions scope matrix (more than 90% of railroad emissions come from fossil fuel consumption). Aiming to seek constant operational improvement, numerous studies have been carried out proposing new tools to reduce fuel consumption in the operation of a freight train. In this way, it is important to highlight the improvement of train driving parameters that can be calibrated to reduce fuel consumption. To accomplish this goal, the present work implements two machine learning models to predict the energy efficiency of a freight train: random forest and artificial neural networks. The random forest achieves the best performance against the models, with an accuracy of 91%. To calculate how much each parameter influences the prediction model, this work also uses the technique of accumulated local effects for each parameter related to energy efficiency. The final results show that, within the four analyzed calibration parameters, the traction per transported ton indicator presented greater representation in terms of absolute impact on the energy efficiency of a freight train.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Edson de Souza Laya Junior
Orientador(a): Sergio Braga e Florian Pradelle
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/06/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental e economicamente sustentáveis. A adesão à energias renováveis (como solar e eólica) e a descentralização da matriz energética por meio de tecnologias de geração distribuída (visando a melhoria da eficiência do uso da energia) são alguns dos movimentos mais relevantes realizados para fazer frente a essas demandas. Neste interim, o presente trabalho é dedicado à simulação numérica mediante o conceito 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) de um sistema híbrido CHP (Combined Heat and Power) on-grid para atendimento de pequenas demandas residenciais ou industriais, tendo gás natural e energia solar como vetores energéticos preferenciais. O sistema inclui um reformador de gás natural para produção de gás de síntese rico em hidrogênio, uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEM), painéis fotovoltaicos, baterias conectadas à rede elétrica por um inversor bidirecional, trocadores de calor e componentes auxiliares como compressores e boilers. Os componentes do sistema foram modelados separadamente com base em equações de conservação e seus modelos devidamente validados. Uma análise energética e exergética do reformador de gás natural foi conduzida mediante a metodologia de planejamento de experimentos a fim de avaliar a necessidade de considerar uma formulação complexa do combustível em vez de um substituto (metano puro). Posteriormente, estes modelos foram inseridos como módulos de uma rotina mais ampla destinada a simular o desempenho econômico do sistema integrado num intervalo de tempo de até 20 anos. Tal rotina, implementada no MATLAB, permite a flexibilização de critérios operacionais importantes como número de consumidores, configuração do sistema híbrido (armazenamento e participação de painéis fotovoltaicos), diferentes tipos de tarifa (convencional ou branca) e o possível uso de rejeito térmico para cogeração, enriquecendo o escopo de resultados obtidos. Paybacks entre 7 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020, onde consumidores residenciais obtiveram resultados predominantemente melhores do que os industriais em virtude da demanda menos exigente dos primeiros. Foram também previstas reduções de até 50% no custo cumulativo total para consumidores residenciais referente a adesão ao sistema proposto por 20 anos, levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. A avaliação do sistema em termos ambientais foi feita através da quantidade equivalente de CO2 por unidade de energia. Concluiu-se que a configuração completa, mesmo auxiliada por cogeração, supera a média de emissões da matriz energética brasileira (devido à alta participação das fontes renováveis nessa matriz), permanecendo, ainda assim, como uma opção melhor do que a combustão pura do gás natural, especialmente no que diz respeito ao atendimento de demanda térmica.
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Aluno(a) : Clewerton Teixeira de Souza Braga
Orientador(a): Márcio Carvalho e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/15/2021
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Resumo:
Na última década a participação dos campos do Pré-Sal brasileiro na produção nacional de petróleo aumentou substancialmente, tornando esses campos responsáveis por mais da metade da produção nacional e com perspectiva decrescimento para os próximos anos. Os reservatórios de petróleo encontrados nessa região são caracterizados por espessuras que podem variar de poucas dezenas a centenas de metros, rochas com boas qualidades permo-porosas e presença de óleo leve, com elevado teor de gás associado e com contaminantes como CO2. Por estas características, diversos sistemas de produção instalados nestes reservatórios foram preparados e deverão adotar o método de recuperação suplementar com injeção alternada de água e gás. No presente trabalho foi feita uma análise paramétrica sobre a influência que propriedades de reservatório como espessura porosa, permeabilidade horizontal, permeabilidade vertical e razão kv/kh, e variáveis operacionais como vazão de operação, razão WAG e tempo de ciclo podem gerar no fator de recuperação em um cenário de produção típico do Pré-Sal brasileiro com e sem o efeito de segregação gravitacional. Pela comparação dos resultados em diversos casos de simulação numérica, foi possível identificar as variáveis com maior impacto. Em seguida, a partir de uma análise de sensibilidade foi gerada uma equação para estimar o fator de recuperação em função das variáveis selecionadas. Números adimensionais propostos na literatura para avaliar a segregação gravitacional de fluido sem meio poroso foram calculados e utilizados para gerar outras equações para estimar o fator de recuperação. As estimativas do fator de recuperação feitas por cada função foram comparadas com os valores simulados para cada caso e foram identificadas as funções que apresentaram as estimativas mais próximas. Tais funções poderão ser utilizadas para estimar o fator de recuperação no cenário proposto e com aplicação em análises preliminares para projetos de desenvolvimento de campos de petróleo.
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Aluno(a) : Rubia de Albuquerque e Vasconcelos Bôdas
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/15/2021
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Resumo:
Em um reservatório de petróleo, a eficiência do deslocamento do óleo é bastante reduzida pela presença de fraturas e camadas de alta permeabilidade. Quando uma fase aquosa é injetada, esta flui preferencialmente por caminhos de baixa resistência, deixando grandes volumes do reservatório não afetados pelo processo de injeção. Uma alternativa para minimizar esse problema é bloquear as fraturas com um sistema líquido que forma um gel após algum tempo, forçando a fase aquosa a fluir pela matriz porosa. Os géis de silicato de sódio são uma das formulações que podem ser utilizadas para esse fim. No entanto, a cinética do processo de formação do gel de silicato é difícil de controlar, pois depende de muitas variáveis. Essa incerteza do processo de gelificação pode levar à formação de uma fase de gel fora da posição desejada, levando a diversos problemas, como perda de injetividade. Uma formulação líquida utilizando microcápsulas é uma proposta com um método inovador que tem como objetivo controlar o tempo de liberação do agente ativador e, consequentemente, melhorar o controle sobre o início do processo de gelificação. O primeiro passo no desenvolvimento desta técnica foi estudar a evolução da reologia do gel formado a partir do silicato de sódio com ácido clorídrico para avaliar a taxa de formação do gel em função de diferentes parâmetros do processo, como a concentração de Na-Si e HCl. Os resultados mostram que o processo de gelificação é função do pH da solução e que o tempo de gelificação é menor quanto maior a concentração de ácido clorídrico. No método proposto, a solução de ácido clorídrico é encapsulada e a gelificação só se inicia após o rompimento do invólucro da cápsula, que é desencadeado pela imposição de um gradiente de pressão osmótica.
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Aluno(a) : Thiago Fernando Mota Gonsalves
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/08/2021
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Resumo:
As atividades de exploração e produção de petróleo em estruturas Onshore e offshore estão associadas ao risco iminente de vazamento de gás ou óleo, que encontrando qualquer tipo de ignição, pode causar incêndios e explosões com o potencial de causar perdas financeiras substanciais e mortes. No presente trabalho, a metodologia em CFD foi utilizada para analisar o vazamento de gás natural em um ponto localizado no módulo de compressão de gás em uma plataforma offshore. A turbulência do escoamento foi modelada com a metodologia RANS, empregando o modelo de duas equações κ-ε. Considerando a situação crítica, o vazamento foi analisado em regime permanente, e modelado como uma fonte pontual. Foram consideradas duas intensidades de vento: 0,5 m/s representando a condição de calmaria e 6,5 m/s representando a velocidade máxima registrada. Para cada condição de vento, foram estudados quatro pontos de falha do sistema (pontos de liberação do gás), ou seja, vazamentos no lado norte, sul, leste e oeste do compressor. A partir dos resultados obtidos, pontos críticos foram identificados. O volume da nuvem foi determinado para cada cenário e, posteriormente, um cálculo de TNT equivalente e de sobrepressão (comparação do potencial da mistura explosiva com a massa de TNT necessária para produzir efeitos semelhantes) foram realizados para identificação dos potenciais riscos a estrutura offshore em caso de ignição do material gasoso disperso. Os resultados obtidos coincidiram com medidas experimentais de sobre pressão em situações semelhantes. Identificou-se como o pior cenário, vazamento no compressor na direção sul, correspondente a ventos fortes, com alta concentração de gás natural numa grande região da plataforma.
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Aluno(a) : Caroline Oliveira Paes de Barros
Orientador(a): Monica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/03/2021
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Resumo:
Com as novas regulamentações ambientais proibindo o uso de fluidos de perfuração que apresentassem em sua composição elementos como óleo diesel, se fez necessário a busca por novos componentes que, além de serem eficazes em sua função, apresentassem característica de biodegradabilidade sendo, assim, menos danoso ao meio ambiente. A base do fluido de perfuração escolhida para se enquadrar as novas regras foi estudada neste trabalho com objetivo de avaliar a sua estabilidade e o seu comportamento reológico. O fluido trabalhado é uma emulsão inversa cuja fase contínua é a olefina e a fase dispersa, salmoura de NaCl, acrescido de um emulsificante primário, Cybermul, e um secundário, Cyberplus. Para retardar o processo de desestabilização, majoritariamente caracterizado pela sedimentação, em um segundo momento, foi adicionada a cal hidratada. Os testes realizados foram divididos em duas etapas: a primeira avaliando emulsões preparadas a 5000 rpm, 7500 rpm e 10000 rpm sem cal em sua composição e a segunda avaliando emulsões preparadas com a mesma velocidade de rotação, entretanto com cal hidratada. A principal variável adotada foi a velocidade de rotação com objetivo de ratificar o conhecimento de que quanto maior a velocidade de agitação durante a emulsificação, menores são as gotas geradas e, consequentemente, mais estável a emulsão. Os testes foram compostos por tensão interfacial, bottle test, distribuição do tamanho de gotas (microscopia e espalhamento dinâmico de luz) e testes de comportamento reológico, que incluem, tensão constante, curva de escoamento e varredura de tensão e tempo. Os resultados obtidos permitiram relacionar o tamanho das gotas geradas com a estabilidade da emulsão e com a sua viscosidade.
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Aluno(a) : Thiago Sousa Bastos
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/29/2021
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Resumo:
During the last decades, large investments were made towards the development of numerical models and methods to forecast and analyze the different aspects of oil and gas recovery. In this context, modern simulators must be able to incorporate a wide variety of options to answer questions related to reservoir management accurately and effectively. In this work, we present a reservoir simulator based on a plugin architecture, where different formulations, solvers, and models can be developed, extended, and enhanced. With this approach, we use the black-oil model to implement traditional and state-of-the-art techniques, including fully- and adaptive- implicit methods, heuristic and PID time-step controllers, Newton-Raphson and Inexact Newton, and C1-continuous and conventional phase-potential two-point flux approximations. Several plugin configurations were tested and validated with commercial simulators, and their performances were used to determine which are the most suitable to solve multiphase flow problems.
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Aluno(a) : Lua Selene da Silva Almeida
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/19/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
Due to their physical-chemical behavior, water-soluble polymers are used extensively in various phases of drilling, completion, workover, and production of oil and gas wells. Therefore, it is fundamental to predict and to control in-situ porous medium behavior in order to understand polymer performance. Experiments were conducted to study the degradation of a semi diluted (2000 ppm) aqueous solution of PEO, using two capillaries with different entrance radii (50 mm and 100 mm) both with 25 mm radius constriction, creating Fast-Transient Flows in their center. Different injection rates were imposed in order to observe different shear and extensional rates in the system. The effluent of the flow was collected, and reinjected, and rheological properties of the fluids were used as proxies for the degradation of the solution. We observed that for the more abrupt contraction, the minimum flow rate needed for degrading the polymer solution is lower. This result, when analyzed purely under shear rate perspective, is not reasonable, since the shear rates to which the polymer is subjected are equal at both capillaries. Therefore, we inferred that the abruptness of the contraction plays a role in the degradation, which means elongational rate may be responsible for the lower critical flow rate. It was also observed a pattern for how the degradation occurs with subsequent injections. We could infer that subsequent injections cause incremental degradation before approaching a stabilization plateau and that higher flow rates generated lower degradation plateaus.
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Aluno(a) : Marcio Couto Ozorio
Orientador(a): Monica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/05/2021
Local: por acesso remoto
Resumo:
O estudo reológico de hidratos vem se tornando cada vez mais importante graças à constante expansão da indústria de óleo e gás, principalmente em águas ultra profundas. O processo de formação de hidratos é uma grande preocupação, principalmente porque, em muitos casos, leva ao bloqueio total dos dutos de produção, causando interrupção na produção, além de perda de tempo de dinheiro. Hidratos são compostos cristalinos formados por água e pequenas moléculas de gás, em condições termodinâmicas de alta pressão e baixa temperatura. A fim de estudar este fenômeno, por analogia, compostos químicos que facilitam esta formação, à pressão atmosférica, como ciclipentano (CP) e tetrahidrofurano (THF) são utilizados. No presente trabalho, emulsões compostas por CP, óleo Primol, água deionizada e Span 80 (agente estabilizador) foram utilizadas e analisadas no reômetro Physica MCR301. A partir de uma perturbação térmica, pôde-se caracterizar vários parâmetros que influenciam a formação dos hidratos, tais como: taxa de cisalhamento, temperatura de indução, fração volumétrica da água, taxa de resfriamento etc. Além disso, foram realizados testes que avaliam a habilidade de reconstrução dos hidrato com o tempo e a existência de uma tensão limite de escoamento, a partir de testes oscilatórios.
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Aluno(a) : Ciro dos Santos Guimarães
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/12/2021
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Resumo: This work investigates the performance of intelligent models on the forecasting of permeability in heterogeneous reservoirs. Production logs are used to compute loss functions for regression in the algorithms’ optimization process. A flow profile interpretation method is used to remove wellbore skin effects from the measured flow rate. Additionally, a segmentation technique is applied to high-resolution ultrasonic image logs which provide not only the image of mega and giga pore systems but also identify the permeable facies along the reservoir. The image segmentation jointly with other borehole logs provides the necessary input data for the models’ training process. The estimations presented herein demonstrate the algorithms’ ability to learn non-linear relationships between geological input variables and a reservoir dynamic data even if the actual physical relationship is complex and not known a priori. Though the preprocessing stages of the procedure involve some data interpretation expertise, the algorithms can easily be coded in any programming language, requiring no assumptions on physics in advance. The proposed procedure provides more accurate permeability curves than those obtained from conventional methods, which may fail to predict the permeability measured on drill stem tests (DSTs) conducted in dual-porosity reservoirs. The novelty of this work is to incorporate dynamic production logging (PL) data into the permeability estimation workflow.
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Aluno(a) : João Paulo Oliveira de Moraes
Orientador(a): Angela Nieckele e João Carneiro
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/11/2020
Local:
Resumo: O escoamento trifásico na indústria do petróleo é caracterizado pela presença das fases gás, óleo e água. A presença da terceira fase (água) traz complexidade a esse processo, visto que pode provocar a formação de diversos novos padrões de escoamento, além dos já conhecidos para escoamento bifásico. Adicionalmente, a presença de uma fase líquida dispersa na outra pode formar uma emulsão, alterando significativamente a viscosidade e, assim, influenciando diretamente na perda de carga. O foco do presente trabalho é na previsão do padrão de golfadas com dispersões de água e óleo utilizando um modelo transiente unidimensional de Dois Fluidos. A presença da água é modelada através da solução da equação de conservação de massa para a fase água. Visando prever com precisão a queda de pressão, assim como a distribuição das frações volumétricas de cada fase ao longo do domínio, desenvolveu-se um modelo de fechamento algébrico para avaliar o escorregamento entre as fases líquidas. Com o modelo proposto, os resultados obtidos para a velocidade de deslizamento no escoamento água/óleo foram comparados com dados experimentais e de outros modelos disponíveis na literaturaa, apresentando um excelente desempenho. O modelo foi então utilizado para analisar o escoamento trifásico no padrão de golfadas. As previsões para a queda de pressão e características das golfadas (comprimento, frequência e velocidade de translação) foram comparados com dados experimentais da literatura e os resultados são promissores.
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Aluno(a) : Roberto Vinicius Granha Fiuza
Orientador(a): Florian Pradelle
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/30/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Devido aos efeitos nocivos dos combustíveis de origem fóssil, cresceu o interesse no uso de fontes sustentáveis de energia, em particular os derivados da biomassa. A gaseificação é um processo termoquímico de conversão de qualquer material orgânico carbonoso, occorendo a alta temperatura (geralmente entre 600 e 1000 °C) e com quantidade limitada de agente oxidante (vapor de água, ar ou oxigênio), que produz , carvões, bioleos e uma mistura gasosa, chamado gás de síntese ou syngas. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma ferramenta de modelagem computacional baseado no equilíbrio termodinâmico. Assim, são avaliadas a flexibilidade, a confiabilidade e a estabilidade computacional das abordagens de equilíbrio estequiométrico e de minimização da energia livre de Gibbs para determinação das composições do syngas formado no processo. São investigados a influência da umidade relativa da biomassa (0, 20 e 40% em base mássica), da temperatura de gaseificação (800, 1100 e 1400 K), da razão ar combustível em relação a estoquiométria (0,2, 0,3 e 0,4) e da quantidade de oxigênio no agente de gaseificação (oxigênio puro, ar ou mistura equimolar dos dois) na composição do syngas, bem como nas eficiências energética e exergética, para biomassas compostas de carbono, oxigênio e hidrogênio. O melhor modelo é usado para otimizar as condições de gaseificação para biomassas com 20% de umidade relativa no ar, determinando as condições de concentração de agente oxidante e de temperatura que maximizem a eficiência energética. Esses dados, estão usados para desenvolver modelos matemáticos preditivos usando o conceito de análise de misturas. A robusteza desses modelos é avaliada por análise de variância (ANOVA) eeles estão usados para prever as condições de operações otimizadas da co-gaseificação de resíduos sólidos urbanos com bagaço de cana de açucar. Esses resultados estão comparados com as simulações realizadas em um modelo téorico considerando a cinética das reações. Observou-se que o metodo usando a minimização da energia livre de Gibbs apresentou os melhores resultados, mas os valores absolutos das eficiências estão fortemente dependente da aproximação feita nas correlações determinando o poder calorifico.
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Aluno(a) : Rafael Dias
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/05/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
A perfuração de poços marítimos em águas profundas e ultra-profundas é feita por sondas de perfuração flutuantes, que se conectam ao poço no leito marinho por meio do riser de perfuração. Essa conexão transmite esforços dinâmicos para a cabeça de poço e revestimentos, provocando fadiga nessa estrutura.
Levantou-se a hipótese de que as características dinâmicas do sistema mudam quando há aplicação de um carregamento elevado devido à deriva da sonda após um blackout, alterando o dano acumulado por fadiga.
A primeira etapa do trabalho envolveu a simulação estática deste carregamento extremo em um modelo solo-estaca em elementos finitos 3D. Com base nos resultados obtidos, realizou-se uma análise dinâmica para dois tipos de solo diferente, e para duas lâminas d’água diferentes.
Concluiu-se que o solo menos rígido sofre pouca influência sobre o dano acumulado, enquanto que para o solo mais rígido aumenta-se em cerca de 50% o dano percebido. A fadiga acumulada em lâmina d’água maior foi ordens de grandeza menor que para a lâmina d’água mais rasa.
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Aluno(a) : Willer Planas Gonçalves
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/02/2020
Local:
Resumo: Tradicionalmente, os testes de formação em poços de petróleo buscam caracterizar o campo de permeabilidades a partir da interpretação dos transientes de pressão (PTA) nos períodos de fluxo e estática baseados em modelos isotérmicos de escoamento em meios porosos. Com o avanço da instrumentação dos testes, registros mais precisos de temperatura passaram a estar disponíveis e fomentaram a pesquisa baseada em modelos não isotérmicos que possibilitaram a análise a partir dos transientes de temperatura (TTA). Além da caracterização de parâmetros do reservatório como permeabilidade e porosidade com a interpretação dos transientes de temperatura, os dados de pressão obtidos a partir de um modelo não isotérmico representa de forma mais fidedigna o fenômeno físico sobretudo quando os testes são submetidos a maiores diferenciais de pressão. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um simulador para teste de formação que considera a modelagem não isotérmica de reservatório unidimensional radial acoplado a um poço produtor e na utilização deste simulador, associado a métodos de otimização multivariável, para resolução do problema inverso da caracterização de parâmetros do reservatório. Alguns métodos de otimização foram testados e o algoritmo do Simplex de Nelder-Mead apresentou melhor eficácia. Foram estabelecidos três tipos de problemas e utilizados em três casos hipotéticos considerando inclusive a imposição artificial de ruídos nos sinais de pressão e temperatura utilizados para resolução do problema inverso.
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Aluno(a) : Monique Gomes de Araujo
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/14/2020
Local:
Resumo: A estimativa de produção de petróleo é um dos parâmetros essenciais para mensurar a economicidade de um campo e, para tanto, existem várias técnicas convencionais na área da engenharia de petróleo para predizer esse cálculo. Essas técnicas abrangem desde modelos analíticos simplificados até simulações numéricas mais complexas. Este trabalho utiliza Redes Neurais Artificias (RNA) para prever uma curva de produção de óleo que mais se aproxime da obtida por um simulador numérico. A metodologia consiste na utilização da rede neural do tipo feedforward para a previsão da vazão inicial e da curva de produção ao longo de dez anos para um poço produtor de óleo. Essa metodologia tem aplicação prática na área da exploração, visto que, nessa fase, ainda há muita incerteza sobre a acumulação de petróleo e, portanto, os modelos de reservatório tendem a não ser complexos. Os resultados foram obtidos a partir do treinamento de RNAs com dados coletados do simulador numérico IMEX, cujas saídas foram posteriormente comparadas com os dados originais da simulação numérica. Foi possível obter uma precisão de 97% na estimativa da vazão inicial do poço produtor de óleo. A previsão da curva de produção apresentou um erro percentual médio absoluto inferior a 10% nos dois primeiros anos. Apesar dos valores de erro terem crescido ao longo dos últimos anos, eles são menores quando comparados com a metodologia de declínio exponencial.
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Aluno(a) : João Henrique Paulino de Azevedo
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/19/2020
Local:
Resumo: Com a necessidade de uma maior diversificação da matriz energética mundial e a inevitabilidade de investimento em fontes de energia limpa, a energia solar fotovoltaica se mostrou sem dúvidas a fonte energética mais promissora. Seu crescimento hoje é exponencial e se revela cada vez mais presente na matriz energética da maioria dos países. No Brasil, já se vê um mercado fotovoltaico sólido com geração de milhares de empregos e investimentos de bilhões de reais. Sua intermitência e imprevisibilidade é razão de grande pesquisa, no intuito de obter dados confiáveis que estimam a geração de um sistema solar fotovoltaico ao longo de seu ciclo de vida. Sendo assim, este trabalho conduz uma extensa revisão bibliográfica, passando pelos fundamentos básicos, até o desenvolvimento de um algorítmico robusto, onde é possível utilizar diversos modelos matemáticos presentes na literatura. Os dados de radiação solar, velocidade do vento e temperatura são obtidos de mapas gerados por 39 estações solarimétricas dentro e próximas das fronteiras do estado do Rio de Janeiro. O simulador também conta com uma extensa base de dados atual de módulos solares e inversores. Dessa forma, é possível simular e dimensionar sistemas solares fotovoltaicos para o estado do Rio de Janeiro, calculando indicadores de viabilidade econômico-financeira e ambiental e fluxo de caixa detalhado que refletem a viabilidade de um determinado projeto. Além disso, o simulador tem a capacidade de gerar mapas do Rio de Janeiro com dados destes indicadores em toda sua extensão.
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Aluno(a) : Ademir Freire de Medeiros
Orientador(a): Márcio Carvalho e Ranena Flores
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/19/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Após uma jazida de petróleo ser encontrada, a produção de óleo ou gás é feita através de um poço produtor que é perfurado até atingir as camadas de rocha onde os hidrocarbonetos estão alojados. Com a constante produção, a pressão de reservatório decresce até atingir um nível que é insuficiente para o aproveitamento econômico. Geralmente utiliza-se a injeção de água para manter o nível de pressão do reservatório. Nos estudos de um reservatório de petróleo é fundamental o conhecimento de propriedades básicas da rocha e dos fluidos nela contidos. São essas propriedades que determinam as quantidades de fluidos existentes no meio poroso, a sua distribuição, a capacidade desses fluidos se moverem e,mais importante, a quantidade de fluidos que pode ser extraída. Através do método convencional de injeção de água objetiva-se a manutenção da pressão do reservatório e o deslocamento de óleo em direção aos poços produtores. A água (fluido deslocante) tende a ocupar gradualmente o espaço antes ocupado pelo óleo (fluido deslocado), contudo, por efeitos capilares, uma parcela do óleo não é retirada do meio poroso configurando o que chamamos óleo residual. Em função da razão de mobilidade da água e do óleo, a frente de deslocamento não é uniforme, e um grande volume do reservatório não é atingido pela água de injeção. A adição de polímero à água de injeção visa o aumento da viscosidade da água, e assim, melhorar a razão de mobilidade água-óleo, aumentando a eficiência de varrido uma vez que uniformiza a frente de avanço, reduzindo a formação de caminhos preferenciais no reservatório. Além de diminuir a razão de mobilidade, soluções poliméricas podem contribuir para um melhor deslocamento de óleo em escala de poro, a partir de seu efeito elástico, reduzindo, portanto, a saturação de óleo residual. Contudo, tal mecanismo em micro-escala, ou seja, em escala de poro não é totalmente compreendido. O presente trabalho preocupa-se principalmente em analisar o fator de recuperação do óleo e saturação de óleo residual após processo de deslocamento de óleo por água salgada, solução polimérica de poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) e solução de glicerina em testemunhos de Arenito Bentheimer. Um porta-testemunho especial foi utilizado para a realização dos testes de deslocamento, sendo monitoradas a variação de pressão ao longo da amostra, além dos volumes de injeção e produção de fluidos em função do tempo.
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Aluno(a) : Lucas Buffon
Orientador(a): Márcio Carvalho e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/13/2020
Local:
Resumo: O crescente uso de modelos integrados de produção (MIP) na indústria de petróleo como solução para representar o potencial de uma jazida se justifica pelos atuais cenários encontrados para o desenvolvimento de novos projetos, caracterizado por baixos preços de venda do petróleo e conceitos de produção de alta complexidade. Esta abordagem, onde diferentes partes de um sistema de produção são integradas, permite ao usuário um entendimento detalhado das interações entre reservatório, poços e rede de escoamento, e facilita a detecção de gargalos e consequentemente a otimização do plano de explotação. Neste contexto, é fundamental obter uma modelagem satisfatória do fluido em todo o sistema de produção. O modelo deve honrar tanto o escoamento no meio poroso, isotérmico, quanto o escoamento nos poços e dutos, que precisa ser caracterizado em várias temperaturas. Além disso, o modelo deve ter tempo de simulação adequado. Uma maneira criteriosa de modelar as propriedades de um fluido é através do ajuste de uma equação de estado (EOS). Uma EOS detalhada com 24 componentes determinada por cromatografia gasosa e EOS simplificadas com 14, 9, 7, 6, 5 e 4 pseudocomponentes foram geradas para avaliar este problema. As EOS foram usadas para representar as propriedades PVT em um MIP e ao final foram comparadas as respostas das EOS simplificadas e detalhadas, a fim de estabelecer resultados adequados com um tempo computacional adequado. Os resultados obtidos mostram que o uso de EOS excessivamente simplificadas, apesar da melhoria no tempo computacional, podem gerar resultados insatisfatórios em modelos integrados de produção.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Marcelo Coelho Fernandes
Orientador(a): Márcio Carvalho e Paulo Costa
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/30/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
A produção de gás para os próximos anos continuará em ascensão devido ao aumento da demanda energética ao redor do mundo. A tendência global é a busca por energias mais limpas que o óleo e o carvão. O gás aparece como uma ótima opção pelo seu baixo custo e por ser menos poluente.
Gás em reservas mais profundas podem estar presentes em condição de gás retrógrado, a uma temperatura entre a temperatura crítica e cricondentérmica. O gás retrógrado em alta pressão e alta temperatura apresenta apenas a fase gasosa. Entretanto durante a produção, a pressão é reduzida na região mais próxima ao poço. Caso a redução da pressão atinja a pressão de orvalho da mistura, ocorrerá a formação de condensado. O acúmulo excessivo deste condensado ao redor do poço pode reduzir a permeabilidade efetiva do gás prejudicando a sua produção.
Para estudar a formação de condensado e como ela implica na redução da permeabilidade do gás e do líquido, foram realizados experimentos utilizando o Método do Regime Pseudo-Permanente em duas amostras de rochas em condições de alta pressão e alta temperatura.
Ao todo foram realizados 4 experimentos, sendo três utilizando uma amostra de arenito e o último uma amostra de carbonato. O fluido utilizado para representar o gás retrógrado foi uma mistura de etano/n-pentano em três níveis de formação de condensado. Os resultados obtidos mostraram que a permeabilidade relativa do gás e do líquido foram influenciadas pela quantidade de líquido produzido, vazão de gás e características da amostra.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Caroline Smith Lewin
Orientador(a): Florian Pradelle e Ana Rosa Martins
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/14/2020
Local:
Resumo: A industrialização e a crescente preocupação com o meio ambiente geram, cada vez mais, a busca por fontes de energia que emitam menos gases efeito estufa. A biomassa, devido a sua grande ocorrência ao redor do mundo e a sua diversidade, é uma forte alternativa aos combustíveis fósseis. Sua gaseificação gera um combustível gasoso chamado syngas. A problemática no manejo dos resíduos sólidos urbanos (RSU) e a grande disponibilidade do bagaço de cana-de-açúcar no Brasil, resíduo sólido agrícola, fizeram deles tipos de biomassa de interesse para este trabalho. Objetivou-se modelar no MATLAB ® a gaseificação de biomassa a partir de uma abordagem cinética para um gaseificador de leito fixo cocorrente e para o ar como agente gaseificador. O modelo foi validado com dados experimentais e numéricos da literatura e aplicado à simulação da co-gaseificação de RSU e bagaço de cana-de-açúcar, na qual a razão de co-gaseificação (RCG) representou a percentagem de RSU na biomassa de entrada. Um planejamento de experimentos composto central com 3 fatores e 3 níveis foi realizado, resultando em 27 ensaios variando os fatores RCG, umidade da biomassa e razão de equivalência. Foram criados modelos polinomiais para a composição do syngas obtido, para o PCI do syngas, para a eficiência energética do processo e para a soma das frações molares de CO e H2 em base úmida. Os modelos foram considerados robustos, com valores de R2 e R2 ajustado variando de 0,96082 a 0,99345 e 0,94007 a 0,98998, respectivamente. O impacto dos fatores escolhidos nas respostas foi analisado, e os modelos de eficiência energética e soma das frações molares de CO e H2 foram maximizados. O caso otimizado, com RCG 7,98%, umidade 5,00% e razão de equivalência 0,18, resultou em um syngas de composição 3,72% H2O, 29,68% CO, 7,87% CO2, 19,07% H2 e 0,80% de CH4 em mol, correspondendo a um PCI de 6,56 MJ/Nm3 e uma eficiência energética de 37,66%, Por fim, o processo demonstrou bom potencial para geração de um gás rico em CO e H2.
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Aluno(a) : André Paoliello Modenesi
Orientador(a): Ivan Menezes e Leonardo Duarte
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/16/2019
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Resumo: grids, with a size ranging from a few thousands to tens of millions of cells. Some simulations can have a high computational cost that hinders the field development studies, even using the processing power available nowadays. Unstructured meshes are an effective alternative to reduce the size of reservoir models (and, consequently, the overall simulation time) without sacrificing the quality of the results. In this work, we adopt Voronoi meshes, also known as perpendicular bisector grids, since their properties simplify the discretized flow equations in reservoir simulations when compared to other types of unstructured meshes. Two main steps are critical to creating an unstructured reservoir model from a refined geological model: grid generation and upscaling of the reservoir properties. Most methods employed for both steps rely on information obtained from simulations using fine-scale meshes. Although this approach yields good results, it can be time-consuming and may be optimal only for the specified set of flow conditions. This work discusses the generation of unstructured grids and upscaling techniques that do not require any previous simulations. Instead, they are based only on reservoir property distributions and the location of discrete features such as wells and faults. The proposed grid generation strategy starts from a regular set of points and then redistributes them according to a previously defined spacing map. Two iterative redistribution algorithms based on physical models are presented, and several criteria for spacing maps are also investigated. Two upscaling algorithms for unstructured grids are proposed, based on the Cardwell & Parsons and renormalization techniques for structured meshes. Finally, representative examples are presented to demonstrate the capabilities and effectiveness of the proposed strategies.
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Aluno(a) : Felipe Garcia Wolff
Orientador(a): Arthur Braga e Elisio Caetano Filho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/17/2019
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Resumo: O gas-lift na base do riser é um dos vários métodos que se provaram eficientes para aumento de produção. Em alguns casos, ele também pode ser utilizado para aumentar a viabilidade do blowdown para prevenção de hidratos. Além disto, o gas-lift pode ser utilizado como um método efetivo para suprimir o fenômeno de golfada severa, que ocorre geralmente em linhas descendentes. Este método tem, então, um grande potencial de viabilizar arquiteturas submarinas mais enxutas, como anel de coleta, aumentando a economicidade de projetos, sem reduzir funcionalidades. A necessidade da aplicação do gas-lift nem sempre é óbvia, pois sua efetividade depende da performance do reservatório, propriedades de fluido, relevo do solo marinho, arquitetura submarina, além de características da flowline e riser. Em muitos casos, o gas-lift para aumento de produção só é necessário no fim da vida produtiva, quando o watercut é mais alto. A aplicabilidade do gas-lift como método de elevação artificial e o local ideal de injeção do gás é uma análise direta e objetiva. Por outro lado, sua aplicabilidade no contexto de garantia de escoamento é mais subjetiva. Os critérios de projeto variam entre diferentes empresas e projetistas, tendo influência forte da filosofia operacional e tolerância ao risco. Baseado em uma envoltória típica do pré-sal brasileiro, no que tange a características de reservatório, fluido e sistema de produção, foi realizado um conjunto de simulações para avaliação da aplicação do gas-lift na base do riser como uma solução multi propósito. Isto inclui quando o gas-lift é benéfico para aumento de produção e para garantia de escoamento, em especial as operações de remediação e prevenção de hidratos. Além disto, fatores que afetam o posicionamento do ponto de injeção de gás e a natureza do fornecimento de gás são discutidos. Os resultados da aplicação do gas-lift na base do riser como método de auxílio ao blowdown são muito promissores. É possível realizar as operações de remediação com sucesso, mesmo para vazões baixas de injeção de gás. Nas operações de prevenção, foi possível observar redução da pressão residual em todas as combinações de características de fluido e geométricas, em especial para geometrias descendentes. Para poços de alta produtividade, o gas-lift na base do riser só apresenta desvantagens em relação ao gas-lift downhole, do ponto de vista de aumento de produção, quando o watercut é da ordem de 60 a 70%.
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Aluno(a) : Rita de Cássia Aragão de Oliveira
Orientador(a): Arthur Braga e Luis Glauber Rodrigues
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/01/2019
Local:
Resumo: Como solução para viabilizar a produção de óleo com alto teor de dióxido de carbono, condição característica do pré-sal brasileiro, foi escolhida a estratégia de reinjeção desse mesmo gás produzido como método de recuperação de petróleo e como instrumento de mitigação da emissão atmosférica desse tipo de GEE (Gas do Efeito Estufa). A combinação de duas técnicas de recuperação, a injeção de água e a de gás, conhecida como WAG (Water Alternated Gas) se mostrou promissora por combinar benefícios como a varredura microscópica do gás com a estabilidade e economia obtidas pela injeção de água. Este projeto tem como objetivo entender o potencial de produção para traçar uma estratégia de otimização de recuperação do óleo aliado ao armazenamento da maior quantidade de CO2 possível, por meio de simulações numéricas de fluxo contínuo por modelos composicionais. A metodologia adotada para este projeto foi a utilização de módulos comerciais de simulação de reservatórios, fornecidos pela CMG (Computer Modeling Group), para ajuste de dados PVT de um fluido com características próximas ao do pré-sal, para que este pudesse ser aplicado em dois modelos sintéticos de reservatórios, para otimização de campo e avaliação deste pós período de produção. Desta forma, o presente trabalho proporciona uma visão do comportamento do método WAG e sua influência sobre o fator de recuperação deste reservatório, além de discutir as interações envolvidas em microescala em um ambiente reativo como um reservatório carbonático na presença do CO2. A partir dos resultados obtidos com a simulação, é possível concluir que as reações químicas entre os componentes aquosos e minerais presentes na formação porosa tem como consequência o aprisionamento do carbon
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Aluno(a) : Tuanny Magalhães Cotias Ristow Branco
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/27/2019
Local:
Resumo: Na exploração de campos offshore, é frequente a necessidade transportar óleo e gás por dutos de produção ou de transferência que percorrem grandes distâncias no leito submarino. Em relação aos gasodutos, podem ocorrer a formação de condensado longo desses, o que afeta drasticamente a capacidade de entrega e a modalidade operacional, sendo a remoção do condensado realizada por pigs. Além disso, devido a existência de condições extremas como baixas temperaturas e altas pressões, pode ocorrer a formação de plug de hidrato nos gasodutos. Nesse caso, são previstas operações especiais para a remoção do plug de hidrato, onde, durante o procedimento, pode ser gerado condensado. Dessa forma, é importante que essas operações sejam simuladas durante a fase de projeto e de operação para avaliar a efetividade dos procedimentos e os valores das variáveis de processo de forma a garantir a segurança operacional do sistema. O objetivo deste estudo é investigar numericamente o processo de deslocamento de pigs e de plugs de hidrato ao longo de tubulações, na presença de condensado. A formação de condensado é obtida através de um modelo de equilíbrio de fases (FLASH), que utiliza a equação de Peng-Robinson para o cálculo das propriedades termodinâmicas para ambas as fases. O escoamento bifásico é modelado como unidimensional. A solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear e energia, acopladas ao balanço de forças para prever o deslocamento do pig/plug são resolvidas utilizando o método numérico de diferenças finitas. A modelagem do escoamento e do modelo termodinâmico, este último englobando o equilíbrio de fases e as propriedades termodinâmicas, foram validadas com soluções analíticas e dados da literatura. Estudos de casos de deslocamento de pig e de plug de hidrato na presença de condensado foram realizados e os resultados obtidos foram bastante satisfatórios, permitindo concluir que os modelos desenvolvidos podem ser utilizados para a análise e previsão das operações de passagem de pig e de remoção de plugs de hidrato na presença de condensado.
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Aluno(a) : João Gabriel Carvalho de Siqueira
Orientador(a): Angela Nieckele e João Carneiro
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/26/2019
Local:
Resumo: O escoamento anular é caracterizado por um núcleo gasoso fluindo a alta velocidade com um filme líquido no seu entorno, molhando a parede do duto. A presença de gotículas líquidas no núcleo gasoso resulta em impacto relevante em características do escoamento anular, como gradiente de pressão e propriedades das ondas presentes no filme líquido. A formação de gotículas se dá usualmente na crista das ondas de perturbação presentes na interface líquido-gás. No presente trabalho, é realizado um estudo do regime anular com presença de gotículas em tubulações verticais utilizando o Modelo de Dois Fluidos unidimensional. Um modelo de transferência de massa das gotículas é desenvolvido e acoplado ao modelo de Dois Fluidos. O modelo resultante permite capturar a evolução automática da interface gás-líquido e a formação de ondas de filme líquido e sua influência no desprendimento e deposição de gotículas. Analisa-se o desempenho de três modelos de entranhamento de gotículas disponíveis na literatura, além de um modelo de deposição de gotículas. Considerando que gotículas são criadas por cisalhamento nas cristas das ondas de perturbações, modificações dos modelos são propostas com a finalidade melhor capturar a influência das ondas do filme líquido nos processos de entranhamento e deposição de gotículas. Parâmetros do escoamento como gradiente de pressão, espessura do filme do líquido e variáveis relacionadas com as ondas interfaciais são avaliados, mostrando boa concordância com dados experimentais disponíveis na literatura.
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Aluno(a) : Gabriela Cavalcante da Silva
Orientador(a): Ivan Menezes e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/23/2019
Local: Mini-auditorio do RDC, Subsolo
Resumo:
...Em abril de 2010, a ocorrência do blowout de Macondo no Golfo do México atraiu olhares do mundo inteiro e se tornou um marco da indústria do petróleo. Este evento de grande impacto ambiental e financeiro alertou sobre a necessidade de se preparar para um acidente desta magnitude. Nos Estados Unidos, o órgão regulador passou a requerer informações adicionais dos Concessionários para conceder licenças de perfuração, dentre as quais, evidências de que o projeto do poço estaria dimensionado para suportar um evento de blowout. Com isso, a indústria passou a se preocupar com critérios e premissas que deveriam ser utilizados para modelar este novo carregamento, cuja probabilidade de ocorrência é extremamente baixa, porém, os impactos são catastróficos. Conceitualmente, dimensionar a estrutura de um poço à carga de blowout significa avaliar sua integridade na situação de fluxo descontrolado de fluidos do reservatório e num subsequente fechamento do poço (shut-in) cheio de fluido do reservatório para instalação de equipamento de bloqueio afim de estancar o vazamento de fluido. Isto representa um carregamento extremamente severo quando comparado àqueles comumente utilizados e normatizados pela indústria até então. Dependendo do cenário do poço, o impacto desta consideração pode até mesmo inviabilizar determinado projeto considerando a disponibilidade e economicidade das soluções e materiais atualmente disponíveis. Como este carregamento já é extremamente severo e improvável, é preciso ponderar quais as premissas e dados de entrada que devem ser utilizados ao compor o dimensionamento a esta nova carga para que se possa obter projetos seguros, porém factíveis e realistas, com riscos ALARP. Contudo, nem sempre é fácil estabelecer premissas realistas. Há muitas incertezas envolvidas em todos os fatores que influenciam a modelagem de um blowout, especialmente no cenário exploratório. Por isso, é importante entender qual o impacto de cada variável neste cálculo para que se possa investir mais no refinamento e redução de incerteza das mais impactantes. Com este objetivo, neste trabalho foi feita a análise de sensibilidade das propriedades do fluido produzido no dimensionamento de revestimentos à carga de blowout. Além disso, avaliou-se também o impacto em relação a mudanças nas condições de pressão e temperatura de reservatório, condições de poço e o uso da modelagem analítica e numérica de reservatórios. Para o dimensionamento de revestimentos, as variáveis de maior impacto foram a temperatura e a pressão de poros inicial. Para o cálculo da vazão de produção do reservatório, a pressão inicial e as propriedades do fluido produzido foram os fatores mais relevantes, fora o diâmetro do poço que é uma variável selecionada, sem incerteza associada.
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Aluno(a) : Ilana Azevedo Muller
Orientador(a): Ivan Menezes e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/23/2019
Local: Mini-auditorio do RDC, Subsolo
Resumo:
O blowout de Macondo no Golfo do México, em 2010, foi um divisor de águas na indústria de petróleo. Diversas regulamentações surgiram com o intuito de aumentar a segurança das operações, e garantir que o poço resistirá a um evento raro, porém catastrófico, como um blowout. Na atual conjuntura de início de novas regulamentações sobre o tema, não se sabe qual a situação mais crítica do reservatório para o dimensionamento dos revestimentos neste cenário de blowout. A análise de sensibilidade de propriedades do reservatório no dimensionamento dos revestimentos à carga de blowout traz uma contribuição importante para a definição dos parâmetros essenciais a serem considerados no dimensionamento dos revestimentos do poço. O objetivo deste trabalho é estudar o impacto das propriedades do reservatório tanto na vazão de blowout quanto no dimensionamento dos revestimentos (cargas de colapso e de pressão interna) frente ao carregamento de sobrevivência a um evento de blowout, comparando a resposta do modelo analítico com o numérico de reservatório. Foi utilizado um reservatório característico do Pré-Sal por sua extrema importância econômica para a indústria de óleo de gás do Brasil. Para a análise de sensibilidade das propriedades do reservatório, foi utilizada apenas a abordagem numérica, devido a sua poderosa capacidade de modelagem e de equacionamento de parâmetros do reservatório associado a quaisquer condições operacionais. Deste modo, para cada variação de propriedade de reservatório, foi simulada uma vazão de blowout e avaliado seu impacto no dimensionamento dos revestimentos. As propriedades que tiveram maior influência na vazão foram extensão de canhoneado, porosidade, pressão inicial de reservatório, e raio do poço. A maioria dos parâmetros analisados ocasionaram uma variação muito baixa no fator de segurança dos revestimentos, sendo que em apenas um caso o poço se manteve íntegro durante a análise da carga do blowout.
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Aluno(a) : Letícia dos Santos Mota
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/30/2019
Local: Sala 150L, Prédio Cardeal Leme
Resumo:
...O estudo do escoamento de fluidos através de um meio poroso está presente em diversas áreas da engenharia e ciência básica. Na engenharia de petróleo, esta é a principal atividade dos engenheiros, geólogos e geofísicos de reservatório. O equilíbrio existente no sistema água de formação-óleo-gás-rocha define um estado de molhabilidade que impacta a disposição e movimentação dos fluidos no meio poroso. A injeção de água para recuperação secundária de óleo costuma ser um elemento estranho no sistema, causando uma perturbação neste equilíbrio inicial tanto na escala macroscópica, como na escala microscópica. Neste trabalho é utilizado um modelo computacional de rede de poros e gargantas, forma comum de estudar fenômenos que ocorrem em escala microscópica, para avaliar o impacto de diferentes estados de molhabilidade inicial do meio poroso na recuperação de óleo por injeção de água. Foram investigados processos de drenagem, embebição e molhabilidade neutra. O modelo foi desenvolvido no MATLAB® e inclui efeitos capilares, formação e deslocamento pistão de interface e bloqueio de gargantas (“snap-off”). Na drenagem, a saturação de óleo remanescente diminui com o aumento do número de capilaridade e é menor quando modelada a ocorrência de snap-off. Com redução da razão de viscosidade, observa-se a formação de finger viscoso. Na embebição, a saturação de óleo remanescente varia pouco com o número de capilaridade e modelagem do snap-off e é menor que na drenagem. Com redução da razão de viscosidade, observa-se competição entre fingers viscosos e capilares. Com molhabilidade neutra, a saturação de óleo remanescente variou pouco com a mudança do número de capilaridade e tem valor muito próximo aos resultados de embebição. Comparando os processos de embebição e drenagem, mesmo com a modelagem do snap-off, a recuperação de óleo continuou sendo maior quando o meio é molhável ao fluido injetado, conforme observado em modelos anteriores que consideravam apenas o deslocamento tipo pistão. As maiores diferenças de saturação de óleo remanescente comparando a modelagem com ou sem snap-off foram obtidas na drenagem
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Aluno(a) : Bernardo Weber Landim Marques
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/22/2019
Local:
Resumo: ...O presente trabalho consiste na integração de um campo solar em uma usina de gaseificação de resíduos sólidos urbanos no município de Boa Esperança em Minas Gerais. O funcionamento atual desta usina de gaseificação utiliza os resíduos sólidos acumulados no lixão da cidade como insumos para a geração de gás de síntese no reator químico da unidade. Esta operação recupera a extensa área degradada deste vertedouro e permite a instalação do campo solar com coletores de calhas parabólicas pela futura disponibilidade de área sem acúmulo de resíduos. A queima do gás de síntese na caldeira e o futuro fornecimento de calor pelo campo solar para o pré-aquecimento do fluido de trabalho no bloco de potência caracteriza a futura usina híbrida termossolar proposta. O intuito do projeto é o fornecimento contínuo de calor pelo campo solar através da instalação de tanques de armazenamento direto de calor. A operação do campo solar é simulada pela elaboração de uma rotina computacional no software Matlab através do método das diferenças finitas unidimensional. A solução numérica do sistema de equações diferenciais que compõe o balanceamento de energia do receptor solar é formulada e validada pela comparação com o teste experimental do Laboratório Nacional de Sandia do concentrador solar SEGS LS-2 com tubo absorvedor evacuado. Além disso, o controle da vazão mássica circulante pelo campo solar é incorporado na lógica computacional de modo que a temperatura na saída do campo solar seja mantida com valores próximo ao set-point de 390°C. Portanto, as simulações computacionais com proposições sobre a partida e operação do campo solar são testadas para diferentes dias ensolarados do ano meteorológico típico do município Boa Esperança. Finalmente, um dia real com dados meteorológicos medidos em Campos dos Goytacazes pelo Instituto de Energia da PUC-Rio são utilizados para a simulação numérica do funcionamento do campo solar de acordo com a variação intermitente da irradiância direta normal. Os resultados da operação do dia real são utilizados como base para a aplicação da presente rotina computacional no projeto do campo solar do município de Boa Esperança.
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Aluno(a) : Ralph Engel Piazza
Orientador(a): Ivan Menezes e Daniel Filho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/14/2019
Local: Sala 106L
Resumo: Petroleum companies investing in the development of hydrocarbon fields rely upon a variety of reservoir studies to perform production forecasts and quantify the risks associated with the economics of their projects. Integral to these studies is the discipline of reservoir modeling, responsible for predicting future reservoir performance under various operational conditions. However, as the size of the reservoir models used in the simulations become ever larger, so grows the need for faster, more efficient and simulators to accomplish the studies within a reasonable timeframe. Considering that the most time-demanding aspect of the simulation is the solution of the systems of equations that arise within the linearization cycles at each time-step, this research focuses on analyzing different numerical solver techniques to be applied to a simulator, in order to assess their performance. The numerical solvers most suited for the solution of very large systems of equations, such as those encountered in reservoir simulations, are the so-called iterative solvers, which gradually approach the solution to a problem by combining an iterative strategy with a preconditioning method. The iterative methods examined in this research were of a particular class named Krylov subspace methods, which perform the search for the solution of the problem within the subspace spanned by the vectors pertaining to a Krylov sequence. Specifically, it involved the implementation of the Stabilized Biconjugate Gradient (BiCGSTAB), the Generalized Minimum Residual (GMRES), and the Orthogonal Minimization (ORTHOMIN) methods. Furthermore, three preconditioning techniques were implemented to aid the iterative methods, namely the Incomplete LU Factorization (ILU), the Nested Factorization (NF), and the Constrained Pressure Residual (CPR) methods. The combination of these different iterative methods and preconditioners enables the appraisal of several distinct solver configurations, in terms of their per
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Aluno(a) : Paulo Henrique da Silva Cardoso
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/10/2019
Local:
Resumo: A crescente demanda pela explotação de óleo em águas cada vez mais profundas representa um desafio para o projeto seguro e eficiente de risers. Tipicamente, o projeto deste elemento estrutural exige um elevado número de análises numéricas e, muitas vezes, se baseia na experiência do projetista, especificamente no que diz respeito à obtenção de uma configuração inicial estruturalmente viável. A automação de tarefas nas fases preliminares de projeto pode proporcionar uma maior eficiência e segurança na seleção de configurações viáveis, além de reduzir o tempo necessário para a realização desta tarefa. Este trabalho propõe uma ferramenta computacional para a otimização de configurações iniciais de risers, satisfazendo requisitos estruturais, operacionais e econômicos. A ferramenta se baseia no método Globalized Bounded Nelder-Mead (GBNM), que não requer o cálculo de gradientes, demanda poucas avaliações da função objetivo por iteração, ou seja, reduz o número de análises dinâmicas realizadas usando o Método dos Elementos Finitos, e permite a implementação de uma estratégia eficiente de paralelização do problema. Para validar e demonstrar a eficiência da ferramenta proposta, são apresentados estudos de caso que reproduzem as condições encontradas em fases iniciais de projetos de risers, bem como uma comparação dos resultados com os obtidos utilizando outros métodos de otimização conhecidos na literatura.
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Aluno(a) : Thiago dos Santos Pereira
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/05/2019
Local:
Resumo:
A adição de polímeros à água de injeção é um dos métodos de recuperação avançada mais utilizados devido a capacidade desses compostos, de alta massa molar, de aumentar, de maneira significativa, a viscosidade da solução mesmo em baixas concentrações. O incremento na viscosidade da solução possibilita a diminuição da razão de mobilidade entre os fluidos, melhorando o deslocamento do óleo. Porém, há uma infinidade de fatores relacionados ao uso dessas substâncias que podem modificar significativamente as características originais do meio poroso, afetando permanentemente a produtividade do reservatório. De maneira a tentar entender melhor esses mecanismos, realizou-se neste estudo a revisão das características relacionadas à injeção de soluções poliméricas, e efetuou-se uma análise experimental para estudar os processos de adsorção polimérica e recuperação de óleo. Utilizou-se três tipos de amostras de rochas com diferentes características petrofísicas. Primeiramente foram realizados testes de adsorção de polímeros nas formações em condições de trabalho específicas através do Two Slug Method. Em seguida, realizou-se um estudo do processo de recuperação de óleo através da injeção de diferentes fases aquosas: água com composição semelhante a do campo de Peregrino, solução polimérica de HPAM e solução de glicerina com água com a mesma viscosidade da solução polimérica. Os resultados mostraram a eficiência do Two Slug Method em testes de adsorção e da utilização de soluções poliméricas nos processos de recuperação de óleo.
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Aluno(a) : Monique Feitosa Dali
Orientador(a): Márcio da Silveira Carvalho e Frederico Carvalho Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/02/2019
Local: Sala 1007 Prédio IAG
Resumo:
The present work focuses on a numerical investigation of the flow through porous media with macropores, such as carbonates. The presence of vugs and fractures have a strong effect on the flow characteristics. The flow through the porous matrix is usually described by the Darcy equation and the flow through the macropores by Stokes equation. The coupling between these two distinct approaches brings great complexity to the modeling of such flows. In this work, we use Brinkman formulation that is able to describe the flow, both in the porous matrix and macropores with a single differential equation. We solved the set of differential equations using the finite element model and implemented the code in the FEniCS platform. We first solved the 1-D flow through parallel plates with one of the walls being a porous material. The goal was to compare the predictions obtained with the Brinkman formulation to that obtained by using the Beavers-Joseph boundary condition. Then, we solved a 2-D flow through a porous medium with macropores. The geometry of the pore structure was obtained from 2D slices of tomographic images of carbonates. The goal of this analysis was to evaluate an equivalent permeability as a function of macropores area and structures.
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Aluno(a) : Maira Fortes Bonape
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/01/2019
Local:
Resumo:
Os testes de formação são uma operação realizada com o objetivo de identificar os fluidos, determinar os parâmetros de reservatório associados à produtividade e avaliar a extensão da jazida. Para executar o teste, o poço é completado temporariamente para permitir a produção dos fluidos de forma segura, e o intervalo a ser testado é isolado e um diferencial de pressão entre a formação e o interior do poço é estabelecido, forçando os fluidos da formação a serem produzidos. A busca por uma forma de substituir os testes de produção tradicionais, evitando a queima de gás natural e o aumento da segurança operacional, somada ao fato de completações de poços injetores de água na zona produtora de óleo ser uma prática comum do desenvolvimento de campos marítimos, levaram os testes de injetividade a ter um importante papel no gerenciamento dos reservatórios desses campos. Embora os métodos de análise de fluxo monofásico com pequena compressibilidade sejam bem documentados na literatura, soluções bifásicas e métodos de análise ainda precisam ser desenvolvidos. Nessa dissertação, é proposta a modelagem do problema de testes de injetividade com vazão variável, utilizando soluções analíticas aproximadas.
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Aluno(a) : João Claudio Bastos Lima
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/29/2018
Local:
Resumo: O entendimento do fenômeno de deposição de parafina em linhas submarinas de transporte e produção de petróleo é importante para a construção de modelos de previsão que auxiliem no projeto e operação destas linhas. No presente trabalho, foram realizados experimentos controlados em escala de laboratório com o objetivo de obter informações sobre alguns aspectos relevantes da deposição de parafina. Para isso, foi utilizada uma seção de testes anular, com condições de contorno bem controladas, operando com um fluido de testes com propriedades bem conhecidas, e apresentando uma distinção marcada entre a composição do solvente e aquela das parafinas. A seção de testes era equipada com uma sonda de temperatura de pequenas dimensões acoplada a um micrômetro, o que permitiu a medição de perfis de temperatura dentro do depósito para condições de escoamento. A sonda também possibilitou a obtenção da temperatura da interface depósito-líquido ao longo da formação do depósito. Os testes incluíram a variação do número de Reynolds do escoamento anular, da temperatura da parede fria, e da taxa de resfriamento da parede. Uma câmera de vídeo de alta taxa de aquisição de imagens acoplada a lentes de aproximação foi utilizada para determinar a posição da sonda de temperatura em relação à interface do depósito. Os resultados mostraram que a temperatura da interface se mantém estável em um valor intermediário entre a TIAC (Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais) e a TDC (Temperatura de Desaparecimento de Cristais), desde quando a deposição de inicia até quando depósito atinge sua espessura de regime permanente. A câmera de vídeo forneceu imagens originais sobre a formação dos depósitos, notadamente sobre uma região acima do depósito em formação onde cristais de parafina são carregados pelo escoamento, sem que um número significativo destes cristais depositasse ou fosse aprisionado no depósito. As imagens revelaram também que estes cristais não são oriundos de cristais arrancados do depósito em posições a montante no início do duto, mas têm origem no seio do fluido adjacente à interface do depósito. A sonda de temperatura foi também utilizada na medição da temperatura nesta região de líquido acima da interface do depósito onde, por um período de tempo, cristais de parafina escoavam.
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Aluno(a) : Giulio Rodrigues Altoé
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/20/2018
Local:
Resumo:
Evitar a nucleação de trincas é um dos principais objetivos dos projetos à fadiga e/ou corrosão sob tensão de compontes estruturais. Utilizando de métodos bem difundidos na academia, SN ou N para fadiga e SSCC no caso da corrosão sob tensão. Em operações, as quais o componente está submetido a condições que o torne susceptível a corrosão sob tensão, a seleção de materiais se apresenta de maneira muito simplificada, utilizando apenas um critério de passa ou não passa. Assim sendo, o material poderá ser utilizado caso não falhe por SCC ao ser testado acima da tensão de projeto. O efeito de trincas curtas no projeto de componentes mecânicos submetidos a cargas cíclicas foram recentemente estudados, sendo desenvolvidos novos modelos de dimensionamento mecânicos. Este trabalho avaliou a eficiência de um modelo mecânico para o problema de trincamento assistido por meios corrosivos baseando-se no modelo desenvolvido por Meggiolaro para modelagem de trincas curtas e adaptando-o para o EAC. Além disso, foi avaliado o efeito da sensibilidade ao entalhe (q) e sua adaptação para EAC (qc), assim como outros fatores mecânicos e geométricos que influem diretamente na mecânica proposta. Foram realizados ensaios mecânicos em um par material meio composto por um aço S13Cr submetido a um ambiente aquoso com NaCl na presença de H2S, exposto assim à corrosão sob tensão devido ao sulfeto, o qual pode ocorrer a fragilização do material devido ao H0 . Para aplicação do modelo determinou-se o limite de ruptura, SEAC, e o limiar de propagação, KIEAC, do material para o referido par/meio.
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Aluno(a) : Maurício da Silva Cunha Galvão
Orientador(a): Márcio Carvalho e Abelardo Borges
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/03/2018
Local:
Resumo: This work presents a new coupled transient-wellbore/reservoir thermal analytical model, consisting of a reservoir/casing/tubing combined system. The analytical solutions consider flow of a slightly compressible, single-phase fluid in a homogeneous infinite-acting reservoir system and provide temperature- and pressure-transient data for drawdown and buildup tests at any gauge location across the wellbore, accounting for Joule-Thomson, adiabatic fluid-expansion, conduction and convection effects. The wellbore fluid mass density is modeled as a function of temperature and the analytical solution makes use of the Laplace transformation to solve the transient heat-flow differential equation, assuming no simplifications for the wellbore-temperature gradient T z. Regarding pressure transient analysis (PTA), thermal impacted pressure data may lead to the interpretation of false geological heterogeneities, since the heat loss during the buildup period provides an increase in the pressure exerted by the wellbore-fluid column, due to an increase in the oil mass density, and a change in tubing length, consequently provoking a change in the gauge location. These effects can make a homogeneous reservoir be wrongly interpreted as a double-porosity reservoir, yielding invalid conclusions to geological modeling. Results are compared to the response of a commercial non-isothermal simulator and thermal impacts on PTA interpretations are thoroughly investigated. In addition, a field case study is also provided to verify the proposed analytical solutions.
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Aluno(a) : Victória Cristina Cheade Jacob
Orientador(a): Arthur Braga e Wellington Campos
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/29/2018
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Resumo: O estudo de controle de poço é fundamental para determinar as principais variáveis envolvidas nas operações de perfuração e construção de um poço. A análise dessas operações visa estabelecer parâmetros importantes que devem ser acompanhados, a fim de evitar um influxo de fluidos da formação para o poço (“kick”). Para que as operações de perfuração sejam sempre seguras, é necessário que a pressão hidrostática no fundo do poço seja superior a pressão de poros da formação. Este trabalho apresenta uma modelagem matemática, desenvolvida para simular um kick de água e óleo da formação que adentra um poço terrestre vertical e, assim, prever o comportamento da pressão dentro da coluna de produção e no espaço anular durante uma situação de controle de poço. A operação de controle é composta pelo influxo do kick, fechamento do poço e expulsão do fluido invasor. O caso de kick de gás não foi abordado devido à sua complexidade. O modelo estudado foi simulado no Visual Basic do Excel com emprego de uma formulação do método das características com diferenças finitas. Foram implementadas considerações sobre o efeito da geometria do poço, perdas de carga por fricção, expansão do influxo e modelo de escoamento bifásico.
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Aluno(a) : Paloma Ferreira Silva
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/18/2018
Local: Sala de Aula do 6º andar
Resumo:
Para manter o Brasil autossuficiente na produção de petróleo e gás, grandes esforços têm sido realizados com alto investimento nas pesquisas de perfuração de poços. O maior desafio é produzir tecnologia para perfurar em águas profundas. Com isso tem sido motivado o desenvolvimento de estudos relativos à coluna de riser de perfuração, que é responsável por conectar o poço a plataforma. Estas juntas de riser operam com grandes carregamentos e em ambientes altamente corrosivos, ambiente salino, somados ao grande risco operacional. Ao longo da vida útil, os risers de perfuração estão sujeitos a adquirir defeitos de corrosão que podem afetar a sua integridade. A avaliação estrutural de riser de perfuração com perda de espessura por corrosão vem assumindo uma importância crescente com o surgimento cada vez mais frequente deste tipo de defeito.
Neste contexto, o persente trabalho tem como objetivo abordar a influência dos efeitos causados pela corrosão nas juntas de riser, estabelecendo novo critério para aprovação destas juntas durante processo de inspeção, de modo a obter maior quantidade de juntas aprovadas sem afetar sua vida útil e segurança das operações contribuindo desta forma a redução no custo anual com a manutenção e reparo destas juntas. Em relação a metodologia adotada na dissertação, foi realizado um estudo para reavaliar e validar critérios de aceitação das juntas de riser durante inspeção. Ao todo foram avaliados três diferentes critérios para cálculo da redução de espessura do tubo, tendo sido verificado os riscos e benefícios envolvidos em cada um.
O primeiro critério, foi avaliado como base na norma API 5L, e posteriormente foi considerada a API RP 16Q. As duas normas foram analisadas separadamente. Com isso verificou-se que há um grande quantitativo de tubos rejeitados nas inspeções, tendo impacto negativo nas operações e acarretando alto custo no reparo das juntas reprovadas. O segundo critério foi avaliado com base na API 5L e API RP 16Q quando combinadas. Conclui-se que, quando analisadas em conjunto, as duas normas geram, ao longo do tempo, uma redução na vida útil das juntas de riser. Um terceiro critério, baseado em um estudo da DNV, também foi avaliado. Este terceiro critério aumenta a tolerância da perda da parede de espessura do tubo principal durante suas inspeções, sendo portanto um processo menos restritivo.
Resultados de simulações, baseadas na Recomendação Prática RP-F101 da DNV, indicaram que este novo critério poderia ser aplicado com vantagem, sendo considerada profundidade de corrosão no tubo principal do riser de até 2.9 mm e com extensão máxima de 100 mm. A decisão de adotar o critério com base na prática recomendada da DNV, é discutida neste trabalho onde são avaliadas as perdas e ganhos, bem como a mitigação de seus riscos. Do ponto de vista empresarial este é o melhor critério a ser utilizado, visto que acarreta redução significativa no custo com inspeção e reparo das juntas de riser.
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Aluno(a) : Glaucia Teixeira da Silva
Orientador(a): Márcio Carvalho e Maria Joao Brito Moura
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/18/2018
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Resumo: Muitas indústrias, como as de petróleo, cosméticos e farmacêuticos, buscam estabilizar emulsões de forma efetiva e com menor custo. O uso de nanopartículas como agentes emulsificantes (emulsões Pickering) tem apresentado grandes benefícios, como custo e estabilidade das emulsões, quando comparados aos surfactantes, que são utilizados na emulsão clássica. A eficácia de uma determinada nanopartícula na estabilização de uma emulsão depende das propriedades da partícula e da sua interação com as fases oleosa e aquosa da emulsão. Essas partículas sólidas adsorvem-se na interface óleo-água criando uma fina camada entre as fases, evitando a coalescência das gotas. Uma forma de estudar a estabilidade de emulsões Pickering é analisar o experimento de coalescência de duas interfaces óleo-água (O/A) que são forçadas uma contra a outra. A metodologia deste trabalho baseou-se em medições do tempo de coalescência de uma gota de óleo, presente em uma dispersão aquosa de nanopartículas, quando a mesma é forçada contra uma interface O/A. Para a correta visualização e registro do momento da coalescência da gota utilizou-se uma câmera de alta velocidade (Photron FastCam SA3). As nanopartículas utilizadas foram: Laponita® RD, dióxido de titânio HAc e Aerosil® R972. Observou-se tempos de coalescência maiores para testes com dispersões aquosas de Laponita® RD 1,0% (m/m) e de Aerosil® R972 0,0024% (m/m) do que para testes com água pura (Milli-Q®).
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Aluno(a) : Guilherme Lopes Barreto
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/09/2018
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Resumo: Uma combinação de fatores geológicos e econômicos exige que as empresas produzam petróleo e gás em campos com profundidades de água cada vez maiores. Muitas das vezes não é econômico, ou no pior dos casos impraticável, instalar uma plataforma sobre os cabeçotes dos poços, por isso acaba se tornando comum transportar petróleo e gás através de amarras submarinas que podem ser de até 145 km ou mais. Geralmente isso significa que as temperaturas são baixas o bastante e as pressões altas o suficiente para tornar aquele ambiente dentro do que chamamos de envelope de formação de hidrato e ações deverão ser tomadas afim de evitar os plugs de hidrato. Como resultado, a indústria foi forçada a intensificar sua pesquisa em químicos e sistemas que evitasse a formação da estrutura cristalina. Uma dessas pesquisas em estudo é a avaliação de um fluido modelo, emulsão A/O, analisando suas principais características e verificando as propriedades reológicas da estrutura cristalina em formação. Para tornar a pesquisa viável, este hidrato é formado a pressão atmosférica utilizando moléculas hóspedes que proporcionam essa formação em tal pressão e baixa temperatura. Logo, é utilizada uma substância líquida chamada ciclopentano, que substituirá o gás natural e irá proporcionar a formação do hidrato nestas novas condições. Dessa forma, este trabalho apresentou diferentes emulsões A/O, de acordo com a porcentagem de água, e reologia do hidrato formado para cada uma delas.
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Aluno(a) : Adriano da Costa Rodrigues
Orientador(a): Sergio Braga e Epifanio Mamani Ticona
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/26/2018
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Resumo: Neste trabalho foi realizada a simulação de um sistema híbrido de geração de energia para pequenas comunidades, otimizando o simulador do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica para consumidores sem acesso à rede de distribuição de energia elétrica. O sistema inicial consiste basicamente de uma célula combustível, baterias, um reformador de etanol para produção de H2, compressor, cilindros de armazenamento e painéis fotovoltaicos. O simulador do sistema foi otimizado para atender à demanda de mais de um consumidor SIGFI45, até o limite do sistema, visando a diminuição do custo total por kWh para cada consumidor. Posteriormente foram avaliados os limites de cada equipamento (reformador de hidrogênio, célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo, inversor de corrente, compressor de hidrogênio) e a ampliação do sistema para atender a mais usuários com o menor custo possível. Foram analisados diferentes cenários, de acordo com o aumento do número de usuários do sistema e a demanda de energia resultante. Como resultado, a otimização do sistema atendeu a um maior número de consumidores, podendo atender a pequenas comunidades com um custo menor para a produção de energia.
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Aluno(a) : Winston Carneiro e Gama
Orientador(a): Arthur Braga e Paulo Dore
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/13/2017
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Resumo:
O sucesso da estimulação por fraturamento é dependente da geração de condutividade. No fraturamento sustentado, a condutividade é governada pelas propriedades dos agentes de sustentação o qual é caracterizado por materiais uniformes, esféricos e de elevada resistência compressiva, capaz de manter a fratura condutiva mesmo em elevado estado de tensões. No fraturamento ácido, a condutividade depende da impressão irregular na superfície da fratura e da capacidade mecânica da rocha em sustentar um fluxo contínuo após o seu fechamento. A previsão de desempenho do reservatório requer entre outros parâmetros informações completas do modelo de fluxo e o decréscimo de pressão nas imediações do poço, a geometria e a condutividade resultante após o fraturamento possui grande influência nesta análise. O propósito deste trabalho visa investigar experimentalmente, a partir de testemunhos de carbonatos profundos, o comportamento de fraturas ácidas e sustentadas em diferentes estágios de tensão, desenvolver uma proposta de calibração do modelo empírico desenvolvido por Nierode e Kruk a fim de estimarmos a condutividade resultante utilizando dados de perfis com base em propriedades dinâmicas e composição mineralógica, e avaliar o impacto da condutividade na produtividade de um poço. Baseado da análise dos resultados concluiu que, é possível obter fratura ácida condutiva sob as tensões confinantes esperadas em carbonatos profundos e que fraturas sustentadas apresentam maiores condutividades, determinada pela característica do agente de sustentação utilizado, não sofrendo influência significativa com o incremento de tensão, ao contrário do fraturamento ácido. A partir dos dados indiretos obtidos de perfil a poço aberto, é possível obter uma estimativa da distribuição da condutividade de fraturas ácidas sem necessidade de testemunhos. Ao simularmos os ganhos de produtividade a partir de diversas variáveis disponíveis em cada técnica estudada de estimulação é possível ratificar que, não existe solução única indicada para carbonatos e que, a permeabilidade do meio é o fator preponderante na decisão.
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Aluno(a) : Daniele Dias de Oliveira
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/09/2017
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Resumo:
O escoamento de suspensões concentradas tem grande importância em diversos segmentos da indústria, representando uma maneira econômica de transportar grandes quantidades de materiais sólidos particulados. Uma das aplicações inclui a etapa de perfuração de poços de petróleo direcionais. No decorrer do processo são gerados sedimentos originários do corte da formação, que são removidos através da operação de limpeza do poço. Durante a limpeza, no trecho de maior inclinação esses sedimentos tendem a se separar da suspensão, pelo efeito gravitacional, formando um leito na parte inferior do anular. Esse leito formado pode causar vários problemas, como redução da taxa de penetração, desgaste prematuro da broca, prisão da coluna de perfuração, fraturamento da formação e torque excessivo na coluna de perfuração. O entendimento do escoamento de suspensões de partículas se torna relevante para o aperfeiçoamento desses processos. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é analisar o escoamento de suspensões de partículas entre duas placas paralelas para estudar a formação de um leito de sedimentos na parte inferior do canal e determinar o efeito dos diferentes mecanismos de migração de partículas neste processo. A formulação matemática do problema inclui as equações de conservação de massa e quantidade de movimento linear e equação de transporte de partículas. Para descrever o transporte de partículas no escoamento foi usado o modelo de fluxo difusivo proposto por Phillips et al. (1992). As equações diferenciais parciais, que descrevem o escoamento de uma suspensão de partículas, são resolvidas pelo método de Elementos Finitos de Galerkin e o sistema não-linear é resolvido através do método de Newton. Os resultados obtidos mostram como a distribuição das partículas sólidas varia com os parâmetros do problema e determina as condições para a formação de um leito de partículas.
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Aluno(a) : Martha Salles França
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/08/2017
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Resumo:
A compreensão dos mecanismos e fenômenos de transporte relacionadosao fluxo multifásico em meios porosos é de grande relevância paradiversas aplicações práticas como captura e sequestro de dióxido de carbono,transporte em células de combustível e recuperação avançada de reservatóriosde hidrocarbonetos. A geometria do espaço poroso e as interaçõesdos fluidos com sua parte sólida determinam propriedades macroscópicascomo porosidade, permeabilidades relativas e pressão capilar. Porém, a visãoem escala microscópica fornece uma melhor descrição e entendimento dosprocessos físicos e químicos do escoamento de fluidos no espaço poroso. Nestetrabalho desenvolvemos um simulador de rede de poros para análise do escoamentobifásico de fluidos imiscíveis tanto para o processo de drenagemquanto para o de embebição. O modelo de rede 240×40 tem capilares comraios médios na ordem de 52.35 m com constrição. Os padrões de escoamento e eficiências de deslocamento foram obtidos para diferentes razões de viscosidade e números de capilaridade. Os resultados encontrados, considerando deslocamento pistão, foram similares a de experimentos realizados
previamente, injetando água no meio saturado de óleo. Na drenagem, a saturação residual de óleo cai com o aumento do número de capilaridade. O padrão de escoamento observado é de fingerings viscosos e, a frente de deslocamento torna-se mais estável com o aumento da razão de viscosidade. Na embebição, para números de capilaridade mais baixos, o escoamento foi
dominado por fingers capilares. Para números de capilaridade altos, fingers viscosos foram predominantes e, com o aumento da razão de viscosidade, a frente apresentou maior estabilidade.
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Aluno(a) : Victor Lopes Takahashi
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Conci
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/11/2017
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Resumo: Nonintrusive power transfer and data communication between devices through metallic walls is an increasing need in several sensing system. Traditional means of communication mainly use electric conductors or electromagnetic waves. The first needs some mechanism for penetration whereas the latter, although nonintrusive, can be extremely limited due to the Faraday shielding effect. An alternative is found in the use of acoustic waves to transfer data and energy through metallic walls. Although great effort has been recently directed towards this type of communication, there still is a shortage of data dealing with the acoustic channel in the presence of multiple layers as well as of experimental results with curved metallic walls. Possible applications in these contexts may be found when monitoring pressure vessels filled with a fluid or pipes conveying liquids. The present dissertation evaluates, analytically, numerically and experimentally, the transmission of energy and data communication through a multi-layered, liquid-metal acoustic channel, composed of two curved metallic walls with a layer of liquid between them. For this, initially, two models based on propagation of ultrasonic waves are analyzed and compared, one analytical and the other numerical, both relying on electric-acoustic analogies. Both are extended to include more than one layer of material. The energy efficiency assessment and data transfer capability are addressed through the models and also experimentally validated using an acoustic channel comprising a flat aluminum plate and two axially aligned piezoelectric transducers coupled to it. In addition, an electric circuit is developed for the transmission of energy from outside to inside and the communication of digital data from the inside to the outside by ASK modulation and demodulation. The circuit is simulated using electrical circuit simulation software, designed and assembled with printed circuit boards. Thereafter, a second experiment where the acoustic channel is composed by a curved metallic section with an intermediate fluid layer is implemented. In this, the power and data transfer are studied using the developed electric circuit, which is connected to a pair of piezoelectric transducers coupled to the acoustic channel. Results for the flat aluminum plate reveal good agreement between both models and the experiment, both by frequency and time domain analysis. The analytical model best reproduced the physical phenomenon of interest due to its stricter treatment of loss mechanisms. The second experiment proved the feasibility of multi-layered liquid-metal communication on curved walls and showed that the system is able to transmit data from temperature and pressure sensors at a rate of 9600 bps. The sensor and all its peripheral circuitry were fully powered by the energy flowing through the acoustic channel in total of approximately 140 mW.
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Aluno(a) : Hilton Bernardo Betta Junior
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/10/2017
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Resumo: A reinjeção de gás é uma técnica empregada para o aumento do fator de recuperação de reservatórios de petróleo. Em campos marítimos, quando o volume de gás produzido na unidade estacionária de produção (plataforma) é muito elevado e não se dispõe de infraestrutura para exportá-lo para terra, a reinjeção de todo o gás produzido pode requerer vazões suficientemente altas para causar danos à coluna de injeção do poço em decorrência da vibração induzida pelo escoamento. Esse problema pode ser ainda mais crítico para injetores com completação inteligente, que são instrumentados com sensores e válvulas de controle de fluxo e cujo monitoramento e controle são realizados por meio de cabos elétricos e hidráulicos instalados ao longo da coluna do poço. O risco da falha no sistema de completação inteligente torna-se, portanto, um limitante para a vazão máxima do gás que pode ser reinjetado no poço. Nestes casos, não havendo como exportar o gás produzido, a alternativa é reduzir a produção de petróleo da plataforma. Esta dissertação aborda o problema da vibração induzida pelo escoamento em poços injetores de gás equipados com sistemas inteligentes de completação. Modelou-se a geometria de um poço real a fim de realizar as análises computacionais da dinâmica do escoamento. Devido as altas vazões envolvidas, a abordagem do caso exige um tratamento adequado da turbulência. Para tal, fez-se uso dos métodos Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) e Large Eddy Simulation (LES). O primeiro é um modelo estacionário que prevê as estatísticas estacionárias baseando-se em equações de transporte para as mesmas. O segundo é um modelo transiente, que resolve a maior e mais energética parte do espectro das flutuações turbulentas. A partir da análise computacional com os dois modelos foram estimadas as amplitudes e espectros de frequência das forças de excitação dinâmicas produzidas pelo escoamento sobre os componentes do sistema de completação inteligente na região mais crítica da coluna de injeção. Para o caso estudado, um poço injetor de gás com uma coluna de 4½” em um revestimento de 9 ” e vazão máxima nominal de 4,5 x 106 m3/d, as forças de excitação sobre os componentes críticos do sistema de completação inteligente atingiram amplitudes máximas da ordem de 10 N/m numa faixa de frequência de até 150 Hz, valores considerados satisfatórios para a operação do poço estudado. A metodologia desenvolvida neste trabalho pode ser estendida para outras configurações de poços injetores com completação inteligente.
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Aluno(a) : Anna Camila Sousa e Silva
Orientador(a): Sergio Braga e Epifanio Mamani
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/04/2017
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Resumo:
O presente trabalho trata da implementação de um sistema integrado de fornecimento de energia elétrica a sistemas isolados da rede de distribuição através de célula a combustível, combustível renovável (etanol) e painéis fotovoltaicos. Apresenta como objetivo a construção de um simulador para a otimização do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica.
O sistema consiste em um reformador de hidrogênio que utiliza etanol para a reforma do hidrogênio, uma célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo, inversor de corrente, compressor de hidrogênio. O sistema foi dimensionado para atender um consumidor SIGFI 45. A partir da implementação do sistema foram realizados diferentes tipos de ensaios a fim de caracterizar o funcionamento de cada um dos equipamentos separadamente. Conhecendo o funcionamento de cada equipamento foi possível simular o funcionamento deles em diferentes condições de operação. Posteriormente foi implementado um simulador em VBA desse sistema e os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com os simulados para a validação desse simulador.
Com o simulador validado foi possível simular diversos casos de operação com o intuito de otimizar o funcionamento desse sistema.
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Aluno(a) : Luiz Carlos Bittencourt Fontes
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/03/2017
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Resumo: Esta dissertação teve por objetivo apresentar os principais diferenciais entre um software comercial de projeto de fraturamento hidráulico com desenvolvimento de rede de fraturas discretas tridimensional e softwares de projeto de fraturamento convencional. Enquanto no fraturamento convencional adota-se um modelo de fratura planar com duas asas simétricas em relação ao poço, no fraturamento em shale gas/oil o modelo atualmente aceito é o de criação/ativação de uma fratura dominante e uma rede de fraturas paralelas e fraturas ortogonais à dominante. Como esclarecimento do principal cenário de fraturamento não convencional foram apresentadas a descrição e principais propriedades de shale gas/oil. Expondo em seguida as teorias das geometrias ortogonais e a importância das fraturas naturais que embasam as doutrinas do DFN.Foram apresentadas as premissas da modelagem, as equações adicionais em relação ao FH convencional, os critérios adotados para a solução destas equações e os dados de entrada adicionais relativos à rede de fraturas.Para ilustrar os diferenciais de modelagem convencional e com rede de fraturas discretas foram apresentadas as equações governantes de um simulador pseudo-tridimensional convencional (P3D) e as equações governantes do simulador com criação de rede de fraturas estudado (FHShale).Uma vez que os dados de entrada adicionais são o maior desafio para os projetistas de FH, apresentou-se um capítulo sobre os mesmos, com um exemplo de entrada de dados real comentado e um capítulo descrevendo as formas de saída de dados do simulador.Concluiu-se que o coeficiente de filtrado total tem grande impacto na geometria e condutividade da fratura dominante e rede de fraturas secundárias, influenciando também as concentrações de agente de sustentação, como também ficou provado que a interação entre fraturas reponde pela variação do espaçamento assumido entre os planos de fratura. Verificou-se que não se deve usar softwares de projeto de fraturamento convencional em cenários de reservatórios não convencionais, pois os resultados são irrealistas. Apontou-se deficiências do software de projeto de fraturamento hidráulico com rede de fraturas analisado, como a consideração de coeficiente de filtrado constante ao longo da operação.Espera-se que esta dissertação seja útil aos projetistas de fraturamento hidráulico ao lidar com reservatórios não convencionais como shale gas/oil e que estimule o interesse da academia por este tema
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Aluno(a) : Marcos Paulo Pereira Cabral dos Santos
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/13/2017
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Resumo: A produtividade de poços produtores de gás, que operam com pressões de fundo inferiores à pressão de orvalho, é afetada pelo aparecimento da saturação de líquido em seus entornos. Para entender esse fenômeno, conhecido como bloqueio por condensado, os simuladores em escala de poros são ferramentas úteis para investigar os parâmetros que influenciam na quantidade e na distribuição da saturação de condensado, assim como seus efeitos na redução do fluxo de gás. Esse trabalho apresenta um modelo de rede de capilares composicional e isotérmico para o estudo do escoamento de gás retrógradoem meios porosos. Forças capilares e gravitacionais não foram consideradas. O fluxo monofásico é comutado para bifásico de padrão anular quando a pressão e a composição do fluido atingem um critério de estabilidade. O método de Newton é aplicado para resolver as equações de fluxo e da consistência dos volumes e calcular o transporte de cada um dos componentes ao longo da rede. As propriedades do fluido e o comportamento de fluxo foram testadas contra os resultados de um simulador termodinâmico comercial e soluções analíticas, respectivamente. Após validação, o simulador foi utilizado para obter curvas de permeabilidade relativa gás-líquido através da despressurização de uma rede 2D e alguns resultados são discutidos.
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Aluno(a) : Diego Fernando Celis Torres
Orientador(a): Angela Nieckele e Bruno Alvares de Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/30/2017
Local:
Resumo:
Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) has become a powerful alternative for patients with aortic stenosis and a high surgical risk to face a traditional open chest surgery. The knowledge of the pressure distribution as well as shear stress at the aortic wall may help identify critical regions, where aortic remodeling process may occur. The purpose of the present work is to evaluate numerically the influence of the positioning of the prosthetic valve orifice in the flow field. The study was carried out on the basis of a particular patient who had undergone a TAVR. A 3D model was generated from computed tomography angiography and image segmentation of the aorta. Experimental data previously obtained in the same geometry indicated that the jet flow through the inlet valve is turbulent flow. The flow field was numerically determined with the commercial software Fluent. The turbulence was modeled with the two-equation k- SST model. To represent a pulsatile flow, different mass flow rates were imposed at the inlet valve. Similar flow pattern was observed for all flow rates investigated. It was shown that small variations of the tilt angle can modify the nature of the flow, displacing the position of the vortices and altering the location of high shear stress, as well as high pressure, at the aortic inner wall. It was also shown that an increase of the turbulent intensity at the entrance decreases the values of shear stress and pressure on the walls. These hemodynamic features may be relevant in the aortic remodeling process and the mechanical stresses may influence the durability of the valve prosthesis.
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Aluno(a) : José Ronaldo Vimieiro Júnior
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/19/2017
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Resumo:
Em um mundo globalizado, a demanda por energia está sempre crescendo. Uma vez que a indústria de óleo e gás é responsável pela entrega da maior parte desta demanda, isso faz dos hidrocarbonetos componentes cada vez mais importantes no mercado mundial. Entretanto tais recursos são finitos, portanto, uma exploração consciente, buscando sempre o máximo desempenho se faz necessária. Como os reservatórios de petróleo, logo após a aplicação das técnicas de recuperação primária e secundária, geralmente ainda possuem cerca de 65% do volume de óleo originalmente contido em seus poros, métodos que visam a redução dessa porcentagem estão ganhando um papel cada vez mais importante na indústria energética. Nesse contexto, esse trabalho apresenta um micromodelo tridimensional representativo de um meio poroso que será utilizado para a análise do escoamento de fluidos na escala de poro. A microscopia confocal será adotada para visualizar os diferentes fenômenos que ocorrem em microescala, permitindo a obtenção de informações específicas sobre a dinâmica dos gânglios de óleo, em relação a sua formação, mobilização e aprisionamento, e assim, ao final do experimento quantificar a saturação residual de óleo em diferentes condições de escoamento. Os resultados obtidos mostram que o uso das suspensões de microcápsulas flexíveis como agente de controle de mobilidade, modifica a distribuição dos fluidos no meio poroso, o que melhora a eficiência de deslocamento do fluido deslocante na escala de poro, e consequentemente diminui a saturação de óleo residual
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Aluno(a) : Sávio Weslley Oliveira Figueiredo
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/08/2017
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Resumo:
Os sensores de deformação convencionais, por exemplo, os strain gages resistivos, consagrados pelo mercado, são empregados em diferentes ambientes e estruturas, oferecendo um nível de flexibilidade que permite sua integração a sistemas de medição sem fio. No entanto, requerem uma fonte de energia elétrica local para funcionar, limitando o seu uso em alguns cenários. Os dispositivos de onda acústica de superficie (do inglês, SAW), pertencentes ao grupo dos sistemas microeletromecânicos (do inglês, MEMS) – que consomem baixas quantidades de energia -, possuem sensibilidade à deformação e podem operar de forma passiva por meio de antenas, preenchendo essa lacuna. Seu funcionamento é baseado em ondas de superfície geradas em um meio piezoelétrico, nele se propagando, podendo ser perturbadas, dentre outras formas, pelo estado de tensão na superfície do substrato. O presente trabalho analisou a sensibilidade à deformação de ressonadores SAW feitos de quartzo ST-X com frequência central de 433,92 MHz colados com diferentes adesivos, e testou sua operação sem fio. A metodologia incluiu testes de tração não destrutivos em diferentes temperaturas e também simulações com elementos finitos. Os resultados experimentais mostraram relação linear entre a variação de frequencia do ressonador e a deformação aplicada, concordando com a literatura. A interrogação sem fio foi bem sucedida, confirmando o grande potencial dessa tecnologia. Os resultados numéricos, combinados a um modelo teórico, foram próximos aos experimentais, validando o modelo numérico.
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Aluno(a) : Fabio Machado Limeira
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/03/2017
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Resumo:
A utilização de PIG em oleodutos e gasodutos tem uma grande importância para a manutenção da integridade estrutural de tubulações, e pode ser utilizado para inspeção, limpeza e separação de interface. Neste contexto é importante que a passagem de PIG ocorra de modo controlado causando o menor impacto possível a operação, respeitando os limites operacionais da tubulação e dentro dos limites de velocidade de deslocamento do PIG. Caso o PIG possua uma velocidade baixa, ele pode ficar preso a tubulação, e pode ser difícil soltá-lo. Por outro lado, caso a velocidade seja elevada o PIG pode danificar a tubulação em função dos impactos gerados. Com o objetivo de atender os requisitos referente a velocidade recomendável de deslocamento do PIG e referente aos limites operacionais existentes, foi desenvolvido um simulador de deslocamento de PIGs termo hidráulico. O simulador prevê escoamentos transientes isotérmico ou térmico acoplado ao deslocamento do PIG. Para controlar a velocidade do PIG, uma válvula de controle foi instalada no corpo do próprio PIG. Sua velocidade de deslocamento é função da abertura do furo de bypass, ou seja, quanto maior a velocidade de escoamento na tubulação, maior a abertura e maior o fluxo por através do PIG para manter a velocidade controlada. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia acopladas com um balanço de forças no PIG foram discretizadas pelo método das diferenças finitas e resolvidas de forma acoplada. Para o controle da velocidade optou-se pelo método de controle PID. Investiga-se o deslocamento do PIG tanto para escoamento de líquido quanto de gás, considerando ou não a perda de calor para o ambiente. Diversos casos são apresentados demonstrando a eficácia do método de controle modelado.
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Aluno(a) : Yonathan Ferreira Bizzo
Orientador(a): Arthur Braga e Nelson Inoue
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/28/2017
Local:
Resumo:
Frequentemente, na simulação convencional de reservatórios de petróleo, o problema de fluxo de fluido recebe maior atenção nos estudos de acompanhamento e de viabilidade de explotação de uma área de interesse. Nos estudos, são analisadas as variações de pressão de poros, saturação de fluidos e temperatura no reservatório, resultantes da produção e injeção de fluidos durante a fase de explotação do campo. Porém, o comportamento mecânico da rocha também chamado, na indústria do petróleo, de efeito geomecânico é aproximado em uma simulação convencional de reservatórios através de apenas um único parâmetro mecânico: a compressibilidade da rocha, insuficiente para avaliar de maneira adequada, o efeito que a variação do estado de tensão nas rochas reservatório e adjacentes exercem sobre a pressão de poros no reservatório. Em função disso, um dos objetivos deste trabalho é analisar como a variação de propriedades das rochas e dos fluidos podem impactar na produção de hidrocarbonetos e na ordem de grandeza da compactação e subsidência. Outro objetivo igualmente importante é a criação de um fluxo de informações que permite estimar as propriedades mecânicas das rochas a partir de dados provenientes de perfilagem, de maneira a dar maior acurácia aos dados utilizados. Dessa forma, as análises feitas utilizaram a metodologia desenvolvida pelo GTEP/PUC-Rio, a qual permite que sejam feitas simulações parcialmente acopladas de duas vias entre o simulador de fluxo IMEX e o programa de análises tensões CHRONOS. Os resultados obtidos permitiram concluir que o início da liberação de gás dentro do reservatório tem impacto não só na explotação de fluidos, como também na desaceleração do processo de compactação do reservatório. Além disso, mudanças de propriedades nas rochas adjacentes não geram comportamentos semelhantes de deslocamentos para todos os horizontes observados.
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Aluno(a) : Fabrício Gonçalves Azevedo
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Alberto Rocha
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/27/2017
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Resumo: Acidentes com influxo descontrolado de hidrocarbonetos em poços de petróleo (blowouts) são eventos com baixa probabilidade de ocorrência na indústria, porém, caso ocorram, seus impactos podem ser catastróficos. O evento de Macondo, com uma sonda afretada pela British Petroleum (BP) no Golfo do México (GoM), mostrou que um acidente dessa proporção tem um impacto significativo nas pessoas, no meio ambiente e na imagem da empresa. Portanto, uma resposta rápida e definitiva para o problema se mostra necessária. Existem diversas possibilidades de se conter um derramamento de óleo ocasionado por um blowout. No entanto, a mais efetiva para cessar o vazamento com segurança e abandonar definitivamente o poço em descontrole é o poço de alívio. Esta técnica consta da construção de um poço direcional a uma determinada distância do poço em blowout, respeitando-se critérios mínimos de segurança, com o objetivo de interceptar este no ponto estabelecido em projeto. Após a interceptação, injeta-se um fluido de alta densidade cujo objetivo é preencher o poço em blowout gerando uma contrapressão capaz de cessar o influxo de hidrocarbonetos do reservatório. Após essa injeção de fluido, é injetado cimento pelo poço de alívio para tamponar o poço em blowout, interrompendo permanentemente o fluxo descontrolado. No presente trabalho o enfoque é o amortecimento do poço em blowout através do poço de alívio. Parte-se do pressuposto que a detecção e interceptação do poço em influxo foi feita com sucesso no ponto desejado. A detecção, a interceptação e o abandono no poço em blowout não são abordados em detalhes. O trabalho é desenvolvido tomando como base um poço exploratório de gás a ser simulado, trabalhando os requisitos de pressão e vazão que melhor se adequam ao proposto. O objetivo do amortecimento do poço em blowout pelo poço de alívio é cessar o influxo descontrolado de forma eficaz, otimizando os parâmetros de pressão, vazão e volume de fluido às capacidades de sondas e embarcações disponíveis no mercado. Caso não seja possível o amortecimento variando a densidade do fluido injetado e a pressão nas bombas de injeção, parte-se para novas estratégias de amortecimento tais como propostas ou no número de poços de alívio a serem perfurados para amortecer o poço em blowout. Não será objetivo do presente trabalho a modificação no projeto do poço.
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Aluno(a) : Roberta Domingos Rodrigues
Orientador(a): Marco Sebastião Gomes e Luis Glauber
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/26/2017
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Resumo:
Para contribuir com a mitigação das mudanças climáticas, tecnologias com o intuito de promover a redução de emissões dos Gases de Efeito Estufa, como é o caso do dióxido de carbono, tem obtido grande destaque nas pesquisas ultimamente. Uma das alternativas para impedir que todo esse carbono seja liberado para a atmosfera é reinjetar o CO2 nos próprios reservatórios ou em outras formações geológicas próximas. Neste sentido, esta dissertação apresenta uma tecnologia relacionada à captura e armazenamento geológico de CO2 e avalia o processo de injeção de dióxido de carbono em aquíferos salinos. O principal objetivo é avaliar o processo de injeção de dióxido de carbono em aquíferos salinos de rochas carbonáticas, numa escala de tempo de três mil anos, para avaliar o aprisionamento do CO2 em suas diferentes formas, incluindo o armazenamento mineral. Tal estudo também considera na modelagem, as reações químicas entre os componentes na fase aquosa e a difusão molecular do dióxido de carbono na fase aquosa, assim como as reações químicas de dissolução e precipitação mineral. A partir das informações obtidas em literatura, estabeleceu-se as premissas para a simulação do caso base, e gerou-se casos derivados variando individualmente cada uma das seguintes propriedades: difusividade, salinidade e pH, no qual avaliou-se a contribuição de cada uma delas nas diferentes formas de armazenamento do CO2. Por fim, concluiu-se que o processo de mineralização do CO2 injetado é um fenômeno que ocorre muito lentamente na escala de tempo acima de 3000 anos, devido às lentas taxas das reações químicas envolvidas e que o armazenamento do CO2, na forma dissolvida foi predominante, quando comparado às formas gasosa e mineral. As propriedades variadas que contribuíram para o armazenamento de uma maior quantidade de CO2 em um menor intervalo de tempo foram: maior fator de difusividade, menor salinidade do aquífero e pH neutro (pH = 7,0).
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Aluno(a) : Leonardo Dias Pereira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/25/2017
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Resumo:
Parte do processo de exploração e desenvolvimento de um campo de petróleo consiste nas operações de perfuração de poços de petróleo e gás. Particularmente para poços de águas profundas e ultra-profundas, a operação requer o controle de uma estrutura muito flexível que é sujeita a condições de contorno complexas, tais como as interações não-lineares entre broca e formação rochosa ou entre a broca e a parede de poço. Quanto a esta complexidade, o fenômeno stick-slip é um componente primordial relacionado à vibração torsional. Este pode excitar vibrações tanto axiais quanto laterais. Isso pode causar falha prematura de componentes de corda de perfuração. Assim, a redução e eliminação de oscilações do tipo stick-slip são itens muito valiosos em termos de economia financeira e de tempo de exploração. Com este propósito, este estudo tem como principal objetivo confrontar o problema de vibração torsional usando uma estratégia de controle robusto em tempo real. A abordagem é obtida seguindo alguns passos, tais como: análise em malha aberta do sistema de perfuração considerando um atuador top drive e o sistema de coluna de perfuração; concepção de um novo controlador que utiliza diferentes velocidades angulares de referência num sistema de controle de malha fechada; Controle da vibração torsional considerando a não-linearidade devida à interação de atrito na parede do poço e no fundo do poço; avaliar por meio de simulações sistemas de controle ininterruptos durante a perfuração; validação dos modelos por meio de simulações numéricas. Esta dissertação apresenta a base teórica por trás do sistema de perfuração, bem como exemplos de resultados numéricos que proporcionam uma operação de perfuração controlada estável e satisfatoriamente.
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Aluno(a) : Mariana Heringer Bouças
Orientador(a): Arthur Braga e Wellington Campos
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/17/2017
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Resumo:
Existem dois princípios que devem ser seguidos no projeto de um poço de petróleo: segurança e produtividade. Durante toda a vida de um poço deverão haver equipamentos que permitam a realização das operações com segurança. A integridade de um poço de petróleo é fundamental para garantir tal segurança. As barreiras de segurança são a base da gestão da integridade e por isso precisam estar adequadas e funcionando perfeitamente. Integridade é a contenção dos fluidos do poço, prevenindo derramamentos de hidrocarbonetos para o ambiente externo e entre zonas produtoras. A indústria do petróleo já enfrentou diversos acidentes ao longo de sua história (ex.: Campos de Montara, Macondo, Campo de Frade) e tais fatos trágicos demonstram o potencial de periculosidade que a indústria de Óleo e Gás pode ter. Bilhões de dólares são perdidos a cada ano devido à manutenção ineficaz e shut-ins não programados de poços. O gasto é elevado, mas possíveis ameaças ao meio ambiente e perigos à vida humana devem ser a principal prioridade. Por isso é cada vez maior a preocupação e foco na integridade do poço. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de verificação da confiabilidade de um sistema de barreiras em poços de petróleo, proporcionando um método capaz de comparar diferentes configurações de poços subsea, através de simulações, utilizando o Método de Monte Carlo. A fim de verificar a importância de algumas dessas barreiras do sistema, é feito alguns estudos variando a taxas de falha do elemento estudado em questão, deixando as demais taxas inalteradas. No final é feita uma comparação desses resultados observando quais delas precisam ser e estar ainda mais seguras e resistentes.
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Aluno(a) : Andrew David Mendes Guedes
Orientador(a): Sérgio Braga e Florian Alain Yannick
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/12/2017
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Resumo:
Há algum tempo biocombustíveis renováveis são potenciais soluções sugeridas às questões de emissão de poluentes e dependência da sociedade a derivados fósseis. Em um cenário no qual motores de ignição por compressão são mais eficientes do que motores de ignição por centelha, biodiesel e etanol despontam como combustíveis comerciais renováveis em substituição às fontes fósseis. Misturas ternárias de diesel, biodiesel e etanol formam estratégias de substituição parcial do diesel aplicáveis em motores de ignição por compressão sem a necessidade de grandes adaptações. Nesta dissertação realizam-se avaliações experimentais em um motor multi-cilíndrico de ignição por compressão (MWM 4.10 TCA), abastecido com misturas de diesel, biodiesel (7% ou 15% em teor volumétrico) e etanol anidro (até 20% em teor volumétrico). Cada mistura ternária é composta por diferentes proporções do álcool e sempre com a concentração volumétrica de 1% de um aditivo estabilizador da mistura. Portanto, os testes associam substituições parciais do diesel por biocombustíveis a avaliações de desempenho do motor e da combustão das misturas, sob algumas condições de carga, regimes de rotação e instantes de injeção de combustível. Os testes realizados indicam que misturas com 20% em volume de concentração de etanol experimentam inícios de combustão até 4,7° CA mais atrasados. Porém, a busca de instantes otimizados para a injeção de combustível mostra-se capaz de minimizar efeitos do etanol em retardar o início da combustão, bem como viabiliza alguns efeitos positivos em parâmetros de desempenho do motor.
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Aluno(a) : Leonardo Soares Fernandes
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Fabio Jessen
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/24/2017
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Resumo:
Escoamentos intermitentes gás-líquido são encontrados em diversas aplicações de engenharia, como em linhas de produção de petróleo e em sistemas de refrigeração de reatores nucleares. O conhecimento detalhado deste padrão de escoamento é indispensável para a construção de modelos matemáticos representativos deste fenômeno físico complexo. No presente trabalho, foi desenvolvido um estudo experimental com o objetivo de fornecer informações que possibilitem a melhoria dos modelos existentes para o escoamento bifásico intermitente em duto horizontal. A técnica de velocimetria por imagem de partículas estereoscópica (SPIV) de alta frequência foi empregada, em conjunto com a técnica de fluorescência induzida por laser (LIF), permitindo a obtenção de campos de velocidade na região do pistão de líquido, a montante da bolha alongada, e na região do filme líquido, a jusante da bolha. O arranjo experimental possibilitou a medição das três componentes do vetor velocidade do escoamento bifásico água-glicerina e ar na seção transversal de uma tubulação horizontal de 40mm de diâmetro interno. Os resultados obtidos, originais na literatura, mostraram a evolução detalhada das três componentes dos campos médios do vetor velocidade ao longo da passagem da bolha alongada durante o escoamento intermitente.
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Aluno(a) : Letícia Berni
Orientador(a): Márcio Carvalho e Raphael Augusto Mello Vieira
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/17/2017
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Resumo:
Pelos últimos 20 anos tem sido observado, tanto em escala de laboratório quanto em piloto de campo, que a água injetada em um reservatório de petróleo pode ter papel adicional além de simplesmente deslocar o óleo em direção ao poço produtor. A composição desse fluido, quando otimizada, sob determinadas circunstâncias, pode alterar a molhabillidade da formação no sentido de menor molhabilidade ao óleo, levando a maiores fatores de recuperação (FR). Tratando-se de ajuste composicional de fontes de água já existentes, a injeção de água otimizada pretende ser um econômico competidor para outros métodos de Recuperação Avançada de Petróleo (EOR), como métodos químicos, ainda mais em cenários offshore. Alguns pesquisadores inclusive veem essa técnica como uma possível viabilizadora de outros métodos de EOR. Em águas de menor salinidade e dureza, por exemplo, poder-se-ia utilizar menor quantidade de polímeros e surfactantes. O presente trabalho busca relacionar e discutir possíveis mecanismos em pauta na literatura com os resultados de 10 (dez) testes de escoamento bifásico óleo/água para 2 (dois) cenários carbonatos e 1 (um) arenito. Amostras de rocha e óleo de reservatórios reais, em condições experimentais de temperatura e pressão próximas da realidade foram utilizadas. O principal objetivo foi estudar o efeito do Ca, Mg, SO4, NaCl e temperatura no fator de recuperação e curvas de permeabilidade relativa óleo-água. Em relação a carbonatos, avaliou-se se Ca/Mg e SO4 tinham algum papel na alteração da molhabilidade da formação e, em caso positivo, se esse efeito era exacerbado em ambiente de baixa salinidade. Em relação a reservatórios areníticos, comparou-se a injeção de água dessulfatada com água de baixa salinidade (água do mar diluída 20 e 100 vezes). Dos testes de deslocamento realizados em amostras de arenito, observou-se que água do mar diluída, injetada após água do mar dessulfatada foi capaz de acrescer o FR em 1,3% e 4,4% e em reduzir o Sor em 1,1% e 3,2%. Observou-se também que, água diluída injetada de forma secundária gerou fatores de recuperação 3,9% e 7,4% maiores e Sor 3% e 6% menores, quando comparada ao caso base água dessulfatada. Quanto ao cenário carbonato de alta temperatura avaliado (95°C), observa-se que água otimizada, quando injetada após água do mar dessulfatada, foi capaz de aumentar o FR em 15,3% e diminuir o Sor em 12,1%. Ainda, quando se introduziu água otimizada de forma secundária, observou-se redução no Sor em 4,6% e aumento do FR em 5,9% quando comparado com a injeção usual de água. No carbonato B, injeção da água otimizada após água dessulfatada levou a um acréscimo de 10,1% no fator de recuperação e diminuição de 7,1% na saturação de óleo residual. Ainda, com água otimizada introduzida de forma secundária, o Sor e FR foi 5,7% menor e 8,1% maior, respectivamente, quando comparado com a injeção de água normalmente salina. E principalmente, tanto no cenário arenito quanto nos carbonatos, não houve produção adicional de óleo quando injetado água do mar após a injeção de água otimizada. Isso corrobora a ideia de que o fluido customizado permitiria atingir o máximo de eficiência de deslocamento.
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Aluno(a) : Luan Carlos de França Rodrigues
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Fabio Jessen
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/17/2017
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Resumo:
A deposição de parafina no interior de linhas de produção e transporte de petróleo é um dos problemas mais relevantes encontrados na indústria. A troca de calor entre o petróleo escoando nas linhas e o ambiente externo mais frio pode levar à deposição de parafina, causando o bloqueio parcial ou total das linhas com graves implicações econômicas. O monitoramento do crescimento dos depósitos no interior das linhas forneceria informação fundamental para a tomada de decisões operacionais de intervenções para remoção periódica dos depósitos como, por exemplo, por passagem de pigs. As técnicas atualmente disponíveis para o monitoramento do crescimento de depósitos são limitadas, não oferecendo informações confiáveis. No presente trabalho foi conduzido um estudo experimental com o objetivo avaliar a utilização de técnica de ultrassom para a medição do crescimento de depósitos de parafina em linhas de petróleo. Foram propostos e avaliados quatro métodos de processamento do sinal ultrassônico: (i) método baseado na reflexão do sinal na interface líquido-depósito, (ii) método baseado no tempo combinado de propagação da onda nos meios líquido e no depósito, (iii) na atenuação da amplitude do eco do sinal ultrasônico após a passagem no depósito, e (iv) método baseado no atraso do sinal de eco após a passagem no depósito. Para isto, uma seção de testes foi especialmente projetada e construída, que permitia testes da formação do depósito de parafina de maneira controlada utilizando diferentes soluções de parafina. O crescimento dos depósitos de parafina foi monitorado através de uma câmera digital sincronizada com as aquisições de ultrassom. Observou-se nos resultados que, devido à proximidade dos valores das impedâncias acústicas do depósito e da solução de parafina, o sinal de ultrassom não exibia a reflexão na interface solução-depósito, apenas atenuação das amplitudes dos ecos e redução de seus tempos de propagação. Este fato impossibilitou o uso da metodologia de medição de espessura por meio da reflexão do sinal na interface. Os demais métodos propostos obtiveram resultados satisfatórios, quando comparados com as espessuras medidas opticamente, com destaque para o método da atenuação da amplitude do eco, que apresentou menor incerteza e apresenta potencial para ser utilizado como ferramenta para monitorar a deposição de parafina em linhas de petróleo.
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Aluno(a) : Rafael Camel Albagli
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/03/2017
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A deposição de parafina é um fenômeno presente nos sistemas de produção de petróleo (principalmente em águas profundas devido às baixas temperaturas), consistindo na aderência de frações sólidas de hidrocarbonetos nas colunas e linhas, conduzindo à redução da área aberta ao fluxo até o eventual bloqueio. A compreensão dos mecanismos que influenciam na deposição ainda não foi totalmente alcançada. Dada a relevância deste tipo de sistema para o desenvolvimento de novos campos e a ausência de uma teoria consolidada que seja capaz de explicar a evolução e característica do depósito, a limitação de produção por este fenômeno é um dos principais problemas de garantia de escoamento. Visando aumentar o conhecimento acerca dos fenômenos existentes no processo de deposição, e identificar os mecanismos dominantes, diferentes modelos matemáticos podem ser confrontados com dados experimentais. Geralmente, os escoamentos encontrados ao longo das linhas de produção encontram-se no regime turbulento. Dessa forma, no presente trabalho, desenvolveu-se um modelo de turbulência de duas equações , acoplado com o modelo entalpia-porosidade, no qual o depósito é considerado um meio poroso. A partir de um equilíbrio termodinâmico determina-se as espécies que saem de solução e a distribuição de concentração de cada espécie é determinada pela sua equação de conservação molar. As equações de conservação foram resolvidas pelo método de volumes finitos, utilizando o esquema Power-law e Euler implícito para as discretizações espacial e temporal. Comparações com dados experimentais em um duto anular foram realizadas, apresentando boa concordância para o regime permanente, mas superestimando a espessura do depósito durante o regime transiente. Constatou-se redução de espessura do depósito com o aumento do número de Reynolds.
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Aluno(a) : Gabriel Serrão Seabra
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/29/2016
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A produção de um reservatório de petróleo é um processo acoplado entre fenômenos geomecânicos e de fluxo, os quais impactam o próprio reservatório e suas rochas adjacentes. Ensaios laboratoriais mostraram que amostras de um reservatório carbonático do Campo B, um campo de petróleo localizado na Bacia de Campos, são muito sensíveis às deformações causadas pela depleção. Desta forma, o objetivo deste trabalho é avaliar aspectos geomecânicos e de produção do desenvolvimento do Campo B, utilizando diferentes esquemas de acoplamento hidromecânico. Foram realizadas análises através da metodologia desenvolvida pelo GTEP/PUC-Rio, a qual permite que sejam feitas simulações hidromecânicas parcialmente acopladas entre o simulador de fluxo IMEX e o programa de análises geomecânicas CHRONOS (um código de elementos finitos executado em GPU) tanto em uma, quanto em duas vias. Foi construído um Mechanical Earth Model 3D do Campo B no modelador geológico GOCAD através de um workflow específico para esta tarefa, o qual faz parte da metodologia GTEP/PUC-Rio. Então, foram confrontadas respostas de parâmetros de fluxo e geomecânicos entre simulações feitas em uma via e em duas vias. Neste primeiro momento, a permeabilidade não foi considerada como parâmetro de acoplamento. Neste caso, não foram encontradas diferenças significativas entre os resultados dos dois tipos de acoplamento. Em um segundo momento, foram realizadas novas simulações em duas vias, porém considerando variações das permeabilidades decorrentes da depleção. Os resultados destas novas análises divergiram da simulação acoplada em duas vias na qual esta propriedade foi considerada constante. Também foram feitas análises quanto a performance computacional das simulações hidromecânicas parcialmente acopladas realizadas ao longo desta Dissertação.
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Aluno(a) : Maurício Andreis
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/07/2016
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A definição da estratégia de desenvolvimento de um campo petrolífero offshore é um problema complexo e de grande importância. Complexo uma vez que, geralmente, existem inúmeras possibilidades de desenvolvimento e alto grau de incerteza; importante uma vez que os investimentos e impactos associados às escolhas possíveis são elevados. Neste contexto, as condições fiscais às quais um campo petrolífero está submetido desempenham papel fundamental, visto que elas determinam como são apurados os resultados econômicos dos projetos de desenvolvimento do campo. Por este motivo, empresas internacionais de petróleo, governos de países produtores de petróleo e pesquisadores realizam análises e comparações entre regimes fiscais. No Brasil, após a implementação do novo marco regulatório, passaram a vigorar três regimes fiscais de pesquisa e lavra de petróleo: concessão, cessão onerosa e partilha de produção. Sendo que somente os regimes de concessão e partilha de produção se aplicam para novos leilões no país. Este trabalho objetiva identificar e analisar os impactos que as condições fiscais vigentes no Brasil podem ter na escolha da estratégia de desenvolvimento e na viabilidade de um campo petrolífero offshore. Para isso é realizado um estudo para um campo petrolífero offshore sintético em três conjuntos de condições fiscais distintas: (i) Concessão; (ii) Partilha de Produção, com condições contratuais similares ao primeiro leilão de partilha no Brasil; e, (iii) Partilha de Produção, com condições contratuais propostas pelo autor. A partir dos resultados obtidos para o campo estudado concluiu-se que: (i) as condições fiscais não influenciaram significativamente a definição da estratégia de desenvolvimento no que tange a malha de drenagem do projeto; (ii) em cenários de preço de óleo baixo e condições fiscais mais restritivas, do ponto de vista da empresa, no regime de Partilha de Produção, o desenvolvimento do campo apresentou-se inviável, resultando em participações governamentais nulas; e, (iii) a consideração de condições contratuais mais flexíveis no regime de partilha de produção viabilizou o desenvolvimento do campo mesmo em cenários de preço de óleo baixo. Portanto, a viabilidade do desenvolvimento de um campo em cenários de preços de óleo baixo não depende necessariamente do regime fiscal (concessão ou partilha), mas sim das condições contratuais estabelecidas.
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Aluno(a) : Helena Assaf Teixeira de Souza Mota Lima
Orientador(a): Márcio Carvalho e Ranena Verônica Ponce Flores
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/30/2016
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Resumo:
O aumento do fator de recuperação e o uso de métodos de recuperação avançada no atual cenário de novos patamares de preços representam um enorme desafio para a indústria do petróleo. Neste contexto, o uso de emulsões óleo-água como um método de recuperação avançada torna-se bastante atrativo. Esta atratividade deve-se ao seu custo reduzido em relação aos demais métodos de recuperação avançada, maior resistência a altas temperaturas (do que a injeção de polímeros) e potencial uso das emulsões produzidas (águas de produção) após condicionamento no processo de injeção. Diversos trabalhos mostraram um aumento no volume de óleo produzido através da injeção de emulsões óleo-água. Cobos et al.(2009) e Guillen et al.(2012a) evidenciaram respectivamente que o método só se mostrou efetivo para: injeção de emulsões cujo tamanho de gotas fossem compatíveis para permitir o bloqueio das gargantas e em baixas vazões onde os efeitos capilares são fortes o suficientes para que haja bloqueio dos poros. Resultados de pesquisas experimentais (Guillen et al., (2012a,b); Engelke et al.(2013)) indicam que a injeção de emulsões pode ser utilizada como agente de controle de mobilidade, permitindo um deslocamento mais uniforme do fluido no reservatório, bem como reduzindo a saturação residual de óleo. Baseados nestes resultados experimentais, identificou-se que os parâmetros mais relevantes para esta atuação são função do tamanho de gotas, da concentração local da fase dispersa da emulsão e do Número de Capilaridade local. A aplicação deste método requer o entendimento do escoamento de emulsões no meio poroso e dos mecanismos responsáveis pela melhora na recuperação. Este entendimento tanto na escala de poros como na escala de reservatórios permite incorporação destes mecanismos na modelagem para simulação de fluxo de reservatórios. Ponce et al. (2014, 2016) desenvolveram um modelo macroscópico para o escoamento de emulsões em meios porosos através da parametrização das curvas de permeabilidade relativa em função da concentração de gotas e do Número de Capilaridade. Estas implementações foram feitas no modelo black-oil programado no código aberto MRST do SINTEF. No presente trabalho foi feita a incorporação dos efeitos gravitacionais no modelo anterior para avaliação no aumento da eficiência de varrido vertical do método de injeção alternada água-emulsão-água (WAE - Water-Alternating-Emulsion). O processo WAE foi avaliado através de simulações em duas e três dimensões (2D/3D) utilizando um conjunto de camadas do segundo modelo comparativo do SPE10, modelo este que representa um reservatório altamente heterogêneo. Com simulações 2D e 3D foi possível realizar um estudo de sensibilidade do processo em relação ao momento da injeção de emulsão, o tamanho do banco, e as faixas de vazão e respectivos números de capilaridades de atuação da emulsão. Os resultados mostraram que com a injeção WAE obtém-se recuperação adicional de 5 a 7% no fator de recuperação em relação a injeção de água. O melhor resultado foi obtido para injeção de emulsão sendo iniciada no momento da irrupção de água no poço produtor e observou-se produção de óleo adicional a injeção de água mesmo quando o banco de emulsão é reduzido.
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Aluno(a) : Cristiana Duarte Rangel de Abreu
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/28/2016
Local:
Resumo:
O escoamento de bolhas de gás em fluidos não-newtonianos é muito importante em diversas aplicações, tais como biorreatores, processamento de alimentos e operações de perfuração e cimentação de poços de petróleo, contudo poucos estudos abordam este tema. No presente trabalho é analisado o escoamento ascendente de bolhas de gás em fluido viscoplástico, modelado aqui como fluido Herschel-Bulkley. Utilizou-se uma abordagem bidimensional, aproximada por placas paralela. O escoamento multifásico foi numericamente simulado fazendo uso do método de volumes finitos VOF (volume of fluid), o qual resolve as equações de conservação de massa e momento aclopado a uma equação para a fração volumétrica dos fluidos. A influência de fatores tais como tensão limite de escoamento, dimensão da bolha, número de bolhas e distância entre as bolhas escoando em um fluido viscoplástico foram investigadas. Os resultados indicaram que a tensão limite de escoamento tem grande impacto na velocidade de deslocamento da bolha. No caso de mais de uma bolha escoando foi também observado que o deslocamento de uma bolha altera a velocidade de ascenção das outras, fazendo com que elas se unam, e a medida em que a distância entre as bolhas aumenta a interferência é eliminada e as mesmas escoam como bolhas individuais. Além disso, foi verificado que, dependendo do tamanho da bolha escoando, a parede interfere na sua velocidade de ascenção. Por fim foi analisada a mudança no formato da bolha, podendo-se observar que em número de Reynolds menores a mesma apresenta um formato esférico e a medida em que este parâmetro aumenta, a bolha vai se deformando e adquire uma forma elipsoidal. Os resultados qualitativos do presente estudo numérico foram comparados com alguns trabalhos experimentais encontrados na literatura e corresponderam relativamente bem.
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Aluno(a) : Luiz Felippe Medeiros de Almeida
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Eurípedes do Amaral Vargas Jr
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/13/2016
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Resumo:
Este trabalho apresenta uma modelagem numérica termo-mecânica para investigação da influência da presença da rocha salina no acréscimo de pressão em anulares confinados (APB). O fenômeno de APB é resultado da expansão térmica do fluido de perfuração trapeado nos anulares do poço, induzida pelo aquecimento gerado pela produção de hidrocarbonetos em temperatura superior ao restante do poço. Os evaporitos são formações que possuem um comportamento mecânico viscoelástico, apresentando deformação contínua a partir de uma tensão constante, processo conhecido como fluência. Este comportamento do sal não é atualmente considerado pelos simuladores utilizados pela indústria do petróleo durante o projeto de poços, no que tange dimensionamento para esta carga de pressão proveniente do APB. O objetivo deste trabalho é alcançado pelo desenvolvimento uma metodologia de cálculo do fenômeno de APB frente a formações salinas, através de um modelo numérico construído no software ABAQUS, utilizando o método dos elementos finitos. Diversas simulações foram realizadas com configurações distintas de litologia, temperatura e fluidos de perfuração, para analisar a influência do comportamento viscoelástico da rocha salina no crescimento de pressão em anulares confinados. Após análise de resultados obtidos, se concluiu que a rocha salina pode agir como aliviador da pressão gerada pela expansão térmica do fluido de perfuração confinado nos anulares do poço. A tensão gerada pelo APB leva a deformações de fluência que aumentam o diâmetro do poço e consequentemente o volume anular, acomodando parte do acréscimo de pressão gerado.
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Aluno(a) : Sergio Gutierrez Escobar
Orientador(a): Arthur Braga e Sully Quintero
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/13/2016
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Eric Mauricio Gonzalez Fontalvo
Orientador(a): Angela Nieckele e João Neuenschwander
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/01/2016
Local:
Resumo: Uma análise numérica de escoamento anular vertical ascendente é realizada utilizando o Modelo de Dois Fluidos unidimensional. Para escoamentos verticais, na ausência de mecanismos estabilizadores, o sistema de equações resultante é incondicionalmente mal posto. Dessa forma, vvisando tornar o sistema de equações bem posto, adicionou-se às equações de quantidade de movimento um termo de pressão dinâmica. Dois modelos disponíveis na literatura são investigados. O primeiro só considera a pressão dinâmica na equação de quantidade de movimento do líquido, a qual é baseada em uma simples expressão para a velocidade da onda na interface. O segundo modelo inclui uma contribuição da pressão dinâmica em ambas equações de quantidade de movimento. No presente trabalho, um terceiro modelo é proposto, o qual é baseado no primeiro modelo, com uma avaliação mais realista da velocidade da onda na interface. O efeito estabilizante da pressão dinâmica é demonstrado através de um rigoroso teste de convergência de malha. As equações de conservação são discretizadas com o método de volumes finitos, com uma integração temporal de primeira ordem e uma discretização espacial TVD de segunda ordem. Tanto o segundo quanto o terceiro modelo considerados apresentaram solução independente da malha. Parâmetros do escoamento como gradiente de pressão, espessura do filme, e variáveis características da onda obtidos numericamente são comparados com dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando boa concordância.
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Aluno(a) : Felipe de Souza Terra
Orientador(a): Mônica Naccache e Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/25/2016
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Resumo: A técnica de Perfuração com Gerenciamento de Pressão está em crescente expansão no contexto das operações marítimas. Devido à complexidade dos reservatórios e das novas fronteiras de exploração e produção de Petróleo, a perfuração com Gerenciamento de Pressão se apresenta como uma forma de redução de custo e aumento da segurança operacional para um grande volume das reservas de óleo e em alguns casos a tecnologia é utilizada como viabilizadora, sendo a única forma de se perfurar os poços. Neste cenário, o entendimento do comportamento de migração de gás quando da aplicação da técnica de PMCD permite a elaboração de um projeto de poço mais econômico além de contribuir para o aumento da segurança operacional. O presente estudo tem por objetivo validar um modelo matemático capaz de simular comportamento de perda de fluido de perfuração para a formação com a ocorrência de influxo simultâneo e da migração de gás para a superfície durante a perfuração com esta técnica, com robustez. É utilizado o modelo bifásico “Drift-Flux” associado ao método numérico Advection Upstream Splitting Method (AUSMV) para simular o comportamento descrito anteriormente. Antes da apresentação de estudos de casos de simulação com migração de gás, os resultados de cenários mais simples são comparados com os resultados de um software comercial tido como referência na indústria para validação do programa. Através dos casos simulados é possível verificar a robustez do modelo matemático proposto, que se mostra capaz de fornecer respostas estáveis, precisas e confiáveis quanto ao comportamento do gás. A análise dos resultados obtidos permite estabelecer procedimentos para o monitoramento do que ocorre no poço de forma a otimizar as operações de bullhead no cenário de PMCD.
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Aluno(a) : Pedro José Tobar Espinoza
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/21/2016
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Resumo:
Uma abordagem experimental foi utilizada para o estudo da eficiência na varredura de fluidos visco-plásticos na célula de Hele-Shaw , que representa um meio poroso com porosidade constante. A análise baseia-se em um fluido com viscosidade menor empurrando um mais viscoso através de uma geometria fixa, onde manifesta-se a instabilidade de Saffman-Taylor, que desencadeia em uma interface instável com divisões sucessivas conhecida como viscous fingers. A formação da instabilidade é considerada uma condição indesejável, no caso da indústria petrolífera, torna-se de interesse na invasão da formação pelo fluido de perfuração e a pasta de cimento, no deslocamento de petróleo pesado em reservatórios, entre outros. Utilizando equipamentos que permitem assegurar uma vazão constante de injeção, testou-se três concentrações diferentes de solução aquosa de carbopol em duas configurações diferentes onde o líquido visco-plástico é o deslocador e vice-versa. Usando processamento digital de imagens, avaliou-se a forma da interface em função do desvio padrão, além da velocidade e da eficiência de varredura no deslocamento. Determinou-se parâmetros adimensionais em função da geometria da bancada e dos fatores dinâmicos e reológicos dos fluidos com o fim de obter pontos referenciais que permitam separar a zona das interfaces que tendem a 100 % ou plugs, e a zona onde os viscous fingers revelam-se. Observou-se que razão de viscosidades e o número de capilaridade modificada crítica são os indicadores que governam o deslocamento.
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Aluno(a) : Himer Alberto Mieles Pinto
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/25/2016
Local:
Resumo:
Atualmente na indústria do petróleo a simulação numérica é frequentemente usada para avaliar diferentes processos através de poderosas ferramentas de software que ajudam a evitar uma pesquisa experimental, que pode ser uma tarefa cara e às vezes impraticáveis. O objetivo deste estudo é apresentar uma investigação numérica para encontrar uma melhor eficiência no processo de cimentação em poços erodidos. Neste processo, um fluido desloca um outro fluido através de um tubo com secção transversal de área variável. Ambos os fluidos podem ter um comportamento não-newtoniano. A análise é feita pela solução numérica das equações governantes, utilizando o método de volumes finitos. Estudos anteriores mostraram que os processos de deslocamento através dos poços verticais são governados principalmente pela relação de viscosidades e densidades dos fluidos, pela excentricidade do espaço anular, e pelo número de Reynolds do escoamento. Além disso, outras variáveis tais como a rotação da parede e a geometria do poço podem influenciar a eficiência do deslocamento. Dessa forma, serão analisados o efeito de alguns destes parâmetros no escoamento ao longo do poço e na eficiência de remoção nos poços erodidos, a fim de ajudar na otimização dos processos de limpeza e de remoção.
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Aluno(a) : Leonardo Ramalho Machado
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/15/2016
Local:
Resumo:
Com o advento dos campos do Pré-sal brasileiro, a indústria nacional de óleo e gás se concentra cada vez mais em vencer os desafios impostos na explotação desses novos reservatórios. A construção de poços nesse cenário passa por uma série de dificuldades que tem sido sistematicamente vencidas ao longo do tempo, de forma que o tempo de contrução dos poços passa por intenso processo de redução. A estimativa é que o tempo atual de construção dos poços foi reduzido pela metade desde que foram perfurados os primeiros poços e o próximo desafio da Petrobras é possibilitar que haja redução de tempo drástica na mesma proporção até o ano de 2020. Isso será possível apenas se novas técnicas forem desenvolvidas, pois acredita-se que os poços estejam sendo construídos próximo do limite de otimização das técnicas existentes até o momento. Os revestimentos de superfície necessitam ser assentados no topo da formação de sal, o que demanda comprimentos da ordem de 1000 m ou mais. Infelizmente, por questões de volumetria operacional do bombeio de cimento e resistência à fratura das camadas de solo iniciais, não há retorno de cimentação na fase de superfície para o leito marinho. Esse fato leva ao aparecimento de comprimentos livres desses revestimentos com cerca de 500 m. Como o revestimento condutor é perfurado e cimentado, as resitências de fundação do poço são suficientes para suportar as cargas axiais oriundas da instalação dos revestimentos e equipamentos submarinos instalados no poço, uma vez que essas são descarregadas no sistema condutorsolo. O tempo de construção de poços pode ser reduzido sistematicamente em cerca de 2 dias caso se utilizem as técnicas de base-torpedo ou jateamento para assentamento do condutor. No entanto, a resistência do sistema condutor-solo é insuficiente para suportar as cargas axiais instaladas no poço. Isso significa que o revestimento de superfície passa também a suportar as cargas axiais do poço, o que pode levar o mesmo a flambar de forma helicoidal com consequente aumento nos níveis de tensão e deslocamentos indesejáveis. A formulação analítica disponível para o cálculo desses parâmetros deve ser posta à prova para que haja segurança nos projetos que levem em conta inícios de poços alternativos, que embora mais econômicos, devem ainda possuir elevada confiança na integridade estrutural. O presente trabalho se dedicou a desenvolver de forma clara um procedimento numérico robusto utilizando FEA em software comercial, o Abaqus, para avaliar os efeitos de elevadas cargas axiais sobre o trecho livre do revestimento de superfície e avaliar as consequências da sempre inevitável flambagem. O objetivo final é alcançado, uma vez que as análises numéricas e uma superposição de formulações analíticas de simples utilização demonstram uma boa aderência entre si. Além disso, é constatada uma nítida tendência linear entre o fator de atrito e o deslocamento do SCPS. Tal tendência pode ser explorada em trabalhos futuros para incorporação nas formulações analíticas deste parâmetro invariavelmente negligenciado no equacionamento das mesmas.
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Aluno(a) : Fernando Martins Campos Coelho
Orientador(a): Angela Nieckele e João Neuenschwander
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/15/2016
Local:
Resumo:
O Brasil possui uma já extensa malha offshore de gasodutos e, no desenvolvimento da produção do Pré-Sal, esta deve continuar se expandindo em razão das necessidades de aumento da capacidade de escoamento de gás e também da sua reinjeção nos próprios reservatórios (seja apenas como descarte ou como um método de recuperação avançado). Uma vez instalada, esta malha deve ser periodicamente passar por manutenção, o que implica em eventos esporádicos de esvaziamento destes dutos, normalmente operando a altas pressões. Devido ao custo elevado de tais operações, deve-se estimar com boa precisão o tempo total necessário para despressurização, que pode levar várias horas ou até dias. Além disso, também é importante a previsão do inventário de líquido remanescente nos dutos após a despressurização. No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo numérico para prever a despressurização de gasodutos considerando escoamento bifásico homogêneo e unidimensional. A formação e o consumo de condensado é obtida a partir de um inventário inicial de fluido supercrítico, com premissa de equilíbrio entre as fases. As propriedades termodinâmicas dos fluidos são determinadas utilizando-se pacotes comerciais e pré-tabuladas em função de pressão e temperatura. As equações de conservação foram discretizadas pelo método das diferenças finitas, utilizando o método de Euler implícito para o termo temporal e aproximação upwind nas derivadas espaciais. O sistema algébrico resultante foi resolvido diretamente de forma acoplada. Os resultados obtidos mostram boa concordância ao compará-los a dados reais de campo e resultados de simuladores comerciais de referência.
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Aluno(a) : Marcos José Babilonia Pérez
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Juliana Kuhlmann
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/15/2016
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Resumo:
As válvulas de alívio de pressão (PRVs, da sigla em inglês) são dispositivos fundamentais para a segurança de operações em dutos de transporte de fluidos, sendo encarregadas de garantir a integridade das instalações no caso de algum bloqueio súbito do escoamento. Dependendo da natureza e duração do evento de bloqueio, das características da válvula de alívio e do comprimento do duto, o comportamento dinâmico da PRV, i.e., seu tempo de resposta e o coeficiente de descarga em função da abertura, podem variar consideravelmente. Estas informações mais detalhadas sobre o comportamento transiente da válvula não são especificadas em normas e raramente são disponibilizadas pelos fabricantes. Uma caracterização detalhada do comportamento dinâmico da válvula de alívio é informação importante para a simulação computacional de transientes hidráulicos em dutos de líquido. Em particular, o comportamento dinâmico do coeficiente de descarga da válvula não é conhecido, sendo substituído por informações obtidas em condições de regime permanente. No presente trabalho foi realizado um estudo detalhado do comportamento dinâmico de um modelo de válvula de alívio com o objetivo de obter informações comparativas sobre o comportamento do coeficiente de descarga da válvula obtido sob condições de regime permanente e sob condições de transientes rápidos e lentos. Para isso, foi construído um modelo de PRV transparente permitindo a medição do escoamento instantâneo no interior da válvula utilizando a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas em duas dimensões (PIV). Transdutores de pressão e deslocamento forneceram informações instantâneas sobre a queda de pressão e posição de abertura da válvula. O modelo da válvula transparente foi instalado em um circuito fechado, onde água era bombeada através de uma tubulação longa, passando pela PRV e por uma válvula de bloqueio com tempo de fechamento controlado eletronicamente, podendo produzir bloqueios no escoamento com tempos na faixa de 4 ms a 3,5 s. Sistemas de controle foram especialmente desenvolvidos para sincronizar os eventos de bloqueio da válvula, disparo do laser do sistema PIV, aquisição de imagens e dados de pressão e deslocamento. Estes dados permitiram a determinação do valor instantâneo e de média de fase para o coeficiente de descarga da válvula de alívio de pressão.
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Aluno(a) : Thomás Yoiti Sasaki Hoshina
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/08/2016
Local:
Resumo:
A otimização topológica tem como objetivo encontrar a distribuição mais eficiente de material (ótima topologia) em uma determinada região, satisfazendo as restrições de projeto estabelecidas pelo usuário. A qualidade da representação dos novos contornos da estrutura depende do nível de discretização da malha: quanto maior a quantidade de elementos, mais bem definida será a topologia da estrutura otimizada. No entanto, a utilização de malhas super-refinadas implica em um elevado custo computacional, principalmente na etapa de solução numérica das equações de equilíbrio pelo método dos elementos finitos. Este trabalho propõe uma nova estratégia computacional para o refinamento adaptativo local de malhas utilizando elementos finitos poligonais em domínios bidimensionais arbitrários. A ideia consiste em realizar um refinamento da malha nas regiões de concentração de material, sobretudo nos contornos internos e externos, e um desrefinamento nas regiões de baixa concentração de material, como por exemplo, nos furos internos. Desta forma, é possível obter topologias ótimas, com alta resolução e relativamente baixo custo computacional. Exemplos representativos são apresentados para demonstrar a robustez e a eficiência da metodologia proposta por meio de comparações com resultados obtidos com malhas super-refinadas e mantidas constantes durante todo o processo de otimização topológica.
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Aluno(a) : Mauricio Félix de Souza Barçante
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/07/2016
Local:
Resumo:
Os hidratos de gás natural são compostos cristalinos semelhantes ao gelo, formados por uma combinação de água e gás, nos quais pequenas moléculas de gás são enclausuradas em cavidades compostas por ligações de hidrogênio de moléculas de água. As moléculas de gás (hóspedes) incluem hidrocarbonetos leves como metano, etano, propano, assim como hidrogênio e dióxido de carbono. A medida que a indústria de petróleo e gás natural vem se expandindo cada vez mais para águas mais profundas e geladas, a formação de hidratos em emulsões do tipo água em óleo (A/O) é altamente considerada. O problema associado a hidratos reside principalmente em seu elevado potencial para interromper o escoamento, o que eleva a custos proibitivos operações de perfuração e produção. No que diz respeito a esse cenário, a indústria de óleo e gás vem investindo em métodos para gerenciar o risco de formação de hidratos, de modo a prevenir um bloqueio total do escoamento. Uma das alternativas dessa estratégia, é estudar a relação entre a variação de propriedades reológicas e a formação do hidrato em um fluido modelo. Todavia, usualmente os hidratos de gás natural são formados sob baixa temperatura e alta pressão, condição esta que representa um obstáculo a este tipo de estudo. A solução para tal problema é utilizar moléculas hospedes que formem hidrato à pressão atmosférica, como por exemplo, o ciclopentano, que é liquido à temperatura ambiente. Desse modo, o presente trabalho visa analisar diferentes métodos de preparo para formação de emulsões do tipo A/O, bem como estudar a reologia de sistemas sem e com ciclopentano, os quais estes últimos foram submetidos a condições de formação de hidratos em testes oscilatórios.
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Aluno(a) : Thomás Machado Martinoia
Orientador(a): Angela Nieckele e Luis Pires
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/31/2016
Local:
Resumo:
O transporte de diferentes produtos através de um oleoduto (poliduto) é muito utilizado em todo o mundo, pois garante ao processo eficiência operacional e econômica. Porém, possui como efeito colateral a produção de uma mistura interfacial dos produtos, que pode levar à perda de qualidade destes devido à contaminação. Geralmente, o problema é formulado considerando escoamento com vazão constante no tempo enquanto a interface atravessa o comprimento do oleoduto. Apesar desta simplificação ser efetiva para muitos casos, transientes são muito comuns em operações reais de oleodutos. Este trabalho visa analisar a influência do comportamento transiente de polidutos no comprimento da região de mistura. Uma formulação difusiva é empregada, a qual depende do coeficiente de dispersão axial. Uma análise criteriosa é realizada das diversas correlações disponíveis para este coeficiente, mostrando ser fundamental considerar a dependência deste com o número de Reynolds e de Schmidt. O modelo matemático é discretizado pelo método de volumes finitos com aproximações de segunda ordem espacial e temporal. A metodologia foi validada para condições de escoamento com vazão constante, e aplicada a situações operacionais transiente, as quais foram comparadas com dados de campo de polidutos reais. O modelo fornece excelente previsão do comprimento da região de mistura em operações com vazão variável ou com paradas de curta duração. Incerteza maior é obtida no caso de paradas longas, somente se a interface se encontrar em regiões inclinadas.
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Aluno(a) : Thiago Pinheiro da Silva
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/17/2016
Local:
Resumo:
Hydraulics play an important role in many oil field operations including drilling, completion, fracturing, acidizing, workover and production. In Managed Pressure Drilling (MPD) applications, where pressure losses become critical to accurately estimate and control the well within the operational window, it is necessary to use the correct rheology for a precise mathematical modelling of fluid behavior. The standard API methods for drilling fluid hydraulics employ Herschel-Bulkley (H-B), Power Law (PL) or Bingham plastic as rheological models. This work summarizes the results of an extensive study on issues and relevant aspects related to the equipment and methods used to characterize the drilling fluids for MPD applications, as well as the operational implications that diverge from conventional practices. A comparison of fluid rheology characterization is made using high precision rheometers versus conventional FANN35 methods. Subsequently, a comparison of rheology model selection proposed by API 13B and by Non Linear Regression (NLR) is presented. Further investigation of shear rate ranges is presented in a MPD “typical” annular geometry. Results obtained via Computational Fluid Dynamics (CFD), and with the formulas suggested in API RP 13D are compared. To conclude, the effects of measurements, data treatment (Curve Fit), and environment (laboratory observations versus field experiences) in the accuracy of fluid rheology characterization and annulus pressure loss estimation are presented and discussed.
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Aluno(a) : Behbood Abedi
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/26/2016
Local:
Resumo:
Besides an increasing economic importance of producing wax-containing crude oil from ultra deep water resources, concerns about wax deposition and gelation play a significant role in this area. Gelled waxy crude oils often exhibit rheological behavior analogous to yield stress fluids. There is a critical or range of stresses, below which no flow occurs, but above which the viscosity of a gelled system decreases drastically. Thus, in order to restart flow of a gelled crude, a pressure larger than the typical operating pressure should be applied to exceed the yield stress of the fluid at wall, this required minimum pressure should be determined. In this study to explore the minimum pressure notion, yield stress fluids were investigated comprehensively. The investigation was initiated with simpler yield stress fluid and then advanced with thixotropic one using rheometer and designed experimental setup for fluid flow into tube. In both cases no slip condition was achieved, the behavior of yield stress fluids was screened in detail, the outcomes of fluid transport in tube and rheometric tests were combined and cross checked. Finally with putting all together, the required minimum pressure or in other words, the critical shear stress needed to startup the flow of yield stress fluids was discovered.
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Aluno(a) : Leandro de Souza Alencar
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/02/2016
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Resumo: A produção em campos de água ultraprofunda requer linhas de produção extensas no leito marinho onde a temperatura ambiente é baixa. O conhecimento do comportamento tixotrópico do fluido produzido, aliada à capacidade de simulação do problema de paradas de produção, pode permitir o dimensionamento econômico de bombas e linhas para quebrar o gel formado e reiniciar a produção. Diversos modelos que tentam explicar o comportamento tixotrópico de um fluido existem na literatura. Os modelos que utilizam um parâmetro escalar para representar a condição da estrutura do fluido são simples e possuem maior aplicação prática e, por isso, foram escolhidos. A equação de evolução para tixotropia envolve uma equação diferencial não linear que deve ser acoplada à resolução das demais equações de transporte necessárias. A utilização de uma ferramenta de simulação numérica onde seja possível acoplar todas essas equações permite ao engenheiro avaliar o problema para qualquer geometria e condição de contorno. Neste trabalho é apresentado o algoritmo desenvolvido para implementar a simulação tixotrópica no simulador comercial Fluent© para um fluido puramente viscoso e incompressível. Dois cenários de repartida foram avaliados em detalhes assim como o efeito da condição de contorno de entrada para a solução ao longo do tempo do sistema. Uma relação do tempo para reinício com a pressão aplicada é obtida para diferentes condições de tixotropia utilizando equações simples. A simulação para o reinício do escoamento apresentou comportamento esperado e qualitativamente semelhante aos resultados experimentais. Em conclusão, os resultados apresentados comprovam o potencial uso da simulação numérica com fluidos tixotrópicos especialmente para o problema de reinício permitindo o dimensionamento de um sistema de produção de maneira otimizada.
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Aluno(a) : Paulo Guilherme Oliveira de Oliveira
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 01/29/2016
Local:
Resumo:
Os desafios na construção de poços de petróleo vêm aumentando ao longo do tempo, seja pelo aumento das dificuldades técnicas devido à maior complexidade das áreas a serem desenvolvidas, sejam pelas melhorias nas regras dos órgãos reguladores visando aumentar a segurança. Existem dois pilares que devem nortear um projeto de um poço de petróleo: segurança e produtividade. O equipamento denominado dispositivo de segurança de sub-superfície e seu sistema de controle podem ser considerados importantes para os dois, pois caso o sistema falhe obtendo-se um fechamento prematuro do poço, afetará diretamente a produção. Por outro lado, caso a falha ocorra em uma tentativa de fechamento, poderá influenciar nas consequências de um desastre, o que afetaria tanto pessoas como o meio ambiente. O objetivo deste estudo e comparar a confiabilidade de alguns modelos de sistemas de controle do dispositivo de segurança de sub-superfície, levando em consideração as disposições dos equipamentos ao longo do sistema e suas respectivas taxas de falha. Além disso, a maioria dos estudos de confiabilidade realizados nesta área tem como foco principal a segurança, porém este estudo visa obter um foco de eficiência de produção, e as análises serão baseadas em comparações entre algumas configurações disponíveis do sistema, entre componentes em série e em paralelo, utilizando o modelo de análise de confiabilidade markoviano.
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Aluno(a) : Danillo Duran Camiza
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/09/2015
Local:
Resumo:
Todos os reservatórios de petróleo apresentam algum grau de fraturamento. Muitas vezes, a presença de fraturas afeta de forma significativa o fluxo dos fluidos nele contidos, seja por incrementarem a permeabilidade do meio, criando caminhos preferenciais de escoamento, seja por imporem algum tipo de barreira ao fluxo. Quando submetidos à injeção de água, reservatórios naturalmente fraturados podem apresentar graves problemas de produção prematura de água e baixíssimas eficiências de varrido. Os estudos realizados neste trabalho procuraram contribuir para o melhor entendimento dos processos de recuperação envolvidos na produção de reservatórios fraturados, bem como o impacto de cada um dos principais parâmetros que condicionam o fluxo no meio poroso fraturado. Foi realizada, ainda, uma análise de possíveis estratégias de drenagem para esse tipo de reservatório. Por fim, foram realizadas simulações para estudar possíveis ganhos da injeção de emulsão de óleo em água, como método de recuperação, em comparação com a injeção de água.
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Aluno(a) : Julia Frota Renha
Orientador(a): Márcio Carvalho e Ranena Verônica
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/05/2015
Local:
Resumo:
Com o objetivo de aumentar a capacidade dos poços petrolíferos, métodos convencionais de recuperação são utilizados, os quais consistem na injeção de água ou gás para a manutenção da pressão do reservatório. A produção do óleo ocorre através do deslocamento do mesmo no espaço poroso, onde a água, fluido deslocante, é injetada para ocupar gradualmente o espaço do óleo, fluido deslocado. Devido aos efeitos capilares e às heterogeneidades do meio poroso, uma parcela de óleo residual acaba ficando retida no reservatório, apresentando baixo fator de recuperação de óleo devido a elevada viscosidade do óleo em relação à viscosidade do fluido injetado e altas tensões interfaciais entre os fluidos. A adição de polímeros à água garante um aumento na sua viscosidade, melhorando a razão de mobilidade água/óleo no meio poroso. Uniformizando a frente de avanço e melhorando a eficiência de varrido devido à melhora no deslocamento do óleo. O presente trabalho analisa o comportamento viscoelástico do polímero, isolando o efeito viscoso e elástico em função das taxas de cisalhamento e extensão, implementado em um modelo de simulação de injeção de polímeros na escala de reservatórios. O efeito das propriedades reológicas da solução polimérica mostram nos resultados de produção uma frente de avanço mais estável e consequentemente uma melhora na taxa de recuperação de óleo quando avaliou-se o comportamento puramente cisalhante. Entretanto uma melhora na taxa de recuperação e na estabilidade da frente de avanço para o comportamento puramente extensional só pode ser observado quando o número de capilaridade foi aumentado consideravelmente.
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Aluno(a) : Rafael José Cavalieri Feital
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/30/2015
Local:
Resumo:
O tamponamento de poços de petróleo é analisado numericamente. Neste processo, um fluido mais denso (pasta de cimento) é colocado sobre outro menos denso (fluido de perfuração) em um poço vertical, resultando em uma situação de instabilidade. O escoamento resultante foi estudado de forma a avaliar se o isolamento do poço ocorreria até o momento da cura do cimento (entre 4 e 5 horas). O cimento foi modelado como fluido não-newtoniano e o fluido de perfuração foi considerado newtoniano em alguns casos e não-newtoniano nos demais casos. A solução do escoamento foi obtida numericamente, usando-se o programa ANSYS Fluent. As equações de conservação são resolvidas empregando-se o Método dos Volumes Finitos e o escoamento multifásico foi modelado utilizando-se o método Volume de Fluido. O comportamento viscoplástico não-newtoniano foi modelado empregando a equação constitutiva do fluido newtoniano generalizado, com a função de viscosidade Herschel-Bulkley. O sucesso da operação foi determinado pela combinação dos parâmetros reológicos e geométricos. O efeito dos parâmetros como a razão entre densidades e viscosidades foi investigado para uma geometria fixa (razão fixa entre o comprimento do tampão e o seu diâmetro). Além disso, a influência dessa mesma razão no processo também foi analisada enquanto outros parâmetros foram mantidos fixos. Foi demonstrado que o escoamento é muito instável e que os parâmetros estudados afetam consideravelmente a operação.
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Aluno(a) : Mariana Luisa de Lima Torquato
Orientador(a): Márcio Carvalho e Euripedes do Amaral
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/25/2015
Local:
Resumo:
A injeção de emulsão em meio poroso como método de recuperação avançada pode se tornar realidade na operação de campos de petróleo devido à maior rigidez no descarte de água produzida e aos potenciais ganhos na produção de óleo. Para entender o comportamento macroscópico desta técnica de EOR, é necessário compreender o fenômeno microscópico. Com este objetivo, fez-se a modelagem numérica do escoamento de uma gota imersa em fase contínua escoando em capilar restrito utilizando o método de Lattice-Boltzmann. Este método foi escolhido devido à sua facilidade de ser aplicado em geometrias complexas de rocha e fluido e ao bom compromisso na representação dos fenômenos de microescala. Para entender a influência de cada parâmetro, foram realizadas diversas simulações em domínio tridimensional, alterando a velocidade do fluxo, a razão de viscosidades dos fluidos, a relação entre os diâmetros da gota e do tubo e a magnitude da tensão interfacial. Observou-se que a passagem da gota pela restrição causa uma redução na mobilidade do escoamento, representada por um aumento na perda de carga, pela conjunção dos efeitos viscosos e capilares. Obteve-se correlação negativa do fator redutor de mobilidade EOR com a razão de viscosidade e com o tamanho da gota, assim como fora determinado numericamente por Roca-Reyes (2011) com o método level-set. Foi notada uma pequena sensibilidade de EOR ao número de capilaridade, assim como estabelecido experimentalmente por Robles-Castillo (2011). Verificou-se a importância de se determinar o conjunto adequado de parâmetros do sistema para ter sucesso na implantação de injeção de emulsões.
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Aluno(a) : Francyane Rozestolato Basile
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes e Luis Glauber
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/23/2015
Local:
Resumo:
A redução drástica no valor do barril de petróleo em decorrência do crescimento desacelerado das maiores economias do mundo e da queda no consumo está promovendo uma mudança no comportamento da Indústria de Petróleo, uma vez que a redução dos custos de produção associado ao aumento da produtividade é essencial para o setor. Além disso, os aspectos ambientais estão em evidencia devido ao aumento da temperatura global nos últimos anos. Sendo assim, o Método de Recuperação Avançado WAG (Water Alternating Gas) com injeção de dióxido de carbono (CO2) é capaz de aliar aumento de produção de óleo com redução da emissão de dióxido de carbono na atmosfera. Essa dissertação tem o objetivo de estudar o efeito do WAG-CO2 sobre o fator de recuperação e sequestro de dióxido de carbono em reservatório arenítico. Para isso, serão realizadas simulações numéricas de fluxo contínuo em modelos blackoil e composicional utilizando as ferramentas WinProp, Builder, IMEX e GEM, do pacote de simuladores da CMG (Computer Modelling Group). Sendo o IMEX usado para modelos black-oil e o GEM para composicional. O conhecimento das permeabilidades, fenômenos de histerese e tensão interfacial para a simulação numérica são fundamentais para definir o plano de desenvolvimento e as variáveis do processo, responsáveis pelo acréscimo do fator de recuperação e economicidade. Porém, o IMEX e o GEM não permitem que a tensão interfacial e histerese sejam estudos simultaneamente. O fator de recuperação das simulações considerando tensão interfacial foram, em média, 3% maiores que para os casos com histerese, e 0,6% superiores nas injeções iniciando com o gás. Além disso, o aumento no número de poços produtores e injetores melhorou o varrido do reservatório, porém, aspectos como pressão do reservatório, produção de gás e de água devem ser monitorados.
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Aluno(a) : Nicolle Miranda de Lima
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/16/2015
Local:
Resumo:
A injeção de água é o método de recuperação secundária mais utilizado na indústria do petróleo. No entanto, a alta razão de mobilidade entre a água e o óleo limita a quantidade de óleo deslocada. Uma alternativa para minimizar este problema é a aplicação de tecnologias que agem como agentes de controle da mobilidade. Soluções poliméricas podem ser utilizadas para aumentar a viscosidade da água e consequentemente reduzir a razão de mobilidade. Evidências experimentais têm mostrado que o comportamento elástico de soluções poliméricas pode além de diminuir a razão de mobilidade, contribuir para um melhor deslocamento de óleo em escala de poro, reduzindo a saturação de óleo residual. Esse comportamento em escala de poro ainda não está completamente entendido. Nesse trabalho, um micromodelo de vidro formado por uma rede bi-dimensional de canais foi utilizado como meio poroso. Esse dispositivo tem algumas características importantes de meios porosos e permite a visualização do fluxo em escala de poro. A evolução do deslocamento de óleo pela fase aquosa é acompanhada no microscópio e são obtidas imagens dos perfis de saturação. Três diferentes fases aquosas foram usadas: água deionizada, uma solução de poli(óxido de etileno) de alto peso molecular e uma mistura de água com glicerina com a mesma viscosidade do poli(óxido de etileno). A visualização do fluxo no micromodelo permite obter informações específicas sobre a presença de óleo preso por forças capilares e o movimento da interface óleo/água no interior da rede. Resultados mostraram que as forças viscoelásticas modificam a distribuição de fluidos no meio poroso, melhorando a eficiência de deslocamento em escala de poro e consequentemente a saturação de óleo residual.
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Aluno(a) : Camila Campos Marin Rocha
Orientador(a): José A. Parise e Wilson Grava
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/11/2015
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Resumo:
O presente trabalho apresenta uma análise termodinâmica dos processos de captura e reinjeção de CO2, que se tornaram indispensáveis à produção de óleo e gás nas instalações de petróleo offshore no Brasil desde o início do desenvolvimento dos campos do pré-sal. O petróleo dos reservatórios da camada pré-sal da Bacia de Santos apresenta uma particularidade importante, quando comparado com o petróleo dos campos pós-sal do Brasil. A composição do gás natural do pré-sal apresenta grande teor de CO2, podendo ultrapassar 15 por cento, enquanto que a composição típica do gás natural dos campos pós-sal apresenta teor de CO2 abaixo de 1 por cento. Isto exige que equipamentos e operações de processamento do petróleo sejam mais complexos, pois devem ser capazes de: (i) separar o CO2 do gás produzido, (ii) comprimir as correntes de CO2 e de gás natural com baixo teor de CO2 e enviá-las para seus diversos destinos (reinjeção, gas lift, exportação etc.). Consequentemente, com a introdução destes novos processos para captura e injeção do CO2, houve aumento da demanda energética nestas unidades. Este trabalho visa estudar os processos envolvidos na captura e reinjeção de CO2, uma vez que utilizam novas técnicas e tecnologias pouco divulgadas na literatura acadêmica. Busca, também, contribuir para o cálculo do consumo adicional energético nas plataformas de produção de petróleo offshore, tipo FPSO, devido à inclusão da captura e reinjeção de CO2. E, por último, apresenta uma breve análise do impacto ambiental que tais processos podem causar, considerando a emissão de poluentes atmosféricos, como CO2 e CH4, principalmente.
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Aluno(a) : Izabel Souto Ferreira da Silva
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/10/2015
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Resumo:
Escoamentos bifásicos no regime anular são caracterizados pela formação de um filme de líquido ao redor das paredes do duto com a fase gasosa escoando na área central do duto. O presente trabalho consiste na simulação numérica de um escoamento anular em tubulação horizontal, com e sem transferência de calor através de um código unidimensional baseado no Modelo de Dois Fluidos. São considerados dois pares de fluidos, sendo o primeiro ar-água, o qual é vastamente estudado na literatura e um fluido típico encontrado na produção de petróleo formado de gás natural e óleo. Parâmetros característicos do padrão de escoamento anular como gradiente de pressão, fator de atrito da interface e espessura do filme de líquido são determinados e comparados com dados experimentais e numéricos, apresentando boa concordância. O gás natural é modelado como gás real, através da aplicação da Equação de Estado de PengRobinson e comparado com a modelagem utilizando Equação de Gases Ideais. Para o fluido típico selecionado, este efeito é muito pequeno tanto com relação aos parâmetros hidrodinâmicos como velocidades das fases e queda de pressão como nos parâmetros térmicos como campo de temperatura, perda de calor para o ambiente e coeficiente bifásico de troca de calor.
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Aluno(a) : Maria Luisa Nerys de Moraes Carneiro
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/26/2015
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Resumo:
A disposição final de resíduos sólidos urbanos, em aterros ou lixões, é um problema das grandes cidades. A utilização do lixo urbano em processos de tratamento térmico com recuperação energética vem ao encontro da busca de fontes alternativas, preferencialmente as renováveis, para a geração de energia. Assim, usinas de incineração com reaproveitamento de energia vêm sendo apresentadas como uma solução tanto para o destino do lixo quanto para a diversificação da matriz energética. Além disso, a prática da incineração proporciona máxima redução da massa e volume e inertização do lixo, estando o aproveitamento energético de resíduos (Waste-to-Energy) dentre as alternativas mais coerentes para a gestão de resíduos sólidos municipais. No Brasil, práticas como esta ainda são incipientes, porém apresentam grande potencial de estudo para aplicações nos centros urbanos em um futuro próximo. O presente trabalho apresenta uma proposta de uma usina lixo-energia, aplicável ao município do Rio de Janeiro, baseada na planta de Zabalgarbi/Bilbao (Espanha), que funciona em ciclo combinado a gás natural e incinera resíduos, aproveitando seu conteúdo energético para produzir eletricidade. Uma análise energética e exergética é realizada juntamente com uma estimativa do custo de geração de eletricidade, influenciada por um indicador de ecoeficiência que leva em consideração as emissões atmosféricas. Como conclusão, mostra-se a capacidade do sistema proposto em destinar os resíduos sólidos urbanos e atender a demanda elétrica do município do Rio de Janeiro/Brasil a um custo competitivo.
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Aluno(a) : Dalila de Sousa Gomes
Orientador(a): Mônica Naccache e Wellington Campos
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/13/2015
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Resumo:
Sistemas de escoamento multifásico se formam ao longo de um poço de produção de petróleo. A análise do comportamento do escoamento através da coluna de produção é realizada com o apoio de ferramentas computacionais e é essencial para o projeto e operação de um sistema de produção de petróleo. Os simuladores comerciais disponíveis para esse tipo de análise exigem aquisição de licença, cujo custo é elevado, restringindo seu uso às grandes companhias petrolíferas e aos renomados institutos de pesquisa. Além disso, esses programas não permitem a visualização da metodologia utilizada para o tratamento do problema físico e para a solução numérica empregada, e nem a alteração de parâmetros internos, tornando seu uso restrito a certas classes de problemas. Apesar da grande demanda e utilidade desse tipo de software ainda há poucos trabalhos desenvolvidos nessa área. Esta pesquisa tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um simulador de escoamento multifásico simplificado e aberto, com aplicação na otimização da produção de óleo e gás. Dentre as aplicações do programa podemos citar a obtenção das curvas de gradiente de pressão e a otimização de gás-lift. Um estudo paramétrico foi conduzido, mostrando a influência de parâmetros como, por exemplo, o diâmetro da tubulação. Os resultados obtidos foram comparados com a literatura e são fisicamente coerentes. Sendo assim, o programa desenvolvido mostra-se promissor.
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Aluno(a) : Hernan Eduardo Eisenhardt Perez
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/06/2015
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Resumo:
Este trabalho apresenta o crescimento de pressão no anular causado pela fluência do sal e relaciona com o cálculo deste fenômeno quanto ao efeito térmico, que é normalmente conhecido por APB (annular pressure build-up). Este fenômeno não é modelado em softwares comerciais e deve ser considerado em poços de pré-sal. O cálculo de APB considera três mecanismos geradores de pressão no anular: expansão térmica do fluido do anular, expansão do tubing e influxo e efluxo do fluido confinado no anular. Mudanças no volume do anular, causados pela fluência do sal, podem ser tratadas como um quarto mecanismo, equivalente ao influxo de fluido no cálculo do APB. O cálculo deste fenômeno pode ser incorporado a um modelo de cálculo acoplado ( multistring casing design ) através da programação do APB causado pelo efeito de expansão térmica dos fluidos confinados e o APB causado pela fluência do sal. Para isso é necessário adotar um modelo constitutivo para descrever o comportamento de fluência desta rocha em função do estado de tensão, perfil de temperatura, tipo de sal, tempo decorrido, energia de ativação e outros fatores. Os efeitos de APB devido à fluência do sal podem ser mais pronunciados quando a sapata do revestimento é assentada em um intervalo de sal com elevado gradiente de sobrecarga e elevado gradiente geotérmico. Não considerar o efeito da fluência do sal no crescimento de pressão do anular (APB) pode causar um dimensionamento inadequado de revestimento ou packoff e levar a perda da integridade do poço.
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Aluno(a) : André Alonso Fernandes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/30/2015
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Resumo: Para acesso aos reservatórios portadores de hidrocarbonetos é necessária a perfuração de poços de petróleo. Entre as várias funções do fluido de perfuração podem se destacar o transporte do cascalho gerado pela broca, a função de primeira barreira para inibição de influxo das formações expostas no poço e a manutenção da pressão do poço dentre os limites de resistência das formações atravessadas (janela operacional). Alguns novos campos petrolíferos, bem como campos depletados sofrem restrições operacionais devido a pequenas janelas operacionais. A variação da pressão no poço aberto devido a perdas por atrito no anular, em alguns casos é maior do que a janela operacional, impedindo a perfuração do poço. Managed Pressure Drilling (MPD) é uma tecnologia alternativa à perfuração convencional. O anular do poço é vedado, possibilitando a retenção de pressão no anular. O ajuste da pressão no anular do poço possibilita compensar a variação da perda de atrito e perfurar poços com janelas operacionais estreitas. Para manutenção da pressão da zona objetivo dentro da janela operacional é necessário o controle adequado da pressão na superfície. A definição do valor de pressão necessário é obtida através do conhecimento do comportamento da dinâmica do fluido de perfuração no poço. Este trabalho desenvolveu um modelo de um sistema de poço de petróleo com MPD, levando em conta os efeitos estáticos e dinâmicos envolvidos na perfuração MPD. Sobre o modelo desenvolvido foram propostas e aplicadas diferentes técnicas de controle linear e não-linear para avaliação do desempenho dos controladores e identificação de pontos-chave na aplicação da técnica MPD. Os controles nãolineares propostos foram bem sucedidos em compensar os efeitos altamente nãolineares do sistema, melhorando sua resposta em tarefas típicas.
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Aluno(a) : Patricia Emidio de Azevedo
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/28/2015
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Resumo:
A perfuração de poços de petróleo, principalmente em ambientes offshore, é uma operação que demanda um custo muito elevado, portanto a minimização de problemas e danos ao reservatório produtor é muito importante. O projeto de um fluido de perfuração que garanta a mínima invasão na rocha reservatório é um tópico fundamental, como consequência a indústria petrolífera tem investido em estudos com o intuito de evitar que este problema ocorra. Sendo assim, nesse trabalho estudou-se o escoamento de fluidos em um meio poroso ideal, a célula de Hele-Shaw. Para realizar esse trabalho foram utilizados dois fluidos não newtonianos: uma solução aquosa de um polímero flexível, a poliacrilamida; e uma solução aquosa de um polímero rígido, a goma xantana. Esses fluidos não newtonianos representaram o fluido de perfuração, já o papel do petróleo presente na rocha reservatório foi desempenhado pelo óleo mineral. A partir desse experimento é possível observar a instabilidade de Saffman-Taylor ou viscous fingers, que é um fenômeno observado quando um fluido de menor viscosidade desloca outro de maior viscosidade. Esse fenômeno é muito importante em diversas aplicações, tais como: invasão de fluido de perfuração em meios porosos (caso que será estudado), recuperação secundária e terciária de petróleo, fraturamento hidráulico, processamento de polímeros, hidrologia e filtração. O experimento consiste em analisar a evolução da interface entre os dois fluidos através de uma câmera filmadora. A partir das imagens é determinada qualitativamente a eficiência do deslocamento. Com o conjunto de imagens é possível observar também em quais parâmetros dinâmicos e reológicos ocorre a transição fingers (interface instável) para plug (interface estável), e viceversa. Também foram realizados testes reológicos nos quais foi possível conhecer o comportamento dos fluidos não newtonianos utilizados. Com base nos dados coletados observou-se que tanto para a poliacrilamida quanto para a goma xantana a transição ocorre a uma taxa de cisalhamento adimensional próxima de 3.
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Aluno(a) : Rodrigo Pizarro Lavalle da Silva
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/08/2015
Local:
Resumo:
A produção de óleo e gás através de sistemas submarinos de produção vem sendo testada e realizada em diversos campos. As etapas iniciais do processamento primário, que eram realizadas nas Unidades Estacionárias de Produção (UEPs), vêm sendo deslocadas para o leito marinho, reduzindo os problemas de garantia de escoamento e aumentando a área disponível nas UEPs para processamento do óleo. Em primeiro lugar, o presente trabalho descreve os principais projetos de separação submarina já instalados e as motivações para suas aplicações. Adicionalmente, o presente trabalho apresenta os benefícios dos sistemas submarinos de separação água-óleo por meio dos resultados obtidos com um simulador de escoamento multifásico elaborado ao longo desta dissertação. Baseado no método de Beggs e Brill, este simulador foi desenvolvido na base computacional do Matlab e é capaz de avaliar a perda de carga no escoamento multifásico da produção em diversos arranjos submarinos. Por meio do simulador, foram feitas análises de sensibilidade para avaliar os efeitos das alterações nos principais parâmetros que influenciam o escoamento: razão água-óleo, razão gás-óleo, vazão de produção e grau API. Ao final do trabalho, são apresentados os cálculos das perdas de carga de dois arranjos submarinos hipotéticos que apresentam desafios relacionados à garantia de escoamento e a solução destes problemas com a instalação de sistemas submarinos de separação água-óleo.
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Aluno(a) : Eduardo Mauro Baptista Bolonhez
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/22/2015
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Resumo:
Neste trabalho, busca-se atender a demanda energética de grandes clientes através de um sistema híbrido de energias renováveis (HSRE, em inglês), com o mínimo custo e diminuindo as emissões de poluentes. O sistema é construído a partir do uso de células fotovoltaicas, células a combustível e chillers elétricos. Quatro tipos de célula a combustível são testadas e avaliadas quanto a viabilidade: PAFC (ácido fosfórico), SOFC (sólido óxido), MCFC (carbonato fundido) e PEMFC (membrana trocadora de prótons). Para o caso da última, geradores de hidrogênio são simulados para suprir a demanda. Os resultados são comparados com o caso base, de toda a demanda sendo atendida pela concessionária de energia elétrica local. Varia-se o custo de aquisição e instalação dos equipamentos, o custo de aquisição de gás natural e o custo da energia elétrica, além da variação da demanda e de simular o cliente em diferentes cidades. A demanda hipotética é calculada a partir de valores de iluminâncias segundo normas técnicas para cada sala de um laboratório em construção em Xerém, no Rio de Janeiro. A simulação indica como resultado a viabilidade econômica de abastecimento pelo sistema híbrido, com geradores do tipo PAFC, SOFC e MCFC. A alta demanda de hidrogênio, juntamente com o custo atual para geração do mesmo inviabiliza o retorno com uso de células PEMFC.
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Aluno(a) : Thomaz Sulocki de Carvalho
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/17/2015
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Resumo:
Esta dissertação apresenta uma análise e discussão da metodologia de cálculo de incerteza do resultado das calibrações de medidores lineares de vazão. A motivação do trabalho se inscreve em um contexto onde não existe uma uniformidade de cálculo de incerteza entre os laboratórios nacionais e internacionais, principalmente no que diz respeito ao número de medições necessárias para se obter resultados satisfatórios de incerteza dentro de uma faixa aceita para esta aplicação. Esta análise foi feita a partir de uma sistemática avaliação de calibração existente com um número grande de medições. Inicialmente, da análise de documentos e normas nacionais e internacionais sobre calibração e incerteza de medição, foi discutida a literatura existente sobre o tema, concluindo-se sobre a necessidade de um estudo mais aprofundado entre os diferentes procedimentos, todos eles usando como referência o ISO GUM. Como ponto de partida, foram estudados os procedimentos para o cálculo de incerteza de calibração dos medidores para cerca de 6 ou 7 valores de vazão com 3 repetições cada, conforme recomendação das principais normas. A seguir, foi utilizado o método dos mínimos quadrados ordinários para interpolação dos valores e de incertezas. Os resultados de cerca de 30 certificados de calibração de laboratórios nacionais e internacionais, em sua maioria acreditados pela rede de calibração dos respectivos países, foram utilizados para comparação entre os diferentes procedimentos. Como resultado, foi proposta uma modelagem que melhor representa o desempenho do medidor, permitindo que o usuário analise criticamente os valores informados pelos certificados.
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Aluno(a) : Denise Diniz Souto Lima
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/08/2015
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Resumo: The main concern regarding to the restart operations for production wells in oil and gas systems is the forecast of minimum pressure needed to overcome the gel strength, i.e. the pressure which generates a wall stress higher than the yield stress of the gelled oil. The petroleum accumulations around the world have raised big issues regarding flow assurance aspects, especially in some ultra-deep water scenarios. In these cases, when the oil presents unusual high values for the Wax Appearance Temperature (WAT) and even for the yield stress, the flow restart procedure can be an issue, after shutdown times of the oil production. Usually, the thixotropic models applied for start-up flow are defined by a Bingham-like stress equation whose yield stress depends on a structure parameter (lambda), following Houska assumptions. This parameter is a non-negative scalar number that represents the structuring level of the material inside the pipeline. The structure parameter is governed by an evolution equation that considers a build-up term and a breakdown term. The main objective of this work is to evaluate the relationship between the parameters of the constitutive equations for Houska and SMT models (dimensionless coefficients of the evolution equations for the structure parameter) and the representativeness of the simulation results obtained by these models, regarding times for the production stabilization after a restart, delay times and yield stresses, when compared to experimental data.
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Aluno(a) : Paulo Alberto da Costa Mattos
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/16/2015
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Resumo:
Os custos de uma campanha exploratória, incluindo a perfuração de poços de petróleo estão cada vez mais elevados. As vibrações nas colunas de perfuração estão presentes a todo momento nas operações de perfuração, o que podem ocasionar a quebra destas colunas e d o BHA (Bottom Hole Assembly), danos em brocas e demais equipamentos. Além do custo do possível dano e/ou perda destes equipamentos, existem os custos da sonda parada e a d espesas operacionais das companhias contratadas, o chamado custo de “Stand by”, e o mais indesejável, a perda do poço. Fenômenos como Bit Bounce, Stick-Slip e Forward/Backward Whril, que advém das vibrações “axiais, torcionais e laterais” respectivamente, são motivos de vários estudos. Esta dissertação pretende fazer a validação do modelo matemático de dinâmica torcional utilizado na dissertação de mestrado de CAYRES (2013) para gerar mapas de estabilidade para vibrações torcionais. Nesta dissertação parâmetros reais de uma coluna de perfuração foram inseridos no m odelo com objetivo de obter mapas de estabilidade de vibrações torcionais para a perfuração de um poço na Bacia de Solimões. Tais mapas de estabilidade foram gerados a partir deste modelo matemático, que na tese de CAYRES (2013), é baseado em procedimento experimental, com um atrito não linear induzindo o fenômeno stick-slip que está associado às vibrações torcionais. Este fenômeno tem relação entre torque e velocidade angular na broca provocando vibrações indesejáveis na coluna de perfuração. A geração destes mapas permitiu que a análise de sensibilidade e a averiguação da ocorrência ou não de vibrações torcionais fossem feitas, bem como a inserção de valores de WOB (peso sobre a broca) e RPM (velocidade de rotação) de um caso real de perfuração de um poço na Bacia do Solimões. Nesta análise de sensibilidade foram considerados, além dos aspectos acima citados, o tipo de broca e formação geológica, permitindo assim a validação do modelo de CAYRES (2013) e contribuindo para a otimização dos processos operacionais da perfuração de poços de petróleo.
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Aluno(a) : Alberto Sant´ Anna Stender
Orientador(a): Mônica Naccache e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/27/2015
Local:
Resumo: Hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, formados pela associação de moléculas de água a certos hidrocarbonetos leves, sob condições adequadas de pressão e temperatura. No cenário de produção de petróleo offshore, sua ocorrência é motivo de preocupação constante para a indústria de petróleo, pois podem resultar em bloqueios das linhas submarinas e interrupção completa do fluxo. Os custos de prevenção, no entanto, têm se tornado proibitivos, forçando uma mudança conceitual em projetos e privilegiando métodos de gerenciamento desse risco. Dentro dessa estratégia, uma vertente promissora é a avaliação das propriedades reológicas de suspensões de hidrato: seu conhecimento pleno pode determinar as condições em que a formação de hidratos no sistema submarino não vai resultar em bloqueio, constituindo-se em ferramenta valiosa na análise de risco de diversas atividades. O presente trabalho se insere nesse esforço, empregando uma emulsão combinada a ciclopentano (agente formador de hidratos à pressão atmosférica) e examinando diferentes metodologias. Para cumprir esse objetivo, estudou-se o comportamento reológico de emulsões água em óleo, com e sem ciclopentano, sob condições de formação de hidratos, submetidas a ensaios rotacionais e oscilatórios. A resposta do sistema a variações em parâmetros térmicos (temperatura mínima e taxa de resfriamento) e hidrodinâmicos (cisalhamento) também foi brevemente investigada.
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Aluno(a) : Leonardo Chagas Carbone
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 01/27/2015
Local:
Resumo:
A produção de petróleo offshore tem requerido cada vez mais a utilização de equipamentos de bombeio no leito marinho para a produção de poços a longas distâncias das unidades de produção. A grande maioria destes equipamentos tem dificuldade de operar com a presença de gás, ainda mais em condições de golfadas, onde a fração de vazio na sucção pode variar significativamente. Isto limita enormemente a janela operacional dos equipamentos. Uma forma de minimizar os efeitos das golfadas e, assim, ampliar a janela de operação destes equipamentos é a instalação de misturadores de fluxo na sucção das bombas, que atuam de forma a garantir uma maior sobrevida ao equipamento. Portanto, o projeto e a previsão do comportamento deste tipo de equipamento são fundamentais para bom funcionamento dos sistemas de bombeamento submarino. O presente trabalho investiga numericamente, com o modelo de dois fluidos, a eficiência de um tipo de misturador em uniformizar as frações de vazio. Diferentes configurações geométricas são analisadas e a influência das vazões de admissão de ambas as fases é discutida. A metodologia é validada através da comparação da queda de pressão através do misturador com dados experimentais disponíveis, onde se observou boa concordância. O modelo numérico mostra ainda que uma reserva de líquido é mantida no interior do equipamento e, o gás é forçado a se dispersar na corrente de líquido para sair do misturador. O comportamento do misturador frente à presença de golfadas também é investigado. Ao final do trabalho é proposta uma nova geometria, que se mostra mais tolerante a intermitências no escoamento.
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Aluno(a) : Pedro Marcondes Montaleone
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/05/2014
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Resumo: Esta dissertação analisa aspectos da utilização da energia solar para aquecimento de água. Dois são os aspectos abordados: O primeiro é quanto à utilização de valores médios mensais ou diários de temperatura e insolação utilizados por diversos métodos de dimensionamento ou simulação de sistemas de aquecimento solar, e o segundo é a utilização de múltiplos tanques de armazenamento de água quente ao invés de um único reservatório de maior volume. Assim, este estudo tem como objetivo formular, simular e analisar diferentes cenários de configurações de sistemas de aquecimento solar de água, variando-se o número de reservatórios térmicos para um mesmo volume total do sistema. Tem-se por finalidade atender um mesmo padrão de consumo de água quente, condicionado a um mesmo perfil climático, visando otimizar a contribuição da energia solar ao sistema e consequentemente minimizar o consumo de energia auxiliar elétrica.
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Aluno(a) : Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/28/2014
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Resumo: O potencial da energia solar para a geração de energia elétrica no mundo é sem dúvida o maior dos potenciais das fontes energéticas renováveis, com uma capacidade de produção de eletricidade estimada em 745,8 TWh por ano. Embora não seja responsável por uma parte significativa da matriz elétrica mundial, o crescimento do setor fotovoltaico no mundo é notável. A capacidade instalada mundial de centrais fotovoltaicas cresceu 39 por cento no ano 2013. Os mapas mundiais de radiação solar mostram que aqueles que mais investem em energia solar fotovoltaica não são necessariamente aqueles cujo território recebe a maior quantidade deste recurso. O Brasil, com um grande potencial solar, confirmado por diversos levantamentos, não é um dos principais produtores de eletricidade a partir de sistemas fotovoltaicos. Este setor no Brasil é ainda incipiente, porém, uma das estratégias do país para promover a implementação de sistemas fotovoltaicos é um mecanismo de net metering para mini e micro produtores. Diversos especialistas afirmam que esta estratégia poderia gerar um grande volume de empreendimentos em pequena e média escala nos próximos anos. Este trabalho fornece uma ferramenta de informação sobre a radiação solar no estado do Rio de Janeiro, conformada por mapas de radiação solar global e dados de anos meteorológicos típicos. Com base nos dados gerados, realizaram-se simulações para estimar a radiação solar incidente e a eletricidade produzida por painéis fotovoltaicos em diferentes configurações fixas e com rastreamento. Avaliaram-se os ganhos e perdas ocasionados por cada configuração em relação a configuração horizontal.
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Aluno(a) : Mildre Karina Silva Salas
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/20/2014
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Resumo: As interações óleo/água/rocha podem ter grande influência no deslocamento do óleo em um reservatório. As forças capilares, responsáveis em parte pela retenção de óleo, são um dos parâmetros que podem ser alterados buscando a optimização do processo. Durante um processo de injeção de água, as altas tensões interfaciais água-óleo diminuem a capacidade de escoamento do óleo e deixam altas saturações deste em forma de glóbulos imóveis e desconectados, nas regiões já contatadas pelo fluido injetado. Com a injeção de surfactante, a tensão interfacial diminui e consequentemente as forças necessárias para mobilizar glóbulos de óleo. No entanto, a interação da salinidade com a solução de surfactante pode trazer importantes efeitos no escoamento bifásico dentro do meio poroso. O objetivo deste trabalho é estudar o efeito da salinidade da água e concentração de surfactante em um processo de deslocamento de óleo. Neste estudo, foram realizados testes de deslocamento em amostras de arenito de Bentheimer de alta permeabilidade, para soluções salinas com e sem surfactante não iónico Álcool Laurílico Etoxilado- 8EO (L80), submetidos a uma temperatura de 40 °C. As saturações residuais bem como as permeabilidades efetivas das fases ao final do processo de embebição e drenagem foram medidas para as diferentes soluções aquosas. Os resultados obtidos mostram a variação na eficiência do processo de deslocamento, influenciada principalmente pelo comportamento de fases, a tensão interfacial, concentração de eletrólitos em solução (salinidade), e a formação de emulsão durante o escoamento bifásico no meio poroso.
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Aluno(a) : Rafael Augusto do Couto Albuquerque
Orientador(a): Arthur Braga e Sergio Fontoura
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/30/2014
Local:
Resumo: A exploração crescente de campos de petróleo desaadores é acompanhada por uma também crescente preocupação pública e de companhias petrolíferas em relação a questões ambientais e de segurança. Estudos dos principais acidentes recentes relacionados a exploração de hidrocarbonetos indicam que análises geomecânicas aprofundadas podem ser a chave para prevenir tais ocorrências. Efeitos geomecânicos podem ser muito relevantes durante análises de reservatórios. Há diversas possibilidades para considerar esses efeitos, mas a análise acoplada iterativa tem mostrado ser uma das melhores soluções, pois apresenta resultados precisos em um período de tempo computacional viável. O grupo de pesquisa PUC-Rio/GTEP tem desenvolvido um programa de acoplamento que gerencia o simulador de uxo (IMEX ou Eclipse) e o programa de elementos nitos (Abaqus ou uma solução em GPU mais rápida chamada Chronos), de uma forma interativa. O referido programa fornece uma solução abrangente para geomecânica de reservatórios. No entanto, a geração de malha, a preparação de dados e a avaliações de resultados são barreiras para a sua aplicação na rotina de trabalho da indústria. Esta dissertação apresenta a elaboração de um uxo de trabalho desenvolvido em um modelador geológico para aplicar a simulação acoplada de uxo-tensão para reservatórios reais de hidrocarbonetos. Este uxo de trabalho permite de forma simples e direta a geração de malha de elementos nitos, a denição de parâmetros mecânicos, supervisão da execução da solução acoplada e, por m, a avaliação dos resultados de uxo e tensão em um mesmo ambiente de visualização.
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Aluno(a) : Hugo Gomes da Silva
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/25/2014
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Resumo: Esta dissertação faz parte de um projeto mais abrangente que visa caracterizar os parâmetros ideais para perfuração e corte a laser em rochas, metais e cimentos tipicamente utilizados na indústria do petróleo. Este trabalho teve por objetivo de caracterizar cortes a laser em placas de aço. Procurou-se correlacionar a morfologia do corte e a formação de rebarbas com parâmetros operacionais, tais como densidade de potência e posição do ponto focal. O estudo foi desenvolvido para o aço SAE 1020 com e sem anteparo rochoso (Travertino). Foram avaliadas também as mudanças na microestrutura de regiões adjacentes do aço duplex 2205 para diferentes faixas de densidade de potência. Finalmente, avaliou-se também o uso do laser no corte do aço inox submerso em água. Conclui-se que existe uma formação de rebarba, que aumenta conforme a densidade de potência diminui. Por outro lado, quanto maior a densidade de potência, maior é a extensão da mudança na microestrutura do aço. O corte de aço com anteparo rochoso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de uma ferramenta baseada em laser de alta potência para completação de poços na indústria do petróleo.
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Aluno(a) : Luiz Felipe Orlando Gama
Orientador(a): Arthur Braga e Giancarlos Vilela
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/25/2014
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Resumo: As atividades de perfuração e completação de poços de petróleo são as que mais demandam tempo e dinheiro entre os mais variados processos que compõem os sistemas de exploração e produção de óleo e gás. Por isso, qualquer avanço nessa área poderia representar valores bastante expressivos em uma indústria de bilhões e com investimentos cada vez maiores. Partindo desse princípio, há uma linha de pesquisa, iniciada em 1997 pelo Gas Technology Institute, que estuda a aplicação de lasers de alta potência nos processos de construção de poços. Desde então, vários experimentos que destacaram as potenciais vantagens do laser em relação aos sistemas convencionais foram realizados. Tomando como base essa premissa, o objetivo desta dissertação é aprofundar os estudos acerca da interação entre laser e rocha. Existe um interesse especial deste trabalho relacionado ao pré-sal brasileiro, por isso a maioria dos experimentos foi feita com a utilização de rochas carbonáticas. Assim, foram realizadas análises de eficiência por meio dos conceitos de energia específica. Além disso, abordou-se a perfuração também de forma dinâmica, baseado em estudos de energia específica de corte. Essa consideração foi feita com o intuito de se alcançar maiores diâmetros comparados às pequenas dimensões geradas pelo feixe do laser em processos estáticos. A ideia é fornecer maiores informações resultantes desses processos e contribuir para que seja estudada a viabilidade no desenvolvimento de futuras ferramentas a laser.
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Aluno(a) : Carla Nunes de Oliveira Nicoleit
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/19/2014
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Resumo:
As emulsões se formam naturalmente nos reservatórios e durante a exploração do petróleo. A presença de agentes tensoativos, principalmente nos óleos pesados, ajuda na sua estabilização. A alta viscosidade dos óleos pesados gera uma maior dificuldade da sua exploração, e por isso o conhecimento da emulsão formada com esse óleo reduz seu custo de produção. O tipo de emulsão formada, o tamanho de gota e sua distribuição afetam o comportamento reológico da emulsão. Neste trabalho, emulsões foram criadas a partir de um óleo sintético newtoniano de viscosidade próxima à de um óleo pesado. A água utilizada na formação das emulsões era deionizada e com diferentes surfactantes. As características reológicas das emulsões foram medidas. Em sua maioria as caracterizações reológicas foram feitas a 10 graus Celcius, através de testes oscilatórios de pequena amplitude, testes de escoamento permanente, e testes de fluência. Todas as emulsões eram de água em óleo, formadas com 80 por cento de óleo. O tamanho das gotas de água era da ordem de 10 microns. As emulsões apresentaram comportamento elástico-dominante no regime viscoelástico linear. Os resultados dos testes de regime permanente mostraram que a viscosidade das emulsões é bem descrita pelo modelo de Herschel-Bulkley. Foram feitos testes de regime permanente também a 4 graus Celcius, para investigar a influência da temperatura na viscosidade, mas nenhuma mudança significativa foi observada. Finalmente, testes de fluência foram feitos com o objetivo de determinar a tensão limite de escoamento das emulsões.
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Aluno(a) : Paulo Henrique de Lima Silva
Orientador(a): Mônica Naccache e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/17/2014
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Resumo:
Os hidratos de gás natural são sólidos cristalinos, semelhantes ao gelo, formados pela associação de moléculas de água e de gás numa determinada estrutura organizada. Sua ocorrência é uma preocupação inegável para a Indústria de Petróleo e Gás, dado o risco potencial de garantia de escoamento, podendo ocasionar paradas não programadas em operações como a perfuração e produção. Portanto, grandes investimentos são feitos a fim de prevenir a formação de hidratos. No entanto, os cenários cada vez mais desafiadores de produção de petróleo estão incentivando a busca de metodologias de avaliação de risco, procurando identificar as condições para a formação de hidratos, mas com pouca possibilidade de entupimento. Neste contexto, o entendimento de reologia de hidratos é um elemento chave, pois permite detectar a formação do hidrato a partir de variações das propriedades reológicas. Entretanto, uma dificuldade desta abordagem ocorre devido à condição necessária para a formação de hidrato, a combinação de alta pressão e baixa temperatura. Este trabalho se insere neste contexto: para avaliar o processo de formação de hidrato em condições mais favoráveis utiliza-se em geral um fluido modelo que forma hidratos à pressão atmosférica. Este trabalho visa analisar os efeitos dos cortes de água e de tensoativos na viscosidade, nos módulos de armazenagem e dissipação de um fluido modelo, uma emulsão de água-em-óleo. A formação de hidrato ocorre com a adição de ciclopentano a este modelo de emulsão.
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Aluno(a) : Fabio Paula Brum
Orientador(a): Angela Nieckele e Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/11/2014
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Resumo:
Óleos brutos altamente parafínicos podem causar problemas operacionais significativos, tais como bloqueio de um oleoduto devido à precipitação e deposição de componentes de parafina durante a produção e transporte de petróleo bruto. O custo de gerenciamento da parafina é enorme e aumenta significativamente com o aumento da produção de petróleo em áreas marítimas profundas. Mas estes custos podem ser significativamente reduzidos se a deposição de parafina em dutos puder ser prevista com precisão. Nesta pesquisa, o fenômeno de deposição foi analisado numericamente. O modelo de deslizamento foi utilizado para prever o fluxo multifásico e a deposição de parafina foi determinada a partir de um modelo de convecção. Este modelo previu com precisão as taxas de deposição de escala de laboratório em regime de fluxo laminar e turbulento. A taxa de deposição de parafina apresentou uma boa concordância com os resultados do software comercial OLGA. A comparação com a produção de petróleo de um poço real foi modelado, e bons resultados foram obtidos no impacto da queda de pressão devido à redução da área seção transversal causada pela deposição de parafina progressiva na parede do tubo. Os resultados deste trabalho mostraram uma boa consistência física e um acordo razoável com os dados experimentais e de campo comparados.
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Aluno(a) : Tálita Coffler Botti
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/05/2014
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Resumo:
Após a década de 80 tornou-se frequente a utilização de poços direcionais, tanto poços horizontais quanto os de longo alcance, nas operações de desenvolvimentos de campos petrolíferos, os quais permitiram grande avanço na exploração. Este cenário, porém, traz grandes desafios para operações de perfuração relacionadas à limpeza de poços. A limpeza de poços consiste na remoção dos cascalhos de dentro do anular do poço através da circulação do fluido de perfuração. Devido à inclinação do poço, os cascalhos sofrem a ação da gravidade sendo empurrados para o fundo do canal, já que possuem densidade maior que a da fase líquida, assim, transportados a uma velocidade menor que a velocidade do escoamento. Ao se depositarem no fundo do canal, formam um leito estacionário, obstruindo parte do anular e diminuindo a vazão, o que gera problemas, como por exemplo, redução da taxa de penetração, desgaste prematuro da broca, elevação do torque e arraste, aprisionamento da coluna, perda de circulação, dentre outros, podendo gerar a perda do poço. Desta forma, o perfeito entendimento do processo de sedimentação e transporte de partículas sólidas suspensas em fluido é fundamental para a otimização do processo de perfuração de poços. Este trabalho analisa o escoamento laminar bidimensional de suspensões de partículas sólidas devido a um gradiente de pressão entre duas placas paralelas, representando uma descrição simplificada do escoamento que ocorre em um anular de poço durante o processo de perfuração. O perfil do leito de partículas ao longo do canal e a relação vazão-diferença de pressão para diferentes condições de escoamento são determinados pela solução numérica das equações que descrevem o problema. A formulação matemática leva a um sistema acoplado de três equações diferenciais: conservação de massa e de quantidade de movimento e a equação de transporte, que engloba os efeitos de difusão de partículas devido à frequência de interação entre as partículas, ao gradiente de viscosidade e à diferença de densidade entre o líquido e as partículas. O sistema é resolvido pela técnica de Elementos Finitos, através do método de Galerkin. Os resultados obtidos serão de extrema importância no desenvolvimento de modelos mais precisos que descrevam o processo de transporte de sólidos em anulares de poços.
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Aluno(a) : Elisa Lage Modesto Alcofra
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/01/2014
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Resumo:
O projeto de dimensionamento dos revestimentos na indústria de óleo e gás deve garantir a integridade do poço ao longo de todo o seu ciclo de vida, que pode ser de várias décadas. Um carregamento importante a ser considerado surge em consequência da produção, que movimenta os fluidos desde o reservatório até a superfície, aquecendo as partes mais rasas do poço. Este processo de aquecimento expande os fluidos de perfuração e completação que foram confinados nos anulares durante o processo de construção do poço. Esta mudança de volume do fluido é contida pela rigidez dos elementos que o mantém confinado e essa resistência à livre expansão do fluido provoca um aumento de pressão. Em alguns casos, a pressão pode tornar-se tão grande que pode levar o revestimentoa colapsar, levando ao abandono de poços e a grandes perdas. Este fenômeno de aumento da pressão é conhecido na indústria do petróleo como anular pressure build-up (APB). O presente trabalho apresenta um modelo térmico para determinar o perfil de temperatura e pressão do fluido monofásico escoando em regime permanente na coluna de produção e a distribuição de temperatura ao longo de todos os elementos do poço. Como os revestimentos não são perfeitamente rígidos, um aumento de temperatura e pressão no poço acarreta na variação do volume do anular, os quais são avaliados de forma acoplada, pois a variação de volume de um anular influencia no outro, assim como os deslocamentos dos revestimentos. O estudo compara os resultados obtidos com um aplicativo comercial, apresentando boa concordância. Além disso, uma análise de sensibilidade é realizada para fornecer uma melhor compreensão do fenômeno.
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Aluno(a) : Fabian Martin V. Campana
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/27/2014
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Resumo:
Apresenta-se nesta dissertação um estudo dos principais mecanismos do modelo de fluxo subterrâneo e do modelo de transporte de poluentes em aqüíferos. Os processos associados ao transporte de poluentes são estudados em detalhe: difusão, dispersão e retenção de contaminantes na matriz porosa do aqüífero. Seguidamente é desenvolvido, com o apoio do software Visual MODFLOW v.2011.1, duas simulações numéricas com dados sintéticos do transporte e remediação de um poluente na zona saturada de um aqüífero composto por três camadas. O objetivo primeiro da simulação computacional do modelo de fluxo subterrâneo e do modelo de transporte de poluentes é avaliar os modelos teóricos estudados e fornecer uma guia metodológica da simulação computacional da dinâmica de aguas subterrâneas e da evolução das plumas poluentes sometidas a condiciones externas; como por exemplo: poços de bombeamento, poços de injeção, infiltrações, etc. Os dados empregados na simulação representam um aqüífero sintético composto por três camadas com uma falha geológica no meio do sistema, o que permite conectar hidraulicamente a camada superficial, representada por um aqüífero freático, com a camada representada por um aqüífero confinado. O segundo objetivo é simular numericamente o processo de remediação de aquíferos poluídos, com a finalidade de estabelecer a efetividade do método. Particularmente foi escolhido o método de remediação Pump-and-Treat, um dos sistemas de tratamento de aqüíferos mais utilizados para este fim, que consiste no bombeamento para a superfície das aguas subterrâneas poluídas para posterior tratamento externo de remoção de contaminantes.
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Aluno(a) : Kelly Margarita Colmenares Vargas
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/12/2014
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Resumo:
O processo de recuperação de óleo pelo deslocamento com água é o método mais utilizado na indústria de petróleo. No entanto, as altas razões de mobilidade e baixas eficiências de varrido tornam o processo menos eficiente. Uma alternativa usada para minimizar este efeito é a aplicação de tecnologias que atuam como agentes de controle de mobilidade. Dentre eles, e em particular a injeção de emulsões de óleo em água tem sido estudada com relativo sucesso como um método de recuperação avançada de óleo. Alguns estudos indicam melhor varredura do reservatório devido a uma redução da mobilidade da água em regiões do reservatório já varridas por água, mediante a aglomeração e bloqueio parcial dos poros mais permeáveis com gotas da fase dispersa da emulsão. Contudo, ainda não há compreensão plena dos mecanismos associados ao escoamento de emulsões em meios porosos, assim, uma análise e visualização na escala microscópica dos fenômenos envolvidos se faz essencial para a melhora do entendimento do escoamento de emulsões em um reservatório. Neste trabalho, experimentos de escoamento de emulsões foram conduzidos em um micromodelo de vidro, estrutura artificial que busca representar alguns aspectos principais de um meio poroso e proporciona uma adequada visualização do comportamento das faces ao longo do escoamento. Nos experimentos foram realizadas alterações na molhabilidade e variou-se a vazão volumétrica a fim de avaliar diferentes números de capilaridade no meio poroso. Dentro dos resultados mais significativos, foi evidenciado como a fase dispersa da emulsão é capaz de bloquear os poros e gargantas de poro alterando a distribuição dos fluidos no meio poroso, melhorando a eficiência de deslocamento na escala de poro e com isso o fator de recuperação final. Os resultados mostram que, a altos números de capilaridade as forças interfaciais são menos importantes ao reduzir o efeito de bloqueio pelas gotas da fase dispersa nos poros do micromodelo. Estes resultados fornecem um grande aprendizado ao permitir conhecer características do escoamento de emulsões no meio poroso para uma futura aplicação no campo.
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Aluno(a) : Johann Humberto Penuela Munoz
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/05/2014
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Resumo:
A high-speed camera has been used to visualize the drop breakup process at turbulent conditions in a rotor - stator mixer and through an orifice in a pipe. Two special cases were considered: the breakup of diluted emulsions and the breakup of single oil droplets. Two mineral oils of moderate viscosity were dispersed in two different continuous phases, tap water and a continuous phase formed by a mixture of substitute ocean water and the anionic surfactant STEOL CS-330 (Stepan Company). For the case of breakup in the rotor - stator mixer, two mechanisms were identified. An initial fragmentation is caused by the combination of the vortex (generated by the circular motion of the rotor) and the jet zone emerging from the stator holes. The second mechanism is a mechanical breakup caused by the high shear stresses that droplets suffer in the rotor - stator gap. In the case of breakup through an orifice in a pipe, it was shown that breakage only occurs downstream of the restriction and takes place at a certain distance from the edge of the orifice. At this breakup length, the radial velocity gradient in the flow is large enough to overcome the resistance stresses (exerted by the droplet) and produce the rupture of the droplet. These results were in agreement with previous observations made Galinat et al. (2005) for the case of drop breakup through an orifice plate. However, from the observations made in this work, it was possible to conclude that the orifice length does not influence the breakup mechanisms. In addition, visualization has allowed to analyze the relative influence of interfacial tension and dispersed phase viscosity for both cases. Experimental values for the maximum stable drop diameter were obtained for the breakup of diluted oil-in-water emulsions in both studied cases. Analysis of the data revealed that maximum stable drop sizes were in the inertial sub range, characterized exclusively by the energy dissipation rate per unit mass, Epsilon. A linear mechanistic model for the inertial sub-range, based in Kolmogorov s theory of isotropic turbulence, was developed to aid in data interpretation and to provide a basis for correlation. The model was adjusted to experimental data using a nonlinear optimization tool based in the generalized reduced gradient code (GRG2), and its precision was calculated from the root mean squared difference between experimental and predicted data. Good predictions were obtained for the breakup in the mixer; however, this was not the case for the breakup through the orifice. The relative low precision of the model used to correlate the breakup through the restriction lied in the lack of consideration of the time scale required for the breakup. In addition, a linear curve fitting based in a power law model, showed that interfacial effects drive the breakup process in the restriction.
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Aluno(a) : Victor Cabral da Hora Aragão de Carvalho
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/30/2014
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Resumo: Com a crescente demanda – nacional e internacional – por biocombustíveis e a pressão internacional para redução da emissão de gases de efeito estufa, o Brasil teria muito a ganhar, do ponto de vista econômico e ambiental, com um aumento na eficiência e oferta de biocombustíveis. O advento da produção de biocombustíveis produzidos em fazendas de alga possibilita uma relação de simbiose com usinas de cana-de-açúcar. Tais algas se alimentam, entre outras substâncias, de dióxido de carbono, e a abundante biomassa de cana queimada em caldeiras, aliada à incidência solar privilegiada no Brasil, fazem da utilização de algas em usinas de cana uma possibilidade de conversão de emissões de gás de efeito estufa em biocombustível. Essa dissertação tem como objetivo estimar o resultado da implantação de uma fazenda de algas em uma usina de cana-de-açúcar. A usina em questão sofreu vistoria e fez-se o levantamento da produção de energia renovável e as emissões atmosféricas dos principais gases de efeito estufa (CH4, N2O e CO2), através da metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). A meta, a partir desta análise e com o uso de dados primário de uma empresa que instala fazendas de alga, é estimar o acréscimo de biocombustível gerado por algas e o decréscimo das emissões de GEE no processo produtivo. Os resultados obtidos na Usina Estudada mostram que caso a mesma implantasse uma fazenda de algas em seu parque industrial, sua eficiência energética na produção de energia através do etanol quase triplicaria ao passo em que emitiria quatro vezes menos poluentes em sua cadeia de produção. Caso a usina optasse por gerar exclusivamente Biodiesel, produziria Biodiesel (B100) para 19 anos de subsistência com um combustível 78,4 por cento menos poluente em termos de GEE. Aproximações mostram que caso a totalidade da lavoura de cana implante fazendas de algas no Brasil, apenas o Biodiesel gerado neste processo seria equivalente à quase 70 por cento da produção Brasileira de diesel de 2012.
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Aluno(a) : Sergio Paulo Gomes Pinho
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/28/2014
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Resumo:
Na indústria do petróleo, durante a produção de um campo, é muito utilizada a injeção da água do mar para manutenção da pressão do reservatório. Com a injeção, há o aumento da fração de água no fluido produzido formando assim uma emulsão com uma determinada distribuição do tamanho de gotas. No sistema de produção, esta mistura sofre variações de pressão e temperatura que impactam na distribuição do tamanho de gotas da emulsão. As mudanças mais significativas nestes parâmetros ocorrem nos chokes instalados na chegada à planta de processo. O conhecimento desta distribuição é importante, pois influencia diretamente no dimensionamento dos separadores que serão instalados na plataforma, no caso offshore. O parâmetro considerado como o que melhor descrevia o processo de quebra de gotas era a potência dissipada no orifício. Nos experimentos desenvolvidos para avaliar a quebra de gotas nos chokes, foi observado que este termo possuía algumas limitações e um novo ajuste foi proposto para atender aos valores medidos. Nos testes foram utilizados dois tipos de óleos e diferentes orifícios que geraram os dados necessários para elaborar uma nova abordagem, onde a queda de pressão medida apresentou a melhor relação com os diâmetros das gotas após o orifício. Posteriormente, o efeito da viscosidade foi adicionado para que houvesse uma relação válida para ambos os óleos utilizados, tornando assim o modelo de quebra mais abrangente.
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Aluno(a) : Bruno Romanelli Menechini Esteu
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/15/2014
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Resumo: A perfuração de poços de petróleo em águas profundas tem como objetivo atingir o melhor ponto de extração de óleo e gás natural presentes em reservatórios a alguns milhares de metros no fundo do mar. Um melhor entendimento da dinâmica de perfuração através da análise de parâmetros operacionais em tempo real é importante para otimizar os processos de perfuração e reduzir seus tempos de operação. Com esse objetivo, operadoras de petróleo têm realizado grandes investimentos no desenvolvimento de ferramentas de medição e transmissão de parâmetros durante a perfuração, tais como, entre outros, o peso sobre broca, rotação da coluna e vazão do fluido de perfuração. Dentre as vantagens em se monitorar estes dados em tempo real, destaca-se a otimização de parâmetros operacionais buscando obter uma taxa de penetração satisfatória com o menor gasto de energia possível. Em uma perfuração rotativa, essa energia é muitas vezes parcialmente dissipada devido à vibração da coluna causada pela interação entre broca e formação. Nesta dissertação, com o objetivo de extrair características comuns que pudessem vir a ajudar na otimização da atividade de perfuração, foi utilizada uma técnica de redes neurais não supervisionadas para análise de uma extensa base de dados levantados ao longo de campanhas de perfuração de poços em um mesmo campo de petróleo. Os dados de campo analisados foram obtidos ao longo de perfurações de poços verticais, exclusivamente empregando brocas tipo PDC e exibindo elevados níveis de vibração torcional. O estudo realizado a partir de registros de parâmetros de perfuração, características dos poços e respostas de vibração obtidas em tempo real por ferramentas de poço, e empregando o código de mineração de dados WEKA e a plataforma computacional de análise TIBCO Spotfire® , permitiu a determinação de uma curva de desgaste de broca e a influência das ferramentas de navegação no nível de severidade de vibração ao longo da perfuração.
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Aluno(a) : Rodolfo Oliveira
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/11/2014
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Resumo: Rochas carbon
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Aluno(a) : Daniel Duque Estrada Fernandes de Melo
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/08/2014
Local:
Resumo:
A mecânica do corte de rochas vem sendo estudada a fim de proporcionar um melhor entendimento do processo de perfuração. A energia de corte é principalmente dependente da orientação do cortador e das propriedades da rocha. Foi previamente relatado na literatura que a energia específica de corte é fortemente dependente dos ângulos de inclinação posterior (backrake) e lateral (siderake) da broca. Embora existam boas tentativas de desenvolver uma solução analítica para descrever o processo de corte da rocha, os efeitos do ângulo de inclinação lateral não são levados em conta na maioria dos modelos. Esta dissertação propõe uma solução analítica para o corte de rocha considerando ambos os ângulos de inclinação relevantes, tanto o backrake quanto o siderake. Um modelo de corte é proposto considerado cortadores afiados e desgastados, e as soluções obtidas são corroboradas através de uma investigação experimental com base no corte de argilas. Um estudo paramétrico para duas rochas hipotéticas é realizado empregando o novo modelo proposto, mostrando que backrakes e/ou siderakes maiores tendem a aumentar exponencialmente a energia específica de corte. Todavia, a influência do backrake é fortemente dependente do ângulo de atrito interno da rocha. Os efeitos da profundidade de corte e pressão de confinamento também são investigados. Além disso, os efeitos do desgaste do cortador são apresentados através do diagrama de E-S.
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Aluno(a) : Mario Germino Ferreira da Silva
Orientador(a): Arthur Braga e Giancarlos Vilela
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/05/2013
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Resumo: Esta dissertação apresenta os resultados de um estudo visando à avaliação do uso de lasers de alta potência para operações de canhoneio em poços revestidos e cimentados em reservatórios carbonáticos, cujo objetivo é introduzir furos laterais nas paredes do poço para permitir o escoamento do fluido do reservatório para o poço. Numa revisão bibliográfica de patentes internacionais publicadas na última década, levantou-se o atual estado da arte do uso de lasers para perfuração de rochas. Foram publicados 226 documentos de patentes desde o ano de 2008, indicando a grande relevância tecnológica do tema desta dissertação. São apresentados os resultados de testes de Resistência a Compressão e análises de microtomografia, realizados em amostras de pastas de cimento com formulações usadas nos poços do Pré-sal e de rochas carbonáticas com características próximas às encontradas nesses reservatórios. O laser a fibra utilizado apresentava potência de até 1,5 kW e comprimento de onda de 1.064 micrômetros. Para a caracterização destes materiais, antes e após a produção de canhoneios, foram realizados ensaios de Difração de Raios X e de Espectrometria de Fluorescência de Raios X. Na avaliação da estrutura das amostras, foram utilizados um tomógrafo de raios-X e um microtomógrafo. Energia específica estimada em 243 J/mm(3) para carbonato. Testes em corpos de prova compostos de revestimento/cimento/carbonato. Com laser de potência de 1,5 Kw por 80 segundos, produziram furos de 5 mm de diâmetro e 50 mm de profundidade. Os resultados obtidos demostram, ainda que preliminarmente, o potencial do uso dessa tecnologia em operações de canhoneio.
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Aluno(a) : Alexandra Araujo Alicke
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/04/2013
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Resumo: O escoamento cisalhante oscilat´orio de grande amplitude (“large amplitude oscillatory shear - LAOS”) ´e considerado atualmente uma das metodologias mais promissoras para caracteriza¸c˜ao de materiais complexos. Como uma grande faixa de processos industriais involve grandes deforma¸c˜oes, ´e de extrema importˆancia entender como esses materiais se comportam mecanicamente sob essas circunstˆancias para o correto projeto e opera¸c˜ao. Atrav´es de uma caracteriza¸c˜ao reol´ogica completa de um material elastoviscopl´astico mostramos que o modelo de Je↵reys ´e adequado para interpretar fisicamente os resultados em LAOS de materiais complexos. Conforme a amplitude de tens˜ao e frequˆencia s˜ao variados independentemente, dois tipos de movimento, caracterizados por respostas n˜ao senoidais e senoidais, foram observados respectivamente: i) “movimentos a estrutura vari´avel”, quando a amplitude de tens˜ao ´e maior que a tens˜ao limite de escoamento do material, e ii)“movimentos a estrutura constante”, para casos onde a amplitude de tens˜ao ´e menor que a tens˜ao limite ou onde a frequˆencia ´e muito maior que o inverso do tempo caracter´?stico do material. Assim, uma nova metodologia, a “quasi-linear LAOS” (QL-LAOS) foi desenvolvida para a caracteriza¸c˜ao reol´ogica e interpreta¸c˜ao de resultados em LAOS. Ademais, foi obtida excelente concordˆancia entre as previs˜oes te´oricas e os resultados experimentais. Palavras–chave Reologia; Material
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Aluno(a) : Henrique Freire de Andrade M. Penna
Orientador(a): Arthur Braga e Sully Quintero
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/26/2013
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Resumo:
A Indústria do Petróleo e Gás vem implementando sensores a fibra óptica com o intuito de otimizar sua produção através do monitoramento do campo petrolífero em diversas aplicações. Entretanto, há um desafio na implementação de sensores à fibra óptica em locais com presença de compostos como o ácido sulfídrico (H2S). Tal substância, em contato com a umidade, pode gerar reações químicas que resultem na formação de hidrogênio (H2), que ao difundir-se nas fibras ópticas, pode comprometer a capacidade de transmissão do sinal óptico devido à interação deste composto com a estrutura atômica da sílica. O presente trabalho estudou os efeitos de difusão de hidrogênio em quatro diferentes tipos de fibras ópticas, a fim de entender as atenuações induzidas por este processo. Este estudo foi realizado utilizando dois métodos experimentais: a avaliação do desempenho dos sensores de temperatura distribuída (DTS) e a análise dos perfis de atenuação do sinal óptico no infravermelho quando as fibras ópticas foram submetidas a diferentes condições de temperatura e pressão de hidrogênio. Dentre as fibras ópticas estudadas, destaca-se a fibra óptica monomodo especial em tubo de metal (FIMT), que não apresentou atenuações significativas e alterações em sua composição estrutural ao ser exposta a presença de diferentes pressões de hidrogênio e diversas temperaturas.
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Aluno(a) : Luis Gustavo Poli
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/16/2013
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Resumo: O presente trabalho teve como objetivo a elabora
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Aluno(a) : Tabita Yaling Cheng Loureiro
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/09/2013
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Resumo: Anualmente, mais de 100 bilhões de metros cúbicos de gás são queimados mundialmente em flares nas instalações de petróleo e gás natural. Esse número era ainda maior a alguns anos atrás. No passado, o holofote estava sobre o petróleo e o gás natural era visto como uma fonte de energia não rentável. A preocupação mundial com o aquecimento global impulsionou as ações para redução das emissões de gases causadores do efeito estufa. A crescente mobilização dos órgãos reguladores de diversos países para imposição de restrições de queima e ventilação do gás natural vem contribuindo para a melhoria dos índices de aproveitamento do gás associado. Muito embora já tenha havido um avanço relevante, o montante de gás desperdiçado ainda precisa ser reduzido. Neste contexto, a necessidade de se quantificar corretamente os volumes desperdiçados de gás fica evidente. As ações para redução da queima ou ventilação de gás natural se baseiam fortemente em medições precisas. O reflexo disto são as constantes publicações de diretrizes regulatórias voltadas para as medições de vazão de gás dos sistemas de alívio/tocha. Apesar da medição de gás de flare não ser uma técnica nova, ela ainda é considerada desafiadora e bem diferente das demais aplicações de medição de vazão. A natureza imprevisível da queima de gás natural, associada a instalações inadequadas, torna a medição extremamente difícil e complexa. O presente trabalho traz uma visão geral da queima de gás natural, da regulação do tema no Brasil e no mundo e das características e desafios da medição de gás de flare. Adicionalmente, foram feitos estudos de incerteza sobre os volumes diários medidos nos pontos fiscais de gás de uma instalação típica, de forma a analisar a influência da incerteza da medição do gás de tocha sobre a incerteza da produção mensal de gás natural, que é a base de cálculo para as devidas participações governamentais. Também foram calculadas as diferenças obtidas entre a medição indireta (balanço volumétrico de gás) e a medição direta (medição ultrassônica) da queima de gás natural e as incertezas relacionadas à medição indireta.
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Aluno(a) : Jose Angel Florian Gutierrez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/04/2013
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Resumo:
consideravelmente a saturação residual de óleo em processos de recuperação avançada. Estes efeitos estão diretamente ligados ao comportamento do escoamento de gotas de óleos suspensas em água através das gargantas de poros. Desta forma, a otimização do processo de injeção e da formulação da emulsão com o objetivo de aumentar o volume de óleo recuperado requer por um melhor entendimento do escoamento na escala de poros. Este trabalho apresenta um estudo do escoamento de gotas de óleos suspensa em água através de micro canais de seção reta constante e através de uma garganta, que são usados como modelos do espaço poroso. O campo de velocidade da fase contínua e a velocidade da gota de óleo foi determinado através da técnica de velocimetria por imagem de partículas em escala micrométrica (Micro-PIV) para diferentes tamanhos de gotas e geometria do capilar e garganta. Os resultados obtidos mostram a variação do padrão do escoamento devido a presença da gotas de óleo e fornecem importantes informações de como gotas de óleo mudam a mobilidade do fluido injetado quando o mesmo escoa através de poros com gargantas menores do que tamanho das gotas.
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Aluno(a) : William Fernando Lopez Candela
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/25/2013
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Resumo: Neste trabalho, um estudo do deslocamento ascendente de uma única bolha de gás num fluido não newtoniano é realizado ,a fim de simular o escoamento de bolhas de gás em pasta de cimento durante a cimentação de poços de petróleo. O fluido é modelado como um fluido não Newtoniano tipo Herschel-Bulkley com reologia variável no tempo. A partícula imersa no fluido não necessariamente é gasosa, também pode ser sólida ou liquida, fazendo algumas considerações para cada caso. Para desenvolver o modelo matemático foi feita uma analise dinâmica da partícula esférica imersa no fluido, e junto com as equações de Ansley e Plesley (1967), foi finalizado o modelo. O sistema de equações foi solucionado usando um método numerico de Runge Kutta de baixa ordem. O modelo numérico foi implementado usando o programa Matlab da empresa Mathworks. Os cálculos foram feitos para bolha esférica, numero de Reynolds baixo (menor 3), temperatura constante, efeito de parede desprezível e sem efeito de população. O modelo foi validado comparando os resultados numéricos com os resultados experimentais de multiples autores. Foram consultados os dados experimentais dos autores Raymond (2000), Hervé Tabuteau (2007) e Neville Dubash (2003). Foi analisado o efeito da massa da bolha e da tensão superficial da interface liquido-gás na cinemática da partícula, a fim de definir em que condições é possível desprezar seus efeitos. Finalmente, os efeitos dos parâmetros reológicos na cinemática da partícula são analisados. Além disso, considerou-se a dependência da reologia com o tempo a fim de analisar o processo de deslocamento da bolha durante a cura do cimento.
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Aluno(a) : Renato Amaro
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/05/2013
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Resumo: Um dos maiores desafios na perfuração das rochas carbonáticas, situadas a grandes profundidades, é superar as baixas taxas de penetração que vem sendo obtidas na perfuração de poços verticais e direcionais. Para vencer este desafio, um grande esforço vem sendo desenvolvido em várias linhas de pesquisa, tanto no desenvolvimento de novos conceitos de brocas como na seleção de um sistema de perfuração que apresente um melhor desempenho. Para atingir este objetivo, estão sendo priorizados procedimentos e sistemas de perfuração que apresentem menores níveis de vibração, pois este fenômeno além de reduzir a eficiência da perfuração, também compromete o tempo de vida útil dos equipamentos e, por consequência, acarreta a redução da confiabilidade do sistema e eleva o custo por metro da perfuração. Por conseguinte, novas tecnologias de brocas e sistemas de perfuração estão em desenvolvimento e, dentre as novas tecnologias, podemos diferenciar aquelas que promovem melhorias nas tecnologias convencionais e as tecnologias francamente inovadoras, aquelas que utilizam novos mecanismos para cortar ou fragilizar a rocha. Dentre as tecnologias inovadoras, a perfuração assistida por laser é uma das mais promissoras, nesta versão o feixe da energia radiante tem a função principal de fragilizar a rocha, facilitando o avanço da perfuração. Esta dissertação tem por objetivo realizar uma avaliação das possibilidades de aplicação da tecnologia laser na perfuração de rochas. O meio através do qual o laser deverá atuar nas aplicações futuras é analisado sobre o enfoque das suas propriedades físico-químicas. Dessa forma, o conhecimento da interação com o fluido de perfuração é o ponto de partida para a análise de viabilidade. Inicialmente, análises de absorção ótica foram realizadas em alguns tipos de fluido utilizados na indústria do petróleo e, na sequência, foram realizados testes de bancada com um dispositivo eletro-mecânico, especialmente desenvolvido, para servir de base para o laser, com potência máxima de 1500 W, direcionado sobre amostras de rochas carbonáticas. A análise de absorção ótica tem por objetivo compreender melhor o processo de interação do laser com o fluido de perfuração. Os testes de absorção ótica foram realizados para avaliar a absorção da luz, na faixa de comprimento de onda entre 800 nm até 1200 nm. A partir destas informações foi dado o primeiro passo no conhecimento da interação com o fluido de perfuração. Na seqüência da abordagem, um resumo, em nível de pesquisa bibliográfica é apresentado com os estudos, análises e testes de bancada já realizados por vários pesquisadores para verificar o estágio de desenvolvimento desta tecnologia inovadora. A partir deste conhecimento, será possível fazer uma inferência sobre as reais possibilidades desta tecnologia e iniciar um levantamento preliminar sobre os pontos considerados críticos para a sua aplicação, no cenário de perfuração de um poço de petróleo. O cenário de perfuração, como se sabe, é um ambiente agressivo, sujeito a altas vibrações, temperaturas e pressões elevadas. Para concluir, serão apresentados os resultados obtidos em teste de bancada com dispositivo especificamente construído para a fundamentação das conclusões da dissertação. Dentre os aspectos mais relevantes, podemos mencionar: a determinação da durabilidade do sistema, considerando a resistência da lente de focalização ao aquecimento provocado pelo laser e, também, uma avaliação da eficiência do processo sob o ponto de vista do valor obtido para a energia específica. Em resumo, o objetivo final dessa dissertação é o de concentrar em um documento as informações mais atualizadas sobre a utilização do laser na perfuração de rochas e apresentar uma análise, ainda que preliminar, sobre os possíveis pontos de melhoria que permitam viabilizar esta tecnologia no futuro.
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Aluno(a) : Daniel Monteiro Pimentel
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/18/2012
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Resumo: A deposição de parafinas em dutos de produção e coleta é um dos principais problemas de garantia de escoamento na indústria do petróleo. Além das técnicas de prevenção e mitigação tradicionais, o uso de revestimentos internos antiaderentes é uma alternativa ainda em desenvolvimento. Uma extensiva revisão bibliográfica mostrou que muitas das informações disponíveis sobre este assunto baseiam-se em conhecimento de campo e os experimentos desenvolvidos em laboratório apresentam resultados contraditórios. A contribuição deste trabalho foi desenvolver um experimento em laboratório para avaliar a eficiência de superfícies revestidas com relação à prevenção da deposição de parafinas, eliminando o efeito de isolante térmico do mesmo e buscando correlacionar os resultados com as características da superfície como rugosidade, energia crítica e de superfície. O experimento desenvolvido consistia de um loop fechado contendo uma seção de teste em acrílico, com controle de temperatura dos fluidos, medição contínua de fluxo de calor e medição da espessura de depósito através de visualização com câmera. Neste trabalho foram avaliadas as superfícies de aço inox 316L (rugosa e polida), Teflon, Nylon 11 e carbono amorfo sob a forma de placas retangulares que eram acopladas à seção de teste. Os resultados parecem corroborar as conclusões de alguns estudos da literatura, mostrando que a espessura de depósito de parafina pode ser reduzida pela redução da rugosidade e pela redução da energia crítica e de superfície. A utilização da medida de fluxo de calor como medida indireta da espessura de deposição se mostrou promissora, porém a variação da condutividade térmica do depósito em função do número de Reynolds dificulta sua utilização devido à necessidade de calibração para cada vazão de escoamento.
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Aluno(a) : Jaime Turazzi Naveiro
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/18/2012
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Resumo: A degradação do meio ambiente está no topo da agenda de países e empresas. A maior atenção é dada a mudanças climáticas e meios de se reduzir emissões de gases causadores do efeito estufa, sendo dióxido de carbono o maior contribuinte. O consumo de combustíveis fósseis está criando um efeito irreversível no planeta, e as previsões para seu uso é que continue em alta. De forma a contrabalancear seus impactos ambientais, surge o segmento de projetos de captura e sequestro de carbono (CCS – carbon capture and storage). Seu maior entrave para crescimento é econômico, daí o uso de CO2 para recuperação avançada de óleo de forma a alavancar sua implementação. Esta dissertação avalia duas estratégias distintas de desenvolvimento de um campo de petróleo offshore, uma através da injeção de água e outra por recuperação avançada com injeção de CO2 (EOR CO2 – enhanced oil recovery) a partir de fonte antropogência. Os maiores desafios técnicos para aplicação de EOR CO2 em ambiente offshore sío examinados, mostrando o arcabouço teórico com lições aprendidas em campo e soluções ainda nío desenvolvidas, incluindo gerenciamento de reservatórios, engenharia de poção e plantas de processo, passando por captura e transporte de CO2. Em seguida, a viabilidade econômica de ambos os métodos de recuperação sío comparados, com pequena vantagem o caso EOR. Entretanto, devido às incertezas do sucesso do método previamente ao desenvolvimento e comprometimento financeiro, e também devido aos preção de importação de dióxido de carbono, a gama de resultados pode alterar o processo decisório, e tal análise de sensibilidade é apresentada. Um balanço de carbono também é realizado, mostrando o saldo positivo ao selecionar o método de EOR CO2, que reduz a concentração do componente na atmosfera. Finalmente, a aplicabilidade de créditos de carbono é discutida, e seu impacto econômico quantificado. Ainda há um longo caminho a se percorrer para ampla utilização de projetos EOR com CO2 antropogênico em ambiente offshore. Ao apontar os maiores desafios e entraves a serem superados, incluindo aspectos técnicos, comerciais e regulatórios, ao apresentar modelo econômico incluindo aspectos ambientais, e acima de tudo, ao mostrar sua atratividade, esta dissertação tem por objetivo reduzir esta distância.
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Aluno(a) : Jerry da Ressureição Geraldo Inácio
Orientador(a): Angela Nieckele e João Neuenschwander
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/13/2012
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Resumo: Escoamentos intermitentes bifásicos sío caracterizados pela sucessío de golfadas de líquido separadas por bolhas de diferentes tamanhos, escoando com frequência variável. A previsío deste tipo de escoamento é muito importante, uma vez que o mesmo pode ser encontrado em diversas aplicações industriais. No presente trabalho, é realizado um estudo do regime intermitente em tubulações verticais, utilizando o Modelo de Dois Fluidos uni-dimensional, juntamente como o método de Volumes Finitos. O Modelo de Dois Fluidos uni-dimensional requer a inclusío de diversas relações de fechamento para as fases líquida e gasosa. Estas relações devem representar realisticamente o fenômeno físico de interesse, e as equações resultantes devem ser bem postas. No presente trabalho, duas relações de fechamento foram consideradas: salto de pressío devido à curvatura da interface e parâmetro de distribuição de fluxo de quantidade de movimento. A presença do salto de pressío nío se mostrou significativa, enquanto que o parâmetro de distribuição da fase líquida ampliou a regiío em que o sistema de equações é bem posto. Para os casos analisados, o parâmetro de distribuição da fase líquida apresentou influência nas caracteristicas do escoamento. As principais grandezas do regime estatisticamente permanente, como comprimento e velocidade de translação da golfada e da bolha, foram comparadas com dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando boa concordância.
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Aluno(a) : Marco Vinicio Guamán Alarcón
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/11/2012
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Resumo: A resistência a fadiga dos elementos estruturais pode ser limitada pela presença de trincas curtas, as quais podem passar despercebidas em inspeções não-destrutivas tradicionais. Para modelar o comportamento dessas trincas pode-se utilizar o tamanho característico das trincas curtas ao, proposto por El Haddad, Topper e Smith (ETS), que permite ajustar adequadamente os dados experimentais do diagrama de Kitagawa-Takahashi. Partindo do modelo ETS, neste trabalho se apresenta o modelo do Gradiente de Tensão (GT), desenvolvido para prever o efeito das trincas curtas que nascem em pontas de entalhes. Este modelo reconhece que trincas podem ser facilmente geradas por fadiga em entalhes afiados, que introduzem efeitos de concentração de tensão elevados nas suas pontas. Mas devido ao alto gradiente de tensão que atua em torno das pontas desses entalhes, as trincas curtas que deles emanam também podem parar de crescer por fadiga após terem se propagado por uma pequena distância, tornando-se assim trincas não-propagantes que podem ser toleradas em serviço. Corpos de prova tipo C(T) modificados foram projetados especificamente para estudar a geração e o crescimento inicial dessas trincas em ensaios de fadiga, e usados para verificar experimentalmente as previsões do modelo proposto.
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Aluno(a) : Bruno Felippe Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/11/2012
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Resumo: Trata-se de um estudo sobre métodos de previsío de vida à fadiga de dutos com mossas submetidos a carregamento de pressío interna. Um método é proposto e com ele realiza-se previsões utilizando o método SN, sendo a influência das tensões médias calculadas segundo a parábola de Gerber. Adicionalmente sío analisados outros métodos disponíveis na literatura, sendo abordados seus embasamentos teóricos, coeficientes de segurança e validações experimentais. A análise de tensões dos diferentes métodos foi realizada utilizando o Método de Elementos Finitos com o pacote computacional Abaqus 6.10, salvo nos casos em que foram fornecidas equações vindas de regressões de resultados numéricos. Todos os resultados avaliados foram comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura, sendo um total de oito curvas avaliadas em seis casos em que se alteraram a espessura do tubo, o diâmetro do punção que gerou a mossa, a pressío inicial e o material do tubo. Os resultados indicam que as diferenças conceituais entre os diferentes métodos se refletem nas previsões geradas e que o método proposto faz previsões próximas aos resultados experimentais, sem o uso de fatores de segurança ou de confiabilidade.
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Aluno(a) : Rafael Salomão Ach
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/09/2012
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Resumo: Curvas tensío deformação de um aço 1020 trabalhado a frio foram obtidas sob controle da taxa de deformação imposta no corpo de prova (e nío da velocidade do pistío ou do travessío da máquina de testes), no intervalo da taxa de deformação maior igual a 0,001%/s a menor igual a 300%/s . Este amplo conjunto de dados, tratado por um versátil programa desenvolvido para adquiri-los, filtrá-los e apresentá-los em tempo real, foi usado para verificar a adequação de diversos modelos propostos para descrever o efeito desta taxa, aplicando um algoritmo de otimização de Levenberg-Marquardt para ajustar os vários modelos estudados ao conjunto dos dados medidos. Este procedimento relativamente simples elimina os erros sistemáticos inerentes ænbsp; prática tradicional de medir o efeito da taxa de deformação nas curvas tensío deformação controlando a velocidade da carga, que podem ser particularmente relevantes nos corpos de prova de aço, cuja rigidez muitas vezes é pelo menos uma ordem de grandeza maior do que a da máquina de testes.
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Aluno(a) : Bernardo Soares Engelke
Orientador(a): Márcio Carvalho e Vladimir Alvarado Basante
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/18/2012
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Resumo: Durante a vida de um campo de petróleo, diferentes métodos de recuperação podem ser usados para manter a pressío do reservatório e aumentar a eficiência de varrido. O método mais utilizado é o de injeção de água. Porém, a eficiência deste método é limitada devido à alta razío de mobilidade entre água e óleo, o que leva a formação de canais preferenciais de escoamento da água. Agentes de controle de mobilidade sío usados para minimizar este efeito. Dentre eles, emulsões óleo-água apresentam benefícios em custo, compatibilidade e eficiência. Alguns estudos indicam uma melhor eficiência da fase aquosa com menor razío água-óleo nos poção produtores. A fase dispersa da emulsío é capaz de bloquear as gargantas dos poros e alterar o caminho do escoamento no meio poroso, melhorando nío apenas a eficiência de varrido como também a de deslocamento. O objetivo deste trabalho é estudar a injeção de emulsío óleo-água e entender os mecanismos que envolvem seu uso como um agente de controle de mobilidade. O efeito micro e macroscópico da injeção de emulsío será avaliado experimentalmente através da medida das curvas de permeabilidade relativa de emulsío óleo-água e óleo em amostras de arenitos para diferentes concentrações da fase dispersa da emulsío, distribuição do tamanho de gota e número de capilaridade.
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Aluno(a) : Inaê Rodrigues de Almeida
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 05/14/2012
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Resumo: O presente trabalho apresenta um modelo simplificado baseado na teoria de lubrificação e viscosidade equivalente para estudar o escoamento dos fluidos de perfuração através de um espaço anular excêntrico com rotação da coluna de perfuração. Em razío do comportamento nío Newtoniano destes fluidos, é significativa a influência da rotação da coluna na perda de carga, já que a viscosidade dos fluidos varia com a taxa de deformação imposta. Uma completa análise deste problema requer uma solução tridimensional da equação de conservação de quantidade de movimento de fluidos nío Newtonianos, que torna a solução extremamente cara computacionalmente, tornando necessário o desenvolvimento de modelos simplificados que descrevam bem os principais fenômenos observados nestes escoamentos. No modelo proposto, as equações que governam o escoamento sío simplificadas pela teoria da lubrificação em coordenadas cilíndricas. Desta forma, o escoamento tridimensional é descrito por uma única equação diferencial bidimensional para o campo de pressío. O comportamento mecânico do fluido é avaliado através do método da Viscosidade Newtoniana Equivalente. O modelo proposto foi validado a partir de soluções numéricas para o modelo completo, disponíveis na literatura, avaliando a precisío das simplificações. Os resultados mostram o intervalo no qual o modelo simplificado é preciso e apresentam o efeito das propriedades dos fluidos, da geometria do poço e da rotação da coluna na perda de carga do escoamento.
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Aluno(a) : Ernesto Javier Ruano Herreria
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/27/2012
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Resumo: Esta simulação considera um ciclo Rankine que utiliza um fluido de trabalho orgânico, com a particularidade que a fonte de energia de entrada ao sistema será solar. Esta energia renovável que provem do potencial do Sol é aproveitada com a utilização de coletores concentradores lineares parabólicos. Estes dois circuitos: do ciclo Rankine orgânico e do conjunto de coletores interatuam termicamente mediante um trocador de calor chamado de gerador de vapor. Adicionalmente, existe um sistema de armazenamento térmico que permite acumular parte da energia solar coletada para ser utilizada em períodos sem radiação solar ou com níveis baixos da mesma. A primeira parte deste trabalho mostra os aspectos teóricos introdutórios e as considerações para trabalhar com um ciclo Rankine de tipo orgânico, o tipo de coletores escolhido e a utilização de armazenamento térmico. O segundo capítulo mostra o modelo matemático apropriado para simular um sistema de geração de potência de baixa capacidade (50 kW) e os componentes de cada circuito: ciclo (bomba, expansor, condensador, recuperador, gerador de vapor), coletores (cobertura, refletor, absorvedor, etc.) e armazenamento (tanques, etc.). A simulação foi desenvolvida no software EES. O terceiro analisa os parâmetros do modelo, seus possíveis valores físicos, a sensibilidade da sua variação e sua seleção adequada com o objetivo de efetuar uma simulação bastante similar à realidade e as incertezas presentes. No capítulo final se apresentam os resultados em base as condições de desenho consideradas.
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Aluno(a) : Anne Aguiar de Araújo
Orientador(a): José Luiz Freire e José de Jesús Leal Carvajalino
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/26/2012
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Resumo: Esta dissertação visa apresentar e comparar metodologias utilizadas para estimar a taxa de corrosío a partir dos resultados obtidos em inspeção por pig instrumentado tendo em vista que esta avaliação de integridade é um procedimento empregado por operadores de duto. Com esta finalidade foram analisadas e comparadas as metodologias mais adequadas para o cálculo da taxa de corrosío: Estimativa da Taxa de Corrosío baseada no Princípio de Atividade Local, Estimativa da Taxa de Corrosío baseada no Cálculo do Parâmetro (α), Estimativa da Taxa de Corrosío a partir do Intervalo de Confiança para a Média e Estimativa da Taxa de Corrosío a partir da Distribuição de Valor Extremo. Para cada um destes métodos foram empregados dados simulados e dados de inspeções de um duto existente, utilizando ou nío o mapeamento de anomalias por tabela e, consequentemente, foi possível conhecer e avaliar suas vantagens e limitações. Os resultados destas comparações mostraram que apenas no caso em que a taxa de corrosío é estimada partir do intervalo de confiança para a média, a correspondência entre as anomalias (mapeamento) registradas nas inspeções ILI é obrigatória. As demais metodologias podem ser aplicadas ao conjunto de anomalias mapeadas ou a todas perdas de metal informadas no relatório de inspeção ILI. Foi verificado também que os valores estimados para a taxa de corrosío quando é realizado o mapeamento das anomalias diferem das taxas de corrosío calculadas quando a comparação dos dados entre as inspeções nío é efetuada. Embora tenha-se notado esta diferença foi observado que existe uma equivalência quando comparadas as taxas de corrosío de cada grupo. Ou seja, verifica-se uma correspondência entre os valores estimados por cada metodologia ao comparar apenas os resultados das anomalias mapeadas. O mesmo ocorre quando é efetuada a comparação entre valores da taxa de corrosío obtidos apenas pelos métodos em que o mapeamento das perdas de metal nío foi realizado. Adicionalmente foi efetuada a comparação entre as principais normas e publicações de gerenciamento de integridade de dutos, como o ASME B31.8S, API 1160 e Muhlbauer.
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Aluno(a) : Murilo Giron Camerini
Orientador(a): Arthur Braga e Sérgio Ricardo Kokay Morikaw
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/12/2012
Local:
Resumo: Um dos principais mecanismos de falha em risers flexíveis é o rompimento de arames da armadura de tração. A experiência tem mostrado que esta classe de dano tende a surgir primariamente na parte emersa do riser, próximo à sua terminação. A ruptura dos arames ocorre de forma progressiva, podendo ser causada por diferentes processos, tais como corrosío pelo ingresso de fluido no espaço anular entre capa e armadura, desgaste excessivo associado com o contato e atrito entre arames adjacentes ou entre as diferentes camadas metálicas da armadura, ou mesmo a presença de níveis elevados de tensões produzidas pelos carregamentos mecânicos aos quais o riser é submetido durante a operação. O deterioramento progressivo pode dar origem a defeitos localizados que agem como concentradores de tensío e levam o arame à ruptura através de um processo de fadiga. O duto flexível é capaz de manter-se em operação mesmo com alguns dos arames de suas armaduras rompidos, porém uma seqüência de rupturas pode levar à ocorrência de vazamentos ou mesmo a falhas catastróficas. O monitoramento contínuo em tempo real é uma das principais alternativas para evitar que o dano progressivo nas armaduras do riser resulte em acidentes com severas conseqüências econômicas e ambientais. As técnicas de monitoramento da integridade de risers flexíveis podem ser classificadas como diretas, onde é monitorado o estado dos arames através de medidas contínuas de deformação, ou indiretas, em que o sistema de sensoriamento registra grandezas que podem ser de alguma forma relacionadas com o estado da estrutura ou com um evento de ruptura de arame. Esta dissertação relata o desenvolvimento de um sistema de monitoramento baseado em vibrações. Trata-se de uma técnica indireta baseada em eventos, onde no momento da ruptura do arame um sinal de vibração, distinto tanto na freqüência quanto na amplitude, é detectado por acelerômetros instalados na capa polimérica externa do riser. No trabalho, sío apresentados resultados de quatro ensaios em escala real que demonstraram a viabilidade do sistema para um primeiro teste de campo. Estratégias de instrumentação dos dutos e as variações dos sinais detectados sío apresentadas e discutidas. Os resultados mostraram que a resposta vibratória do sinal de ruptura apresenta características específicas, garantindo uma boa confiabilidade na detecção. Porém, em se tratando de uma técnica indireta, verifica-se que quando dois sistemas de monitoramento de naturezas complementares sío empregados em conjunto, as probabilidades de detecção dos eventos de rupturas aumentam significativamente.
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Aluno(a) : Walace Rosa Laurindo
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Igor Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/04/2012
Local:
Resumo: Ao longo deste trabalho, diversas características importantes para a dinâmica do escoamento intermitente foram analisadas experimentalmente. Todos os testes foram realizados numa tubulação com 0,0508 m de diâmetro interno, em configuração horizontal, utilizando água e ar e abrangendo uma regiío onde o escoamento passa por uma complexa transição do regime de "bolha alongada", caracterizado por longas bolhas de gás localizadas próximo ao topo da tubulação, para o regime "golfada", caracterizado por uma intensa quantidade de bolhas dispersas de gás e bolhas alongadas com formatos distorcidos e frentes mais distantes do topo da tubulação. Nesta regiío verifica-se uma notável carência de técnicas experimentais capazes de extrair informações quantitativas dos fenômenos característicos desses regimes. Através de um sistema de interruptores de feixe de infravermelho, o comportamento estatístico dos comprimentos dos pistões de líquido, das frequências de passagem dos pistões e do comprimento da bolha alongada puderam ser investigados. Uma extensa comparação dos dados com trabalhos disponíveis na literatura foi realizada, validando os resultados experimentais obtidos. Em conjunto, foi utilizada a técnica óptica, nío intrusiva, conhecida como técnica de sombra (shadow technique), combinada com uma câmera digital de alta taxa de aquisição de imagens. Um procedimento inovador de processamento das imagens foi desenvolvido, permitindo a extração de informações quantitativas de regimes complexos com intensa quantidade de bolhas dispersas. Resultados importantes como o abaixamento do nariz da bolha como uma função da competição entre as forças de gravidade e de inércia puderam ser verificados e confirmados quantitativamente pela primeira vez.
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Aluno(a) : Josie Rodrigues Ferrão Quintella
Orientador(a): Márcio Carvalho e Ranena Verônica
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/27/2012
Local:
Resumo: A injeção de emulsío óleo-água vem sendo estudada como método de recuperação avançada, levando a um incremento no volume de óleo recuperado através de um controle de mobilidade do fluido injetado e aumento da eficiência de deslocamento do óleo. A aplicação deste método requer o entendimento do escoamento tanto na escala de poros como na escala de reservatórios. Neste trabalho, o efeito da emulsío no escoamento bifásico é modelado através de curvas de permeabilidades relativas que variam com a concentração de gotas da fase dispersa da emulsío. Estas curvas descrevem dois fenômenos físicos observados nestes escoamentos, o controle de mobilidade, representado pela diminuição da permeabilidade relativa da fase aquosa devido à presença de gotas, e a melhora na eficiência de deslocamento, representada pela diminuição da saturação residual da fase oleosa. O modelo proposto foi implementado em um simulador comercial (STARS/CMG) em uma geometria bi-dimensional com dois poção verticais (injetor e produtor). A produção de óleo durante o processo de injeção alternada de água/emulsío/água é estudado em diversas condições do escoamento com o objetivo de analisar separadamente o mecanismo de controle de mobilidade e da melhoria do deslocamento no processo, determinando as condições ótimas de operação. Os resultados obtidos mostram que a injeção de emulsío óleo-água pode representar uma importante alternativa na produção de óleo como processo de recuperação avançada.
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Aluno(a) : Edgar Hernan Cando Narváez
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/05/2012
Local:
Resumo: Neste trabalho estuda-se experimentalmente o comportamento dos fluidos tixotrópico. Conseguiu-se imagens de fluidos tixotrópicos escoando através de uma expansío seguida de uma contração, ambas abruptas e axissimétricas. A existência de uma “fratura” produto da fronteira entre o fluido que escoa e o que nío que estende-se da entrada da expansío até a saída da contração, é o principal fenômeno a ser estudado. O número de Re, o tempo para vazío mássica constante e as dimensões da geometria sío as variáveis do experimento. Para o desenvolvimento do experimento utilizou-se uma dispersío de laponita RD, que é um fluido transparente com boas características tixotrópica. Este fluido foi caracterizado reologicamente através da obtenção de flow curves de os testes oscilatórios Strain sweep e frequency sweep. A caracterização reológica apresentou alguns problemas com respeito ao envelhecimento, tipo de geometria e reômetro utilizado e falta de repetitividade para baixas taxas de deformação devido ao nío pré-cisalhamento da amostra, o qual também é analisado para solucionar. Os resultados apresentaram que a laponita RD é um fluido tixotrópico com característica elástica mais predominante que viscosa na regiío viscoelásticas linear. A “fratura” apresentou 3 tipos de perfil de escoamento: Perfil de regime tubular, Perfil de regime tubular expandido e Perfil discontínuo instável.
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Aluno(a) : Fernando Zegarra Sánchez
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/15/2012
Local:
Resumo: Nesta dissertação apresenta-se a avaliação da eficiência térmica do Veículo Elétrico Híbrido em Série mediante o desenvolvimento teórico de dois protótipos de sistemas de propulsío elétrica e o estudo experimental do consumo de combustível do veículo original. A análise experimental foi feita mediante o desenvolvimento de uma bancada de teste, composta principalmente por um dinamômetro de chassis, um piloto automático e um medidor de vazío de combustível, acompanhado de toda a eletrônica que fez possível a aquisição de dados em cada teste. Neste estudo desenvolvem-se dois modelos teóricos de arquitetura para o sistema de propulsío do VEH, o primeiro composto de quatro motores, cada um embutido nas rodas do veículo, e o segundo composto por dois motores, cada um embutido nas rodas do eixo traseiro do veículo. Existem diversos procedimentos para poder embutir um motor na roda do veículo, o que se deve ter em conta é o peso, a potência e a eficiência na transmissío de potência. No desenvolvimento teórico do sistema de propulsío em cada roda, faz-se necessário o uso do redutor cicloidal, o qual permite uma redução de 3:1 até 119:1 em um só estágio com uma eficiência de transmissío de 93%, conjuntamente com um motor de corrente contínua sem escovas, o qual tem uma alta densidade de potência. Os resultados da avaliação do sistema de propulsío elétrica dos protótipos mostram que o modelo de quatro motores nas rodas é mais eficiente em comparação com o modelo de dois motores embutidos nas rodas. Isto se deve ao fato do segundo modelo ser mais pesado, já que precisa uma maior quantidade de baterias e além disso de motores mais robustos. Na avaliação do consumo energético do VEH em comparação com o modelo original a gasolina, obtiveram-se resultados interessantes referentes à economia na utilização do recurso energético. O VEH teve um comportamento melhor em ciclos urbanos que em ciclos de estrada e a economia do recurso energético alcança 79% quando se testa com ciclos urbanos e 43% em ciclos de estrada.
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Aluno(a) : Bruno Fontes Rodrigues
Orientador(a): Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/22/2011
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Resumo: O petróleo tem importância inegável nos tempos atuais. Junto com outros combustíveis fósseis, representa uma considerável parcela da matriz energética da sociedade. Porém esta é uma fonte de energia nío renovável. Por isso a medida que o petroléo é produzido em regiões de fácil acesso, sua fonte vai se esgotanto e criando a necessidade de se explorar em regiões cada vez mais inóspitas. Diante deste cenário o processamento submarino na produção de óleo e gás tem grande relevância ao permitir a produção de petróleo em regiões onde nío seria possível a produção sem esta opção. O objetivo deste trabalho é comparar 2 sistemas de processamento submarino, um com bomba multifásica e outro com separador submarino, visando identificar as oportunidades de aplicação para cada sistema e o estado da arte atual de cada tecnologia. O grande salto do processamento submarino será um futuro de produção sem o uso de plataformas. Cenário este que já se observa nos dias de hoje em alguns campos de gás. O campo de gás foi o primeiro a apresentar a possibilidade de produção sem o uso de plataforma por possuir energia suficiente para escoar por distâncias maiores sem necessidade de incremento artifical de pressío. Porém com o avanço da tecnologia da bomba e dos separadores submarinos, o futuro indica a aplicação deste processo também em campos de óleo. Este trabalho disponibiliza uma ferramenta simplificada para análise de escoamento multifásico de fácil acesso que permite o cálculo sem a necessidade de softwares avançados e de dificil acesso. Apesar de ser uma ferramenta simplificada é de grande utilidade para cálculos rápidos sem necessidade de detalhamento.
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Aluno(a) : Carolina Pontes Chieza
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/03/2011
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Resumo: A perfuração de poção de petróleo é uma operação complexa e de elevado risco e custo financeiro. Com o passar dos anos o número de poção horizontais e de longo alcance perfurados aumentou consideravelmente devido à existência de reservatórios mais profundos e de difícil acesso, além da necessidade de se obter uma melhor eficiência na extração do petróleo. Juntamente com este aumento na complexidade da perfuração surgiram problemas operacionais que, por muitas vezes, nío sío identificados e acabam sendo responsáveis pela maior parte do tempo nío produtivo da operação elevando, assim, seus custos diários. Logo, o estudo destes problemas é de extrema importância para garantir condições seguras de operação, além de contribuir para a otimização da mesma, mitigação dos efeitos causados e uma maior rapidez e eficácia nas tomadas de decisões. O presente trabalho apresenta uma metodologia de identificação de problemas operacionais e otimização da perfuração de poção através da utilização de recursos computacionais para gerar análises de previsío de torque, arraste e hidráulica e, posterior, comparação com os dados de perfuração obtidos, em tempo real, dos sensores de mudlogging e da ferramenta de medição de pressío no anular (PWD - Pressure While Drilling). A caracterização dos problemas foi realizada com base nos dados reais de poção horizontais, perfurados na bacia de campos, mediante a identificação de possíveis desvios importantes, que nío estavam previstos, nos parâmetros de perfuração. Utilizando-se a metodologia apresentada neste trabalho é possível antecipar e evitar a ocorrência destes desvios, que estío associados a eventos indesejados. Através da retro-análise dos dados dos poção disponíveis para o estudo e dos resultados obtidos foi possível mapear diversos problemas operacionais ocorridos durante a perfuração dos poção, tais como: perda de circulação, prisío da coluna de perfuração, washout no tubo de perfuração e dificuldade de avanço causada por uma limpeza deficiente, pelo enceramento da broca e pela vibração na coluna de perfuração. Além disso, foram destacados também alguns exemplos que mostraram variações na tendência do torque em função de mudança na litologia do poço.
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Aluno(a) : Rodrigo Klim Gomes
Orientador(a): Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/19/2011
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Resumo: A dessalinização térmica é uma técnica utilizada em diversas partes do mundo para produção de água. Países como Estados Unidos, Israel, Espanha e Grécia utilizam esse tipo de sistema em grande escala, garantindo um abastecimento constante para alguns pontos de seu território e contribuindo para o aperfeiçoamento dos sistemas de produção. No Brasil, apesar da vasta bacia hidrográfica e da existência de grandes reservatórios subterrâneos, a dessalinização térmica poderia ser vista como alternativa de produção para apoiar o desenvolvimento agrícola e industrial em algumas regiões, criando também melhores condições sociais para a população beneficiada, especialmente no nordeste brasileiro. Nessa dissertação propõe-se um método para avaliação preliminar de diversos cenários para implantação de tais sistemas. Tal avaliação aborda inicialmente a definição do dessalinizador, que foi realizada através das formulações disponíveis em trabalhos acadêmicos que têm como base a Primeira Lei da Termodinâmca. Tais formulações foram adaptadas para o caso em estudo. Em seguida sío analisados os parâmetros para verificar a viabilidade do projeto, tais como Valor Presente Líquido (VPL) e Índice de Lucratividade (IL). Para consolidação da metodologia utilizada foi criado um programa que permite a avaliação de diversos cenários de maneira independente, sendo de fácil acesso e de grande flexibilidade para o usuário interessado neste tema.
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Aluno(a) : Jose Francisco Roca Reyes
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/15/2011
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Resumo: Emulsões podem ser usadas como agentes de controle de mobilidade em métodos de recuperação avançada de petróleo com o objetivo de obter uma varredura mais uniforme do reservatório. O uso e otimização desta técnica requer um perfeito entendimento do escoamento de emulsões através de meios porosos. O escoamento macroscópico é função direta do escoamento na escala do poro, na qual emulsões nío podem ser tratadas como um fluido nío Newtoniano monofásico, já que as gotas sío de tamanho semelhante às gargantas dos poros. Na escala microscópica, escoamento de emulsões deve ser modelado como um escoamento bifásico incluindo efeitos capilares. Para determinar o efeito da tensío interfacial, razío de viscosidade, tamanho de gota e geometria do tubo capilar na relação vazío – diferença de pressío do escoamento, um método do tipo level-set, incluindo forças de tensío interfacial, foi desenvolvido e incorporado a um programa para solução implícita da equação de Navier Stokes transiente baseado no método de elementos finitos. Os resultados mostram que o controle de mobilidade é obtido através de dois mecanismos. O primeiro é baseado na simples substituição de um liquido menos viscoso por outro mais viscoso; e o outro baseado as forças capilares associadas a deformação da gota durante a sua passagem pela garganta do capilar. Os resultados podem ser usados na construção de um modelo constitutivo na escala de poro que será incorporado em um modelo de rede de capilares que está sendo desenvolvido para o estudo de escoamento de emulsões através de meios porosos.
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Aluno(a) : Deibi Eric Garcia Campos
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/05/2011
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Resumo: Na produção de petróleo, durante a recuperação secundária, a injeção de água no reservatório de petróleo com o objetivo de deslocar o óleo até o poço produtor pode levar a um regime de escoamento bifásico onde ocorre a formação de emulsões. As emulsões sío um problema para a indústria do petróleo porque produzem perda de carga nas linhas de produção e tornam difíceis os processos de separação óleo-água, gerando altos custos. Este fenômeno ainda nío é bem entendido e nío é exclusivo do que ocorre no meio poroso porque também está presente nas diferentes etapas da produção de petróleo. Este trabalho foi focado na formação de emulsões no meio poroso de um reservatório, considerando especialmente o escoamento bifásico na escala de poros. Assim foi utilizada uma junção de micro canais em T para descrever o que poderia acontecer na uniío de duas gargantas de poros em um reservatório de petróleo. Neste caso utilizamos a técnica de formação de gotas por fluxo cruzado estudada e desenvolvida, nas últimas décadas, na área de micro-fluídica. Através da injeção de dois líquidos imiscíveis nos canais que formam a junção, foi estabelecido um regime estável de formação de gotas. Para estudar a influência das diferentes variáveis do processo na formação de gotas, foram variadas as vazões dos líquidos injetados e suas propriedades, como viscosidades e tensío interfacial. Os resultados mostram que os diferentes regimes de escoamento e formação de gotas observados nío sío só uma função do número de capilaridade da fase contínua, como sugere a literatura para junções micro-fluídicas T de seção retangular. Nos experimentos desenvolvidos neste trabalho, nos quais a seção reta dos canais é elíptica e a fase contínua é a fase aquosa, as características da fase dispersa, como vazío e viscosidade, tiveram uma grande influência no processo de formação de gotas.
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Aluno(a) : Andrés Gaona Sierra
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/01/2011
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Resumo: Um dos principais problemas no funcionamento de oleodutos submarinos que transportam óleos parafínicos é o reinício do escoamento depois de longas paradas na produção. Durante o percurso desde o reservatório até a plataforma, o óleo (que sai a elevadas temperaturas), é submetido a uma queda brusca de temperatura em função da troca de calor com o leito do mar. Este fenômeno é acelerado em paradas de produção. O resfriamento faz com que as moléculas de parafina se precipitem, formando um gel que pode bloquear totalmente a linha. Nestas condições, para o reinício do escoamento pode ser necessária uma pressío bem maior do que a pressío de funcionamento normal do duto. Assim, é fundamental o conhecimento da pressío mínima necessária ao reinício do escoamento, para permitir a determinação da potência das bombas do oleoduto. Sabe-se da literatura que o comportamento viscoplástico é a principal característica reológica do óleo parafínico a baixa temperatura. Neste trabalho estudamos o reinício de escoamento utilizando um material viscoplástico ideal, a saber, soluções aquosas de Carbopol. As soluções de Carbopol foram caracterizadas reologicamente, e as curvas de escoamento medidas foram ajustadas utilizando a função viscosidade de Herschel-Bulkley. Testes preliminares de validação acusaram a presença de deslizamento na parede do tubo (inicialmente de aço inox), o que levou à troca para um tubo de resina poliester com a parede interna roscada. Testes de validação com um óleo newtoniano mostraram excelente concordância com a solução analítica (Hagen-Poiseuille). Resultados numéricos foram obtidos usando as funções viscosidade determinadas nos testes de reometria, e confrontados com os resultados experimentais obtidos com as soluções de Carbopol.
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Aluno(a) : Marco Antonio Díaz Díaz
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/29/2011
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Resumo: Em dezembro de 2008, o Parlamento Europeu aprovou um acordo para reduzir em 20% as emissões de GEE até 2020, sendo que os bicombustíveis irío responder por 10% dos combustíveis utilizados no setor de transportes. Assim, se o Brasil quiser se transformar em um fornecedor de etanol para aquela regiío, nío basta produzir um combustível eficiente na redução das emissões de GEE. Para que seja aprovado para consumo no exterior, ele deverá passar por um processo de certificação. Esta dissertação tem como objetivo avaliar o consumo de energia, a produção de energia renovável e as emissões atmosféricas dos principais gases de efeito estufa (CH4, N2O e CO2) do etanol a partir da cana brasileira, levando em conta todas as entradas/saídas do ciclo de produção usando a metodologia da avaliação do ciclo de vida (ACV). O sistema analisado inclui o plantio de cana, o manejo da cultura, a colheita, as atividades na usina, e a distribuição do etanol. Leva-se em conta as condições impostas pelos aspectos ambientais, legais, regulatórios e de mercado que atuam como condicionantes para uma futura certificação do etanol brasileiro. Os resultados mostram que: (i) O plantio da cana apresenta maior potencial para o consumo de recursos nío renováveis devido ao uso intensivo de óleo diesel e de agrotóxicos. (ii) A atividade de colheita gera a maior emissío de GEE devido à queima da palha da cana de açúcar. (iii) Também se mostrou que a expansío do cultivo da cana-de-açúcar e da produção de etanol nío afeta diretamente a produção de alimentos e o desflorestamento amazônico.
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Aluno(a) : Samuel Rodrigues Cruz
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/15/2011
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Resumo: Petróleo é formado por um conjunto de hidrocarbonetos. No reservatório, devido à altas pressões e temperaturas, encontra-se na forma de líquido. Conforme o petróleo escoa, a pressío cai assim como a temperatura, devido a perda de calor para o leito marinho, causando a liberação do gás dissolvido no petróleo tornando o escoamento bifásico. Adicionalmente, caso a temperatura caia abaixo da temperatura inicial de cristalização (TIAC), ocorre precipitação dos cristais, formando uma fase sólida que se deposita na parede interna das tubulações. Deposição de parafinas é um dos mais críticos problemas operacionais na produção e transporte de petróleo em linhas submarinas. O presente trabalho analisa numericamente a deposição de parafina em escoamento multifásico no interior de dutos para diversos padrões de fluxo. Investiga-se ainda a influência da presença da água e dos ângulos de inclinação da tubulação com a horizontal nas taxas de deposição. Para prever o escoamento multifásico utilizou-se o modelo de deslizamento e a deposição de parafina foi determinada baseada no modelo de difusío molecular. A modelagem desenvolvida foi validada com a simulação do escoamento ao longo de um duto curto, reproduzindo condições experimentais de laboratório. Os resultados obtidos para a espessura do depósito apresentaram excelente concordância com os dados experimentais e com os dados obtidos com o simulador comercial OLGA. Analisou-se o escoamento entre um poço produtor e uma plataforma na bacia de campos, onde determinou-se o impacto na perda de carga devido a diminuição do diâmetro interno da tubulação causada pelo aumento da espessura dos depósitos. Os resultados obtidos destes estudos apresentaram boa coerência física e razoável concordância com relação aos dados experimentais.
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Aluno(a) : Helena Regina Fonseca Coelho
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/13/2011
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Resumo: Este trabalho apresenta a Matriz Energética do Estado do Rio de Janeiro e realiza um estudo sobre as contribuições dos setores da economia do Rio de Janeiro no processo de emissío de gases de efeito estufa (GEE), para o horizonte 2008/2020. Com base na Matriz Energética do Estado do Rio de Janeiro, desenvolvida pelo Governo do Estado em parceria com o Instituto de Energia da PUC-Rio – IEPUC, tendo como ano base 2008, sío feitas simulações das taxas de emissões de GEE para diversos cenários de 2009 a 2020, levando-se em conta atividades industriais, de transporte e queima. O estudo permite apresentar métodos de planejamento energético, modelagem de matrizes e emissões de gases de efeito estufa, assim como sistemas de informação atuais utilizados para realização destas e outras atividades de planejamento energético, em especial o Sistema LEAP – Long Range Energy Alternatives Planning System. Este projeto pode ser utilizado como base para futuros estudos da Matriz Energética do Rio de Janeiro e como base para implementação de ações de mitigação das emissões de GEE no Estado do Rio de Janeiro.
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Aluno(a) : Giovane Barroso Lima Nogueira
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/11/2011
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Resumo: Emulsões podem ser utilizadas como agentes de controle de mobilidade em diferentes processos de recuperação melhorada de petróleo e armazenamento de carbono em reservatórios porosos. A aplicação desta técnica, com a escolha correta das características das emulsões injetadas e a determinação das condições de operação ótimas, requer o perfeito entendimento do escoamento de emulsões em meios porosos. As características macroscópicas do fluxo de emulsões através de meios porosos estío diretamente ligadas ao escoamento bifásico na escala de poros. Modelos de rede de capilares permitem a implementação dos mecanismos de fluxo das gotas nas gargantas de poros e fornecem parâmetros macroscópicos do escoamento. Neste trabalho, o escoamento de emulsões em meios porosos é analisado através de um modelo dinâmico de rede de capilares tridimensional e nío estruturado. A distribuição de pressío e conseqüentemente o fluxo em cada capilar da rede é determinado pelo balanço de massa em cada poro. O efeito das gotas da fase dispersa no comportamento do escoamento em cada elemento da rede é descrito por um fator de bloqueio de fluxo baseado em resultados experimentais de escoamento de emulsões através de micro capilares com gargantas. O fator de bloqueio descreve a mudança da condutividade de cada elemento e é uma função da geometria da garganta, do tamanho e concentração volumétrica da fase dispersa e do número de capilaridade local. A distribuição de concentração da fase dispersa ao longo da rede é descrita através de uma equação de transporte de massa, permitindo assim o estudo do processo de filtragem de gotas nos poros e o estudo da injeção alternada de água e emulsío. A integração no tempo do modelo dinâmico é feita por um método semi-implícito e o sistema de equações nío linear obtido a cada passo de tempo é resolvido através de um método iterativo. Os resultados apresentam a evolução da redução da permeabilidade e concentração de gotas na saída do meio poroso em função do tamanho das gotas, da vazío de injeção, da concentração da emulsío injetada e do volume injetado de emulsío. A análise da injeção alternada de água-emulsío mostram claramente o bloqueio de poros por gotas da emulsío e a alteração no padrío de escoamento após reiniciada a injeção de água.
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Aluno(a) : Tiago Baltar Simões
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/07/2011
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Resumo: O interesse pelo monitoramento da integridade estrutural de risers flexíveis tem crescido significativamente nos últimos anos. Para dutos que já estío atingindo sua vida de projeto, sistemas de monitoramento podem fornecer alertas antecipados de possíveis falhas e também auxiliar o operador na programação de paradas para manutenção. Diferentes técnicas estío sendo testadas tais como inspeção visual automatizada, monitoramento de vibrações e emissío acústica, além de técnicas baseadas em métodos eletromagnéticos. Algumas destas técnicas já estío sendo implementadas nas unidades de exploração e produção. A presente contribuição aborda o monitoramento contínuo e em tempo real utilizando sensores a fibra óptica (Redes de Bragg) para detectar a ruptura dos arames nas armaduras de tração de risers flexíveis. Duas linhas sío seguidas, monitoramento direto e monitoramento indireto. O monitoramento indireto consiste na instrumentação da capa polimérica do riser, de forma nío intrusiva, e avalia possíveis alterações na mesma, causadas pelo rompimento dos arames. Para isso foi desenvolvido um transdutor, denominado Colar 3D, capaz de detectar variações no diâmetro externo, elongação e torção no duto. A técnica de monitoramento direto é denominada MODA (Monitoramento Óptico Direto nos Arames). Nesta técnica os arames sío instrumentados individualmente com os sensores ópticos, que monitoram as tensões/deformações dos mesmos, assim, rompimentos de arames e comportamentos inesperado podem ser facilmente detectados. Resultados de ensaios em escala real mostraram que a probabilidade de detecção do monitoramento indireto aumenta significativamente quando o sistema é empregado em conjunto com outros tipos de monitoramento indireto. Os resultados de laboratório para o monitoramento direto apontaram alta sensibilidade e confiabilidade do sistema, que já foi instalado em três plataformas operadas pela Petrobras na Bacia de Campos.
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Aluno(a) : Oswaldo Angel Francisco Robles Castillo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/01/2011
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Resumo: No método de injeção de água, o óleo no reservatório é varrido até os poção produtores através de frentes de deslocamento nío uniformes, deixando óleo estagnado em grandes regiões do reservatório. Frentes uniformes de deslocamento e uma melhor varredura do reservatório podem ser obtidas diminuindo a razío de mobilidade entre a água e o óleo. Normalmente, esta diminuição é feita através da modificação da razío de viscosidade entre ambas as fases. No método de injeção de emulsões, o controle da mobilidade é alcançado bloqueando os poros ou caminhos gerados pela água com gotas da fase dispersa com diâmetro da mesma ordem ou maior do que o tamanho de poro. A aplicação de emulsões no controle da mobilidade e o efeito do bloqueio de poro podem ser desenvolvidos mediante a análise de diferentes regimes de escoamento de emulsões em meios porosos. Neste trabalho, o estudo do escoamento de emulsões em meios porosos foi realizado mediante duas abordagens experimentais utilizando um micro-capilar com garganta para modelar uma garganta conectando dois poros adjacentes. Na primeira abordagem experimental, quantificou-se a queda de pressío para diferentes vazões com emulsões de três tamanhos de gota e duas concentrações de óleo em dois capilares diferentes. Os resultados confirmam que a razío entre o diâmetro da garganta do capilar e o tamanho de gota influencia fortemente a relação vazío-queda de pressío. Os resultados mostram que, para baixos números de capilaridade, o escoamento de emulsões é dominado por efeitos capilares e leva a uma diminuição da mobilidade local. Na segunda montagem experimental, o sistema de micro-velocimetria por imagem de partículas ou μ-PIV foi utilizado para medir campos de velocidade do escoamento através de micro-capilares com garganta. A técnica “ensemble - average” foi empregada para obter resolução na ordem de 20 µm. Os resultados experimentais da relação vazío-queda de pressío e os campos de velocidade obtidos mediante o μ-PIV representam informação de grande valor para o desenvolvimento de modelos de redes de capilares no estudo do escoamento de emulsões em meios porosos.
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Aluno(a) : Leonardo Motta Carneiro
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/30/2011
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Resumo: A grande maioria dos dutos de transporte de petróleo e derivados no Brasil trabalha com válvulas de alívio no projeto dos seus sistemas de proteção. Desta forma, perfeito dimensionamento e funcionamento destas válvulas é fundamental para garantir a segurança de dutos de transporte e dos terminais de carga e descarga, caso haja alguma condição anormal de operação que gerem sobrepressões. Estas válvulas possuem o princípio de aliviar a pressío interna do duto caso a mesma ultrapasse um valor definido e calibrado na válvula. Simplificadamente, a válvula de alívio de pressío tipo mola possui um disco o qual é pressionado pela mola contra o bocal de entrada. Quando a pressío do duto se eleva, a força gerada na superfície do disco aumenta e, dependendo do ponto de ajuste da mola, supera a força exercida pela mola fazendo com que o disco se eleve, descarregando pelo bocal de saída o fluido para o tanque de alívio e, consequentemente, reduzindo a pressío no duto. Desta forma, a válvula de alívio garante que o duto nío seja submetido a pressões superiores às pressões de projeto, o que poderia levar a uma falha do duto e a um possível vazamento de produto para meio ambiente. Este trabalho propõe um estudo experimental e numérico para determinar o comportamento dinâmico de válvulas de alívio de mola. Foi realizada a montagem de uma bancada experimental com um circuito de água contendo uma bomba, uma válvula de alívio e uma válvula de bloqueio capaz de interromper o fluxo do circuito gerando um transiente de pressío no qual a válvula de alívio abrirá para aliviar a pressío interna no sistema. A válvula de alívio é instrumentada para medir as grandezas necessárias para estudar o comportamento dinâmico da válvula e os transientes de pressío e vazío no duto. Os resultados experimentais sío comparados com os resultados obtidos de modelos computacionais proporcionando o aperfeiçoamento e validação destes modelos.
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Aluno(a) : Lady Marylin Pumisacho Ocaí±a
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/21/2011
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Resumo: O fato que a dissolução de pequenas quantidades de polímero de cadeias moleculares longas em fluxo turbulento através dutos reduz drasticamente o atrito, é conhecido há muitos anos. No entanto, muitos aspectos fundamentais deste fenômeno ainda nío sío bem compreendidos, particularmente os mecanismos de interação entre o polímero e o líquido. O presente trabalho descreve os resultados de um estudo voltado para fornecer informações detalhadas sobre as características da turbulência no escoamento de água com aditivo polimérico através de tubos. Para isto, foram realizados experimentos para medir o campo instantâneo de velocidade em uma seção longitudinal de um tubo, empregando a técnica de Velocimetria de Partículas por Imagem, PIV, em sua versío bidimensional. As grandezas estatísticas turbulentas foram obtidas a partir de uma série de 2.500 campos instantâneos de velocidade medidos para cada configuração de escoamento caracterizada pelo número de Reynolds e pela concentração de polímero em água. Foram medidos campos de velocidade média, de flutuações de velocidade dadas por valores RMS e perfis de tensío turbulenta. Especial atenção foi dedicada ao projeto da seção de testes, de modo a minimizar as distorções de imagem junto à parede do tubo. Na regiío de visualização, a parede do tubo foi usinada com uma espessura de 500 µm para minimizar a refração óptica da superfície curva. Esta tubulação de paredes finas, em combinação com uma caixa de acrílico preenchida com água posicionada ao redor do tubo, permitiu medições de velocidade com a técnica PIV em posições a cerca de 250 µm da parede do tubo, o que equivale a menos de 10 unidades em coordenadas de parede. A análise dos campos de deslocamento das partículas traçadoras nas imagens capturadas empregou uma combinação da técnica PIV clássica com técnicas de acompanhamento de partículas, resultando em medidas com resolução espacial substancialmente melhorada. Os testes foram conduzidos para uma faixa de números de Reynolds de 23000 a 80000, e para 20 ppm de concentração de polímero Superfloc A110 em água. As medidas da queda de pressío indicaram reduções no coeficiente de atrito da ordem de 50%. Os resultados obtidos demonstraram que a presença do aditivo polímerico produz alterações na estrutura do escoamento turbulento junto à parede, o que se reflete em mudanças na camada de amortecimento do perfil de velocidade. Número de Volumes:
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Aluno(a) : Cecília Toledo de Azevedo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 01/06/2011
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Resumo: O fraturamento hidráulico, assim como outras operações na indústria do petróleo, torna-se um processo complexo a partir do momento em que nío pode ser observado diretamente. O sucesso da operação depende de informações utilizadas na elaboração do projeto, relacionadas ao reservatório e ao fluido de fraturamento que, no entanto, podem apresentar baixa confiabilidade, já que sío influenciadas por fatores de escala, pela variabilidade no ambiente geológico e pelas diferenças entre o ambiente de testes e a condição do reservatório. Como resultado, estas incertezas podem levar a fraturas mal dimensionadas, ou até mesmo à interrupção forçada da operação. Neste contexto, a análise das pressões durante a operação de fraturamento hidráulico é reconhecida como uma técnica poderosa por permitir a compreensío do processo de criação da fratura. O registro das pressões no poço é um dado de baixo custo que possibilita o diagnóstico da fratura através da estimativa de seus parâmetros, como altura e comprimento, que irío definir se os objetivos planejados no projeto do fraturamento foram realmente alcançados. Analisando o período de TSO das operações de fracpack, Valkó & Oligney identificaram que, ao invés do constante aumento de pressío com o bloqueio da propagação da fratura para o alargamento e empacotamento de sua abertura, as formações inconsolidadas de alta permeabilidade podem intercalar esse aumento de pressío com períodos de redução de pressío. Uma possível interpretação para este fato é que durante o bloqueio da propagação da fratura no TSO, existem momentos em que a fratura sofre uma acomodação e volta a ganhar comprimento, resultando nos declínios de pressío. Com base nesta hipótese, Valkó & Oligney propuseram um modelo que estima a evolução da fratura e a distribuição final do agente de sustentação, utilizando uma interpretação direta da curva de pressío de fundo medida durante a operação de fracpack, sendo os únicos dados de entrada os registros geralmente disponíveis durante e após a operação (pressío de fundo, vazío e concentrações do agente de sustentação). Considerando uma fratura de geometria radial e utilizando equações simples de fluxo e de geomecânica, o modelo obtém raios de empacotamento a partir da inclinação positiva da curva de pressío de fundo durante o período de TSO. Nesta dissertação o método de Valkó & Oligney é aprimorado com a inclusío e o ajuste das equações de estado para a propagação da fratura e para o processo de filtração, respectivamente. O método também é estendido para as geometrias bidimensionais de fratura, PKN e KGD. Os resultados obtidos sío a propagação da fratura, o crescimento da abertura e a eficiência do fluido ao longo do tempo, assim como a curva de distribuição final do agente de sustentação na fratura. Este trabalho compara seus resultados aos obtidos a partir do ajuste de pressío em dois simuladores comerciais: um pseudo 3D e um verdadeiramente 3D. Como condição de contorno foram considerados dois possíveis intervalos para a iniciação da fratura: o canhoneado e a menor tensío. Desta forma, o trabalho permite uma interessante avaliação da geometria da fratura obtida nas operações de fracpack.
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Aluno(a) : Dario Prada Parra
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes e Cícero Martelli
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/09/2010
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Resumo: Desenvolve-se um sensor baseado na tecnologia da fibra óptica que detecta a mudança de fase do CO2. O sensor é composto de uma fibra óptica monomodo e uma bancada experimental composta por 3 sistemas: óptico, eletrônico e mecânico, facilitando a aquisição das medidas. A grandeza utilizada para detectar a mudança de fase do CO2 foi o índice de refração e, para isto, foi utilizado um refratômetro que mede o índice de refração de substâncias e fundamenta-se na refração de Fresnel. Além disso, foi necessária uma calibração do sensor, empregando-se substâncias padrío de índice de refração conhecidos na faixa de 1,26 a 1,40, além de calibração de índice de refração unitário para o ar. Para observar a mudança de fase do CO2, testou-se o CO2 mudando a temperatura na faixa entre -40 oC e 21 oC a e pressões entre 1 bar a 57 bar. O sistema operou de acordo com as expectativas, detectando corretamente o índice de refração do CO2 para as fases de gás e liquido.
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Aluno(a) : Paula Stofer Cordeiro de Farias
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/03/2010
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Resumo: Uma técnica óptica nío intrusiva foi desenvolvida para fornecer imagens instantâneas do filme líquido em escoamento anular horizontal ar-água. Imagens instantâneas das seções longitudinais e tranversais do escoamento revelaram o comportamento dinâmico do filme de líquido ao redor do tubo. A técnica PLIF – Planar Laser Induced Fluorescence – foi utilizada para separar a luz emitida pelo filme daquela (mais intensa) refletida na interface ar-água. A seção de testes utilizada foi fabricada em material com índice de refração próximo ao da água, o que permitiu que regiões muito próximas às paredes fossem estudadas sem distorções ópticas apreciáveis. Imagens longitudinais do filme de líquido foram capturadas utilizando uma câmera de alta velocidade sincronizada com um laser de alta taxa de repetição de pulsos. Foram realizados testes com frequências de aquisição de 250 e 3000 Hz. Um algoritmo computacional foi especialmente desenvolvido para medir automaticamente a posição da interface ar-água em cada imagem. A espessura de filme líquido foi medida em duas posições axiais em cada imagem, gerando dados para a variação temporal da espessura do filme de líquido em duas posições diferentes. As velocidades de propagação das ondas de líquido foram calculadas através da correlação cruzada dos sinais de espessura de filme em função do tempo das duas posições axiais. O espectro de frequência das ondas foi obtido a partir do sinal transiente de espessura do filme de líquido capturado. Os resultados obtidos permitiram estudar a dependência das propriedades do filme líquido com os parâmetros globais do escoamento, tais como as velocidades superficiais de gás e líquido. O trabalho realizado também implementou uma técnica de visualização transversal da seção reta do escoamento, empregando para isso duas câmeras digitais de alta velocidade em uma montagem estereoscópica. O laser de alta repetição foi montado de modo que seu feixe iluminasse a seção tranversal do tubo. Imagens obidas com as duas câmeras foram distorcidas usando um alvo de calibração e um polinômio para correção das imagens. Estas imagens distorcidas foram unidas para reconstruir a forma completa do filme de líquido na seção tranversal do tubo em função do tempo. Os resultados obtidos com a técnica estereoscópica desenvolvida constituem-se em uma contribuição original na área de medição de escoamentos bifásicos. Comparações com os resultados disponíveis na literatura indicam que o presente trabalho fornece resultados com níveis de incerteza experimentais equivalentes a outras técnicas bem estabelecidas. Os resultados obtidos com as técnicas desenvolvidas forneceram informações úteis para auxiliar o entendimento do comportamento dinâmico do filme de líquido em escoamentos bifásicos anulares.
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Aluno(a) : Flavio Lage Bormann
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/24/2010
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Resumo: A formação de emulsões está presente em diversas atividades industriais, principalmente no setor petrolífero. A análise de quebra de gota em capilares com garganta remete ao estudo da formação de emulsões e suas características em meios porosos. Esta dissertação apresenta um modelo numérico baseado nas equações de conservação, e na teoria da lubrificação. O modelo foi desenvolvido considerando as duas fases como fluidos Newtonianos, e o sistema de equações diferencias resultante foi resolvido pelo método de diferenças finitas centrais, implementado em ambiente MATLAB®. Determina-se o campo de pressío dos fluidos, bem como sua interface ao longo do tempo. A análise da influência de parâmetros, tanto da geometria do meio poroso quanto da reologia dos fluidos, indicou comportamentos adequados em comparação com a literatura. Observou-se que a viscosidade do fluido da fase contínua possui maior influência no tempo de formação de gota, do que a viscosidade do fluido da fase dispersa. O tempo de quebra de gota da fase dispersa varia linearmente com a viscosidade da fase contínua. Observa-se que o raio da garganta do capilar influencia diretamente no tempo de quebra de gota, onde para raios menores, o tempo de formação de gota será menor do que para um raio de garganta maior, devido a um gradiente de pressío capilar mais elevado.
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Aluno(a) : Fabio Pereira de Medeiros
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/23/2010
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Resumo: O avanço da exploração de petróleo no Brasil nos conduziu progressivamente para o alto mar, onde se descobriu a maior parte dos campos de petróleo nacionais. O crescimento da atividade offshore e a crescente utilização de plataformas FPSO resultaram num aumento das atividades de embarcações relacionadas com o processo de exploração e produção de petróleo, principalmente na regiío da Bacia de Campos, principal pólo produtor. Entretanto, a expansío da atividade marítima também implica em uma maior emissío de poluentes, por serem embarcações que utilizam óleo diesel ou bunker como combustível, trazendo conseqüências ao meio ambiente e aos seres humanos. A presente dissertação quantifica as emissões de poluentes e gases de efeito estufa dos navios envolvidos na atividade de exploração e produção de petróleo na Bacia de Campos. A metodologia empregada considerou uma abordagem bottom-up para estimar o consumo energético das embarcações, baseado em dados sobre a quantidade, as características e as atividades dos navios envolvidos. Posteriormente, usou-se fatores de emissío para determinar as quantidades de poluentes emitidos. Os resultados foram confrontados com dados de emissões em escala regional, nacional e internacional, onde se pôde concluir que os valores de emissões obtidos sío significativos. Discussões finais apresentam métodos e oportunidades de se reduzir as emissões provenientes de navios, indicam sugestões para pesquisas complementares e relacionam os resultados obtidos com a importância do pagamento de royaties para os estados e municípios produtores de petróleo.
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Aluno(a) : Luis Fernando Palomino Yupa
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/21/2010
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Resumo: O desenvolvimento acelerado da economia aumentou consideravelmente a demanda por energia no ultimo século. A busca por combustível em zonas offshore foi assim viabilizada, mas exigiu para isso grandes avanção tecnológicos em várias áreas da ciência. A produção de petróleo em zonas de grande profundidade envolve o uso de equipamentos especializados e operações complexas. A deposição de parafina em linhas de produção e transporte por dutos é um dos maiores desafios a ser vencido para viabilizar a produção de petróleo offshore. As conseqüências geradas pela deposição de parafina sío a obstrução parcial ou total do duto, o aumento do custo energético com o bombeamento, a redução de produção na linha, a perda de equipamentos e instalações, e o aumento dos riscos operacionais. O presente trabalho busca um melhor entendimento dos mecanismos responsáveis pela deposição de parafina em dutos sob regime de escoamento turbulento. Para isso, foram usados dispositivos experimentais simples, operando com fluidos de propriedades conhecidas e submetidos a condições de contorno controladas. Os resultados obtidos nos experimentos de deposição sob escoamento turbulento revelaram qualitativa e quantitativamente, que com o aumento do número de Reynolds o depósito total de parafina diminui consideravelmente. As imagens do processo de deposição obtidas permitiram observar com clareza o crescimento dos depósitos. Sob algumas condições de operação, observou-se a remoção do depósito pela ação da tensío cisalhante gerada pelo escoamento. As informações geradas sobre a variação temporal e espacial do depósitos de parafina ao longo do canal sío informações originais que podem ser utilizadas tanto para auxiliar no entendimento dos mecanismos responsáveis pela deposição de parafina, quanto para a avaliação de modelos de
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Aluno(a) : Philipe Barroso Krause
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/20/2010
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Resumo: Esta dissertação apresenta um levantamento dos principais pontos da captura, transporte, utilização e armazenamento permanente do dióxido de carbono. Este estudo considera duas motivações importantes e complementares: (1) Os diversos usos e métodos de armazenamento permanente de CO2 na atualidade; (2) O transporte deste fluido entre o ponto de captura e o ponto de uso e/ou armazenamento. O estudo está divido entre os principais métodos para captura do CO2, os principais usos do CO2 e os métodos de transporte, mas especificamente na área de dutos. Nesta parte, foram feitas diversas simulações, tanto teóricas quanto baseadas em casos reais, assim como um breve estudo da parte de custos destes projetos.
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Aluno(a) : Priscilla Ribeiro Varges
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/17/2010
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Resumo: Estudou-se neste trabalho o deslocamento de fluidos em meios porosos utilizando células de Hele-Shaw. Especificamente, investigou-se experimentalmente o deslocamento de um fluido nío newtoniano por um newtoniano em uma célula retangular de Hele-Shaw. A instabilidade de Saffman-Taylor ou viscous fingering é um fenômeno observado quando um fluido de menor viscosidade desloca um de maior viscosidade, e a célula de Hele-Shaw é uma ferramenta conveniente para a sua observação. Esse fenômeno é muito importante em diversas aplicações, como por exemplo: recuperação secundária e terciária de petróleo, invasío de fluidos de perfuração em meios porosos, fraturamento hidráulico, processamento de polímeros, hidrologia e filtração. É vasta a literatura relativa ao estudo de fluidos newtonianos e nío newtonianos deslocados por ar em células de Hele-Shaw. Entretanto, existem poucos trabalhos envolvendo deslocamentos de líquidos com viscosidades comparáveis, ou seja, razío de viscosidade diferente de zero. Apresentou-se o detalhamento do projeto de construção de uma célula de Hele-Shaw aplicável ao deslocamento de um líquido por outro líquido. A evolução da forma da interface foi analisada, através de uma câmera fotográfica, em função dos parâmetros geométricos, dinâmicos e reológicos. A partir da vetorização da forma da interface, determinou-se a eficiência do deslocamento. Sendo assim, foi definido o espectro de situações em que há formação de fingers e plugs relativos ao deslocamento de goma xantana por um óleo mineral. Nío há na literatura uma convenção universal para apresentação dos resultados, logo uma contribuição original refere-se à adimensionalização proposta onde os principais parâmetros governantes sío a velocidade adimensional, o número de capilaridade reológico e o índice de comportamento da goma xantana. Observou-se que para um valor constante do índice de comportamento e para um valor do número de capilaridade reológico da ordem de 10-4, a eficiência de deslocamento aumenta com a velocidade adimensional, porque a razío de viscosidade diminui.
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Aluno(a) : Luana de Brito Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/30/2010
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Resumo: O presente trabalho analisa o impacto do envelhecimento dos materiais compostos quando utilizados como elemento estrutural de reforço em dutos (reparo). O estudo envolveu etapas de revisío bibliográfica, desenvolvimento de métodos experimentais de envelhecimento, execução de testes e análise estatística dos resultados. Um procedimento envolvendo testes com amostras que sofreram envelhecimento acelerado foi desenvolvido objetivando encontrar possíveis parâmetros indicativos de envelhecimento estrutural (módulo de elasticidade E, deformação máxima δ e limite de resistência a tração Su) para materiais compostos de fibra de vidro e resina epóxi. Os testes envolveram amostras submetidas a ambientes com radiação UV, de temperatura de 70°C e água a temperatura de 70°C. Para desenvolvimento do estudo, foram utilizados 10 espécimes de tubos de aço com 75 mm de diâmetro e 2 mm de espessura de parede, onde em 9 deles foram usinados rebaixos na superfície externa para simular defeitos longitudinais, representando perdas de espessura por corrosío. Em seguida, os espécimes com defeito foram reparados com 8 camadas de material composto. Foram confeccionados ainda 49 corpos de prova retangulares, a partir de placas de 25cmx25cm, para a realização de ensaios de tração e flexío. Depois de envelhecidos, os espécimes foram submetidos a ensaios de tração (ASTM – 3039), flexío (ASTM D790) e ruptura dos tubos submetidos à pressío interna, objetivando investigar variações dos parâmetros estruturais E, δ e Su, para verificar a possível ocorrência de degradação. Assim, através de observações visuais e da variação das propriedades, pode-se perceber que em nenhum dos resultados, foi possível comprovar de fato o envelhecimento do material. Alguns resultados apresentaram variações no E e Su, porém estas nío foram significativas e/ou conclusivas para garantir o comprometimento do uso de tal material.
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Aluno(a) : Eduardo Martin Cabellos Villalobos
Orientador(a): Márcio Carvalho e Ranena Verónica
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/20/2010
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Resumo: A produção de óleo diminui e a produção de água aumenta com o passar do tempo na vida de um reservatório. A mistura de óleo e água é geralmente produzida na forma de uma emulsão. A formação da emulsão começa no escoamento bifásico no interior do reservatório e sua estrutura muda na medida em que os líquidos escoam através de tubulações, bombas e válvulas até as instalações de superfície. Durante a produção, as gotas maiores da fase dispersa quebram-se mudando a distribuição do tamanho das gotas. É importante conhecer a distribuição de tamanho de gota da fase dispersa da emulsão a fim de projetar as unidades de separação e prever as quedas de pressão ao longo do escoamento. O objetivo do presente trabalho é o estudo do processo de quebra de gotas em capilares retos e válvulas agulha a fim de prever o tamanho das gotas resultantes em função das condições de escoamento. O principal desafio é entender como os diferentes parâmetros operacionais de escoamento afetam o processo de quebra. Duas bancadas experimentais foram utilizadas para o estudo do processo. Na primeira, foi realizada uma análise paramétrica de formação de emulsões em um escoamento laminar através de capilares retos. Os experimentos foram realizados utilizando duas seringas conectadas através de um capilar. A emulsão óleo-emágua foi forçada a uma passagem de ida e vinda através do capilar. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa foram obtidos em função da vazão de injeção, taxa de cisalhamento, tempo de residência e trabalho dissipado na parede do capilar. Como esperado, o diâmetro médio da fase dispersa diminui com o aumento do tempo de cisalhamento atingindo um valor assintótico e possui uma grande dependência com a taxa de cisalhamento na parede do capilar. Na segunda bancada, foi realizada uma análise paramétrica de um escoamento turbulento de emulsão óleo-em-água através de uma válvula agulha. Os experimentos foram realizados utilizando uma bomba helicoidal para controlar a vazão através da válvula. O diâmetro médio de gota e a superfície específica da fase dispersa a montante e a jusante da válvula foram obtidos em função da queda de pressão, vazão e taxa de dissipação de energia na válvula. O diâmetro médio da fase dispersa diminui e a superfície específica aumenta com o aumento da queda de pressão na válvula agulha até atingir um valor assintótico.
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Aluno(a) : Manolo Miguel Pinto Málaga
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 06/30/2010
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Resumo: Qualquer atividade em uma sociedade moderna só é possível com o uso intensivo e eficiente de uma o mais formas de energia. Das diversas formas de energia interessam, em particular, aquelas que sío processadas pela sociedade e colocadas a disposição dos consumidores, tais como a energia elétrica. Neste trabalho se apresenta o desenvolvimento de duas metodologias que vío nos permitir gerar curvas de Capacidade de Carga a partir de (i) dados aleatórios de perfil de consumo de energia elétrica da PUC – Rio (ii) as contas (Faturas) da concessionária local; para depois fazer uma analise econômica de investimentos que possa dimensionar o numero ótimo de geradores de energia elétrica necessários para diminuir o custo deste subministro, todo isso no marco do sector comercial e no horário de ponta. As duas metodologias se ajustam a perfis reais de consumo nos quais nío se tem todos aqueles dados desejados, mas, para validar as duas metodologias utilizaram-se dados reais de consumo de energia elétrica cada 15 minutos e durante quatro anos da PUC – Rio. A primeira metodologia mostra como podemos gerar as curvas de Capacidade de Carga fazendo uso de uma Função Estatística de Densidade de Probabilidade só com dados de um mês qualquer. A segunda metodologia mostra como fazer a curva de Capacidade de Carga só com as faturas fornecidas pela concessionária, para esta segunda metodologia utilizou-se um programa baseado na plataforma EES (Engineering Equation Solver) para a solução de sistemas de equações polinomiais de terceiro grau.
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Aluno(a) : Gustavo Fernando Dorregaray Portilla
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/30/2010
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Resumo: Desenvolveu-se um modelo termodinâmico para cálculo do consumo energético e do impacto ambiental (LCCP e TEWI) em sistemas de refrigeração de supermercados para três diferentes configurações (expansío direta, fluido secundário e em cascata). O modelo termodinâmico trabalha solidário com o pacote de cálculo de propriedades REFPROP e determina diversos parâmetros de funcionamento do ciclo de refrigeração, tais como o COP e a capacidade de refrigeração do ciclo. O modelo trabalha com sustâncias puras ou misturas delas, podendo estas ser azeotrópicas ou nío-azeotrópicas. Procede-se a uma análise do tipo BIN (Intervalo) a partir de informações climatológicas anuais de cada cidade e ao cálculo do consumo anual de energia para cada intervalo considerando-se o consumo do compressor, das bombas, se for o caso específico da utilização de fluido secundário, e também o consumo energético dos expositores frigoríficos. Realizou-se, também, uma análise detalhada da carga térmica para cada um dos expositores frigoríficos e da carga total (inventário) do refrigerante no supermercado. Finalmente, conhecidos o consumo energético anual, a massa total de refrigerante e outros fatores ambientais, procedeu-se ao cálculo do LCCP (Life cycle climate performance) e do TEWI (Total equivalent warming impact), em quilogramas equivalentes de CO2. Um programa computacional, com interface baseada na plataforma Visual-Basic 6.0, com aplicações para Excel, foi desenvolvido para a solução dos sistemas de equações resultantes do modelo matémático desenvolvido. Os resultados obtidos com o código computacional foram comparados com dados de campo e de outros modelos.
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Aluno(a) : Antonio Carlos Scardini Villela
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/29/2010
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Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo comparativo do desempenho, em banco de provas, de um motor flexível do ciclo Otto equipado com um sistema de injeção eletrônica programável, funcionando com etanol hidratado e etanol anidro. Para tanto, foram obtidos resultados de parâmetros de desempenho com esses dois combustíveis, em diferentes condições de operação. A partir dos resultados de pressío, adquiridos por um sensor instalado em um dos cilindros do motor, foram calculados, entre outros, o calor liberado, a taxa de liberação de calor, a fração de massa queimada e a duração da combustío. Os ensaios ocorreram em três condições operacionais do motor flexível: potência máxima, torque máximo e em uma condição representativa de velocidade de cruzeiro do motor. Devido à possibilidade de se variar livremente alguns parâmetros normalmente tabulados em um motor com um sistema de injeção eletrônica de combustível convencional, foi possível otimizar o torque do motor, para cada combustível e nas condições operacionais escolhidas, no que se refere ao avanço de ignição e à relação ar-combustível. Dessa forma, pôde-se simular os efeitos da utilização do etanol anidro em motor calibrado para o etanol hidratado. Os resultados mostram os efeitos da variação do conteúdo de água no etanol, bem como a influência da relação ar-combustível e do avanço de ignição sobre o desempenho e a combustío em motor flexível. Sío apresentadas ainda correlações entre as variáveis de desempenho medidas e os parâmetros de combustío calculados, bem como comparações com resultados de desempenho obtidos em veículos flexíveis.
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Aluno(a) : Ana Cecília Miranda Rodriguez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/22/2010
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Resumo: O petróleo raramente é produzido puro, na maioria das vezes ele é produzido junto com água na forma de emulsío. A formação de emulsões durante a produção de petróleo é altamente problemática para o escoamento e processamento do óleo, podendo causar problemas de garantia de escoamento e aumentar o custo de separação das fases. O processo de emulsificação começa no interior do reservatório, no escoamento de água e óleo pelo meio poroso e continua no escoamento bifásico no poço, no fluxo turbulento nas bombas, válvulas e nas instalações de superfície. Existe incerteza em relação às condições que favorecem a emulsificação dentro dos reservatórios. Este trabalho é focado na formação de emulsões no fluxo multifásico de óleo e água em meios porosos. Um estudo experimental foi desenvolvido para analisar o efeito das variáveis do processo e das características do meio poroso e dos fluidos, na morfologia das emulsões formadas. Água e óleo foram injetados como fases separadas num meio poroso formado por micro-esferas de vidro. Os fluidos produzidos foram coletados e analisados para determinar o tipo de emulsío produzida e suas características morfológicas. Os resultados dos experimentos mostraram que a morfologia das emulsões depende principalmente das condições operacionais nas quais os fluidos sío produzidos. O tamanho das gotas da fase dispersa diminui com o aumento da vazío total e aumenta com o incremento da razío de vazío água/óleo. Constatou-se também que as características do meio poroso sío determinantes nas características físicas das emulsões. Um meio poroso de maior permeabilidade levou à produção de emulsões com distribuições de tamanho de gota mais dispersas e diâmetro médio de massa maior. Nesse meio poroso observou-se também em algumas condições, produção simultânea de emulsões a/o e o/a, enquanto num meio poroso de menor permeabilidade ocorreu inversío total das fases. Depois da inversío foi comum a presença de emulsões múltiplas.
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Aluno(a) : Thiago Salcedo
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/20/2009
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Resumo: Este trabalho apresenta a análise e o estudo da tecnologia utilizada pelo pig instrumentado, chamado Pig Palito, usado para detecção e dimensionamento de perda de espessura em dutos provocada por corrosío interna. Estes estudos têm objetivo de avaliar a dinâmica de medição dos sensores do Pig Palito, através da aplicação de testes experimentais de vibração, perfilagem geométrica e análise por elementos finitos, assim como demonstrar as fases de desenvolvimento do projeto e resultados obtidos com a nova técnica de dimensionamento de micro geometria. Os dutos submarinos (offshore) empregam tradicionalmente as mesmas tecnologias de inspeção usadas em dutos terrestres (onshore) e uma dessas tecnologias é o pig instrumentado. No entanto, é encontrada uma vasta quantidade de dutos offshore com diferentes tipos de obstáculos que inviabilizam o uso dos pigs instrumentados convencionais, como os Pigs Magnéticos M.F.L. (Magnetic Flux Leakage) e Ultrassônicos. Os fatores relevantes que dificultam a inspeção, especialmente em dutos offshore, sío os multi-diâmetros, raios de curvatura acentuados, equipamentos instalados ao longo do duto (ex.: manifolds e válvulas submarinas), alta espessura de parede do duto, escoamento multifásico, etc. Atualmente, a técnica disponível no mercado para inspeção da corrosío interna em dutos baseia-se no uso de Pigs Ultrassônicos e Magnéticos. Contudo, esses pigs possuem suas próprias limitações. O Pig Ultrassônico convencional necessita de um fluido homogêneo com boas propriedades acústicas servindo como meio de propagação da onda sônica, o qual nem sempre é encontrado em oleodutos. Já o Pig Magnético tem sua capacidade de magnetização reduzida devido à alta espessura de parede encontrada em dutos offshore. Dentro deste contexto, foi desenvolvido um novo pig instrumentado, chamado de Pig Palito, para detecção e dimensionamento de perda de espessura em dutos com corrosío interna. Esta ferramenta foi desenvolvida para superar diversas limitações que outros pigs instrumentados convencionais têm durante a inspeção. Seus sensores de micro geometria realizam a medição direta de perda de espessura do duto pelo apalpamento da superfície interna, sem limite de espessura de parede e fluido homogêneo para inspeção no duto. O Pig Palito foi testado em campo e teve seu desempenho comparado ao Pig Ultrassônico convencional. As correlações obtidas nos resultados da inspeção dos dois pigs foram satisfatórias, tanto em geometria como em profundidade. Os resultados obtidos pela instrumentação do sensor palito na análise experimental indicam que a vibração dos sensores pode interferir na medição de micro geometria gerando erros de interpretação. A possibilidade de deteção, minimização e/ou eliminação desta possível deficiência do sensor palito sío factíveis e abordadas na presente dissertação. Os bons resultados das inspeções de campo com os Pigs Palito comprovam o sucesso e viabilidade técnica no emprego desta tecnologia.
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Aluno(a) : Bernardo Bastos Alexandre
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/15/2009
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Resumo: Na perfuração de poção de petróleo é necessária a utilização de um fluido de perfuração que apresenta diversas funções essenciais. O fluido de perfuração retorna para superfície pelo espaço anular formado entre a coluna de perfuração e a parede do poço, sendo fundamental a correta previsío desse escoamento. Uma análise profunda dessa situação é extremamente complexa, uma vez que o fluido tem comportamento nío Newtoniano, a coluna de perfuração apresenta rotação e é excêntrica, sendo que a excentricidade pode nío ser constante ao longo do poço. Os trabalhos disponíveis na literatura estudam os efeitos da rotação e do comportamento reológico do fluido, mas consideram a excentricidade constante (resultando em um modelo bidimensional com escoamento completamente desenvolvido). No presente trabalho as equações de conservação de quantidade de movimento e massa que governam o escoamento no anular com excentricidade variável serío simplificadas utilizando a teoria da lubrificação, resultando em um problema bidimensional que apresenta solução mais simples e de menor custo computacional. Modelos similares existentes na literatura desprezam o efeito de curvatura, sendo portanto válidos somente para razões de raio próximas da unidade. A formulação desenvolvida neste trabalho considera todos os termos, dando origem a uma teoria de lubrificação em coordenadas cilíndricas. A simplificação resulta em uma equação diferencial para o campo de pressío, que será resolvida utilizando diferenças finitas. O comportamento reológico do fluido será avaliado através do método da Viscosidade Newtoniana Equivalente. A partir da solução do campo de pressío é possível avaliar o perfil de velocidade do escoamento que varia ao longo da coordenada axial. Os resultados foram validados a partir de soluções disponíveis na literatura (para excentricidade constante). Além disso, os efeitos da variação da excentricidade no fator de atrito foram estudados e a existência de importante escoamento na direção azimutal mesmo sem rotação da coluna foi observada.
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Aluno(a) : Patrick Paquelet Pereira
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/14/2009
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Resumo: O efeito da adição de polímeros redutores de arraste em escoamentos vem sendo largamente estudado ao longo dos anos. Apesar de já ser utilizado em escala industrial, ainda nío há um perfeito entendimento sobre o mecanismo pelo qual a redução de arraste ocorre. Apesar dos inúmeros trabalhos publicados sobre este tema, ainda nío há consenso sobre como o polímero interage com o fluido. As tecnologias de medição mais recentes nos permitem verificar com mais exatidío as variações nas propriedades do escoamento geradas pala adição de polímeros. Conhecendo essas variações, podem-se tecer novas teorias, ou mesmo desenvolver polímeros mais eficientes para cada tipo de aplicação. O presente trabalho descreve os experimentos realizados para estudar os efeitos da adição de polímeros sobre os perfis de velocidade de um escoamento turbulento desenvolvido. O objetivo é estudar os mecanismos de redução de arraste observando os efeitos causados na queda de pressío, perfis de velocidade e intensidade de turbulência utilizando a velocimetria por imagem de partículas (PIV) como técnica experimental para medição do campo completo de velocidade. Optou-se pela utilização da técnica PIV em sua forma estereoscópica (SPIV) para a determinação do campo de velocidade tri-dimensional. Para a realização dos experimentos foi especialmente projetada e construída uma seção de testes que permitisse a realização de medidas de queda de pressío, além da medição de velocidades utilizando a técnica óptica SPIV. Além da cuidadosa seleção dos instrumentos para medição de vazío e queda de pressío, o projeto da seção de testes seguiu premissas para garantir a confiabilidade dos resultados. Para a validação da seção de testes, os resultados dos ensaios com água pura foram comparados com resultados conhecidos da literatura. Em seguida foram realizados experimentos com polímero e os resultados (como perfis de velocidade média, instantânea e perfis de flutuações de velocidade) comparados com as medidas para água pura. Foram realizados experimentos para quatro vazões distintas com e sem polímero. Para cada ensaio foram computados 600 campos de velocidade instantâneos. Os testes realizados abrangeram somente o regime de escoamento turbulento onde observa-se a redução de arraste pela adição de polímeros. Conseguiu-se uma redução no atrito da ordem de 50% antes da degradação do polímero. Foi possível mostrar que o efeito da redução de arraste pela adição de polímeros depende diretamente do número de Reynolds do escoamento. Para Reynolds baixo ( < 10.000 ) nío foi observada redução na perda de carga. No campo médio de velocidades foi observado um alargamento da camada de transição para o escoamento com a adição de polímeros, gerando um deslocamento do perfil de velocidades na regiío logarítmica. O perfil de tensões apresentou uma redução para o escoamento com polímero em relação à água pura, e apresentou um déficit de tensío. Isto significa que o polímero tem uma significativa contribuição no perfil de tensões principalmente próximo à parede.
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Aluno(a) : Felipe Leal da Costa Moutella
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/01/2009
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Resumo: A adaptação de um simulador numérico para a simulação da operação bicombustível diesel-gás em motores com ignição por compressío foi realizada. O código-fonte em questío foi desenvolvido ao longo dos últimos anos pelo IFP, e uma modificação ao modelo da auto-ignição nele contido foi concluída neste estudo. As diversas etapas necessárias para a adaptação sío apresentadas. Considerações foram feitas em relação à literatura existente para o assunto, e as hipóteses realizadas foram verificadas numericamente sempre que possível. Uma equação que relaciona os números de octanas do diesel e do gás natural com a auto-ignição de sua combinação é proposta. Foi construída uma extensa base de dados necessária ao funcionamento do modelo, contendo as taxas de reação em função dos parâmetros físicos da mistura. Por fim, buscou-se a validação do simulador com resultados experimentais.
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Aluno(a) : Renata Araújo Barroso Pereira
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/12/2009
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Resumo: Óleos pesados sío significativamente importantes no cenário brasileiro e internacional, sendo sua principal característica a alta viscosidade e consequente dificuldade de transporte. Além disso, durante o escoamento destes óleos ocorre a deposição de parafina nas paredes dos oleodutos, particularmente a baixas temperaturas. Esse tipo de petróleo possui características reológicas viscoplásticas, e sob certas condições ainda nío muito bem conhecidas, apresentam o fenômeno do deslizamento aparente ao escoar internamente, tendo o potencial de reduzir substancialmente a perda de carga em um escoamento. Neste trabalho foi investigado experimentalmente o deslizamento aparente que ocorre em escoamentos de materiais viscoplásticos bem como foi determinada a tensío cisalhante necessária para descolar uma quantidade de parafina depositada sobre diferentes revestimentos. Devido a uma evidência experimental de que o grau de deslizamento depende de duas propriedades físicas da superfície interna do duto, foram determinadas também a rugosidade e a molhabilidade destas. Foi construída uma planta experimental na qual era possível variar as placas (diferentes revestimentos e rugosidades) que formavam as paredes do canal pelo qual o fluido era forçado a escoar, de forma a se obter a curva vazío x pressío para cada tipo de revestimento. Estes escoamentos também foram simulados numericamente supondo ausência de deslizamento. A comparação entre as curvas experimentais e teóricas fornecem uma quantificação do deslizamento ocorrido nos experimentos. Utilizamos um fluido à base de água e um fluido à base de óleo. Foi observado que o deslizamento aparente, existente em escoamentos de materiais viscoplásticos, se manifesta na faixa de baixas tensões adimensionais e que os revestimentos possuem duas funções principais, a da redução da rugosidade e a do aumento da molhabilidade, ambas com o efeito de aumentar o nível de deslizamento e, consequentemente, reduzir a perda de carga, diminuindo os custos operacionais.
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Aluno(a) : Julio Raúl Sierra Vasquez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/11/2009
Local:
Resumo: Uma parte significativa das reservas mundiais de petróleo é encontrada na forma de óleos pesados. Estes óleos pesados possuem alta viscosidade de 100 - 10000 cP, que torna seu transporte altamente complexo e custoso. Vários métodos foram desenvolvidos para reduzir a perda de carga de escoamentos laminares de óleos de alta viscosidade. Entre os mais utilizados, pode-se citar o bombeio de um fluido de baixa viscosidade perto da parede do tubo com o óleo viscoso sendo transportado no centro, conhecido como "core-annular flow". Neste trabalho, uma alternativa ao core-annular flow é estudada. O método é baseado na utilização de micro ranhuras da parede do duto preenchidas com um liquido de baixa viscosidade. Este método tem o potencial de evitar alguns dos problemas que ocorrem no uso de core-annular flow. A análise do efeito das diferentes propriedades dos fluidos, condições de operação, geometria das ranhuras na perda de carga do escoamento foi feita através de um estudo numérico e experimental. Resultados indicam as limitações e potencialidade do uso de micro ranhuras na redução de perda de carga de escoamento laminar
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Aluno(a) : Mijail Febres Soria
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/29/2009
Local:
Resumo: O constante crescimento na demanda de combustíveis fósseis e as últimas descobertas de petróleo no Brasil têm tornado a modelagem de escoamentos multifásicos em tubulações e equipamentos na indústria do Petróleo numa tarefa crucial. Dentro as configurações possíveis que o escoamento multifásico pode adotar, o regime das golfadas possui uma enorme relevância devido às suas características intermitentes e seus fortes gradientes de pressío produzidos nas tubulações por onde escoa. Neste trabalho, estuda-se numericamente, com o método de volumes finitos, o regime das golfadas, determinando-se o campo de velocidade e pressío, assim como a forma do nariz da bolha de Taylor e a velocidade de translação de uma unidade básica de golfada tridimensional em uma tubulação horizontal. Considerou-se o escoamento isotérmico, e utilizou-se o referencial coincidente com a bolha de Taylor. Para modelar o escoamento turbulento utilizou-se o modelo RNG. A interface foi determinada com o modelo VOF (Volume of Fluid). Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais disponíveis, apresentando uma boa concordância.
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Aluno(a) : Miguel Angel Leon Mozo
Orientador(a): Sergio Braga e Juan José Guzmán
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/29/2009
Local:
Resumo: O objetivo deste trabalho é predizer e otimizar o desempenho de motores funcionando no modo bicombustível, Diesel-Gás Natural, fazendo uso da inteligência artificial. Pretende-se determinar a taxa de substituição ótima do combustível original diesel pelo gás natural que minimize custos de operação (combustíveis) e emissões de poluentes, tais como: monóxido de carbono, CO, hidrocarbonetos, HC, e óxidos de nitrogênio, NOx, priorizando-se também a eficiência térmica. Os dados analisados foram obtidos de testes anteriormente realizados. O procedimento envolve treinamento, validação e teste (utilizando redes neurais). Com os dados analisados foram treinadas diferentes redes neurais 06 para a aprendizagem e predição, as quais vío prever mapas de novos valores baseando-se nos dados experimentais já apreendidos. Finalmente, e continuando com o processo de otimização (técnica de Algoritmos Genéticos), é determinada a melhor taxa de substituição de diesel-gás natural, com as menores taxas de emissões dentro dos mapas gerados. Os resultados indicam uma boa concordância entre os dados experimentais e os previstos pela rede neural. O processo de otimização utilizado determina os pontos de trabalho adequados para cada caso analisado.
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Aluno(a) : Paulo Roberto Pinto Lopes
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/16/2009
Local: Sala de Aula do IEPUC, Prédio Cardeal Leme
Resumo: O gás natural é comprimido para pressões elevadas para que possa ser transportado pelo gasoduto e distribuído aos clientes em pressões mais baixas, através de sua redução em válvulas de controle, num processo adiabático. A termodinâmica mostra que o mesmo estado de saída do gás natural poderia ser conseguido se as válvulas de controle puderem ser substituídas por expansores, gerando trabalho,e, portanto, energia elétrica, e com transferência de calor obtida através da queima de combustível, que no caso é o próprio gás natural, para que sua temperatura permaneça a mesma. O investimento nos equipamentos desta substituição é pago num determinado tempo, função da economia líquida de operação, resultante da diferença entre o beneficio econômico da energia elétrica gerada e o custo operacional da queima do combustível. Para a realização deste trabalho, um programa de cálculo HISYS foi usado para quantificar a quantidade de trabalho produzido e calor necessário, a partir do registro de dados diários de 35 estações de redução de pressío da TRANSPETRO. Entío, foram levantadas as características técnico econômicas dos diferentes expansores existentes no mercado, basicamente o trabalho produzido como função da diferença de pressío e a energia térmica necessária para restaurar a temperatura do gás natural nas condições exigidas pelo cliente. Como resultado desta dissertação é apresentado o custo benefício da utilização de expansores em estações de redução de pressío da TRANSPETRO. A dissertação é, portanto, é classificada como uma análise termo-econômica, para determinação da viabilidade da utilização destes sistemas em instalações da TRANSPETRO, uma vez que eles já sío utilizados em outras partes do mundo. Os resultados têm um impacto direto nos custos operacionais dos gasodutos.
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Aluno(a) : Diogo Reato Marçon
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/13/2009
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta uma análise da técnica de injeção de dióxido de carbono em aqüíferos salinos para fins de descarte e armazenamento. O objetivo final foi obter as características do aqüífero a ser selecionado e do processo de injeção, visando a possibilidade de uma maior quantidade de CO2 ser estocada num menor tempo. Para tanto foi realizado, inicialmente, uma revisío da literatura sobre os dados de laboratório disponíveis para o CO2 e a água salgada. Também foram pesquisadas informações sobre campos de CO2 que podem servir como análogos ao método de armazenamento geológico deste gás, bem como, foram levantadas importantes informações sobre as condições consideradas adequadas para a técnica em questío e sobre estudos de simulação numérica. A partir das informações obtidas na revisío bibliográfica e após validação do modelo de fluidos aos dados de laboratório, foram definidas as variáveis do processo a serem analisadas e elaborada uma metodologia para o estudo. O procedimento consistiu em estabelecer as premissas para a simulação numérica do cenário-base e gerar os casos derivados. Assim foi necessário alterar individualmente cada um dos seguintes parâmetros: salinidade, profundidade, permeabilidade horizontal, relação entre as permeabilidade vertical e horizontal, vazío de injeção, porosidade e saturação de água residual. Por fim, foram aplicados os critérios, definidos na metodologia proposta, para comparar os resultados das simulações e concluiu-se que as características mais importantes e que possibilitaram, segundo as premissas adotadas, o armazenamento de uma maior quantidade de CO2 em um menor intervalo de tempo foram, em ordem decrescente de maior importância: maior vazío de injeção, maior saturação residual de salmoura, maior profundidade, maior permeabilidade horizontal e menor relação entre as permeabilidades vertical e horizontal.
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Aluno(a) : Arthur André Leto Barreto
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/13/2009
Local:
Resumo: Motores propulsores de dois tempos, utilizados em navios, sío diretamente acoplados ao hélice, sujeitos assim, à transitoriedade do torque resistente provocado pelas variações da superfície do mar. Neste trabalho é apresentada a modelagem, e o estudo experimental correspondente, do comportamento transiente da eficiência térmica de motores de dois tempos utilizados para a propulsío marítima. O rendimento térmico mede a eficiência na transferência da energia química do combustível em potência disponibilizada em um motor de combustío interna. Inicialmente apresenta-se a modelagem clássica, em regime permanente, destes motores, o que permite introduzir os principais parâmetros que influenciam o desempenho destas máquinas. Em seguida, diversos modelos sío introduzidos com a finalidade de descrever o comportamento transiente do sistema motriz. Estes modelos, apresentados em ordem crescente de complexidade, levam em conta os principais fenômenos que influenciam a operação transiente de motores turbo alimentados. Estes modelos sío validados por comparação com resultados existentes na literatura e, em seguida, aplicados ao motor de uma embarcação existente, através da adoção de seus parâmetros reais. O sistema motor desta embarcação foi instrumentado de modo a caracterizar o comportamento transiente. Os resultados experimentais obtidos em testes de campo sío comparados com aqueles oriundos dos modelos. Esta comparação coloca em evidência as dificuldades de realização associadas aos experimentos e permite sugerir linhas de trabalhos futuros.
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Aluno(a) : Leandro Pereira Basílio
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/07/2009
Local:
Resumo: O mecanismo de falha por corrosío se apresenta, na maioria dos casos, como o fator limitante na operação ontinuada de um duto. Esse mecanismo reduz a resistência mecânica do duto, aumentando a necessidade de reparos com a conseqüente diminuição da capacidade produtiva. A determinação da resistência remanescente através da aplicação de metodologias semi-empíricas é uma prática mundialmente aplicada, fato este que promoveu o surgimento de diversos programas destinados à aplicação sistematizada dos métodos semi-empíricos. Além do cálculo da resistência remanescente, os aplicativos desenvolvidos fornecem diversas ferramentas adicionais, como a avaliação da confiabilidade das ferramentas de inspeção, o cálculo do tempo ótimo para re-inspeção e a determinação da confiabilidade do duto. No desenvolvimento deste trabalho, foram comparados três diferentes programas na avaliação da integridade imediata e futura de dutos de aço com defeitos de corrosío, dando-se ênfase na comparação das pressões de falha e das probabilidades de falha fornecidas pelos programas. Com o objetivo de estabelecer valores de referência, um modelo analítico para o cálculo da probabilidade de falha imediata e futura foi desenvolvido, dando enfoque nas incertezas associadas à medição feita por PIG Instrumentado e às associadas às taxas de corrosío na profundidade e no comprimento do defeito. Os diferentes métodos foram aplicados sobre um defeito hipotético isolado, e em seguida em três diferentes dutos com defeitos reais de corrosío, abrangendo diversas condições operacionais, de projeto e quanto ao estado de corrosío. Na comparação dos programas, foram observados diferentes modelos de cálculo da probabilidade de falha, sendo possível estabelecer uma classificação entre modelos acoplados e desacoplados quanto aos modos de falha por vazamento e por ruptura. Os resultados apresentados por modelos acoplados e desacoplados se mostraram congruentes apenas em defeitos onde o modo de falha por vazamento se apresenta como dominante. Em defeitos onde o modo de falha por ruptura se mostra expressivo, o modelo desacoplado apresenta maiores valores de probabilidade de falha. Além disso, foi possível observar a influência dos diferentes modelos de crescimento do defeito na previsío da pressío de falha e da probabilidade de falha. Observou-se também a importância do uso de modelos de interação de defeitos, observando-se pressões de falha até 50% inferiores com o uso do modelo de interação de defeitos.
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Aluno(a) : Marko Antonio Lopez Bendezú
Orientador(a): Eloi Fernandez e Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 02/13/2009
Local:
Resumo: Países com uma grande área territorial tem um obstáculo natural para a expansío do mercado do gás natural em função da falta da infra-estrutura para o seu transporte. Várias alternativas foram consideradas a fim de criar a demanda local de gás, tais como: o transporte em caminhões como comprimido (GNC) ou liquefeito (GNL), ou mesmo os tradicionais gasodutos. Uma adequada escolha dos modais tende a reduzir os custos de transporte envolvidos. Assim, o presente estudo apresenta uma avaliação técnica das implicações de cada uma das alternativas de transporte e logística. Finalmente é apresentada uma comparação econômica entre os diferentes modais em função do volume de gás a ser transportado e em função da distância.
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Aluno(a) : Flávio Henrique Marchesini de Oliveira
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/17/2008
Local:
Resumo: Materiais viscoplásticos, também conhecidos como materiais que apresentam tensío limite de escoamento, podem ser encontrados em vários processos naturais e em diversas indústrias, tais como: alimentícia, de cosméticos, farmacêutica e do petróleo. Nessas indústrias o conhecimento preciso das propriedades reológicas dos materiais viscoplásticos e do comportamento desses materiais em diferentes escoamentos é fundamental para o sucesso de várias operações. Todavia, a reometria desse tipo de material ainda apresenta alguns desafios como as medidas de tensío limite de escoamento, deslizamento aparente, tixotropia e a quebra da microestrutura na colocação da amostra no reômetro. Além disso, existe o fato de que até hoje alguns fenômenos em diferentes escoamentos envolvendo materiais viscoplásticos ainda permanecem nío tío bem compreendidos, o que requer uma investigação mais profunda. Nesse trabalho, uma abordagem dos materiais que apresentam comportamento viscoplástico, dos métodos utilizados para as medições de suas propriedades reológicas e do comportamento desses materiais em diferentes tipos de escoamento é realizada. Além disso, é executada uma análise detalhada de escoamentos, tais como: viscométricos, através de expansões-contrações, envolvendo deslocamentos em tubos capilares e de escoamentos envolvendo deslocamentos em poção de petróleo.
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Aluno(a) : Germirez Martins Raposo
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/12/2008
Local:
Resumo: A separação ciclônica vem se tornando ao longo do tempo um processo cada vez mais utilizado na separação gás-líquido, líquido-líquido e sólido-líquido, principalmente na indústria do petróleo. Com o crescente aumento das prospecções no mar torna-se necessário desenvolver projetos de equipamentos de pequeno peso e dimensío, o que pode ser conseguido com a separação ciclônica, uma vez que pode-se criar um campo centrífugo diversas vezes superior ao campo gravitacional, o que torna possível o desenvolvimento de equipamentos bastante compactos. A principal diferença entre os diversos ciclones é a sua geometria. A otimização dos mesmos para as variadas aplicações é, a cada ano, baseada menos em experimentos e mais em modelos matemáticos. No presente trabalho foi investigada a adequação dos modelos de turbulência de Tensões de Reynolds RSM (Reynolds Stress Model) e Grandes Escalas LES (Large Eddy Simulation) para a previsío do escoamento em um hidrociclone de alto teor de óleos através da comparação com dados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Após essa etapa foi investigada a influência no escoamento de parâmetros operacionais e geométricos como vazío, rugosidade e comprimento do hidrociclone. Ambos os modelos mostraram vantagens e deficiências, sendo que o modelo LES apresentou-se superior com relação a precisío. Com relação a variação nos parâmetros do equipamento, ambos os modelos foram capazes de prever corretamente, de acordo com evidências experimentais, a mesma tendência de redução de perda de carga com redução da vazío, aumento da rugosidade e comprimento.
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Aluno(a) : Jair Arone Maués
Orientador(a): Eloi Fernandez
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/14/2008
Local:
Resumo: O trabalho compara sistemas de conversío de energia para geração de energia elétrica, com ênfase no caso brasileiro, levando-se em consideração todos os fatores relevantes envolvidos, em especial os riscos associados a cada um dos componentes do custo final da energia. Os modelos de custos usuais de engenharia tendem a favorecer a geração de energia tradicional em detrimento das renováveis alternativas, ao ignorar os riscos envolvidos, baseando-se apenas no menor preço do quilowatt-hora gerado. O modelo financeiro aplicado nesta comparação baseia-se na Teoria de Portfólios, desenvolvida por Harry Markowitz. Primeiramente sío avaliados os resultados do binômio risco-retorno relacionados à matriz prevista pela EPE – Empresa de Pesquisa Energética no Plano Nacional de Energia – 2030, publicado em 2006. Posteriormente, as alternativas indicadas pelo modelo sío comparadas. Os resultados mostraram que a matriz prevista pela EPE em 2030 nío está otimizada do ponto de vista do binômio risco-retorno dos investimentos em geração elétrica. Os aumentos da participação das fontes renováveis nío tradicionais à matriz, especificamente, resíduos das plantações de cana-de-açúcar e energia eólica, reduzem tanto o risco quanto o custo médio do quilowatt-hora gerado. Este resultado vale mesmo quando se variam os dados de entrada, notadamente os riscos associados aos custos de geração relacionados às diversas tecnologias consideradas, assim como os coeficientes de correlação entre elas. As participações dessas duas fontes renováveis na fronteira eficiente, tecnicamente viável, resultaram em portfólios bastante robustos, imunes às variações imputadas.
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Aluno(a) : Néstor Galvez Ronceros
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/21/2008
Local:
Resumo: No presente trabalho desenvolve-se um modelo matemático para a simulação do processo de liquefação de gás natural em dois estágios de refrigeração por compressío de vapor. No primeiro estágio, tendo propano (C3) como refrigerante, reduz-se a temperatura do gás natural até -34 C. No segundo estágio utiliza-se como refrigerante uma mistura composta de nitrogênio, metano, etano e propano (MR). Para o modelo matemático sío aplicadas as equações de conservação de massa e de energia nos volumes de controle. As equações de propriedades termodinâmicas sío obtidas a partir do pacote computacional REFPROP, desenvolvido no NIST, EUA. Um programa computacional foi desenvolvido na plataforma EES, para resolver o sistema nío-linear de equações algébricas, resultantes do modelo matemático. Para as condições de entrada foram tomados em consideração os dados da Planta de Liquefação de Gás Natural Pampa Mechorita, localizada ao sul de Lima, Peru.
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Aluno(a) : Red Dueñas Jimenez
Orientador(a): José A.Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/01/2008
Local:
Resumo: No presente trabalho foi desenvolvido um modelo matemático que simula o desempenho de um novo motor a combustío interna rotativo com ignição por centelha com deslocadores de velocidade variável. Neste motor, quatro deslocadores giram concentricamente, em um espaço anular, à velocidades angulares variáveis e defasadas, criando, assim, volumes variáveis de trabalho nos distintos espação entre eles. Eixos concêntricos sío movidos individualmente pelos deslocadores. Um mecanismo inovador de conexío impõe uma velocidade constante no eixo de potencia e velocidades angulares variáveis dos eixos dos deslocadores. O mecanismo também oferece uma maneira conveniente de controle da razío de compressío, a velocidade angular constante do eixo de potência. Este novo mecanismo permite a realização das fases de admissío, compressío, combustío, expansío e exaustío. As equações de conservação de massa e de energia, em sua forma diferencial,sío aplicadas aos volumes de controle. As propriedades do gás sío consideradas uniformemente distribuídas nos volumes de controle. As variações de pressío e temperatura no interior do motor sío obtidas através da integração numérica das equações de conservação junto com as equações de troca de calor entre gás e parede, de escoamento do gás através das janelas e das folgas entre peças móveis, da equação de variação do volume de gás na câmara, equações químicas e de estequiometria.
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Aluno(a) : Miguel Eduardo Del Aguila Montalvo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 08/22/2008
Local:
Resumo: Evidências experimentais demonstram o potencial da injeção de emulsões no aumento do fator de recuperação de óleo. O mecanismo responsável por esta melhor varredura do reservatório é a redução da mobilidade em regiões do reservatório já varridas por água. Esta redução pode ser associada ao bloqueio parcial de gargantas do meio poroso por gotas da fase dispersa da emulsío. A eficiência deste bloqueio parcial depende fortemente da geometria do poro e das características morfológicas e propriedades físicas da emulsío injetada. A utilização eficiente deste método de recuperação é limitada pela falta de entendimento fundamental de como emulsões escoam através de um meio poroso. Este trabalho tem como objetivo estudar o escoamento de emulsões através de gargantas de poros, que sío modeladas fisicamente por micro-capilares com garganta nos experimentos desenvolvidos nesta pesquisa. Os resultados mostram como a permeabilidade varia com as propriedades e características morfológicas da emulsío e parâmetros geométricos do micro-capilar. Estes dados definem as propriedades necessárias de emulsões em função das características do reservatório para a obtenção do efeito de bloqueio parcial desejado e servem de entrada de dados para modelo de rede de capilares de escoamento de emulsões em meios porosos.
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Aluno(a) : Carlos Roberto Charnaux
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/13/2008
Local:
Resumo: As variações do comportamento mecânico sío críticas durante o enrolamento e o desenrolamento das tubulações nas embarcações de instalação offshore. Este comportamento pode ser avaliado em virtude das geometrias conhecidas ao qual o duto é acomodado. Nas regiões próximas a junta soldada existe uma variação nos valores de deformação devido a diferenças nas propriedades do material duto-solda e variação da geometria da espessura de parede. Este efeito pode ser medido e expresso através de fatores de concentração de deformação. Este trabalho avalia a influência de um elemento concentrador de deformação em uma regiío do duto que terá sua integridade estrutural observada. O processo de proteção catódica exige a instalação de uma determinada quantidade de anodos com o objetivo de proteger a tubulação contra efeitos corrosivos. O contato duto-anodo é realizado através das sapatas de anodo (Anodo Pads) soldadas a superfície do duto e ao anodo. O carregamento e descarregamento dos dutos nas embarcações promovem deformações acima dos valores do limite de escoamento dos ação. A flexío a que os dutos sío submetidos no enrolamento resulta em um comportamento elasto-plástico. Este trabalho avalia os efeitos de concentrações de deformação devido à instalação das sapatas de anodos sobre as tubulações rígidas e próximas às soldas de junção dos dutos. O objetivo é evitar a falha estrutural por efeito de flambagem localizada através da utilização correta de critérios de projeto e avaliar o conservadorismo empregado pelas normas disponíveis no mercado. Para avaliar a resistência estrutural da tubulação e determinar os fatores de concentração de deformação foram realizados cálculos analíticos e numéricos, utilizando modelos de elementos finitos, considerando o comportamento elasto-plástico do material e seus efeitos de endurecimento. A metodologia empregada teve como objetivo estudar inicialmente os critérios disponíveis e aplicáveis ao problema verificando-os de forma analítica e numérica. A etapa seguinte consistiu em definir os valores de deformações longitudinais analiticamente e desenvolver modelos numéricos capazes de descrever um comportamento compatível com os valores analíticos obtidos. Os modelos foram desenvolvidos aumentando gradualmente a sua complexidade com o objetivo de mensurar os valores de concentrações devido às sapatas de anodo. Com os resultados obtidos a partir destas análises, os valores foram avaliados e comparados com os valores críticos das normas. Em alguns dos casos avaliados os valores de concentração foram maiores que os permitidos, tornando assim necessária à reavaliação do critério em função da inserção do elemento concentrador de deformação. A partir dos estudos realizados conclui-se que os elementos concentradores de deformação devem ser em uma primeira instância avaliados pelos critérios de flambagem localizada apresentados. Caso os valores obtidos estejam acima do admissível é necessário reavaliar o critério submentendo o elemento concentrador ao limite de flambagem e mensurando a deformação crítica ao qual o elemento está sujeiro. Um diagrama com o processo de validação de dutos submetidos ao processo de enrolamento foi proposto visando esclarecer este procedimento. A análise numérica permite uma avaliação mais realista de um problema particular, como no caso de elementos concentradores de deformação apresentados neste trabalho.
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Aluno(a) : João Vicente Martins de Magalhães
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/07/2008
Local:
Resumo: Na exploração e produção de petróleo em águas profundas e ultra-profundas, um dos problemas mais freqüentes é a contenção da fragmentação do reservatório durante a produção do óleo, quando o mesmo é proveniente de arenitos inconsolidados, facilmente encontrados na Bacia de Campos e demais fronteiras Offshore ao longo da costa Brasileira. O ingresso do material particulado do reservatório na coluna produtora irá criar problemas de erosío e deposição nas tubulações e demais equipamentos de superfície. Para evitar estes problemas, atualmente está sendo empregada de forma intensiva a técnica de contenção de areia chamada de Gravel Packing em poço aberto (OHGP – Open Hole Gravel Packing). Dadas as condições críticas encontradas quando se perfura em águas profundas e ultra-profundas, tais como baixo gradiente de fratura das formações, aliado à necessidade de se perfurar poção com trechos horizontais cada vez mais extensos, é imperativo que se faça o deslocamento do Gravel-pack com precisío operacional suficiente para garantir o sucesso da tarefa. Como a tecnologia para a perfuração e completação de poção horizontais extensos (trechos acima de 600m) foi desenvolvida a poucos anos atrás, somente recentemente, foi notado que tais trechos horizontais extensos acarretam em um problema para o escoamento, ou seja, nestes poção nío se tem um perfil homogêneo de produção, levando a uma drenagem nío uniforme do reservatório e a uma baixa eficiência de recuperação. Isto sem contar a chegada antecipada da água injetada e a formação de cones de água e gás. Portanto, dispositivos para a equalização do escoamento da produção estío sendo desenvolvidos, através de projetos de pesquisa em diversos lugares. Telas de Gravel-pack dotadas de uma furação nío-uniforme no seu tubo base consiste em uma destas novas tecnologias. O foco desta dissertação será apresentar o desenvolvimento do modelo matemático aplicado para o cálculo da vazío nos furos e para a checagem da melhor disposição dos mesmos, nos tubos base das telas de Gravel-pack. Tal furação deverá ter a capacidade de uniformizar o fluxo do óleo produzido ao longo do trecho de poço aberto horizontal, provendo uma melhor drenagem do reservatório, garantindo o deslocamento do Gravel-pack sem que a sobrepressío gerada, durante a operação, devido a baixa concentração de furos do tubo base (junto ao calcanhar do poço), frature a formação produtora e, ao mesmo tempo, garantindo o deslocamento através de ondas alfa e beta sem que, a concentração excessiva de furos (junto ao dedío do poço), leve ao embuchamento prematuro. Os resultados obtidos sío validados através de um trabalho experimental de simulações físicas em escala próxima à real.
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Aluno(a) : Hugo Angel Barreda de La Cruz
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 12/21/2007
Local: Sala 106L, Ed. Cardeal Leme
Resumo: Nesse trabalho, descreve-se o desenvolvimento de uma calibração do sistema de interrogação dos espectros das redes de Bragg baseando-se em uma simulação numérica adotada de testes experimentais. O objetivo é calibrar a técnica de demodulação óptica utilizando dois filtros de transmissío fixos, procurando-se principalmente a posição verdadeira dos sensores. O espectro refletido de uma rede tem uma forte dependência com o espectro da luz incidente que resultará em uma deformação no espectro refletido da rede, gerando um desvio no sensor detectado. A metodologia é gerar uma perturbação na fonte de luz e analisar a leitura do espectro da rede. Esse desvio gerado na leitura espectral é associado à potência óptica lida nos fotodetectores com a posição do comprimento de onda do sensor; as leituras indicadas sío proporcionais ao grau de superposição entre os espectros do sensor e dos filtros. A calibração é enfatizada em simulações comparando-se com resultados experimentais e será recuperado principalmente o espectro deformado da rede por um espectro indicado que fornecerá a informação correta da posição do sensor. A simulação conclui em uma recuperação do espectro deformado, diminuindo incertezas de medição e da posição do sensor comparando-se com medidas experimentais proporcionando bons resultados.
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Aluno(a) : João Emidio Lima da Silva Junior
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 11/26/2007
Local:
Resumo: Devido às suas aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento humano e em atividades vitais para o mundo moderno, como a prospecção e produção de petróleo, o escoamento de fluidos em meios porosos tem sido objeto de inúmeros estudos experimentais e teóricos. Por exemplo, na recuperação de campos de petróleo, depara-se com o desafio de prever o comportamento de fluidos a serem injetados na formação (gás, água ou água com adição de polímero), com o objetivo de aumentar a pressío e otimizar a recuperação de óleo. A abordagem adequada desta questío, implica na necessidade de profundo conhecimento do meio poroso e do comportamento dos fluidos envolvidos, bem como na utilização de modelos experimentais e/ou teóricos que propiciem simulações desses processos com razoável fidelidade. Neste trabalho o trajeto do fluido entre os espação vazios de um meio poroso é representado por um capilar com contração/expansío (garganta). A partir de relações geométricas convenientemente definidas, onde apenas um parâmetro varia, foram geradas oito diferentes geometrias de análise. Foram feitas simulações numéricas de fluido newtoniano e pseudo-plástico utilizando-se código CFD desenvolvido na PUC-Rio. Sío estabelecidas relações entre o escoamento em capilares com garganta e o escoamento em capilares equivalentes, com raio constante. Sío apresentadas e comparadas duas metodologias, determinando raios equivalentes analíticos e ajustados (Req an e Req aj). Para fluidos newtonianos, a aproximação é muito boa em todas as geometrias, sendo a maior diferença 6,2%. Para fluido power law a diferença também é satisfatória, embora maior.
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Aluno(a) : Luis Renato Minchola Morán
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Angela Nieckele
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/24/2007
Local:
Resumo: Deposição de parafinas é um dos mais críticos problemas operacionais no transporte de óleo cru, nos dutos que operam em ambientes frios. Portanto, uma predição acurada da deposição de parafinas é crucial para o projeto eficiente de linhas submarinas. Infelizmente, a deposição de parafinas é um processo complexo e os mecanismos de deposição ainda nío sío bem compreendidos. Visando identificar a importância relativa dos diferentes mecanismos de deposição, dois mecanismos foram investigados: Difusío Molecular e Browniana. Para determinar a quantidade de depósito, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia, concentração da mistura e concentração da parafina fora da solução foram resolvidas numericamente pelo método de volumeis finitos. Um sistema de coordenadas móveis nío ortogonais que se adapta a interface do depósito da parafina foi empregado. Apesar da obtenção de uma concordância razoável do perfil de depósito, obtido com os mecanismos selecionados no regime laminar, com resultados disponíveis na literatura, uma discrepância significativa foi observada durante o transiente. O emprego do mecanismo de difusío browniana levou a uma pequena melhora na predição da solução nas regiões sub-resfriadas. A influência do regime turbulento como o mecanismo de difusío molecular também foi investigado, empregando o modelo de turbulência para baixo Reynolds . Os resultados obtidos apresentaram coerência física, com uma taxa menor de aumento do depósito com o tempo, pois a regiío próxima a interface com temperatura abaixo da temperatura de aparecimento de cristais é menor no regime turbulento.
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Aluno(a) : Paulo Henrique da Silva Aniceto
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/04/2007
Local:
Resumo: Neste trabalho é apresentada a implementação e aplicação de uma técnica experimental ótica, já descrita na literatura, para a medição instantânea do campo de velocidades gerado em escoamento bifásico líquido-gás. O trabalho concentrou-se no regime de escoamento em golfadas. Água e ar foram utilizados como fluidos de trabalho nos testes. A técnica implementada combina Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV – Particle Image Velocimetry), com Fluorescência Induzida por Laser (LIF – Laser Induced Fluorescence) e iluminação pulsada de fundo (PST – Pulsed Shadow Technique), o que permite determinar simultaneamente o campo instantâneo de velocidade na água gerado pela passagem da bolha de ar, assim como a forma e velocidade da bolha. Processamento digital de imagens foi utilizado para extrair as informações sobre o campo de velocidade do líquido e as características da bolha. A técnica implementada foi aplicada no escoamento gerado pela passagem de uma bolha de gás em uma coluna de líquido estagnado. A técnica PIV foi utilizada para determinar o campo de velocidades na fase líquida iluminando-se o escoamento com um plano de luz laser pulsada. O uso de partículas fluorescentes em conjunto com filtros óticos posicionados em frente a uma câmera digital permitiram suprimir a reflexío intensa proveniente das interfaces líquido-gás e das paredes do tubo. Entretanto, esta técnica nío é capaz de determinar a exata posição da interface líquido-gás. O uso da iluminação pulsada de fundo proveniente de um painel de LED’s permite a visualização da interface gás-líquido com boa definição. Uma única câmera digital posicionada ortogonalmente ao plano de luz laser e em oposição ao painel de LED’s foi usada para o registro das imagens. Os resultados obtidos revelaram com excelente resolução os detalhes do escoamento na esteira, filme na parede e nariz de uma bolha ascendente, comprovando a eficácia da técnica implementada.
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Aluno(a) : Yipsy Roque Benito
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/27/2007
Local:
Resumo: O presente trabalho se divide em dois estudos: uma análise global de sistemas de cogeração e uma modelagem de um ciclo de refrigeração por absorção. O primeiro estudo apresenta as equações principais para os balanção energético e exergético de um sistema de cogeração operando com dois motores térmicos distintos em paralelo (turbina a gás e motor de combustío interna, ambos utilizando gás natural como combustível). Para a produção de frio emprega-se, um “chiller” de absorção, acionado a partir de calor de rejeito dos motores térmicos, e um “chiller” de compressío de vapor auxiliar. O segundo estudo é parte de um projeto mais abrangente, destinado a desenvolver a tecnologia de um sistema de refrigeração por absorção. É apresentado o modelo matemático que caracteriza uma instalação de refrigeração por absorção de pequeno porte operando com uma mistura água-amônia como fluido de trabalho. Uma vez implementados os modelos de ambos os estudos no software EES®, realizaram-se simulações para a análise dos sistemas em casos particulares de operação, possibilitando a verificação da influência das principais variáveis sobre o desempenho dos sistemas analisados. O presente trabalho aplica-se ao emprego de sistemas de cogeração em plataformas “offshore”.
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Aluno(a) : Maira Amanda Vargas Avila
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/19/2007
Local:
Resumo: Os danos mecânicos é um tipo de defeitos que comumente afeta às linhas de transporte de óleo e gás. Dentre os danos mecânicos tem-se as mossas. Mossas sío causadas pela ação de forças externas que induzem uma alteração de forma localizada com deformação plástica inerente. Existem vários tipos de mossa, classificadas segundo a sua geometria e à presença de outros concentradores de tensío: mossa simples, mossa lisa com soldas, mossa lisa com sulcos, mossa com vincos. O trabalho aprofunda-se no processo de criação, recuperação elástica, ruptura e fadiga da mossa simples. O problema é abordado experimentalmente e numericamente, e os resultados da análise sío comparados com modelos analíticos e procedimentos recomendados pela literatura.
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Aluno(a) : Anderson Rapello dos Santos
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/02/2007
Local: Sala de Aula do 6o. Andar, Ed. Cardeal Leme
Resumo: A produção de petróleo em alta vazío a partir de reservatórios formados por arenitos friáveis requer a instalação de sistemas de contenção de sólidos para preservar equipamentos de superfície e subsuperfície. Os projetos de explotação para campos constituídos por estes reservatórios têm na completação uma etapa fundamental na construção do poço. Dentre as diversas operações de completação, a instalação de sistemas de contenção de sólidos é uma das mais complexas e envolve uma ampla gama de recursos humanos e financeiros. A alteração no estado de tensões atuante sobre a formação é uma das principais fontes de carregamento dos sistemas de contenção mecânica de sólidos instalados em poção horizontais. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo para avaliação do desempenho de sistemas de contenção de sólidos do tipo gravel pack quando submetidos aos esforção relacionados ao comportamento geomecânico das formações produtoras e a variação de pressões durante a vida produtiva de um poço de petróleo, permitindo a otimização de projetos destes sistemas sob a ótica da resistência ao colapso das telas. No trabalho, o carregamento imposto sobre estes sistemas é avaliado através da implementação do modelo de Mohr Coulomb solucionado numericamente através do método de elementos finitos (MEF). O programa comercial ABAQUS foi utilizado em função da sua flexibilidade para solução de modelos nío-lineares. Foram analisados sistemas de contenção de areia com os conjuntos de telas tipicamente utilizados na indústria de petróleo. Em nenhum cenário analisado foram verificados indícios de colapso dos tubos indicando a possibilidade de redução da sua resistência mecânica.
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Aluno(a) : Rogério José Ramos de Oliveira Magalhães
Orientador(a): Eloi Fernandez
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/27/2007
Local:
Resumo: O desenvolvimento da tecnologia de produção de petróleo em águas profundas permitiu que recursos significativos de petróleo e gás natural pudessem ser técnica e economicamente recuperados. Os sistemas de produção offshore no Brasil utilizam largamente poção com completação submarina e unidades flutuantes de produção como plataformas semi-submersíveis e navios tipo FPSO. Os custos do desenvolvimento da produção em águas ultraprofundas (acima de 1500 m de lâmina d’água) sío bastante elevados, atingindo, em geral, valores superiores a um bilhío de dólares. Por essa razío, somente reservatórios petrolíferos com reservas elevadas, geralmente superiores a 300 milhões de barris, podem ser economicamente explotados. Além disso, na Bacia de Campos, os campos ultimamente descobertos contém petróleos pesados, acarretando maiores dificuldades em sua produção e, em consequência, diminuindo a atratividade econômica do projeto. Alguns projetos típicos de explotação de petróleo em águas profundas no Brasil exigem que se adotem alternativas de menor custo de desenvolvimento para que possam ser viabilizados. Nesses casos, deve-se também buscar reduzir o tempo para o desenvolvimento da produção, incluindo a perfuração de poção, o sistema de coleta submarino e a instalação das unidades de produção. Além disso, esses projetos podem ser significativamente afetados pelo regime fiscal vigente. É importante salientar que projetos de desenvolvimento offshore exercem um forte impacto sócio-econômico no país, nío só pela geração de receita fiscal oriunda da produção petrolífera como também pela geração de emprego e renda no suprimento de bens e servição para o desenvolvimento da produção. O presente trabalho tem por objetivo analisar o impacto sócio-econômico de projetos de desenvolvimento offshore sob o ponto de vista de benefícios fiscais e de geração de emprego e renda. Para isso, o trabalho será dividido em duas fases distintas: Fase I – Previsío de produção de petróleo e gás natural para projetos típicos de desenvolvimento offshore em águas profundas no Brasil Nessa fase será aplicado um método analítico de previsío de comportamento de reservatórios para gerar as curvas de produção volumétrica de óleo e gás. Os dados dos projetos a serem estudados serío obtidos de informações disponíveis sobre os campos de produção em águas profundas da Bacia de Campos. A análise de sensibilidade dos principais parâmetros de projeto será realizada para avaliar o impacto dos mesmos na estratégia de desenvolvimento da produção. Fase II – Análise econômica dos projetos de desenvolvimento offshore Conhecidas as curvas de produção volumétrica de óleo e gás, o método de fluxo de caixa descontado pode ser aplicado aos projetos em estudo para se obter os indicadores econômicos que permitem avaliar a atratividade do projeto. Uma análise de sensibilidade dos principais parâmetros econômicos de projeto também será realizada. Assim, será possível estudar o efeito do regime fiscal na atratividade dos projetos.
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Aluno(a) : Eduardo Ferreira Ramos
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/14/2007
Local: Sala de aula do 6o. andar, Prédio Cardeal Leme
Resumo: Nesta Dissertação foi feita uma simulação do desempenho de um sistema de cogeração, a partir de dados experimentais obtidos com uma microturbina a gás natural com 30 KW de potência nominal, operada no horário de ponta, e acoplada com uma unidade recuperadora de calor e um reservatório térmico para fornecimento de água quente de consumo nos chuveiros do Ginásio da PUC-Rio. Inicialmente, o desempenho do sistema de cogeração foi medido para várias condições de operação, mostrando que a eficiência de geração de energia elétrica é bem inferior a que o fabricante declara (16,6%). O aproveitamento da energia térmica dos gases de exaustío é de 29,1% para plena carga e 46,3% para 25% de carga. Nesta Dissertação foi desenvolvida uma metodologia para calcular a efetividade da unidade recuperadora de calor. A simulação realizada teve como objetivos o melhor conhecimento do comportamento do sistema de cogeração para diferentes vazões de água de consumo e da sua temperatura de armazenamento determinando-se o maior valor da vazío para que uma temperatura de 40oC nos chuveiros fosse mantida. Uma equação diferencial em relação ao tempo foi resolvida numericamente, modelando-se o desempenho de cada componente, para estimar a temperatura da água do reservatório de armazenamento como função do tempo, para diferentes cargas elétrica e térmica. Os resutados indicaram as condições para o melhor aproveitamento de energia térmica e sua viabilidade econômica, inclusive quanto à relação entre o horário de geração e o consummo da energia térmica armazenada.
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Aluno(a) : Victor Raul Guillen Nuí±ez
Orientador(a): Márcio Carvalho e Vladimir Basante
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 03/02/2007
Local:
Resumo: O método de recuperação de óleo mais utilizado no mundo é a injeção de água, seja para varredura do óleo em padrões de pocos ou para manutencao de pressío. Porém, a eficiência de recuperação deste método é limitada, particularmente no caso de óleos pesados devido à razío de mobilidade desfavoravel dos fluidos. Uma possibilidade para corrigir a razío de mobilidades, já testada na indústria, é a injeção de polímeros. Porém o problema de interação fluido-rocha, evidências nem sempre claras dos benefícios desta técnica e o custo e volume dos polímeros necessários para campos gigantes podem tornar esta alternativa inviável. Diferentes métodos de recuperação de óleo estío sendo estudados e desenvolvidos como alternativas à injeção de polímeros. A injeção de dispersões, em particular de emulsões óleo-água, como um método alternativo na recuperação de campos de petróleo nío é totalmente desenvolvida, mas já foi testada com sucesso em alguns reservatórios. Desta forma, o uso com sucesso de emulsões como método de recuperação avançada depende de uma análise detalhada dos diferentes regimes de escoamento de emulsões em um meio poroso. Os modelos que descrevem o escoamento de emulsões em meios porosos utilizados em simuladores de reservatórios sío deficientes. A grande maioria das análises descreve o comportamento mecânico de emulsões através de uma viscosidade efetiva, sendo esta uma função da razío de viscosidade, tensío interfacial e concentração das fases. Esta modelagem simples só é satisfatória para emulsões extremamente diluídas e escoamentos onde o tamanho da fase dispersa é bem menor do que o tamanho das gargantas dos poros do reservatório. Nos casos onde o tamanho de gotas da fase dispersa é da mesma ordem do tamanho dos poros, gotículas da fase dispersa podem se aglomerar e bloquear parcialmente a passagem do fluido pelos poros da formação rochosa do reservatório. Este regime de escoamento pode ser utilizado para controlar a mobilidade do líquido injetado, onde emulsões projetadas adequadamente poderiam ser injetadas alternadamente por poção injetores com o objetivo de bloquear a passagem de água por poros já varridos anteriormente. Desta forma, existe uma grande necessidade de melhor entendimento da hidrodinâmica de emulsões em meios porosos e da melhoria dos modelos utilizados para descrever o escoamento de emulsões nos simuladores de reservatórios disponíveis. Outros métodos baseados nestas ideias poderiam se beneficiar destas pesquisa. Neste trabalho, uma bancada experimental para medição do fator de recuperação de óleo em um meio poroso através de injeção de diferentes líquidos com fluxo linear foi construída para analisar o efeito de injeção de duas emulsões no processo de deslocamento do óleo. Os resultados comprovam o potencial do uso de emulsões visando o aumento do fator de recuperação de óleo.
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Aluno(a) : Alessandro Lama
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 10/11/2006
Local: PUC-Rio
Resumo: Uma célula PEM de 5 kW com reformador foi instalada na PUC-Rio tendo como objetivo a determinação experimental de seu desempenho e de seu potencial de cogeração para aumentar o uso da energia química do combustível. A unidade utiliza um processador de combustível para converter energia do gás natural em um reformado rico em hidrogênio. A célula é totalmente instrumentada fornecendo dados para o cálculo da eficiência global do sistema (eficiência total), eficiência do reformador, eficiência da pilha, eficiência de conversío (DC/AC) e o potencial de cogeração. Este estudo detalha as equações necessárias para calcular os parâmetros, todas teoricamente, dos conceitos termodinâmicos e eletroquímicos, e experimentalmente, dos balanção de massa e energia, comparando os resultados. Foram obtidos dados no estado permanente resultando em eficiências do reformador, pilha, conversío e global, junto com os desvios padrões calculados. Também foi comprovado que a energia perdida no reformador e na pilha é praticamente a mesma. Foi mostrado que as degradações de desempenho do reformador e da pilha reduzem a vida útil da célula do conjunto, que também tem uma eficiência abaixo do que foi indicado pelo fabricante. O potencial de cogeração foi estimado através do cálculo do calor rejeitado pela pilha e através do calor rejeitado pelo reformador dando um valor de 71,3 %.
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Aluno(a) : Felipe Carneiro da Cunha Torres
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 09/22/2006
Local:
Resumo: Com a assinatura da Lei 11.097 de 13 de Janeiro de 2005, o Biodiesel fica introduzido na matriz energética brasileira. Até o fim de 2007, a mistura deste biocombustível ao diesel mineral, derivado do petróleo, pelas distribuidoras de combustíveis, tornar-se-á voluntária. A partir de Janeiro de 2008, todo o óleo diesel será comercializado obrigatoriamente com 2% de Biodiesel misturado e, a partir de 2013, a mistura deverá conter 5% de Biodiesel. O mercado potencial de Biodiesel para esta meta de 2008 é de aproximadamente 800 mil toneladas anuais. Revela-se, portanto, um enorme esforço de todas as esferas interessadas neste mercado: governo, montadoras, instituições de ensino e pesquisa, agro-indústrias, indústrias ligadas ao setor energético, entre outras, com objetivo de se atingir a meta estipulada pela Lei . No presente trabalho, como parte deste esforço, foram levantados aspectos técnicos, econômicos, sociais e ambientais sobre a implementação do programa de implementação do Biodiesel na matriz energética brasileira, visando identificar os prós e contras da utilização deste biocombustível. Um modelo de análise termodinâmica de uma usina termelétrica foi desenvolvido para descrever o comportamento de motores ciclo diesel de grande porte operando com 4 tipos diferentes de óleo combustível convencional e 5 tipos de biodiesel.
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Aluno(a) : Sully Milena Mejia Quintero
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/26/2006
Local:
Resumo: Este trabalho versa sobre duas diferentes aplicações de sensores a redes de Bragg em fibra óptica. A primeira consiste no desenvolvimento de uma técnica de sensoriamento do pH empregando fibra óptica, que visa a monitoração contínua e permanente deste parâmetro em poção depletados e de injeção. Nesta aplicação, as redes de Bragg sío acopladas, através de um mecanismo transdutor, a sistemas poliméricos que respondem a alterações do pH apresentando uma variação expressiva de seu volume. O tempo de resposta e o fator de inchamento do sistema polimérico foram caracterizados para valores de pH 3, 4, 5, e 6, em soluções aquosas contendo sais dissolvidos em concentrações típicas das encontradas em águas de formação. As medições foram realizadas a temperaturas e pressões ambientes, assim como na presença de óleo, e após a pressurização do sistema polimérico até 5000 psi. Diferentes mecanismos transdutores foram projetados e construídos, e suas respostas, avaliadas em soluções aquosas com composição similar à das águas de formação. Foram estimadas a sensibilidade da técnica e as principais fontes de incerteza na medição do pH. Procurou-se também avaliar a funcionalidade dos mecanismos transdutores visando uma futura instalação em poço. Na segunda aplicação, é proposta uma técnica para a medição in situ da tensío residual induzida em filmes finos de alta dureza durante sua deposição em câmaras de “sputtering” assitido por radio-frequência e campo magnético. A técnica é constituída por uma viga em aço engastada, tendo uma de suas faces instrumentada com um conjunto de redes de Bragg a fibra óptica, enquanto a face oposta é exposta ao fluxo de íons do material a ser depositado. O sistema sensor é instalado em uma câmara que opera sob alto vácuo, enquanto os aparelhos de leitura permanecem no exterior. A resposta do protótipo em função de variações do campo magnético e da temperatura no interior da câmara foi levantada. Em seguinda, foram realizadas medições da deformação da viga durante a deposição de filmes de sílica, óxido de titânio-índio, e de carbeto de silício. A tensío residual dos filmes foi calculada e comparada com resultados de medições de curvatura do substrato realizadas empregando um perfilômetro. Tensões residuais de 6 MPa até 0,2 Gpa foram obtidas durante as diferentes deposições.
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Aluno(a) : Adriano Fernandes Pinho
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Valente
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 07/01/2005
Local:
Resumo: Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) sío formadas por modulações periódicas introduzidas no índice de refração do núcleo de fibras ópticas. Estes componentes comportam-se como filtros espectrais de banda passante, ou seja, quando iluminados por um sinal óptico de banda larga, refletem apenas uma fina fatia espectral de luz, cujo centro, o comprimento de onda de Bragg, é proporcional ao período espacial da modulação no índice de refração. As RBF têm encontrado aplicações importantes no sensoriamento das mais diversas grandezas, sendo hoje utilizadas em sistemas de monitoramento para vários segmentos industriais, tais como os setores de petróleo e gás, construção civil e aeroespacial, que, estima-se, respondem em conjunto por cerca de 70% destas aplicações. Em diversas situações o sensoriamento com RBF baseia-se em medidas indiretas da grandeza de interesse, sendo empregados mecanismos de transdução que transformam variações do mensurando em deformações na fibra óptica. Nestes casos, um problema que deve ser tratado com atenção é o acoplamento entre temperatura e deformação, uma vez que as RBF sío sensíveis a estas duas variáveis. Nío raro, a alternativa é utilizar simultaneamente duas RBF para obter-se a compensação de temperatura na medida de deformação. Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações nío homogêneas em redes de Bragg e discute aplicações de duas técnicas que podem ser utilizadas como alternativas para eliminar o efeito da temperatura no sensoriamento de deformação com apenas uma RBF. A primeira delas explora a birrefringência óptica induzida na RBF por carregamentos transversais à fibra óptica. A segunda baseia-se nos efeitos sobre o espectro refletido pela rede de Bragg quando submetida a um campo de deformações longitudinais nío uniforme ao longo da direção axial da fibra óptica. No trabalho sío apresentados protótipos e dispositivos que exploram tais técnicas para a medida simultânea de pressío e temperatura. Esses protótipos foram projetados com auxílio de ferramentas CAD e modelados utilizando-se o método de elementos finitos em conjunto com a teoria de modos acoplados da Rede de Bragg. As previsões obtidas utilizando-se estes modelos mostraram-se bastante próximas dos resultados das implementações experimentais dos protótipos, indicando que a metodologia de modelagem desenvolvida pode ser aplicada no projetos de transdutores baseados nas duas técnicas estudadas.
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Aluno(a) : Robson de Oliveira Souza
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/15/2005
Local:
Resumo: Pigs ainda sío a ferramenta mais utilizada pela indústria para remover depósitos de parafina em linhas submarinas de petróleo. A passagem de Pigs é considerada uma operação de risco pois existe a possibilidade do gradiente de pressío disponível para deslocar o Pig nío ser suficiente para vencer as forças de contato entre o Pig e a parede e as forças necessárias para remover o depósito de parafina. Neste trabalho realizou-se um estudo experimental visando ao levantamento de dados de laboratório sobre as forças de contato Pig-tubo para alguns tipos de Pigs comumente usados em operaçÕes de campo. Além disto, foram também determinadas forças para remoção de depósitos de parafina fabricados no laboratório sob condições controladas. Para isto, foi projetada e construída uma seção de testes onde os Pigs ensaiados eram puxados com velocidade constante através de trechos de tubo, sendo a força trativa de puxada monitorada continuamente por células de carga. Os resultados de força de contato Pig-tubo sem depósito de parafina foram comparados com modelos teóricos disponíveis na literatura. Para o caso dos experimentos onde depósitos estavam presentes, as forças necessárias para a quebra dos depósitos foi também comparada com o único modelo disponível na literatura. Os resultados obtidos mostraram que para Pigs de disco e de espuma os modelos disponíveis prevêem as forças de contato Pig-tubo com incerteza aceitável. Para o caso de remoção de parafina a comparação com os experimentos desenvolvidos mostrou que o modelo disponível consegue estimar a força inicial para a quebra do depósito dentro de uma faixa de incerteza de ±30% para os Pigs de disco e espuma.
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Aluno(a) : Eduardo Stein Soares Dutra
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Mônica Naccache
Área de Concentração: Petróleo e Energia
Data: 04/04/2005
Local:
Resumo: Após a perfuração de poção de petróleo, a lama utilizada na remoção de cascalho,lubrificação e resfriamento da broca deve ser removida e substituídapor uma mistura de cimento. Essa substituição se dá pelo deslocamentode um fluido por outro no espaço anular entre a formação rochosa e a colunade completação ou revestimento. A mistura de cimento tem a funçãode garantir a estabilidade estrutural do poço evitando danos ambientaise prejuízos econômicos. Para melhores resultados utilizam-se fluidos intermediários, também chamados de colchões lavadores e espaçadores, entreos fluidos principais. A boa qualidade do deslocamento dos fluidos é proporcionadopela forma da interface entre eles. Perfis mais acentuados sugeremum atravessamento indesejável do fluido deslocante (cimento) atravésdo deslocado (fluido de perfuração). Por outro lado, perfis achatados indicamum deslocamento mais eficiente. Uma planta experimental verticalfoi construída, simulando um processo de deslocamento de fluidos em anularesexcêntricos de poção. Com uma câmera digital CCD foram filmadasas interfaces entre os fluidos durante o escoamento e com essas imagenspuderam-se comparar os resultados com as simulações numéricas realizadasnum software comercial usando o método de volumes finitos. Esse trabalhoestudou os fatores principais na eficiência do deslocamento entre fluidos quenum processo de cimentação sío a excentricidade do espaço anular, o regimede escoamento e principalmente o comportamento mecânico dos fluidos envolvidos,ou seja, sua reologia. Baseado nesses resultados pudemos preverquais parâmetros operacionais otimizam o processo de deslocamento.
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Aluno(a) : Marina Ribeiro Bandeira
Orientador(a): Monica Naccache e Gustavo Sandoval
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/07/2024
Local: 106L
Resumo:
No âmbito da indústria de petróleo e gás, a interrupção das linhas de produção e transporte devido à acumulação de compostos orgânicos e inorgânicos representa um desafio generalizado e significativo, resultando em consideráveis perdas financeiras e apreensões ambientais. Os hidratos de gás, particularmente enfatizados entre vários desafios relacionados à deposição inorgânica, apresentam uma questão complexa caracterizada pela formação de sólidos cristalinos à base de água, semelhantes ao gelo, ocorrendo sob condições de pressão elevada e baixas temperaturas que se formam quando moléculas leves de hidrocarbonetos e água se combinam para formar uma estrutura ordenada específica. A formação de hidrato começa na interface água-hidrocarboneto, o que destaca o papel crítico que a reologia interfacial desempenha neste processo. Apesar da importância desta interface na formação de hidratos, persiste uma lacuna na pesquisa, particularmente no emprego de abordagens de reologia de cisalhamento. Este estudo ajuda a preencher essa lacuna investigando as propriedades mecânicas e de fluxo da interface, utilizando um recurso em um reômetro rotacional, uma "célula de anel de parede dupla", para controle preciso da temperatura. O ciclopentano serve como formador de hidrato, permitindo a experimentação sob condições atmosféricas. pressão e temperaturas variadas. Os protocolos exploram a temperatura e as concentrações de hidrocarbonetos, com ênfase no envolvimento dos cristais de gelo no início da formação de hidratos. Após a saturação completa da interface hidrocarboneto/água por hidratos, os módulos elásticos e viscosos interfaciais são obtidos através de varreduras de deformação para avaliar a fragilidade do filme de hidrato e resposta mecânica. Além disso, é examinado o impacto do tempo de envelhecimento e do tipo de cisalhamento (estático ou dinâmico) na rigidez do hidrato. Testes com inibidores termodinâmicos, como cloreto de sódio e monoetilenoglicol, demonstram extensão significativa do tempo de indução. Além disso, mudanças sistemáticas na taxa de cisalhamento são investigadas para compreender de forma abrangente sua influência nas características e propriedades do filme hidratado sob diversas condições de histórico de cisalhamento. Este estudo revela que o aumento da taxa de cisalhamento se correlaciona com a diminuição da viscosidade do filme de hidrato, indicativo de comportamento não newtoniano. No geral, esta pesquisa lança luz sobre as nuances da dinâmica da interface água-hidrocarboneto na formação e mitigação de hidratos.
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Aluno(a) : Yago Chamoun Ferreira Soares
Orientador(a): Monica Naccache e Ricardo Jorge Andrade
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/29/2024
Local: on-line
Resumo:
In recent decades, the demand for oil and gas has surged, prompting the identification of new oil fields in challenging reservoir environments those characterized by high-pressure and high-temperature (HPHT) conditions. The development of high-performance aqueous-based drilling fluids with tailored properties aims to enhance extraction processes in the oil industry and reducing environmental contamination mainly caused by oil-based fluids. This study aims to investigate how variations in parameters such as temperature, pressure and concentration impact the thermal and rheological properties of xanthan gum suspensions with oxidized hexagonal boron nitride (hBN-oxi) nanostructures. The thermal conductivity was significantly increased by the addition of hBN-oxi nanoparticles (6.0 wt% suspension) to the base fluid, reaching an increase of up to 12 % at 70 °C. These nanostructures played a crucial role in preserving the thermal conductivity of xanthan gum suspensions even at elevated temperatures. The presence of nanoparticles at the highest concentration induced a yield stress in the fluid and when subjected to high shear rates, experienced a viscosity drop of only 16 % at 80 °C. These adverse effects of temperature and pressure on viscosity were mitigated by the interaction between the polymer matrix and hBN-oxi. Overall, the study highlighted the potential of boron nitride as a nanoadditive for conventional drilling fluids, showing that properly designed formulations can improve performance even in challenging conditions without causing harm to the environment, thanks to the material's high thermal and chemical stability.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/91959710241?pwd=V3FzSGZGUXUwRU12Y0VYZlFKUW9LQT09
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Aluno(a) : Gabriela de Castro Almeida
Orientador(a): Angela Nieckele e Bruno Gomes,
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/26/2024
Local: 106L
Resumo:
This study presents the validation of a physical/numerical model designed to predict the ascending aorta flow in a healthy patient, aiming to extend its application to analyze other patients, specifically, with ascending aortic aneurysm (AAoA). Applying the patient-specific model (PSM) concept, the results provided by the Four-dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging (4D Flow MRI) technique were used in the simulation employing the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach, with a turbulence model capable of predicting laminar/turbulent regime transitions during the cardiac cycle. Boundary condition based on measured flow rate was imposed at the aorta´s inlet. At the outlets, the physiological percentages of inlet flow rate corresponding to each output were considered, as well as the three-element Windkessel model to establish a more accurate approximation of the pressure-flow relationship. The favorable results obtained on pressure, flow rate and shear stress profiles at various positions along the aorta and throughout the cardiac cycle, validated the potential application of PSM to other patients, in particular patients with AAoA. AAoA is a silent disease with high mortality, and factors associated with a worse prognosis are not yet fully known. Aiming to relate flow dynamics characteristics with the disease, personalized anatomic models were obtained from angiotomography scans of 30 patients in two different years (with intervals of one to three years between them). Based on the volume difference of the ascending aorta from one year to another, two groups were defined: one with aneurysm growth and another without growth. The flow field during the cardiac cycle and the geometry corresponding to each group were compared to find patterns that may indicate the aneurysm growth from the first exam. Although there was no clear trend between the two patient groups, higher time-averaged pressure (TAP) values were observed in patients with aneurysm growth, as well as longer time periods during the cycle with the aorta subjected to high values of shear stress. The present study explored the remodeling process of patients with aneurysm and how the geometry and flow pattern can impact its growth, contributing to a better understanding of aortic pathophysiology.
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Aluno(a) : Leonardo Soares Fernandes
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Roney Thompson
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/22/2024
Local: 106L
Resumo:
Despite the technological advances that led to the development of fast computers, the direct numerical simulation of turbulent flows is still prohibitively expensive to most engineering and even some research applications. The CFD simulations used worldwide are, therefore, based on averaged quantities and heavily dependent on mathematical turbulence models. Despite widely used, such models fail to proper predict the averaged flow in many practical situations, such as the simple flow in a Square Duct. With the re-blossoming of Machine Learning methods in the past years, much attention is being given to the use of such techniques as a replacement to the traditional turbulence models. The present work evaluated the use of Neural Networks as an alternative to enhance the simulation of turbulent flows. To this end, the Stereoscopic-PIV technique was used to obtain well-converged flow statistics and velocity fields for the flow in a Square Duct, for10 values of the Reynolds number. A total of 10 methodologies were evaluated in a data-driven approach to understand what quantities should be predicted by a Machine Learning technique that would result in enhanced simulations. From the selected methodologies, accurate results could be obtained with a Neural Network trained from the experimental data to predict the perpendicular term of the Reynolds Stress Tensor and the turbulent viscosity. The turbulent simulations assisted by the Neural Network returned velocity fields with less than 4% in error, in comparison with those previously measured.
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Aluno(a) : Marcus Vinícius Adorno Borges
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/11/2023
Local:
Resumo: Diante da crescente pressão pela descarbonização de setores da indústria, a aplicação da hibridização com armazenamento de energia como forma de otimizar produção de energia em embarcações é analisada neste trabalho. Um navio que atua como suporte a plataformas de petróleo foi instrumentado e teve os dados relativos aos perfis de operação coletados. Observou-se que esta embarcação realiza operações com alto grau de transiência o que tende a aumentar o consumo específico dos motores. Foi proposta, então, a criação de um simulador em que as mesmas operações realizadas pelo navio fossem comparadas com um sistema de geração energética contendo um equipamento de armazenamento de energia, neste caso, baterias de lítio, absorvendo as cargas transientes da demanda navio, permitindo que os motores pudessem operar de otimizada relacionada ao consumo. Foram propostas diferentes estratégias com a utilização da média simples e médias móveis de maneira a coordenar a potência dos motores na hibridização mantendo o seu comportamento mais estável e mais próximo da operação com menor consumo específico de combustível. Percebeu-se que, para as operações com maior transiência, a aplicação da hibridização foi mais eficiência, chegando a redução de consumo que superaram os 30%. Já para as operações menos transientes, o ganho com a hibridização foi bem menor ou irrisório. Por fim, evidenciou-se, através de um estudo de caso a viabilidade financeira do sistema simulado. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/95512385137?pwd=aWlpSHJadDE3dFlIODU4L2pESUdjQT09
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Sánchez Pérez
Orientador(a): Márcio Carvalho e Danmer Maza
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/12/2023
Local:
Resumo: Many particle suspensions behave as thixotropic-viscous materials and they are present in different industrial processes, including coating applications. Specifically, the production of battery electrodes involves slot coating of a thixotropic liquid. In most cases, the flow of slurries and other particle suspensions is described by using a generalized Newtonian model that assumes the viscosity to be solely a function of the local deformation rate. However, the viscosity of thixotropic fluids is associated to its microstructuring level. Their viscosity does not change instantaneously with the stress (or deformation rate). In the case of imposing constant stress (or shear rate), the microstructure evolves until reaching an equilibrium state; but this process takes time. Even in a steady-state flow, the liquid flows through regions where there are significant changes in the levels of stress and the flow is transient in a Lagrangian point of view. Therefore, assuming that the viscosity at each point of the flow is the steady-state viscosity described by a generalized Newtonian model may lead to an inaccurate flow description. The relative magnitude of the characteristic response time of the liquid and the residence time of the flow becomes an important parameter. This is particularly relevant in small scale flows with very small residence time. Flows of a thixotropic-viscous liquid through a constricted microcapillary and in a slot coating process were analyzed here using two rheological models: the generalized Newtonian model (GNM) and a thixotropic model that takes into account the liquid time-dependent response. The resulting set of fully coupled, non-linear equations was solved by the Galerkin and SUPG Finite Element Method. The results show that the use of a simple generalized Newtonian model to describe thixotropic viscous materials, such as some particle suspensions, can lead to very large errors on the predicted flow behavior. Furthermore, generalized Newtonian models are not able to predict complex flow phenomena, like hysteresis, which could lead to unstable flows. These inaccuracies highlight the need for a more complete model that takes into account time-dependency of the flowing liquid in a certain range of flow parameters. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/97072483706?pwd=NTYyNUFMZGlVa3lOclpOT3RRT2dQUT09 Meeting ID: 970 7248 3706 Passcode: 227665
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Aluno(a) : Pedro Nieckele Azevedo
Orientador(a): Márcio Carvalho, Arnoud Tourin e Patrick Tabeling
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/07/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
In recent years, the advantages of using ultrasound contrast agents (UCA) with monodisperse size distribution have been highlighted. Characterized by a coefficient of variation (CV) lower than 5%, monodisperse microbubbles have the potential to improve the quality of ultrasound images (improving signal-to-noise ratio and reducing shadowing effects. It also facilitates microbubble resonance frequency monitoring, opening possibilities in the areas of molecular imaging and non-invasive pressure measurements. In addition, monodisperse bubbles can optimize the drugs, genes, and therapeutic gas delivery (e.g. sonotrombolysis, sonoporation, blood-brain barrier opening).
However, thus far, contrarily to polydisperse bubbles, freeze-drying monodisperse populations of fresh microbubbles, without deteriorating their monodispersity, remains a challenge. Thereby, today, monodisperse bubbles can neither be stored nor transported. This represents a bottleneck for their use in clinical applications. Attempts made to solve the problem have used toxic solvents, raising regulatory issues
The objective of the present work was to develop a new freeze-drying technique for monodisperse microbubbles that did not degrade their size distribution, or their acoustic properties, without the use of toxic solvents. As the first step of the project, flow-focusing microfluidic devices were fabricated to produce microbubbles with highly monodisperse size distribution (CV<5%). During this step, the optimization of the microbubble formulation and cryoprotectant materials was performed. Geometric characterization of two of microbubbles with mean diameters of 40µm and 5µm was performed. With the use of a high-speed camera coupled to an optical microscope, images of all stages of the freeze-drying process of the microbubbles were captured and analyzed, aiming to control the size distribution and production rate of the microbubbles. The steps of the freeze-drying process consisted of production, collection, freezing, lyophilization, and resuspension. The development of a new retrieval technique, where the microbubbles were stored in monolayers, resulted in a drastic reduction of the interaction between the bubbles during lyophilization. In this way, it was possible to preserve the monodispersity during the freeze-drying process, resulting in a CV <6% for the resuspended microbubble population. Environmental scanning electron microscope (ESEM) assays demonstrated uniformity in the shells of the freeze-dried microbubbles with an estimated wall thickness of 70nm.
In the second stage of the project, a characterization of the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse PVA-shelled microbubbles, in comparison with freshly produced microbubbles, and commercially available polydisperse microbubbles SonovueTM was conducted. Firstly, the backscatter acoustic response of the microbubbles was evaluated in two different setups: the centimetric cell (large container - 45mmx10mmx30mm), and the ‘milli-channel’ (confined system in which the liquid is at rest - 10 mmx35 mmx1 mm). Using a focused acoustic transducer with a frequency of 2.25MHz, the acoustic responses of the microbubbles, in the form of the fundamental resonance frequency and amplitude, before and after the freeze-drying process was compared for the bubble population of 5µm diameter. It was found that the variation of amplitude and fundamental resonance frequency of the bubbles were within the experimental uncertainty range, suggesting that their acoustic properties were preserved. We also observed, in agreement with the literature, that there is a linear dependence between the concentration of the microbubble population (without freeze-drying) and the amplitude of the backscatter coefficient. Subsequently, a comparison of the acoustic backscatter response was performed for monodisperse and polydisperse bubbles. Also, in agreement with the literature, we observed an amplitude in the response signal of the monodispersed bubbles of 8 to 10 times higher than that for the polydispersed ones, for the same in vitro concentration. It was also possible to observe the lower uncertainty in monitoring the fundamental resonance peak of the bubbles and a smaller bandwidth for the monodispersed bubble population. Finally, using the universal ultrasound matrix imaging approach, developed at Institut Langevin, the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse and polydisperse population was evaluated in a phantom mimicking tissue. The preliminary results reinforce the findings from the backscatter acoustic measurements in the centimetric cell and the milli-channel, in which the monodisperse population presented a significantly reduced bandwidth in comparison with the wide bandwidth of the polydisperse population.
The present work successfully presented a new technique developed to freeze-dry monodisperse microbubbles without degrading their geometrical and acoustic properties. Thus, we proposed a new generation of ultrasound contrast agents in the form of a stable freeze-dried powder that can be transported and stored for months and resuspended for use in clinical applications.
Link da defesa:
https://puc-rio.zoom.us/j/97956285508?pwd=Q3kxYThuVFNhOHRuT2kvL3d1VkpVdz09
Meeting ID: 979 5628 5508
Passcode: 177717
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Aluno(a) : Javier Aliaga Rivera
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/31/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
In this work, we develop the sensitivity analysis for design and control of thermal-fluid systems using computational fluid dynamics-based adjoint method. The principal motivation for this work comes from problems related to the optimal design of valves and flow control, as well as for devices subject to heat and mass transport phenomena. To illustrate the method, the fluid is modeled with the incompressible Navier-Stokes-Brinkman equation and the heat transfer is modeled by a convection-diffusion equation in steady-state. The system of equations is discretized using both the Finite Element Method and the Finite Volume Method, implemented in Matlab and OpenFOAM respectively. To perform the design and control of the thermal-fluid system, we consider three kinds of actuators: first, the components of velocity at inlet boundaries; second, the position of sources actuating as flow blockage; and finally, the pseudo-density that determines the material distribution in the computational domain. The sensitivity analysis begins by comparison of the continuous and discrete adjoint variables for specific cost functions. Thereafter, we checked the sensitivities by comparison with sensitivities obtained by the finite difference method, obtaining good agreement in all cases, and proving the robustness of the method. Next, two case studies are presented. The optimal location and magnitude of discrete sources in the domain, to achieve a determined steady-state condition; and the topology optimization of a forced convective heat exchanger, where the goal is to maximize the heat transfer while constraining the power dissipation across the duct. Furthermore, several numerical studies have been carried out for different configurations and operating conditions. The different cases demonstrate the method's capability by applying it to the optimal design with little computational effort.
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Aluno(a) : Thiago Handerson Torres Eduardo
Orientador(a): Angela Nieckele e Arthur Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/10/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Diante dos cenários produção cada vez mais desafiadores, a indústria de petróleo tem sido forçada a expandir os limites operacionais para vazões, temperaturas e pressões mais elevadas. Como consequência, cenários mais rigorosos são encontrados, levando a redução da vida útil dos equipamentos atuais, como por exemplo, a falha prematura por fadiga de linhas de controle de poços com completação inteligente. Estas linhas, encontram-se expostas ao escoamento turbulento na região anular da coluna de produção, causando vibrações e tensões suficientemente altas, podendo levar a uma falha prematura das linhas por fadiga. Para prevenir estes problemas, e desenvolver projetos mais eficientes é necessário investigar os fenômenos associados a interação da vibração da linha com os desprendimentos de vórtices do escoamento. Estes foram modelados utilizando-se a metodologia DES (Detached Eddy Simulation), o que requer alto custo computacional, devido a necessidade de utilização de pequenos passos de tempo e de espaçamento de malha.. Buscando reduzir o custo computacional para a modelagem do problema, propõe-se neste trabalho tratar de forma desacoplada a análise estrutural e de fluido-dinâmica. As forças atuantes nas linhas de controle no espaço anular do poço de completação são obtidas desprezando-se a flexibilidade das linhas. Paralelamente, o fator de amortecimento crítico, necessário para a análise estrutural da vibração da linha, é obtido através de uma simulação Fluido-Estrutura de um escoamento cruzado a um cilindro elástico. Os resultados obtidos mostram que a presente metodologia é promissora, permitindo uma melhor representação dos fenômenos envolvidos, do que os procedimentos atualmente disponíveis na literatura.
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Aluno(a) : Luiz Fernando Vieira
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Michael-Jon Hore
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/03/2022
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Resumo:
This dissertation focuses on the transport of nanoparticles through nanopores - nanoparticle translocation - and how this phenomenon can be used as a characterization tool known as nanopore sensing. Nanoparticles not only occur widely in nature but also have been extensively engineered in academic research and industrial development. Due to their unique properties, nanoparticles are used in several industrial applications. Characterization tools that are accessible, easy to use, and robust are key for both research and quality control in nanoparticle science and technology. Rarely all these desirable characteristics are encountered in a single characterization tool. For example, Dynamic Light Scattering (DLS) is known to provide easy measurements of nanoparticle size but is prone to errors when analyzing dispersed and mixed distributions. On the other hand, direct visualization of the particles by Transmission Electron Microscopy (TEM) provides accurate information on particle size but is difficult to perform with high throughput and is prone to sampling bias. Nanopore sensing can, however, measure physical properties both at a single particle level and with high throughput. Experiments were successful in characterizing particle concentration, size, and charge. However, the experimental results are not always readily interpretable. In response, modeling and simulation tools are used to shed light on the complex relationships coming from the nanoscale environment. Despite the great amount of development in this area, there is still a lack of trajectory-dependent simulations that can effectively reproduce the pulses from the translocation of a freely interacting particle. Here, Poisson-Nernst-Planck formalism was combined with Machine Learning and Dynamic Monte-Carlo to form a simulation tool that captures the drift-diffusion motion of hard particles and the current pulses corresponding to these trajectories. Spheres and rods were simulated translocating pores of different dimensions. The simulations suggest inherent limitations in resolution due to the Brownian effect. Whereas previous studies were able to simulate only a few trajectories or estimated the statistics of the features using theoretical arguments, in this study hundreds of trajectories were simulated, calculating statistics directly from the population of results. The framework developed in this research can be expanded to investigate other nanopore systems, helping the development of nanopore sensing.
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Aluno(a) : Erika Imada Barcelos
Orientador(a): Monica Naccache e João Maia
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/31/2022
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Resumo:
Suspensions correspond to a class of materials vastly used in a large set of applications and industries. Due to its extreme versatility, they have been the focus of numerous studies over the past decades. Suspensions are also very flexible and can display different rheological properties and macroscopic responses depending on the choice of parameters used as input in the system. More specifically, the rheological response of suspensions is intimately associated to the microstructural arrangement of the particles composing the medium and external factors, such as how strongly they are confined and particle rigidity. In the present study, the effect of particle rigidity, confinement, and flow rate on the microstructure of highly concentrated suspensions is studied using Core-Modified Dissipative Particle Dynamics. Preceding this main study, two other steps were necessary to guarantee a reliable and realistic simulation system, which consisted, essentially, on performing parametric studies to understand and estimate the appropriate values for wall-particle interaction parameters.
Chapter 2 and Chapter 3 of the present work address parametric studies performed to assist the input parameters choice to prevent particle penetration in a wall-bounded system. In Chapter 2 a simpler system, composed of solvent and walls, is built and the interaction parameters and wall densities are adjusted. In Chapter 3 the interactions are set for suspensions. In the latter case multiple parameters play a role in penetration and the traditional way to investigate these effects would be exhaustive and time consuming. Hence, we choose to use a Machine Learning approach to perform this study. Once the parameters were adjusted, the study of confinement could be carried out, in Chapter 4. The main goal of this Chapter was to understand how the microstructure of concentrated suspensions is affected by flow rate, particle rigidity and confinement. It was found that very soft particles always form a giant cluster regardless the confinement ratio; the difference being on how packed the particles are. In the rigid case, a stronger confinement leads the formation of larger clusters. Chapter 5 addresses a machine learning study carried out to predict the rheology of unconfined suspensions. The main contribution of this work is that it was possible to understand and adjust simulation parameters that affect unrealistic the physics of the system and develop a computational domain that enables to systematically study confinement effects on suspensions.
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Aluno(a) : Isabela Fernandes Soares
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/25/2022
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Resumo:
Adsorption of asphaltene molecules at the oil-water interface induces the formation of a complex microstructure, which stabilizes emulsions and impairs the efficiency of crude oil refining. In this work, we design a set of new shear rheology protocols to assess the effect of polar and non-polar solvents on indigenous Brazilian (BR) asphaltene adsorption. Moreover, the asphaltene morphology upon addition of solvents with distinct aromaticities is investigated by SEM microscopy. Our findings indicate that asphaltenes are a polycondensate aromatic island-type structure that forms reversible films when polar solvents are placed on top of the adsorbed film. The interfacial study also reveals that non-polar solvents induce precipitation/adsorption of asphaltenes at the oil-water interface. The asphaltene aggregates, upon the presence of weakly polar solvents, can consolidate into a more close-packed pattern, suggesting that network growth and asphaltene self-arrangement are directly related to the aromatic content. We explore the differences in asphaltene structuring and how it affects the extent of spontaneous emulsification. We find that the rate of emulsification is directly related to the chemical configuration of asphaltenes. Finally, we study the addition of stearic acid (SA) to asphaltene solutions in deionized water (DW) and synthetic water (SW) to better understand how surface and rheological properties are affected by competitive adsorption. We find that single SA are more prone to form liquid-like rather than solid-like films at the air-water interface. Furthermore, we show that the interfacial activity of our asphaltenes is enhanced in the presence of electrolytes and is dependent of the solvent aromaticity.
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Aluno(a) : Fernando Bastos Fernandes
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/17/2021
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Resumo:
The Nonlinear Hydraulic Diffusivity Equation (NHDE) models the single-phase flow of fluids in porous media considering the variation in the properties of the rock and the fluid present inside its pores. Often, the dimensionless linear solution for the flow of oil is computed using the Laplace and Fourier transform or Boltzmann transformation and provides the unsteady pressure field in Cartesian coordinates given by complementary error function erfc(xD, yD, tD) and in cylindrical coordinates described by the exponential integral function Ei(rD, tD).
This work develops a new analytical model based on an integro-differential solution to predict the formation mechanical damage caused by the permeability loss during the well-reservoir life-cycle for several oil flow problems. The appropriate Green’s function (GF) to solve NHDE for each well-reservoir setting approached in this thesis is used. The general solution is implemented in the Matlab® and the mathematical model calibration will be carried out by comparing the solution obtained in this work to the porous media finite difference oil flow simulator named IMEX®. The general solution of the NHDE is computed by the sum of the linear solution (constant permeability) and the first order term of the asymptotic series expansion, composed of the nonlinearities present in the hydraulic diffusivity function η(p). The second term of asymptotic series expansion is obtained by solving a Volterra’s second kind integro- differential equation in Matlab® and the permeability functions for some types of reservoir rock will be obtained through laboratory correlations, generated from field data. The instantaneous permeability loss effect is clearly noticed in the diagnostic and specialized plots.
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Aluno(a) : Nicolle Miranda de Lima
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/27/2021
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Resumo:
Foam is widely used in oil recovery operations to improve sweep efficiency, in gas storage and acidization operations, and to solve problems
caused by either a thief zone or gravity override. Foam, which can be preformed and injected into the reservoir or produced in-situ through the pore space, fills the high permeability areas known as thief zones and diverts the displacing fluid into the direction of trapped oil, reducing the relative permeability of gas and leading to a more stable displacement front. The efficiency of these processes largely depends on the generation and stability of the foam films (lamellae) residing in the pores. The mobility of the injected gas is reduced when foam is formed; this reduction is attributed to the reduction of the gas phase relative permeability. The lamellae formed create resistance against the gas flow, impeding its free
motion inside the porous media. The lamellae population that composes the foam is direct related to surfactant concentration, and their flow and
mobility are functions of the pore geometry and foam properties. However, the dynamics of foam formation in porous media is not fully understood due to its complexity. The goal of the first part of this research is to understand the dynamic process of gas invading a two-dimensional porous media glass model occupied by a surfactant solution and forming foam. The second part focus on foam formation and its impact on oil displacement during SAG (surfactant-alternating-gas) injection. A microfluidic setup composed of a glass micromodel, syringe pump, pressure transducer and microscope, was used to visualize the pore-scale displacement and correlate the evolution of lamellae formation during the injection process with pressure difference for different flow conditions through image processing. The dynamics of lamellae formation is reported and related to macroscopic flow behavior.
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Aluno(a) : Renan Piazzaroli Finotti Amaral
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/03/2021
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Resumo:
Fuzzy logic systems are machine learning techniques that can model mathematically uncertainties. They are divided into type-1 fuzzy, and type-2 fuzzy logic systems. The type-1 fuzzy logic system has been widely applied to solve several problems related to machine learning, such as control, classification, clustering, prediction, among others. However, as it presents a better mathematical modeling of uncertainties, the type-2 fuzzy logic system has received much attention over the years. This improvement in modeling is also accompanied by an increase in mathematical and computational complexity. Aiming to reduce these complexities to solve classification problems, this work presents the development and comparison of two Gaussian membership functions for a type-2 interval fuzzy logic system using the upper and lower method. Gaussian membership functions with uncertainty in the mean and with uncertainty in the standard deviation are used. Both fuzzy models covered in this work are trained by algorithms based on first order information. Furthermore, this work proposes the extension of interval type-2 fuzzy models to present multiple outputs, significantly reducing the computational cost in solving multiclass classification problems. Finally, aiming to contextualize the use of these models in mechanical engineering applications, this work presents the solution of a problem of fault detection in aircraft gas turbines.
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Aluno(a) : Lorena Rodrigues da Costa Moraes
Orientador(a): Monica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/07/2021
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Resumo:
This work investigates the impact of functionalized graphene suspensions on the rheology of a Carbopol aqueous dispersion. The graphene derivatives used were graphene oxide (GO) and amino-functionalized graphene oxide (AFGO). The variation of the functionalized graphene concentration and oxidation was evaluated and related with the suspensions rheological behavior. GO nanosheets were produced from synthesis of graphite oxide (GrO) by modified Hummers method, and they were characterized by XRD, Raman,TGA, FTIR, XPS, TEM and AFM techniques. The GO was functionalized with triethylenetetramine by microwave assisted reaction to produce the AFGO, which was characterized by TGA and XPS techiniques. The rheological behavior of these suspensions was characterized by oscillatory and steady-state flow experiments and zeta potential characterized the suspensions colloidal aspects. The GO structure characterization shows that oxygenated functional groups were incorporated in its graphitical surface. GO oxidized for 96 hours (GO 96 h) showed higher interplanar distance and also presented fewer layers when compared with GO oxidized for 2 hours (GO 2 h). The AFGO characterization points out that aminated groups were covalently attached to the GO nanosheets and the GO with a higher oxidation degree produced an AFGO with higher amination level. All synthesized nanosheets are highly stable when suspended at neutral media. The functionalized graphene suspensions were well modeled by the Hershel-Bulkley equation. The increase of the nanosheets concentration in the suspensions impairs the level of fluid structure and leads to a decrease in viscosity, yield stress, and elasticity. The GO 96 h promoted a lower decrease in viscosity, yield stress and elasticity than the GO 2 h suspension. In the case of AFGO, the greater amination degree can lead to a more pronounced drop in the suspension rheological properties. For the suspension with a higher concentration of GO 96 h, it was observed the appearance of hysteresis at low shear rates. These results show that small changes in the graphene functionalized nanosheets surface can significantly influence the rheological responses of a non-Newtonian fluid.
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Aluno(a) : Lucio Rossi de Souza
Orientador(a): Jose Roberto d'Ameida
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/29/2021
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Resumo: Corrosion is a natural phenomenon that affects virtually every material, consumes billions of dollars annually worldwide and may result in catastrophic events. Coating is the most utilized technique to prevent corrosion. In this sense, epoxies are widely applied in all sectors of industry. Despite being high performance polymers, epoxies present issues, such as the use of toxic crosslinkers and long curing time. Benzoxazines are an emerging class of high performance self-curing thermosets. While typical monomers are based on mono- and difunctional derivatives, higher functional benzoxazines, prepared without using solvents, but purified with nontoxic solvents, are more desirable towards a greener synthesis of PBZ for high performance applications. Herein, we describe an environment-friendly approach to synthesizing a trifunctional benzoxazine from melamine, phenol, and paraformaldehyde. The chemical structure of the synthesized benzoxazine was confirmed by spectroscopic analyses, while the polymerization was monitored by thermal analysis. The synthesized benzoxazine monomer is, then, copolymerized with a commercial difunctional epoxy resin. We investigate the synergistic effect on improved thermal properties using differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). Results showed that a glass transition temperature of up to 268 °C was obtained. A higher thermal stability was also achieved with an onset degradation of nearly 400 °C and char yield of 22 wt% at 800 °C. Later, the copolymer was combined with silica to produce anticorrosion coatings. Results revealed superhydrophobic surfaces with great scratch resistance and adhesion to steel substrate. Electrochemical test proved high effectiveness of the coatings as anti-corrosion barrier, with increasing performance with the incorporation of silica.
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Aluno(a) : Bruna Costa Leopercio
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/29/2021
Local:
Resumo: Microcapsules are applied in several sectors of industry when a physical barrier between the core material and the external environment is required. They protect their cargo and ultimately release it in a controlled way. In the present work, microcapsules with hydrogel-based shells are produced. Monodispersed microcapsules are formed by ionotropic gelation of gellan gum from monodispersed oil-in-water-in-oil (O/W/O) double emulsion templates obtained using glass-capillary microfluidic devices. An oil extraction step was added after the shell gelation process to enable the dispersion of the microcapsules in an aqueous medium. We report the operability window for the production of monodispersed microcapsules as a function of the flow rate of each fluid phase and the dimensions of the device. Microcapsules with mean diameters ranging from 95 to 260 μm and a maximum coefficient of variation of 5% were formed. The results show how to independently control the capsule diameter and shell thickness by varying the outer and middle phase flow rates. After that, we experimentally investigate the flow of monodispersed gellan gum microcapsules through a constricted capillary tube by measuring the evolution of the pressure difference and flow visualization. The maximum pressure difference and capsule deformation is obtained for capsules with different diameter and shell thickness. We map the conditions at which the capsule membrane ruptures during the flow, releasing its internal phase. Then, the gastro-resistance of gellan microcapsules is verified through an in vitro test that mimics the gastric and intestinal phases of digestion. Confocal fluorescence microscopy is used to track microcapsules integrity and we show that microcapsules cargo is released in the intestine mostly due to its pH. Finally, we demonstrate that it is possible to produce magnetic microcapsules with well controlled magnetic response by adding different amounts of ferrofluid to their core or shell. The microcapsules produced have great potential for different applications in food, biomedical, pharmaceutical and oil and gas industries.
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Aluno(a) : José Francisco Roca Reyes
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/23/2021
Local:
Resumo: The flow of capsules suspended in a liquid phase through small channels and capillaries poses a complex problem presented in different applications, from red blood cells on hemodynamics to flow in porous media. In porous media applications, the understanding of micro-scale dynamics is fundamental to assess the macroscopic flow behavior. Constricted channels and capillaries can be used to model a pore-throat connecting two adjacent pore-bodies. The flow of a suspended capsule through such models was analyzed to evaluate the flow characteristics, including the maximum pressure difference required to push a capsule through the constriction as a function of capsule radius, initial membrane tension, membrane material, channel and capillary geometries, as well as flow conditions. Inner and outer liquid phases were described by the Navier-Stokes equations and capsule membrane dynamics was modeled by a 1-D spring-like flexible structure. The fluid-structure interaction problem was solved using the finite element method coupled with the immersed boundary method. Results showed the mobility reduction of the continuous phase due to the presence of a capsule as it flows through the constriction. Such results can be used to design microcapsules to block preferential water flow paths in oil displacement process in porous media.
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Aluno(a) : Sergio Santiago Ribeiro
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/29/2020
Local:
Resumo: This thesis aims to investigate the cementing process of an oil well in presence of a filtrate loss zone. An experimental setup was designed, built and operated to simulate an annular well field-like geometry where cement would cure under controlled conditions. This well simulator consisted of an 8m concentric annular column with a section of semi-permeable external wall, equipped with pressure and temperature sensors. It allows the investigation of the cementing cure mechanisms, as well as the impact of the fluid loss zone in the pressure drop behavior. In order to predict this behavior on real oil wells, a 2D transient numerical model is proposed. A finite element model was implemented in Python with the aid of an open source library named FEniCs. Mass and momentum conservation equations are solved to obtain the pressure and velocity fields, and the cement mixture is considered an incompressible single-phase mixture composed of two chemical species: free-water and dissolved cement. The mass transport is modeled with an advection-diffusion equation and dissolved cement species is modeled as a viscoplastic fluid with shrinkage. Finally, the simulation results were confronted with the experimental data, and a good agreement was observed. Further investigation of numerical model parameters was performed, and a sensitivity analysis evaluated individual influence of those parameters in the pressure drop. The results indicate that pressure profile evolution has a strong dependency on thickening time, fluid loss flow rate magnitude and the Newtonian viscosity plateau for the evaluated shear rate regimen.
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Aluno(a) : Gustavo Schinazi
Orientador(a): José Roberto d'Almeida
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/21/2020
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Resumo: Polymers are used in a wide variety of applications and are present in all aspects of people’s daily lives; one of the main drawbacks related to their use, however, is their flammability. Major advances have been made in developing flame retardants (FRs) to be used in polymers, but most of the commercial FR additives in use today, mainly halogenated FRs, are extremely toxic both to humans and to the environment and are thus being increasingly regulated or banned throughout the world. Research into the use of renewable products as FRs for polymers has grown exponentially in the past two decades as a result, leading to the creation of many bio-based, environmentally-friendly FR systems. Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) is one of the most widely used polymers in the world, but it is also one of the most flammable and one of the most challenging to flame retard due to its complex terpolymer structure. It is currently used commercially with toxic halogenated FRs, which face global restrictions or bans. Very little work has been performed on reducing ABS’s flammability using nature-derived or low-toxicity flame retardants. There is therefore an urgent need for the development of low-toxicity, bio-based FR systems to substitute halogenated FRs for commercial use in ABS. The present work aims to contribute to the development of a bio-based flame-retardant solution for ABS. The first objective, a practical goal, is to develop a flame-retardant grade of ABS using mainly nature-derived additives, while maintaining acceptable mechanical properties. The second objective, having a scientific intent, is to comprehend the mechanisms of flame retardation of the bio-based FRs. The project consists of a two-phase study: (1) a Screening Phase, during which the effects of 8 different FRs and combinations thereof on ABS’s flammability are evaluated through microscale combustion calorimetry (MCC); and (2) a Detailed Analysis and Mechanistic Study Phase, in which the most promising candidates from Phase 1 are further analyzed through a variety of techniques with the objectives of better understanding their flammability and mechanical performances and of comprehending their mechanisms of flame retardation. Chapter 1 presents a brief introduction to the work followed by a literature review. Chapter 2 contains the experimental methodology used throughout the research. The Screening Phase is discussed in Chapter 3, which provides details about the experimental planning, preliminary tests, and the results of the screening experiments; the most promising samples and scientifically motivating synergies are identified. Chapter 4 contains the results of Phase 2, presenting in-depth discussions and hypotheses to explain the flame-retardation mechanisms of the bio-based FRs in ABS. Chapter 5 provides the main conclusions of the research and recommendations for future work. Link da defesa:
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Aluno(a) : Behbood Abedi
Orientador(a): Paulo R de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/18/2020
Local:
Resumo: Throughout the wax gelation, the network of paraffin crystals modifies the behavior of waxy crude oil. It changes from a low viscosity Newtonian to a high viscosity time-dependent material with yield strength. Now, it is totally challenging to find out the restart pressure for gelled crude oil flow with such a complex microstructure. Through my Master`s dissertation, we investigated two viscoplastic materials, namely a hair gel with a negligible thixotropy and a quite thixotropic 2% aqueous suspension of Laponite to mimic the startup flow of waxy crude oils. For both materials, the minimum axial pressure gradient required for the onset of flow was measured, and the measured values were in good agreement with the prediction of a conventional force balance. On the other hand, industry cases have exhibited that the just mentioned force balance leads to an overestimation of the minimum startup pressure gradient. In some studies, an elicited explanation is the thixotropic behavior of the gelled crude, but our above-mentioned results served to falsify it. Over the first part of my PhD thesis, we aimed to verify in the laboratory that why the force balance does not hold for gelled crude oil and then we sought a physically proper explanation for this discrepancy and also a reliable way to predict the minimum startup pressure gradient. Along these lines, we show the role of gelled crude oil's shrinkage in the discordance between static yield strength and required minimum pressure gradient to onset the flow, through rheometry and fluid flow in a tube. Then, we introduce a modified force balance equation with the role of shrinkage included to best estimate the minimum restart pressure gradient. Another essential element through the restart flow of gelled waxy crude is to find out a reliable strategy to mathematically model the material`s rheology. In most models that aim at predicting the rheological behavior of gelled waxy crude oil, the microstructure changes during flow are assumed to be thixotropic; reversible time dependent. But, we observed in our experiments with well-controlled flow and thermal histories that the irreversible character of time dependence is quite evident. Thus, in the second part of thesis we propose a model based on previous developments by Souza Mendes and co-workers that accounts for the irreversible time dependence observed experimentally in a waxy crude oil. The predictive capability of the proposed model is then assessed via comparisons with experimental data.
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Aluno(a) : Eliana Paola Marín Castaño
Orientador(a): Paulo Roberto S. Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/31/2020
Local:
Resumo: This research focused on studying the rheology of W/O emulsions formed by different crude oils, with special attention to their behavior when subjected to Brownian and hydrodynamic forces. At a microscale level, particle-particle and particle-medium interactions, both of which are involved in the phenomenon of aggregation, define the emulsion’s rheological behavior due to the complex structures created by the droplets as their concentration rises. An experimental study was performed in order to visualize the emulsions characteristics according to its disperse phase concentration and the shear rate applied, verifying the existence of both coalescence and flocculation phenomena during shearing. The modeling of interactions between droplets allowed the prediction of the emulsion’s behavior by colloidal thermodynamics. With it, a methodology to fit the experimental data that included both the shear rate and disperse phase concentration parameters was proposed. This work emphasizes the importance of studying emulsion systems at a micro-scale level in order to obtain a better comprehension of the formation and breakage processes of complex and random aggregate structures. This allows the prediction of the emulsion’s rheological behavior, and the proposition of a phenomenological model to best describe it. risisualize the emulsions.
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Aluno(a) : Paula Stofer Cordeiro de Farias Bormann
Orientador(a): Igor de Paula e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/04/2019
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Resumo: The occurrence of slug regime in horizontal pipelines is of special interest for the oil and gas industry due to the unwanted operational risks associated with this flow. Hence, an intense effort has been devoted to the study and to model this flow regime. Predictive tools based on linear Kelvin-Helmhotz stability have been widely applied in the literature for prediction of slug onset. These models are derived from stability analysis of well-defined disturbances. However, for pipe flows, a limited number of experimental studies devoted to investigate the evolution of disturbances that lead to the initiation of slugs is available. In addition, no studies are found using of well define disturbances, which could provide accurate information for validation of models and numerical simulations. The present work addresses the problem by the studying of the evolution of controlled waves excited at the liquid interface. To this end, an oscillating paddle was employed. The work focuses the characterization of interfacial waves within the linear regime, which correspond to the regime of most models available in the literature. The amplitude threshold for linear waves was experimentally estimated. The driving signal of the oscillating paddle was synchronized with image acquisitions, enabling phase locked measurements of the waves and hence the use of ensemble averaging techniques. Phase-locked measurements of the velocity field in the liquid and gas layers were performed using off-axis Particle Image Velocimetry (PIV) technique and Shadowgraph. Mean flow, streamwise and wall normal fluctuations were measured simultaneously in the liquid and gas phases. For a range of flow rates and exciting wave frequencies the combined techniques employed allowed the extraction from the measured velocity fields, the coherent part of flow fluctuations related with the exciting waves. The results obtained have shown, seemingly, for the first time, that interfacial modes in both phases are nearly independent of near wall disturbances within the range of parameters covered in this work. Characterization of nonlinear waves was briefly investigated indicating changes in the mean velocity. Moreover, a correlation for wave friction factor based on wave and flow parameters was obtained, leading to an improvement on the liquid heightand pipe head loss estimation when are combined into the closure relations used for the 1-D models. The experimental methodology proposed in this work is a valuable tool to produce accurate information that can be used to validate and improve theoretical models and numerical simulations. It can contribute to the understanding of the physical mechanisms involved in the transition from stratified to slug flows.
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Aluno(a) : Ivan Fernney Ibanez Aguilar
Orientador(a): Angela Nieckele e Bruno Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/12/2019
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Resumo: As patologias na valva aórtica representam umas das principais causas de óbito no mundo. Nos casos de estenose aórtica grave, a substituição da valva aórtica nativa é necessária. Existem dois mecanismos de substituição de valva aórtica: cirurgia convencional “de peito aberto” ou o implante valvar aórtico percutâneo (TAVI, Transcatheter Aortic Valve Implantation). O posicionamento coaxial da prótese valvar em relação ao ânulo aórtico apresenta-se como uma variável de alta influência no fluxo sanguíneo transvalvar. O presente estudo analisa a influência do posicionamento coaxial da prótese valvar nas estruturas hemodinâmicas em região de aorta ascendente e início do arco aórtico. O padrão hemodinâmico nesta região vascular pode influenciar o remodelamento aórtico, culminando em dilatações aneurismáticas, dissecção aórtica e processo aterosclerótico. A presente pesquisa foi desenvolvida através de simulações do tipo FSI (Fluid Structure Interaction), i.e.: considerando a interação entre a complacência aórtica e o fluxo sanguíneo durante o ciclo cardíaco. A geometria anatômica avaliada representou um modelo aórtico de um paciente que foi submetido ao implante valvar percutâneo. O software de simulação numérica utilizado foi ANSYS-Fluent. As estruturas hemodinâmicas foram estudadas através da análise das seguintes grandezas físicas: velocidade; vorticidade; pressão; energia cinética turbulenta; tensão principal do tensor de Reynolds, além da pressão e tensão cisalhante na parede vascular. Através da análise dos resultados obtidos foi possível sugerir uma posição coaxial ideal da prótese valvar aórtica.
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Aluno(a) : Guilherme Moreira Bessa
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/06/2019
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Resumo: A estenose aórtica é um dos mais graves problemas decorrentes de doenças valvares. O implante da prótese valvar aórtica por cateterismo (TAVI) vem se tornando o tratamento mais indicado aos pacientes de alto risco ou inoperáveis. A estenose aórtica grave pode ser uma condição de risco à vida quando não tratada. Devido à natureza do procedimento TAVI, é esperada uma variabilidade no ângulo de inclinação da válvula implantada. O presente trabalho investigou a influência das variações de inclinação e orientação do jato transvalvar sobre o escoamento em aorta ascendente. A compreensão dos padrôes hemodinâmicos do fluxo sanguíneo em aorta ascendente é importante porque eles estão intimamente relacionados ao desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Para este fim, um modelo vascular com geometria anatômica de paciente específico foi produzido a partir de imagens de tomografia computadorizada, gerando um protótipo impresso em 3D e resina de silicone transparente. Uma configuração especial foi projetada para permitir medições tridimensionais do fluxo em diferentes seções transversais do modelo aórtico. A técnica de velocimetria por imagens estereoscópicas de partículas foi implementada para produzir informações instantâneas e médias do fluxo turbulento, tais como, campos tridimensionais de velocidade média, de energia cinética turbulenta e correlações entre os componentes de flutuação de velocidade. Os resultados obtidos indicaram que o escoamento em aorta ascendente é fortemente afetado pela direção do fluxo de entrada na aorta.
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Aluno(a) : Claudio Vidal Teixeira
Orientador(a): Sergio Braga e Carlos Valois
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/31/2018
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Resumo: Ao longo dos anos o combustível de origem fóssil tem mostrado aspectos negativos que afetam não somente o meio ambiente, mas também a economia mundial. Entretanto, não é possível erradicá-lo sem haver outro combustível que desempenhe o mesmo papel. Esse fato tem motivado pesquisadores a estudar com o objetivo substituir, mesmo que parcialmente, o combustível de origem fóssil. Os estudos focam na adaptação do motor para operar com um combustível já existente e menos poluente; na adequação deste combustível menos poluente para operar no motor convencional, ou ainda na combinação destas duas soluções.Uma tecnologia, desenvolvida na Universidade de Wisconsin-Madison, denominada de RCCI, que usa dois injetores por cilindro para misturar na mesma câmara, combustível de baixa-reação (gasolina) com combustível de alta-reação (diesel). Esta técnica tem se mostrado um recurso bastante promissor, uma vez que possibilita maior controle no processo de combustão e promove a diminuição do consumo de combustível e das emissões de NOx e MP.O foco deste trabalho é analisar o desempenho um motor ICO monocilídrico, adaptado para operar com dois combustíveis (óleo diesel e etanol), injetados diretamente na câmara, com diferentes estratégias de injeção.
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Aluno(a) : Felipe Pereira Fleming
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo, Jérôme Pauly, Jean-Luc Daridon, Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/30/2018
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Resumo: Since the early 1980’s, efforts have been directed towards modeling the complex wax deposition phenomenon. Over the years, the critical evaluation of the wax deposition mechanisms proposed initially through a solid physical background start to make room to flexible codes that could be tuned to different experiment scenarios. In an attempt to investigate the phenomenon in a fundamental way, the current work proposed a research strategy that would evaluate every single part of the complex wax deposition model under well-controlled optimal conditions. To achieve such a goal, a new strategy to evaluate solid-liquid thermodynamic models was developed. Results showed that the model used was robust enough to precisely describe the solid-liquid phase behavior of asymmetric model mixtures at both ordinary and high pressures, as well as to describe the behavior of complex mixture like Diesel fuel samples. To assure the solid physical basis of the models being employed in this work, the thermal conductivity measurement of heavy n-alkanes in both liquid and solid phases was carried out and reported for the first time in the literature. At last, a drift flux solid-liquid CFD model was proposed. Coupled with a thermodynamic model to supply the model with phase equilibria and properties data, the model was used to investigate the experimental results available in the literature. The wax deposition mechanism evaluated was based on the viscosity increase due to the appearance of solids. The results showed that although a qualitative agreement between the model and experimental results were obtained, the model underestimated the thickness of the deposit. On the other hand, the thermal conductivity of the deposit matched the recently available experimental data on the thermal conductivity of such a deposit measured under flowing conditions. This fact strengthens the presented conclusions that wax deposition is not a single mechanism phenomenon after all.
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Aluno(a) : Juan Jose Cruz Villanueva
Orientador(a): Luis Fernando Silva e Andres Fuentes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/11/2017
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Resumo:
O presente trabalho apresenta um estudo experimental da distribuição de fuligem e de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) em chamas laminares não pré-misturadas de etileno e ar, mediante o uso de técnicas de diagnóstico espectroscópico, num queimador tipo co-flow. Para este fim são aplicadas as técnicas de fluorescência induzida por plano laser e incandescência induzida por plano laser, com excitação no espectro ultravioleta. Bandas espectrais de detecção centradas em 340, 400, 450, 500, 550 nm são empregadas para caracterizar diferentes PAH, aproveitado o fenômeno do deslocamento do espectros de fluorescência para o infravermelho, conforme se incrementa sua massa molecular. A técnica de extinção laser é utilizada para calibrar os resultados de incandescência e obter a fração volumétrica de fuligem. A radiação espontânea emitida pela fuligem é utilizada para medir a temperatura pela técnica de termometria em duas cores. A comparação dos resultados obtidos com uma detecção simultânea (0 ns) e atrasada (50 ns) com respeito ao pulso laser permite discriminar entre as regiões onde estão presentes PAHs e fuligem ou apenas fuligem. Os resultados mostram que na região mais fria, perto da entrada de combustível, apenas existem PAH. Seguindo esta região, numa zona de altura intermediária e mais quente, tanto a fuligem como o PAHs parecem coexistir até a o ponto de máxima fração volumétrica integrada de fuligem. Se observa o deslocamento no sentido vertical da distribuição de fluorescência com o aumento do comprimento de onda de detecção, o que é consistente com o crescimento do tamanho de PAH e sua progressiva transformação em fuligem. A distribuição de PAH e da fuligem é investigada como função da vazão de combustível. A fração volumétrica de fuligem apresenta uma distribuição clássica, cujo valor se incrementa com a vazão de combustível, enquanto que a temperatura medida diminui.
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Aluno(a) : Luiz Umberto Rodrigues Sica
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Roney Thompson
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/29/2017
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Resumo: In the first part of the present research, we are going to reinforce that normal stress differences are not negligible and should be taken into account in material properties evaluation. It is usual practice in rheology to measure the apparent yield stress in simple shear flow. In these measurements, the apparent yield stress is identified as the maximum value of the shear stress below which no irreversible flow occurs. Then, the thus determined apparent yield stress is used in conjunction with the von Mises criterion in any complex flow. The von Mises criterion compares it with the intensity of the deviatoric stress tensor. It happens that for simple shear flow the intensity of the deviatoric stress is composed of both the shear stress and the normal stress differences, but the contribution of the latter is never considered in the experimental determination of the apparent yield stress. In view of assess the importance of the contribution of the normal stresses to the apparent yield stress, a sequence o standard constant shear stress tests were performed for each material, estimating the critical stress which represents the mean value obtained between the stress values of the curves in which the material flows and does not flow with an accurate tolerance. After that, a proposed test to evaluate the proper values of the normal stress differences was performed for each material, giving the value of N1-N2 at the critical stress value previously obtained. Following, with those results the intensity of the second invariant of the deviatoric stress tensor was evaluated for two cases considering and neglecting N1 and N2 for each material. It was observed that for some materials the normal stress contribution is much larger than the shear stress contribution. Furthermore, the validity of the von Mises yielding criterion for elasto-viscoplastic materials was evaluated analyzing the following aspects: (i) if the Bauschinger effect is negligible, and (ii) if the direct relation in which the magnitude of the apparent yield stress in shear flow is sqrt{3} lower than the apparent yield stress in tension/compression. For this purpose, in order to generalize the study for different flow conditions, constant volume squeeze flow and traction tests were performed evaluating the compressive and tensile critical stresses. After that, the intensity of the deviatoric stress tensor was calculated for each flow and material. Besides, no-slip and partial slip boundary conditions were considered for the constant volume squeeze flow, and as a remarkable result, it was possible to obtain the static equilibrium state for several materials estimating the compressive apparent yield stresses. The author is not aware of the existence of these experimental results. As the most important conclusion, the von Mises yielding criterion was considered not accurate representing yielding of elasto-viscoplastic materials. However, it stills an amazing approximation for metal and widely used in civil engineering.
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Aluno(a) : Florian Alain Yannick Pradelle
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/10/2017
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Resumo:
In order to partially replace the demand of diesel from fossil fuels, to reduce high import costs and to comply with environmental standards, sustainable policies have led to partially replace diesel oil by biodiesel. However, other technologies, such as diesel-biodiesel-ethanol mixtures, are being investigated. The major challenge of these mixtures is to improve the miscibility and the stability of alcohol in diesel. In this study, an additive, from renewable compounds, capable of improving the miscibility of anhydrous ethanol in diesel with 15% by volume of biodiesel was formulated. This additive has improved the range of concentration and temperature in which stable mixtures were observed. Some physicochemical properties of the additivated mixtures were measured to evaluate aspects of consumption, combustion quality, behaviour at low temperature, interaction between the fluid and the surface, and safety. The results showed that blends with, at least 1.0%, by volume of additive and 20% by volume of anhydrous ethanol are stable at temperatures above 10°C and respected most Brazilian specifications for diesel. Experimental tests on a compression ignition engine were performed with these mixtures. The results showed that the diesel substitution alters the characteristics of combustion: the increased ethanol content implied an increase of the ignition delay, a decrease of peak pressure and a faster heat release, but later in the expansion phase. Despite these non-optimized conditions for injection and combustion in the presence of ethanol, results showed a better burning of ethanol to produce a kW.h, in comparison to the values found in flex fuel spark ignition engine, in addition to a small increase in the indicated efficiency of the engine.
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Aluno(a) : Helena Maria Borja Veiga
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/20/2017
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Resumo:
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Aluno(a) : Oberdan Miguel Rodrigues de Souza
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/24/2016
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Resumo:
Neste trabalho, foi desenvolvido uma modificaçãodo modelo para simulação de sprays diesel com o método de PDF presumida e cinética químikca tabulada. Esta modificação foi implementada e modificada adaptando um solver do openfoam, acrecentando bibliotecas ao openfoam. As bibliotecas flamelets foram geradas com o auxílio do sofware de cinética química flamemaster. A validação foi realizada com dados experimentais do laboratório sandia, em uma câmera a volume constante. Ainda foram comparados os resultados gerados pelo código padrão para simulação de sprays diesel do openfoam, o sprayfoam, mostrando uma grande eficiência computacional. Para este trabalho foram estudados e validados o modelo de turbulência, atráves da comparação da penetrabilidade na fase liquída e na fase a vapor. Assim como, o estudo da malha gerada com a geometria da câmara de combustão. Para as simulações reativas, a utilização do modelo de conbustão, em conjunto com as tabelas flamelets, foram capazes de reproduzir, com relative confiabilidade o atraso de ignição e o comprimento de ancoramento de chama. O código mostrou-se bem condizente com as condições reais de alteração da temperatura ambiente na maioria dos casos.
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Aluno(a) : Aline Amaral Quintella Abdu
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/07/2016
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Resumo:
Na indústria do petróleo são comuns processos envolvendo deslocamentos de um fluido pelo outro, como nos processos de completação e cimentação de poços. A eficiência desses deslocamentos é de suma importância, garantindo a vida útil do poço. A operação é considerada adequada quando ocorre uma distribuição homogênea da pasta de cimento na parede do poço. No presente trabalho um estudo experimental e numérico do deslocamento de fluidos em espaço anular foi realizada. Para os testes experimentais um simulador físico de um poço em escala foi construído. As equações de conservação de massa e momento foram resolvidas através do método de volumes finitos, utilizando os programas Fluent e OpenFOAM. Para a modelagem multifásica foi utilizado o método “volume-of-fluid” (VOF). No estudo, a avaliação da influência de parâmetros reológicos, razões de densidade e viscosidade, geometria do poço e vazão de bombeio foi realizada com o objetivo de otimizar o processo de cimentação. Os fluidos utilizados foram fluidos modelos e reais, newtonianos e não newtonianos. A eficiência de deslocamento foi avaliada através da configuração da interface entre os fluidos e através da determinação do da densidade da mistura na saída do anular ao longo do tempo.
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Aluno(a) : Fabio Jessen Werneck de Almeida Martins
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Jean-Marc Foucaut e Michel Stanislas
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/26/2016
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Resumo:
O estudo fundamental de estruturas turbulentas próximas a paredes é de significativa importância devido ao seu papel dominante em inúmeras aplicações de engenharia. Em escoamentos turbulentos, estruturas de diferentes escalas interagem entre si através de um fenômeno complexo caracterizado por um processo contínuo e auto-sustentável. Embora a presença de padrões de movimento coerente pareça ser responsável pela manutenção da turbulência, a evolução e a interação destas estruturas ainda não são completamente entendidas. Para investigar tais fenômenos, foram realizados estudos de escoamentos turbulentos sobre uma placa plana em um túnel de vento e dentro de um canal de água quadrado, configurando estudos de escoamentos próximos a paredes. O presente trabalho empregou uma técnica tomográfica de velocimetria por imagem de partícula, tomo-PIV, de alta taxa de medição de campos de velocidade tridimensionais, permitindo a determinação do tensor gradiente de velocidade completo, assim como da reconstrução da história temporal das estruturas turbulentas. O processamento da técnica tomo-PIV foi optimizado a fim de melhorar o desempenho do algoritmo e a exatidão dos campos vetoriais medidos. As medições realizadas permitiram a obtenção de estatísticas condicionais das estruturas coerentes típicas da camada limite turbulenta, tais como regiões de baixa e de alta velocidades, varreduras ("sweeps"), ejeções ("ejections") e vórtices, fornecendo informações quantitativas sobre estas estruturas. As análises estatísticas foram realizadas utilizando um código de pós-processamento de dados especialmente desenvolvido no presente trabalho. Os resultados mostraram vórtices distribuídos por todo o escoamento, entretanto, concentrados na vizinhança das regiões de baixa velocidade e ejeções. Estes vórtices apresentaram uma variedade de inclinações e uma ampla gama de escalas de tamanho. Os resultados indicaram que os vórtices estavam indiretamente correlacionados com o processo de produção de turbulência, apesar de serem os principais responsáveis pela dissipação da energia turbulenta. Ejeções e varreduras, associadas às regiões de baixa e de alta velocidade, respectivamente, foram as principais estruturas responsáveis pela produção turbulenta.
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Aluno(a) : Antonio Carlos Scardini Vilela
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/29/2016
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Resumo:
Os modelos computacionais comerciais atualmente disponíveis, em geral, não são satisfatoriamente sensíveis a variações na composição e nas propriedades dos combustíveis, não sendo capazes de predizer os seus efeitos no desempenho dos motores e veículos com precisão. Dessa forma, o desenvolvimento de combustíveis é fortemente dependente de experimentos em motores e veículos, demandando significativos custos e prazos de execução. A motivação do presente desenvolvimento reside em fornecer contribuições inéditas para a modelagem computacional de motores e veículos. O foco do trabalho está nos efeitos da composição e das propriedades dos combustíveis sobre os parâmetros de combustão, eficiência e desempenho, buscando a otimização do processo de desenvolvimento de combustíveis. Foi estabelecida metodologia para a modelagem computacional das curvas de pressão no interior do cilindro de um motor do ciclo Otto. Os valores de torque, pressão máxima e ângulo de pressão máxima, obtidos a partir das curvas de pressão simuladas apresentaram, em geral, variações percentuais de até 3%, 5% e 2 graus, respectivamente, em relação aos experimentos. Foi desenvolvida metodologia para a modelagem computacional da autonomia urbana em veículos leves do ciclo Otto, com resultados simulados situados dentro da faixa de incerteza do experimento, de 1,5%. Foram estabelecidas metodologias para modelagem computacional dos tempos de retomada de velocidade e de parâmetros de desempenho de veículos em condições de velocidade constante. A maioria dos resultados simulados se enquadrou na faixa de 3% de diferença em relação aos experimentos.
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Aluno(a) : Bruno de Barros Mendes Kassar
Orientador(a): Angela Nieckele e João Neuenschwander
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/28/2016
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Resumo:
Volume of Fluid (VOF) é um método amplamente empregado na predição de escoamentos multifásicos devido à sua simplicidade, boas características de conservação de massa e natural tratamento de interfaces topologicamente complexas. No entanto, para escoamentos dominados por tensão interfacial, a literatura tem mostrado que a precisão nas estimativas da tensão interfacial ainda é um problema em questão, que pode levar a correntes parasíticas e previsão imprecisa da condição de salto de pressão através das interfaces. Isto ocorre principalmente devido às variações abruptas do campo de fração volumétrica através das interfaces, que leva a imprecisão no cálculo das curvaturas interfaciais. Portanto, diferentes abordagens têm sido apresentadas para mitigar este problema, incluindo funções-altura, suavização da fração volumétrica, ajuste parabólico, entre outros. Este trabalho propõe uma nova abordagem para estimativa de curvatura em VOF, mas não limitado a este, que lança uma nova luz a este problema persistente. A ideia é amostrar a interface por nuvens de pontos e normais na isosuperfície de nível 0.5 do campo de fração volumétrica e calcular a curvatura para cada ponto da nuvem por uma técnica de Computação Gráfica (ajuste de normais). As curvaturas são, então, projetadas na malha Euleriana de maneira tal como no método Front-Tracking. O novo método foi implementado no código padrão de VOF do OpenFOAM (interFoam) resultando em melhorias nas estimativas de salto de pressão e em significativa redução das correntes espúrias. Simulações numéricas foram realizadas e resultados comparados a dados de referência demonstrando a viabilidade da ideia.
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Aluno(a) : Frederico Carvalho Gomes
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/30/2015
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Resumo:
A circulação de fluidos que ocorre durante a construção de um poço é bastante complexa. O processo consiste no bombeio de diferentes fluidos com propriedades reológicas muito distintas pelo espaço anular excêntrico compreendido entre a parede da rocha e o revestimento. Particularmente, a etapa de cimentação do poço _e bastante importante, já que é responsável pelo isolamento das diferentes zonas do reservatório, assim como pela sustentação do revestimento. Em uma cimentação bem executada não permite a mistura dos diferentes fluidos, como a pasta de cimento e a lama de perfuração. O desenvolvimento de um modelo completo que considera o escoamento que ocorre no espaço anular _e complexo e com custo computacional muito elevado, devido a presença de diferentes líquidos, que apresentam comportamento não Newtoniano, a natureza 3D e transiente do escoamento em regime laminar e turbulento. Existem na literatura alguns modelos simplificados que são utilizados em simuladores comerciais para a cimentação. No entanto, as simplificações utilizadas, especialmente o uso de coordenadas Cartesianas para parametrizar o espaço anular, restringem bastante a abrangência dos parâmetros onde se obtêm resultados confiáveis. O objetivo deste trabalho _e desenvolver um modelo assintótico utilizando coordenadas cilíndricas para descrever o espaço anular fazendo uso da teoria de lubrificação. Os resultados mostram que mesmo quando realizadas simulações com razão de raios bem menores que a unidade se obtêm bons resultados. O modelo considera o comportamento não Newtoniano dos líquidos bombeados, a rotação da coluna e regime laminar e turbulento, permitindo o estudo mais abrangente do processo com uma larga faixa de parâmetros de operação. Os resultados obtidos são comparados com testes em escala de campo.
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Aluno(a) : Guilherme Leibsohn Martins
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/09/2015
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Resumo: O presente trabalho aborda a análise da aplicação do expansor axial de estágio único e admissão parcial em ciclo Rankine orgânico para recuperação do calor rejeitado por um motor de combustão interna. O fluido adotado é o R245fa, cujos efeitos de gás real são relevantes nas condições estudadas, sendo representados pela equação Redlich-Kwong-Soave. Um modelo de perdas para o escoamento através das palhetas é proposto, tendo como base a teoria da camada limite, o conceito do fator de difusão, experimentos de grades em túnel de vento obtidos na literatura e as equações de conservação para escoamento compressível. O fator de difusão é o parâmetro responsável por quantificar o gradiente de pressão adverso na superfície do perfil das palhetas. A geometria e dimensões básicas para a máxima eficiência do expansor são determinadas para diversas condições subcríticas e supercríticas do ciclo a partir de um algoritmo de otimização com restrições. O valor ótimo da temperatura do evaporador em condições subcríticas é estabelecido de modo a obter a potência máxima do ciclo de recuperação, conforme as alternativas construtivas consideradas. O projeto do expansor de estágio único mostra ser grandemente influenciado pela compressibilidade do meio e a utilização de bocais com perfil convergente-divergente é promissora para alcançar o maior potencial de desempenho, principalmente nas condições de alta pressão do evaporador.
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Aluno(a) : Sergio Libanio de Campos
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/27/2014
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Resumo: Sistemas condicionadores de ar automotivos têm sido extensivamente estudados, buscando melhor eficiência de resfriamento e redução do consumo de combustível. O presente trabalho tem como objetivo o estudo de um sistema condicionador de ar automotivo operando nos modos de resfriamento e aquecimento, este último atendendo às necessidades de conforto em dias frios nos veículos elétricos, os quais não apresentam calor de rejeito do motor, como nos veículos convencionais. Para tal foi projetado e montado, no Laboratório de Refrigeração, Condicionamento de Ar e Criogenia da PUC-Rio, um aparato experimental composto por duas câmaras de temperatura e umidade controladas, uma simulando o compartimento de passageiros e a outra, o ambiente externo. Um típico sistema condicionador de ar automotivo, composto por componentes comercialmente disponíveis e utilizados nos veículos atuais, foi dotado de válvulas direcionais, permitindo a inversão do ciclo de compressão de vapor do modo de resfriamento para o modo de aquecimento, operando neste último como bomba de calor. Dados experimentais foram levantados sob operação em regime permanente e transiente (período de partida), com temperaturas entre – 5ºC e 45 ºC. Para o modo de resfriamento, seguiu-se a norma SAE J2765 e, para o de aquecimento, na ausência de normas, foram cobertas as operações em modos de recirculação do ar da cabine e de renovação com ar externo, entre as temperaturas de -5 ºC e 10 ºC. Foi também realizada uma simulação numérica, validada pelos dados experimentais, utilizando as equações fundamentais da termodinâmica e transferência de calor. O sistema testado mostrou-se viável na aplicação em veículos elétricos, uma vez que nestes o calor de rejeito previsto (regeneração de frenagem e efeito Joule na eletrônica de potência) não é suficiente para o conforto térmico em dias frios. Demonstrou-se que a bomba de calor consome menos energia que resistências as elétricas atualmente utilizadas.
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Aluno(a) : Paul Ortega Sotomayor
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/24/2013
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Resumo:
O presente trabalho trata da caracterização e simulação de compressores alternativos dos tipos automotivo, hermético e semi-hermético, motivado pela necessidade de estudo de novos refrigerantes, com menor impacto ambiental, isto é, sem potencial de destruição da camada de ozônio e baixo potencial de efeito estufa. O estudo apresenta uma metodologia para a modelagem, mediante a qual, dependendo do tipo de compressor, este é dividido nos seguintes volumes de controle: mufla de sucção, câmara de sucção, cilindro de compressão, câmara de descarga, linha de descarga, motor elétrico, carcaça do compressor, massa metálica interna e gás escoando no interior da carcaça. Equações fundamentais de conservação, de troca de calor, de queda de pressão e de propriedades termofísicas do refrigerante são aplicadas a cada volume de controle. Buscando o desenvolvimento de modelos simples, porem, ainda capazes de identificar o desempenho do compressor operando com diferentes refrigerantes, optou-se pelo desenvolvimento de modelos semi-empíricos, determinando-se coeficientes empíricos, característicos do compressor e independentes do refrigerante ou das condições de operação. Foram efetuados ensaios calorimétricos normalizados em duas instalações laboratoriais existentes para os compressores hermético e semihermético. Para o compressor hermético foi utilizado o HFC-134a como referência e foram testados os refrigerantes HFO-1234yf e HFO-1234ze(E) e a mistura HDR-17. Para o compressor semi-hermético foi utilizada uma instalação de refrigeração comercial instrumentada do tipo ar-ar, operando com a mistura R404A (referência), tendo sido testados oito novos fluidos. Para o compressor automotivo foram utilizados dados experimentais do refrigerante HFO-1234yf, existentes na literatura. A caracterização dos compressores alternativos foi bem sucedida na medida em que os parâmetros empíricos determinados a partir de diferentes refrigerantes mostraram-se com valores suficientemente próximos. Nos testes experimentais foram identificados fluidos refrigerantes com desempenho maior e baixo potencial de aquecimento global. Atingiu-se, com a modelagem, o desenvolvimento de uma ferramenta computacional capaz de predizer as condições de operação de compressores alternativos operando com novos refrigerantes, a partir do modelo baseado em parâmetros empíricos obtidos de testes experimentais com refrigerantes convencionais, de fácil obtenção. O método de gradiente reduzido generalizado (GRG) foi utilizado na solução do sistema de equações não lineares, para a caracterização dos compressores alternativos. O modelo de simulação foi desenvolvido na linguagem Fortran. As propriedades termodinâmicas dos fluidos refrigerantes foram obtidas pelo pacote computacional REFPROP (NIST Standard Reference Database 23, Version 8.0). Os valores previstos pela simulação apresentaram boa concordância com os resultados experimentais.
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Aluno(a) : Elder Marino Mendoza Orbegoso
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/24/2013
Local:
Resumo:
O presente trabalho apresenta um estudo numérico da transferência de energia por radiação e sua interação com as propriedades radiantes cinzas e espectrais dos gases produtos da combustão e da fuligem que são formados em um processo de combustão turbulenta. Assim, utilizam-se sistemas de forno/- queimador que operam em regime de chama não pré-misturada de maneira a avaliar, através da dinâmica dos fluidos computacional (CFD), a influência que exercem os diversos modelos de propriedades radiantes sobre a representação da termoquímica do escoamento reativo. Com o objetivo de identificar as principais características e deficiências que apresentam cada um destes modelos, foram considerados dois cenários. O primeiro, correspondente a um problema de radiação unidimensional de um sistema homogêneo e não isotérmico onde são estudados, modelos de propriedades radiantes (i) disponíveis em um software comercial de CFD e (ii) aqueles que foram implementados neste trabalho. Além disso, foi empregado um código numérico que determina as propriedades radiantes espectrais de gases produtos da combustão e da fuligem através de uma abordagem de banda estreita. Para este fim, este código foi acoplado com o software de CFD. Em seguida, dois queimadores de porte laboratorial são empregados de forma a avaliar a capacidade preditiva dos modelos de propriedades radiantes: o primeiro queima propano gasoso e ar enriquecido com oxigênio e o segundo utiliza querosene líquido e oxigênio como reagentes. Dados experimentais de fluxo de calor radiante e de fração volumétrica da fuligem são utilizados para comparação com os resultados obtidos da simulação. Para ambas as configurações de queimador foi também estudado o modelo de Moss-Brookes para previsão da formação/consumo da fuligem. Os resultados obtidos demonstraram o bom desempenho da maioria dos modelos de propriedades radiantes estudados. Em particular, a abordagem de banda estreita foi o que melhor previu a radiação térmica. Além disso, a sua utilização com o modelo de Moss-Brookes levou à melhor previsão da fração volumétrica da fuligem.
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Aluno(a) : Júlio Dutra Brionizio
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2013
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Resumo:
A presente tese tem por objetivo o estudo teórico e experimental, seguindo as boas práticas metrológicas, de um método baseado em uma fonte esférica de calor para medição da condutividade térmica de líquidos, com foco em soluções aquosas de etanol, e posterior determinação do teor de água da substância. O estudo e o desenvolvimento de métodos de medição de condutividade térmica são essenciais em diversas aplicações de engenharia, visto que, em consequência das justificadas demandas atuais de economia e uso racional de energia térmica, a transferência de calor com a máxima eficiência possível é de extrema relevância. A medição do teor de água também é um relevante parâmetro em muitas áreas de pesquisa e nos setores industriais, pois a quantidade de água nas substâncias influencia vários processos físicos, químicos e biológicos. Contudo, a quantidade de equipamentos disponíveis no mercado para a medição de ambas as grandezas não é vasta. O método da esfera quente, em principio, é um método absoluto de medição da condutividade térmica, o que significa que o sensor pode fornecer um resultado sem ser calibrado. Porém, alguns parâmetros do modelo precisam ser analisados isoladamente ou obtidos por meio de calibração. Embora haja alguns estudos sobre este método, poucos têm os meios líquidos como foco principal. Ademais, tais estudos não correlacionam a condutividade térmica do material com o seu teor de água e nem realizam uma análise metrológica mais criteriosa, de modo a determinar minuciosamente as incertezas de medição. A aplicabilidade do método para medição da condutividade térmica e do teor de água das soluções analisadas mostrou-se bastante satisfatória, pois os resultados obtidos neste estudo apresentaram muito boa concordância com os valores propostos por vários pesquisadores e com as medições realizadas no Inmetro por outros métodos.
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Aluno(a) : Flávio Henrique Marchesini de Oliveira
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/31/2012
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Resumo: Esta tese é sobre a reologia de óleos parafínicos crus. Um protocolo baseado na literatura relevante é desenvolvido para garantir que históricos térmico e de cisalhamento bem definidos sejam impostos em amostras que serío submetidas à medições reológicas. Com este protocolo, uma caracterização reológica quase completa de um óleo parafínico cru brasileiro é executada. Quatro experimentos reométricos sío realizados, a saber, escoamento em estado estacionário, taxa de cisalhamento constante, tensío constante e rampa oscilatória de amplitude de tensío. Propriedades reológicas importantes, tais como, viscosidade, tensío limite de escoamento e módulos elástico e viscoso sío medidos com o auxílio de técnicas diferentes em uma ampla faixa de condições. Além disso, é realizada uma comparação entre essas técnicas de medição. O processo de quebra da microestrutura do óleo parafínico brasileiro, assim como os efeitos na reologia do histórico do material e do tempo de repouso isotérmico sío estudados. Fenômenos interessantes sío observados, incluindo bifurcação da taxa de cisalhamento, dependência da tensío limite com os históricos térmico e de cisalhamento e independência dos resultados de regime permanente com relação à condição inicial após o resfriamento. Por fim, oportunidades para futuros desenvolvimentos e investigações sío enfatizadas.
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Aluno(a) : Alexandre Mendes
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/10/2012
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Resumo: O aumento da poluição, nos grandes centros urbanos, tem forçado a demanda por novos equipamentos capazes de fazer a amostragem correta das partículas em suspensío no ar. Estas partículas sío de especial atenção, pois causam danos à nossa saúde. As partículas menores que 10μm sío consideradas inaláveis sendo que as de tamanho menores que 3μm sío consideradas respiráveis, atingindo a regiío alveolar dos pulmões. Na busca para a diminuição dos efeitos da poluição, faz-se necessário monitorar as características físicas dos aerossóis (concentração e tamanho). No entanto os procedimentos necessários para a calibração de medidores de aerossol sío mal definidos, sem instruções formais e documentação. Esta pesquisa propõe uma metodologia de calibração de amostradores atmosféricos em geral e em particular de impactadores em cascata. A fim de prover um ambiente com escoamento de ar tranqüilo, uniforme e controlado, foi construída uma câmara de calibração de aerossol, com pressío atmosférica em torno de 1 atm e velocidade do ar variando entre (1,1 a 3,1) cm/s, para avaliação de amostradores de aerossol. Essa câmara é grande o bastante para acomodar vários instrumentos simultaneamente, tendo uma área de seção de teste relativamente ampla (aproximadamente 1,0m2) com uma concentração de aerossol controlável.
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Aluno(a) : Guilherme Bastos Machado
Orientador(a): Sergio Braga, Carlos Valois Braga e José Eduardo M. Barros
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/28/2012
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Resumo: As projeções para as próximas décadas indicam que os combustíveis tradicionais, derivados do petróleo, associados à utilização de biocombustíveis nos motores de combustío interna continuarío sendo a principal forma de propulsío dos veículos. Isto justifica as intensas pesquisas por todo o Mundo, para atender aos desafios de aumento de eficiência e redução de emissões de poluentes. As modelagens dos combustíveis comerciais, que possuem centenas de componentes, e dos processos de combustío em motor sío, hoje, desafios reais. Também carecem estudos sistemáticos para compreender melhor como os diferentes componentes de combustíveis interagem em mistura e influenciam os parâmetros de combustío e desempenho nos motores. No presente trabalho, realizaram-se seleção de componentes e ensaios experimentais em motor comercial para identificar formulações reduzidas representativas de gasolinas comerciais brasileiras. Concluiu-se que formulações compostas de n-heptano, iso-octano, tolueno e etanol podem ser utilizadas para modelagem de gasolinas oxigenadas. Implementaram-se metodologias para avaliar a influência dos componentes nas propriedades dos combustíveis e parâmetros de combustío e desempenho do motor, identificando os potencias de cada componente e seus grupos químicos. Com dados experimentais de pressío no cilindro desenvolveu-se modelagem para se calcular a velocidade de propagação de chama no motor, bem como foram obtidas relações para calculá-la a partir da velocidade de chama laminar do combustível na condição padrío. Estas relações possuem como parâmetros de entrada o Reynolds de admissío, pressío e temperatura dos gases nío queimados na câmara de combustío. Os resultados reúnem informações e metodologias que poderío ser usadas em várias etapas do processo de desenvolvimento de combustíveis para diferentes aplicações.
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Aluno(a) : Nattan Roberto Caetano
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2012
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Resumo: O escoamento em um queimador tipo “Bluff-Body” é estudado experimentalmente. Este queimador, representativo daqueles que podem ser encontrados em fornos industriais, propicia um amplo acesso óptico, fornecendo assim, as condições necessárias para um estudo detalhado da combustío em escoamentos turbulentos. Sío realizadas medições simultâneas da luminosidade emitida pela fluorescência induzida do radical químico Hidroxila (OH) e do campo de velocidade do escoamento aplicando as técnicas de Fluorescência Induzida por Plano Laser (PLIF) e Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV), respectivamente. A análise de incerteza das medições realizada mostrou que no caso reativo as incertezas experimentais associadas às técnicas PIV e PLIF, sío de 15% e 25%, respectivamente. O estudo de dois casos quimicamente inertes, um com o escoamento dominado pelo jato e outro pela esteira, serve de base para o cálculo das incertezas nas medições e na análise da estrutura do escoamento. Em seguida sío estudados diversos regimes de combustío utilizando diferentes vazões de combustível Gás Natural e ar. As características da frente de chama e as estruturas do escoamento a jusante da superfície do queimador sío analisadas através da distribuição da fluorescência de OH e dos campos de velocidade medidos. A imagem média permite verificar a posição do escoamento em que a chama se estabiliza, além de indicar a superfície de estequiometria e a altura média de ancoramento da chama. Os valores de RMS da fluorescência de OH indicam a flutuação da frente de chama, tanto na posição quanto na intensidade. As imagens instantâneas e médias do campo de velocidade sobreposto pela frente de chama permitem verificar que as extinções locais existentes nas chamas instantâneas, acarretam uma imagem de chama média com menor intensidade. Uma análise do tensor de Reynolds do escoamento é realizada à luz da hipótese de Boussinesq, ou seja, é investigada a pertinência do mecanismo de conexío entre a taxa de deformação média do escoamento e as tensões de Reynolds, a fim de examinar o desvio em relação à isotropia da turbulência. Os resultados dos casos reativos sío semelhantes aos inertes, no que se refere à conexío entre taxa de deformação média e as tensões de Reynolds. Os escoamentos dominados pelo jato apresentam maiores taxas de deformação na fronteira entre o jato e a esteira, enquanto que os escoamentos dominados pela esteira apresentam maiores valores de taxa de deformação na fronteira da esteira com o escoamento de ar. A hipótese de Boussinesq parece ser aplicável nos casos em que o escoamento é dominado pelo jato, mas nío quando ocorre interrupção deste na regiío de esteira. Os resultados apresentados contribuem para formação de um banco de dados que possibilitará validar novos modelos computacionais destinados para a realização de simulações numéricas, visando a otimizar a combustío e propiciar a construção de queimadores mais eficientes.
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Aluno(a) : Juliana Kuhlmann Abrantes
Orientador(a): Luis Fernando Alzuguir Azevedo e Michel Stanislas
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/30/2012
Local: Sala de Reuniíµes do Decanato do CTC, Prédio Cardeal Leme
Resumo: A compreensío cada vez mais detalhada da dinâmica da turbulência em escoamentos na presença de superfícies tem sido o objetivo de diversos estudos experimentais e numéricos há décadas. O principal aspecto prático que faz com que este conhecimento seja crucial é o fato de que o atrito na parede está intimamente relacionado com as estruturas turbulentas existentes na regiío próxima a ela. Técnicas experimentais em mecânica dos fluidos avançaram substancialmente nos últimos anos, possibilitando a medição de campos de velocidade com crescente resolução espacial e temporal. O presente trabalho apresenta em detalhes o desenvolvimento de uma configuração experimental que visa proporcionar medições tridimensionais de velocidade em uma pequena regiío volumétrica na superfície de um grande túnel de vento, levando à determinação da tensío cisalhante na parede com maior exatidío do que outras técnicas existentes. Para isto, a técnica conhecida como Velocimetria por Imagem de Parículas Holográfica (em inglês, Holographic Particle Image Velocimetry - HPIV) é empregada com uma montagem diferenciada do sistema óptico, na qual as partículas adicionadas ao escoamento sío iluminadas lateralmente, espalhando um campo de onda a 90o que entío se recombina com o feixe de referência previamente separado para aquisição holográfica em linha do tipo Gabor. Medições completas (com as três componentes de velocidade) em volumes tío pequenos quanto 1,5mm3 tornam-se possíveis com a utilização de uma lente de microscópio para ampliação da “onda do objeto”, proveniente do campo de partículas. A magnificação também reduz substancialmente o problema de resolução axial encontrado na holografia em linha convencional. Com esta configuração, pequenos volumes próximos à parede do túnel de vento no Laboratoire de Mécanique de Lille foram estudados. Um procedimento de calibração foi executado de modo a relacionar as coordenadas do espaço de reconstrução holográfica com as coordenadas físicas do volume de medição. Um código computacional próprio - que contempla todas as etapas de reconstrução e processamento - foi implementado, e a análise de campos de partículas reconstruídos numericamente mostra que as imagens de partículas individuais possuem boa resolução axial e lateral, levando a crer que a configuração é de fato adequada para este tipo de medição. No entanto, concluiu-se que algumas otimizações na configuração óptica sío necessárias a fim de melhorar os resultados de rastreamento de partículas para obtenção dos campos de velocidade desejados.
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Aluno(a) : Alan da Silva Esteves
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/06/2010
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Resumo: Gás Natural Liquefeito (GNL) vem sendo transportado desde 1959 em navios metaneiros (carriers), que sío o elo essencial na movimentação do GNL entre as locações da produção e consumo por todo o globo. A indústria de GNL enfrenta atualmente desafios para obter aprovação de novos terminais de recebimento e exportação, face às conseqüências de acidentes catastróficos, associados ao transporte marítimo e a potenciais atos de terrorismo. O presente trabalho apresenta modelagens para: (i) mecânica do derrame e espalhamento de fluido criogênico no mar, decorrente de punção no casco desses vasos, e (ii) subseqüente incêndio de difusío turbulenta. Nío foram encontradas evidências de que os temas, espalhamento criogênico e incêndio da poça, tivessem sido tratados em único trabalho. Essa lacuna foi identificada, e os assuntos foram acoplados de forma inédita e implementados em dois códigos computacionais dedicados. O derrame seguido de espalhamento é modelado com formulação integral conservativa, tendo como parâmetros de interesse a área do rasgo área máxima da poça derramada e tempos de descarga e vaporização do criogênico no mar. O escoamento foi modelado com rasgos de 1 a 100 m² coerentes com a indústria de GNL, formando poças semicirculares. A modelagem da pluma térmica contempla poças circulares com diâmetro variando entre 10 e 500 m, bem como zonas de combustío e intermitência da pluma térmica. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros adimensionalizados de escala, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento da pluma visível, com a inclinação da mesma, com o poder emissivo de sua superfície e a vazío mássica de vaporização do combustível criogênico na poça. Avalia também: (i) a variação axial do poder emissivo com a altura da pluma visível, (ii) a queima do combustível ao longo da zona ‘luminosa’ (base do incêndio), e (iii) o transporte de radiação térmica emitida por gases cinza e partículas de fuligem na zona de combustío, considerando a emissío e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma térmica.
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Aluno(a) : André Luiz Tenório Rezende
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/30/2009
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Resumo: A estabilização de mísseis e projéteis é normalmente realizada através de aletas, que podem ser representadas por placas planas finas. O escoamento sobre placas finas é de difícil previsío por apresentar diversos fenômenos, tais como transição da camada cisalhante para regime turbulento, recolamento, relaminarização e geração de bolhas primárias e secundárias. A proposta deste trabalho é analisar o escoamento turbulento ao longo de uma placa plana com pequeno ângulo de incidência, e ao mesmo tempo investigar o desempenho de diferentes modelos para a previsío da turbulência, empregando duas metodologias. A primeira é baseada nas Equações de Média de Reynolds (RANS), a qual requer um menor esforço computacional, por considerar um domínio bi-dimensional e regime permanente. Neste caso, três níveis de modelagens foram selecionados, os quais envolvem a solução de uma, duas e cinco equações diferenciais parciais, correspondendo aos modelos de Spalart-Allmaras (SA), Shear Stress Tensor (SST) e Reynolds Stress Model (RSM), respectivamente. No segundo enfoque, investigou-se o desempenho do modelo Smagorinsky Dinâmico, que é proveniente da metodologia da Simulação de Grandes Escalas (LES), a qual é tri-dimensional e transiente. Os resultados foram obtidos para número de Reynolds igual a 2,13 x 105 e para três ângulos de incidência (um, três e cinco graus). A modelagem da turbulência foi validada através de comparação como dados numéricos e experimentais existentes na literatura. Os resultados obtidos mostraram que apesar do modelo RSM conseguir uma melhor previsío dos níveis de turbulência, o mesmo nío é adequado para prever camadas cisalhantes livres. Já o modelo SA é muito difusivo, e nío consegue prever adequadamente as tensões normais turbulentas, enquanto que o modelo SST foi capaz de prever razoavelmente bem a bolha de separação. Porém, apesar do custo bem superior, as previsões dos fenômenos provenientes da bolha de recirculação principal obtidas com a metodologia LES foram sensivelmente superiores e forneceram maior riqueza de informações que as apresentadas pelas soluções RANS.
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Aluno(a) : Melisa Yvone Zambrano Becerra
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/18/2009
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Resumo: O revestimento por cortina é um dos processos preferidos para revestir o substrato de varias camadas de líquido à altas velocidades. Este tipo de processo pertence a classe de método de revestimento de vazío pre-fixada. O processo consiste num líquido de revestimento caindo livremente de uma altura considerável sob ação da gravidade sobre o substrato em movimento a ser revestido. Guias sío necessárias para manter a cortina com uma largura especifica. Existem várias aplicações industriais deste processo, que foi inicialmente desenvolvido para filmes fotográficos de multi-camadas mas foi expandido para diferentes aplicações como filmes óticos, fitas adesivas e magnéticas, papéis especiais entre muitos outros. As mais importantes vantagens sío revestimento à altas velocidades, adaptação a uma grande variedade de líquidos e flexibilidade na aplicação de finas camadas de líquidos em superfícies irregulares. Os limites operacionais do processo sío determinados por diferentes instabilidades no escoamento perto da zona de encontro entre o líquido e o substrato como entrada de ar, formação de calcanhar e a cortina sendo puxada pelo substrato, e pela quebra da cortina de líquido. O objetivo principal deste trabalho é analisar teórico e experimentalmente esses limites operacionais, focando nos efeitos dos parâmetros operacionais, aditivos no líquido de revestimento no escoamento que ocorre na zona de encontro entre o líquido e o substrato, e na quebra da cortina. Para descrever o escoamento bidimensional que ocorre no processo de revestimento por cortina, na simulação numérica, formam utilizadas as equações de conservação de massa e de conservação de quantidade de movimento. O sistema de equações diferenciais foi resolvido utilizando o método de Galerkin com funções base de elementos finitos e o sistema nío linear foi resolvido com o método de Newton. Resultados teóricos, na zona de encontro entre líquido e o substrato, mostram a configuração do escoamento para líquidos Newtonianos, incluindo a formação de calcanhar e a cortina puxada pelo substrato como uma função da velocidade do substrato, da altura da cortina e da vazío. Estes resultados foram comparados com os resultados da visualização experimental encontrando assim a janela de operação do processo em função dos parâmetros operacionais. Na zona do escoamento da cortina, a condição crítica na qual cortina de líquido quebra foi determinada como uma função das propriedades reológicas dos líquidos de revestimento. Os resultado mostram que as propriedades viscoelásticas influenciam no balanço de forças no escoamento da cortina. Líquidos com alta viscosidade extensional podem reduzir notavelmente a vazío mínima necessária para formar e manter cortinas estáveis.
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Aluno(a) : Eduardo de Britto Perez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/17/2009
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Resumo: O processo de revestimento por extrusío (slot coating) é muito utilizado em produtos que requerem alta uniformidade de espessura. Sua janela de operação em regime permanente já foi plenamente estudada, mas o entendimento completo do processo requer a análise da sua sensibilidade a pequenas variações nos parâmetros operacionais. Neste trabalho é feita uma análise transiente (por simulação numérica) do efeito de uma variação periódica conhecida da fresta de revestimento na uniformidade da espessura do líquido revestido. Várias geometrias de barras de revestimento e parâmetros de processo sío testados e os respectivos fatores de amplificação determinados em função da frequência de oscilação da fresta de revestimento. O ajuste inicial da fresta e o nível de vácuo aplicado à montante da barra de revestimento sío duas variáveis básicas de processo, pois podem ser rapidamente ajustadas. Gráficos de contorno do fator de amplificação no espaço da fresta de revestimento contra o nível de vácuo sío mostrados e surgem conclusões interessantes sobre a condição ótima de ajuste para minimização do fator de amplificação. Um algoritmo de otimização é utilizado com o objetivo de determinar pontos de mínimo no campo do fator de amplificação no espaço da fresta de revestimento contra o nível de vácuo. O líquido é considerado Newtoniano e as simulações sío feitas a baixos números de capilaridade e Reynolds.
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Aluno(a) : Danmer Paulino Maza Quií±ones
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/10/2009
Local:
Resumo: Cilindros fotorreceptores sío usados na arte de impressío e particularmente na impressío eletrofotografica. O revestimento é aplicado no cilindro em forma líquida antes de solidificar-se. O líquido é aplicado ao cilindro através de um aplicador de agulha que se translada ao longo da direção axial do cilindro. Durante este processo o cilindro gira em torno de seu próprio eixo levando a uma deposição, da tira de líquido sobre a superfície do cilindro, em padrío espiral. Para ajudar a distribuir o líquido lateralmente e assim melhorar a uniformidade da espessura, cada tira de líquido aplicada pela agulha passa por meio de uma lâmina flexível. Este processo leva a um revestimento que apresenta um padrío espiral na espessura da camada revestida que pode causar defeitos no processo eletrofotografico. O conhecimento, de forma fundamental, do escoamento é vital para a otimização do processo. Um modelo teórico de escoamento de filmes finos sobre superfícies cilíndricas em rotação com uma porta de injeção de líquido em movimento é apresentado. Este modelo é baseado na teoria de lubrificação considerando um filme precursor na frente da linha de contato aparente. A equação diferencial parcial nío linear de quarta ordem resultante para a espessura do filme revestido foi resolvida usando o método de diferenças finitas de segundo ordem. A discretização do tempo foi feita pelo método implícito de Crank-Nicholson. A discretização do sistema a cada passo do tempo leva a um sistema de equações algébricas nío lineares que foi resolvida pelo método de Newton. Os resultados mostram como a uniformidade da camada depositada varia com os parâmetros do processo e com as propriedades do líquido.
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Aluno(a) : Fernando Oliveira de Andrade
Orientador(a): Luís Fernando Silva e Arnaud Mura
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/19/2009
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Resumo: Uma metodologia híbrida envolvendo simulação de grandes escalas e função densidade probabilidade transportada (LES-PDF) é desenvolvida para realizar simulações de escoamentos turbulentos reativos a baixo número de Mach. Equações de transporte de massa, da quantidade de movimento e de um escalar sío resolvidas em conjunto com uma equação de estado no contexto do método LES. A modelagem da turbulência é realizada pelo modelo clássico de Smagorinsky e a taxa de produção química é representada pela lei de Arrhenius, para reação de combustío única, global e irreversível. As equações de transporte sío discretizadas no espaço e no tempo mediante o uso de esquemas de segunda ordem, sobre malhas cartesianas uniformes, no âmbito do método dos volumes finitos. Os efeitos da turbulência sobre a combustío na escala sub-filtro sío determinados por uma abordagem Lagrangeana da PDF, a qual faz uso da técnica de Monte Carlo: equações diferenciais estocásticas (SDE), equivalentes a equação de Fokker-Plank, sío utilizadas para a variável de progresso da reação química. LES e PDF evoluem simultaneamente, trocando informações a cada passo de integração no tempo, de modo que o campo de velocidade filtrado, a freqüência turbulenta e o coeficiente de difusío sío fornecidos por LES, enquanto o modelo PDF retorna a taxa de reação química filtrada. Devido ao elevado número de partículas empregado no modelo PDF, a paralelização do programa Lagrangeano é realizada, com base na estratégia de decomposição de domínios, implementada no programa Euleriano. O modelo final é usado para simular uma configuração experimental que consiste de uma chama de metano e ar, caracterizada por uma riqueza da mistura de 0,8, estabilizada entre escoamentos paralelos de gases queimados e gases frescos em um canal de seção transversal quadrada constante. Uma comparação detalhada entre os resultados obtidos e os dados experimentais é realizada.
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Aluno(a) : Luis Carlos Castillo Martinez
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/28/2009
Local:
Resumo: Em sistemas de refrigeração por compressío de vapor, o projeto adequado dos circuitos para o refrigerante nos trocadores de calor pode gerar um impacto significativo no seu coeficiente de performance (COP). No presente trabalho propõe-se uma nova metodologia para a otimização simultânea dos circuitos do refrigerante em sistemas de refrigeração com trocadores de calor de tipo tubo-aletado. Esta métodolgia, aqui denominada como GAFIS (Genetic algorithms applied in filtered spaces), mostra-se mais eficiente que as metodologias existentes, utlizadas nesta área. Ao aplicar o GAFIS em unidades comerciais de condicionamento de ar de alto desempenho, encontraram-se sistemas com aumento de até 15,3% no COP, e sistemas com um custo de produção menor em US$15 e mantendo similar desempenho. Igualmente, devido ao interesse atual da indústria por trocadores de microcanais, explorou-se a influência dos parâmetros que definem o circuito do refrigrante neste tipo de dispositivos. Para tal efeito desenvolveu-se um modelo de simulação baseado em análise local, validado com dados experimentais disponíveis para R134a, Fluid-H e 1234yf. Encontraram-se relações adequadas entre os parâmetros geométricos dos circuitos com respeito a seu desempenho. Fato este que pode ser utilizado como orientação para realizar uma otimização formal do circuito do refrigerante neste tipo de dispositivo.
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Aluno(a) : Hugo Guillerme Jimenez Pacheco
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/08/2008
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Resumo: Um dispositivo experimental foi desenvolvido para o estudo do super-resfriamento da água em cápsulas cilíndricas visando sua utilização em processos de termo-acumulação. A bancada experimental é constituída basicamente por: seção de teste, sistema de resfriamento, sistema de visualização e sistema de aquisição e armazenamento de dados. A temperatura do fluido externo, ou fluido de transferência (FT), uma solução aquosa de álcool a 50% por volume, foi mantida fixa por um banho de temperatura controlada durante cada teste. O trabalho foi dividido em quatro etapas. A primeira trata do estudo estatístico do super-resfriamento e nucleação, em que foram utilizados 3 materiais distintos (alumínio, acrílico e PVC) para cápsulas de 30 e 80 mm de diâmetro, diferentes tipo de rugosidade, com diferentes temperaturas do FT. A segunda etapa investiga a Taxa de Resfriamento, parâmetro que quantifica a queda da temperatura e influencia fortemente o super-resfriamento e a nucleação. Na terceira etapa, foi estudada a influência da rugosidade da parede interna da cápsula. Nesta etapa, quatro diferentes cápsulas de alumínio, com diferentes rugosidades, foram utilizadas. Finalmente, na quarta etapa, foram realizadas visualizações do fenômeno de nucleação. Os resultados obtidos indicam que o material da cápsula (condutividade e rugosidade) e a temperatura do FT têm grande influência nos fenômenos de super-resfriamento e nucleação da água em cápsulas cilíndricas, afetando, fortemente, o processo de mudança de fase.
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Aluno(a) : Reginaldo Rosa Cotto de Paula
Orientador(a): Marcos Sebstião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/14/2007
Local:
Resumo: Neste trabalho três diferentes métodos foram utilizados para estudar o escoamento turbulento em regiões de florestas. As equações foram resolvidas através do modelo de turbulência K - padrío com o programa comercial FLUENT 6.2.16. Inicialmente, a influência da vegetação no escoamento foi modelada atrvés da adição de termos fontes nas equações de quantidade de movimento, energia cinética turbulente e sua taxa de dissipa;cío. A seguir a vegetação foi considerada um meio poroso homogêneo. Finalmente, a camada do dossel foi representada por modelos 3-D de árvores consideradas como obstáculos individuais. As previções dos perfis verticais da velocidade do vento médio, da intencidade da turbulência e do tensor de Reynolds, foram comparadas com dados de experimentos de túnel de vento. Os resultados previstos dos perfis verticais da velocidade média e da intensidade da turbulência, na primeira e na segunda metodologias, apresentaram boa concordância com os valores experimentais, porém, foram observadas discrepâncias dos perfis do tensor de Reynolds. entretanto, qualitativamente, a modelagem consegue capturar o comportamento físico da tensío de Reynolds no interior de florestas. Uma possível explicação para este fato, é que o modelo considera a isotropia para a viscosidade turbulenta, isto implica que este é incapaz de prever qualquer forte anisotropia do campo turbulento. Na terceira metodologia, as previsões dos perfis verticais de velocidade média e intensidade da turbulência apresentaram discrepâncias em relação às medições. Porém, os perfis verticais do tensor de reynolds apresentaram boa concordância. Todos os perfis verticais da velocidade média apresemtaram um ponto de inflexío na interface vegetação-atmosfera, característico de uma camada de mistura. Nas duas primeiras metodologias, este padrío foi confirmado através dos perfis de tangente hiperbólica de uma camada de mistura.
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Aluno(a) : Taygoara Felamingo de Oliveira
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/07/2007
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Resumo: Este trabalho trata do escoamento na escala das gotas (Microhidrodinâmica) e da Reologia de emulsões diluídas. O problema é abordado utilizando técnicas analíticas e numéricas. A Microhidrodinâmica é resolvida de forma a se determinar o campo de velocidade e de tensío sobre a superfície das gotas de uma emulsío. Um processo de média é realizado em um volume representativo da emulsío tal que esta possa ser estudada como um fluido homogêneo equivalente. Métodos assintóticos baseados em aproximações de pequenas deformações das gotas sío empregados para produzir teorias de primeira e segunda ordem, cujo parâmetro é a razío de viscosidade. Uma extensío da teoria para emulsões diluídas polidispersas é desenvolvida. Em regimes de deformações arbitrárias utiliza-se o Método Integral de Contorno para determinar a forma da gota e os campos de velocidade e tensío sobre a mesma. O método é descrito em detalhes, tanto do ponto de vista teórico como de sua implementação numérica. A validação da metodologia numérica é feita utilizando resultados teóricos e experimentais, disponíveis na literatura. A reologia da emulsío é estudada em escoamentos de cisalhamento simples, oscilatório, pura extensío e cisalhamento quadrático (escoamento de Poiseuille). Os resultados numéricos para cisalhamento simples sío utilizados para determinar constantes materiais da teoria assintótica de segunda ordem. Limites nío lineares de escoamento em regimes de alta amplitude de taxa de cisalhamento (escoamento oscilatório) e razões de viscosidade moderadas (cisalhamento simples, oscilatório e quadrático) sío estudados.
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Aluno(a) : Juliana Vianna Valerio
Orientador(a): Márcio Carvalho e Carlos Tomei
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/09/2007
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Resumo: As informações sobre a sensibilidade da solução de um dado escoamento mediante a perturbações infinitesimais é importante para o seu completo entendimento. A análise de estabilidade de escoamentos pode ser utilizada na otimização de processos industriais. Na industria de revestimento o controle da estabilidade é fundamental, uma vez que o escoamento na regiío de aplicação da camada de líquido sobre o substrato, de um modo geral, tem que ser laminar, bidimensional e em regime permanente. O objetivo é determinar, dentro do espaço de parâmetros de operação, a regiío onde o escoamento é estável e conseqüentemente a camada a ser revestida uniforme. Porém por ser uma análise complexa só é usada na industria em estudos mais apurados. O sistema linear que descreve a estabilidade vai ser discretizado com o método de Galerkin / elementos finitos, dando origem a um problema de autovalor generalizado. Tanto para escoamentos com líquidos Newtonianos como para escoamentos com líquidos viscoelásticos, uma das matrizes do problema de autovalor generalizado é singular e alguns autovalores se encontram no infinito. No escoamento com líquidos viscoelásticos parte do espectro é contínuo, aumentando o grau de dificuldade da análise numérica para encontrá-lo. Nesse trabalho, vamos apresentar um método baseado em transformações lineares tirando vantagem das estruturas matriciais e transformando-as em um problema de autovalor clássico com dimensío, pelo menos, três vezes menor que o original. O método elimina os autovalores infinitos do problema com um baixo custo computacional. A estabilidade de um escoamento de Couette unidimensional de líquido Newtoniano é analisada como um primeiro exemplo. Depois, o início do estudo da estabilidade em um escoamento de Couette bidimensional e também um escoamento pistonado com o mesmo líquido. Generaliza-se o método para o escoamento de Couette de um líquido viscoelástico, os resultados para o escoamento de um líquido cujo comportamento mecânico é descrito pelo modelo de Maxwell sío apresentados e comparados com a solução analítica de Gorodtsov & Leonov, 1967 . A relação entre os autovetores do problema transformado e do original é apresentada.
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Aluno(a) : Epifanio Mamani Ticona
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/01/2007
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Resumo: Um gerador de pasta de gelo foi desenvolvido para o estudo experimental de suas características de transferência de calor. O gerador de pasta de gelo é um evaporador, do tipo trocador de calor de superfície raspada com intensificação mecânica de transferência de calor. Foi estabelecida a influência de vários parâmetros na transferência de calor no gerador de pasta de gelo: a vazío mássica, a velocidade de rotação do raspador, a temperatura da parede na interface, a temperatura de operação da solução aquosa, entre outros. Estudou-se tanto a transferência de calor com ou sem mudança de fase. Utilizaram-se soluções aquosas de etanol com diferentes concentrações. A pasta de gelo era produzida continuamente sem acumulação no evaporador. O gerador era parte de um sistema integral contendo os seguintes componentes: o sistema de medição da fração de gelo “on-line”, uma bomba helicoidal de cavidade progressiva, um aquecedor elétrico, atuando como carga térmica e o sistema de aquisição de dados. Foi estabelecido um modelo para determinar, experimentalmente, o número de Nusselt e, por conseguinte, o coeficiente interno de transferência de calor da pasta de gelo. Utilizou-se uma unidade condensadora convencional, com R22 como fluido refrigerante. A pasta de gelo resultante era bombeada continuamente em um circuito fechado, assegurando o estudo de um fluido homogeneamente distribuído. Os sistemas de geração de pasta de gelo apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulação estáticos de gelo ou dinâmicos, como o “ice-harvesting”.
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Aluno(a) : Luiz Eduardo Bittencourt Sampaio
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/15/2006
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Resumo: Escoamentos aerodinâmicos externos sobre membranas e aerofólios finos sío de grande importância para a indústria aeronáutica e de turbomáquinas, e representam um enorme desafio para simulações numéricas, tendo em vista os diversos e complexos regimes de escoamento presentes, que incluem separação da camada limite induzida por uma geometria abrupta, transição da camada de mistura para regime turbulento, recolamento, relaminarização da camada limite, e formação de bolhas de recirculação primárias e secundárias. Uma maior compreensío sobre estas estruturas é obtida na presente investigação através da simulação numérica de grandes escalas (LES) do escoamento sobre placas planas e finas, com ângulos de incidência entre um e três graus e número de Reynolds superior a {$10^5$}. A necessidade do emprego de malhas nío uniformes, geralmente imposta por escoamentos externos, provoca instabilidades numéricas em esquemas nío dissipativos, sendo duas possíveis soluções analisadas nesse trabalho. A primeira delas é baseada num modelo de sub-malha tradicional, onde a estabilidade numérica é alcançada através de um esquema numérico misto, no qual o esquema de diferenças centrais é empregado em regiões com intensas atividades turbulentas, enquanto que um esquema dissipativo é empregado nas regiões onde a malha sofre grandes variações espaciais e a atividade turbulenta é desprezível. Uma segunda solução é proposta, a qual é baseada num termo de forçamento idealizado para atenuar apenas as menores escalas. Esta modelagem é inicialmente validada para casos simples e posteriormente é aplicada ao escoamento sobre a placa plana e fina, sendo entío comparada com a abordagem tradicional. Ambas as alternativas se mostraram adequadas, disponibilizando informações sobre o escoamento bem mais detalhadas e precisas do que as obtidas com metodologias numéricas, disponíveis na literatura, baseadas em média de Reynolds (RANS).
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Aluno(a) : Erick Fabrízio Quintella Andrade Coelho
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/19/2005
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Resumo: O deslocamento de um líquido em um tubo capilar pela injeção de um gás ocorre em muitas situações, tais como na recuperação avançada de petróleo, no revestimento de conversores catalíticos e na moldagem assistida por injeção de gás. Geralmente o líquido deslocado é uma solução polimérica ou uma dispersão, que é não Newtoniana. Forças viscoelásticas alteram o balanço de forças em várias partes do escoamento e, conseqüentemente, alteram a eficiência do deslocamento, isto é, mudam a quantidade de líquido deixada na parede do capilar. Modelos de tais escoamentos devem se basear em teorias que levem em consideração o comportamento diferenciado de líquidos com microestrutura complexa, tanto no cisalhamento quanto na extensão. Além do mais, escoamentos de deslocamento envolvem uma superfície livre, e o domínio no qual as equações diferenciais são resolvidas é desconhecido a priori, fazendo parte da solução. Estas duas características tornam o problema extremamente complexo. Este problema foi estudado aqui tanto experimentalmente quanto teoricamente. Os experimentos consistiram da visualização do escoamento e medição da massa deslocada pela passagem de uma bolha de gás através de um tubo capilar preenchido por um líquido viscoelástico. Várias soluções de baixo peso molecular de Polietileno Glicol (PEG) e de alto peso molecular de Óxido de Polietileno (PEO) em água foram usadas a fim de avaliar os efeitos do comportamento viscoelástico no escoamento. As propriedades reológicas das soluções foram avaliadas tanto em cisalhamento quanto em extensão. Na análise teórica, o escoamento com superfície livre bidimensional próximo µa interface gás- líquido foi modelado usando três equações diferenciais constitutivas distintas que aproximam o comportamento viscoelástico de soluções poliméricas diluídas, as quais são os modelos Oldroyd-B, FENE-P e FENE-CR, juntamente com as equações de conservação de massa e de quantidade de movimento linear. O sistema de equações foi resolvido pelo Método dos Elementos Finitos. O sistema de equações algébricas não-lineares resultante foi resolvido pelo método de Newton. Os resultados mostram o efeito do caráter viscoelástico do líquido na forma da superfície livre e a espessura do filme líquido deixado na parede.
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Aluno(a) : Pedro Cunha Campos Roquette
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando e Hans Weber
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/18/2005
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Resumo: O desempenho de sistemas inerciais de navegação ou de indicação de rumo e atitude é fortemente ligado à qualidade metrológica dos sensores inerciais, acelerômetros e giroscópios, que compõem esses sistemas. É proposta uma metodologia para calibração e cálculo de incertezas de acelerômetros pendulares servo controlados do tipo Q-flex e de giroscópios de dois graus de liberdade do tipo sintonizado seco ou DTG. É proposta uma metodologia para calcular o envelope de incerteza dos parâmetros de navegação e estabilização fornecidos por um sistema inercial ao longo de um perfil dinâmico previamente estabelecido. Estes estudos servirão de base para emissão de laudos de calibração de acelerômetros e giroscópios pelo Laboratório de Sensores Inerciais do Instituto de Pesquisas da Marinha, assim como orientação em projetos de sensores inerciais a serem fabricados no Brasil e análise de desempenho de sistemas a partir de um perfil dinâmico típico.
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Aluno(a) : Frank Chaviano Pruzaesky
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/15/2005
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Resumo: A produção simultânea de energia elétrica, calor e frio, a partir da queima de combustível primário (trigeração), pode se mostrar como estratégia promissora do ponto de vista energético e de projeto, principalmente em indústrias como a química e a de alimentos. No presente trabalho descreve-se o estudo experimental de um sistema de produção de água gelada (chiller) com compressor hermético acionado eletricamente. Um motor a combustão interna, do tipo Diesel, foi convertido para operar com gás natural veicular (Diesel- gás) e aciona um gerador de eletricidade que supre a energia elétrica necessária ao funcionamento do chiller e ao atendimento de demanda elétrica préestabelecida. O resultante sistema de trigeração é, portanto, composto por dois sub-sistemas: a bomba de calor (chiller) e o conjunto motorgerador. Calor de rejeito, do condensador do chiller e do sistema de arrefecimento e gases de exaustão do motor, é recuperado para a produção de água quente. O sistema é analisado à luz da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. As razões entre as demandas de frio, calor e eletricidade, as temperaturas de evaporação e de condensação da bomba de calor, e a razão de substituição de óleo Diesel por gás natural veicular são os principais parâmetros de controle dos resultados apresentados. Determinou-se, para o sistema em questão, uma taxa de substituição energética ótima do óleo Diesel por GNV de aproximadamente 25%, com uma economia de 11% a 15% (para geração de potência elétrica acima de 4,0 kW), fundamentada na diferença de preços entre os dois combustíveis e numa melhora do rendimento do motor para estas condições de operação. Obteve-se a contribuição percentual de cada um dos produtos energéticos (frio, calor e eletricidade), em função do consumo de combustível, para as diferentes potências testadas, em função da taxa de substituição energética do óleo Diesel por GNV. Determinou-se, experimentalmente, a vazão de água nos diferentes componentes, para a qual se obtém uma máxima eficiência do sistema, quando analisado do ponto de vista exergético.
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Aluno(a) : Bruno Venturini Loureiro
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/15/2004
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Resumo: O escoamento em um espaço anular parcialmente obstruído é estudado para uma geometria entre cilindros concêntricos. A obstrução parcial é uma primeira aproximação de um escoamento em um espaço anular com um leito de cascalhos sedimentado que ocorre no processo de perfuração de poção para produção de óleo e gás. A presença de uma placa de obstrução parcial promove a assimetria no escoamento de tal modo que interfere na formação do regime de vórtices de Taylor. O campo de velocidade para esses escoamentos foi obtido via solução numérica e experimental. Nas simulações numéricas, as equações de conservação de massa e quantidade de movimento linear foram resolvidas para um escoamento de fluido Newtoniano e nío Newtoniano pela técnica de volumes finitos. Os resultados experimentais foram obtidos a partir de campos instantâneos e médios de velocidade em planos meridionais do espaço anular usando a técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV). As medições focalizaram a obtenção do número de Reynolds rotacional crítico e a obtenção do perfil de velocidade axial passando pelo olho do vórtice. Os resultados mostram que o número de Reynolds crítico é diretamente afetado pelo grau de obstrução do espaço anular, assim como a largura dos vórtices de Taylor. O resultado dos perfis de velocidade axial calculados concorda bem com os resultados obtidos experimentalmente. A transição para o regime de vórtices de Taylor também é bem prevista pelo método numérico. Os resultados numéricos para a largura dos vórtices de Taylor nío apresentam boa concordância, dependendo das condições de contorno estipuladas. A presença da placa de obstrução parcial promove uma recirculação circunferencial no escoamento que interage com o escoamento de vórtices de Taylor formando um escoamento complexo a partir de níveis de obstrução moderados.
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Aluno(a) : Maria Helena Farias
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/13/2004
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Resumo: Escoamentos de fluidos nío Newtonianos sío comumente encontrados em processos industriais. Deste modo, é importante conhecer bem o efeito dos processos sobre a reologia desta classe de fluidos, assim como o inverso, ou seja, conhecer o efeito da interferência da reologia de tais fluidos sobre os processos. Fluidos nío Newtonianos exibem complexidade no seu comportamento mecânico nío encontrada nos fluidos Newtonianos, como, por exemplo, dependência da viscosidade com a taxa de cisalhamento e a existência de uma tensío-limite de escoamento nío nula. Verifica-se, atualmente, a existência de uma ampla lacuna na literatura no que diz respeito à compreensío da interação de fluidos nío Newtonianos em diferentes geometrias de escoamento, em particular sob o ponto de vista térmico. Algumas geometrias, por serem mais comuns nas linhas industriais têm recebido maior atenção nas investigações sobre o referido aspecto, como, por exemplo, os casos do tubo circular e do espaço anular. Encontra-se uma maior quantidade de trabalhos publicados de estudos analíticos ou de simulação numérica, enquanto que sío raros os artigos baseados em investigações experimentais. No presente trabalho, o qual teve como motivação a avaliação do comportamento térmico de um poço de petróleo durante sua perfuração, estudou-se experimentalmente o efeito da reologia do fluido no processo de transferência de calor em espação anulares e, também, em tubos. O objetivo foi determinar o coeficiente interno de transferência de calor (Número de Nusselt) para o caso de parede interna com fluxo de calor uniforme e parede externa adiabática para o anular e fluxo de calor uniforme para o tubo. Utilizou-se um fluido do tipo viscoplástico, que reproduz bem o comportamento da lama de perfuração, em diferentes concentrações, no intuito de se observar a influência da reologia do fluido no escoamento nío isotérmico. Diferentes razões de raios do espaço anular foram estudadas. Os resultados experimentais mostram que, em escoamentos laminares e completamente desenvolvidos, a reologia do fluido nío afeta a transferência de calor, sendo esta, fundamentalmente, dependente da geometria. Estes resultados estío de acordo com previsões teóricas recentemente publicadas, e a principal contribuição do presente trabalho é confirmar este resultado surpreendente, que torna mais simples os projetos envolvendo o escoamento de materiais viscoplásticos em espação anulares sob as condições de contorno investigadas.
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Aluno(a) : Juan José Milón Guzmán
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/30/2004
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Resumo: Um dispositivo experimental foi desenvolvido para o estudo do super- resfriamento da água em cápsulas cilíndricas visando sua utilização em processos de termo-acumulação. A bancada experimental é constituída basicamente por: seção de teste, sistema de resfriamento, sistema de visualização e sistema de aquisição e armazenamento de dados. A temperatura do fluido externo, ou fluido de transferência (FT), uma solução aquosa de álcool a 50% por volume, foi mantida fixa por um banho de temperatura controlada durante cada teste. O trabalho foi dividido em quatro etapas. A primeira trata do estudo estatístico do super-resfriamento e nucleação, onde foram utilizadas 4 cápsulas de materiais distintos (alumínio, bronze, PVC e acrílico) de 45 mm de diâmetro, com diferentes temperaturas do FT. A segunda etapa investiga a Taxa de Resfriamento, parâmetro que quantifica a queda da temperatura e influencia fortemente o super-resfriamento e a nucleação. Na terceira etapa, foi estudada a influência da rugosidade da parede interna da cápsula. Nesta etapa, quatro diferentes cápsulas de alumínio, com diferentes rugosidades, foram utilizadas. Finalmente, na quarta etapa, foram realizadas visualizações do processo de nucleação para posterior processamento e melhor entendimento do fenômeno.Os resultados obtidos indicam que o material da cápsula (condutividade e rugosidade) e a temperatura do FT têm grande influência nos fenômenos de super-resfriamento e nucleação da água em cápsulas cilíndricas, afetando, fortemente, o processo de mudança de fase.
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Aluno(a) : Andréa Teixeira Leiroz
Orientador(a): Luiz Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/21/2004
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Resumo: Deposição de parafinas de alto peso molecular nas paredes internas de linhas submarinas de produção e transporte é um dos problemas críticos encontrados pela indústria de petróleo. A solubilidade da parafina no óleo é uma função decrescente da temperatura. À medida que o óleo escoa através do duto, perde calor para a água do mar. Caso um determinado nível crítico de temperatura seja atingido, a parafina pode precipitar e depositar nas paredes internas do duto. O acúmulo de material depositado pode ocasionar um aumento na potência de bombeamento requerida, diminuição da vazío ou mesmo o bloqueio completo da linha com conseqűente perda de produção e de investimentos. O presente trabalho tem por objetivo realizar uma revisío dos esforção de pesquisa realizados no sentido de entender os mecanismos básicos responsáveis pela deposição de parafina. A análise da literatura revelou que ainda existem pontos controversos em relação aos mecanismos básicos de deposição de partículas sólidas de parafina na forma de cristais.
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Aluno(a) : Andre Augusto Isnard
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/05/2004
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Resumo: O objetivo principal do presente trabalho foi investigar computacionalmente o escoamento e a dispersão de poluentes atmosféricos sobre topografias complexas tridimensionais em escala de laboratório. Foram realizadas simulações numéricas de escoamentos neutros e estavelmente estratificados sobre colinas e também sobre terreno plano. A modelagem matemática, baseada na solução das equações gerais de conservação, inclui o modelo de tensões de Reynolds para a turbulência e um modelo de duas camadas para o tratamento do escoamento na região próxima à parede. O código comercial Fluent (Versão 6.0.12), que emprega o método de volumes finitos, foi utilizado nas simulações computacionais. Os resultados numéricos foram comparados a dados obtidos em experimentos em túnel de vento disponíveis na literatura. Também foram realizadas comparações com resultados obtidos com a utilização do modelo (k menos épsilon) clássico. A comparação entre os resultados obtidos com as diversas modelagens numéricas e os dados experimentais mostrou que a utilização conjunta do modelo de tensões de Reynolds e do tratamento em duas camadas produziu os melhores resultados na predição do escoamento. O desempenho dessa modelagem foi particularmente superior na representação da recirculação no escoamento na região a jusante da colina. Com relação ao cálculo das concentrações, os resultados obtidos foram razoáveis nas regiões mais distantes da fonte quando comparados aos experimentais. Na região mais próxima à fonte emissora, foram calculadas concentrações excessivamente altas ao nível do solo. Estas discrepâncias foram atribuídas ao fato de ter-se utilizado um modelo de difusividade turbulenta isotrópica para os cálculos da dispersão turbulenta do poluente. Ainda assim, os campos de concentrações apresentados mostraram importantes aspectos qualitativos relativos ao problema como, por exemplo, os efeitos da estabilidade atmosférica na dispersão do poluente, que foram adequadamente previstos.
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Aluno(a) : Gladys Augusta Zevallos Nalvarte
Orientador(a): Márcio Carvalho e Matteo Pasquali
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/08/2003
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Resumo: O processo de revestimento por rotação é caracterizado pelo uso de cilindros girantes para controlar a espessura e aplicar uma fina camada de líquido em um substrato em movimento. A nío ser a baixas velocidades dos cilindros, o escoamento bi-dimensional na regiío de formação dos filmes sobre cada cilindro é instável e o padrío observado experimentalmente consiste em um escoamento tri-dimensional e periódico na direção transversal ao substrato. Esta instabilidade pode limitar a velocidade máxima do processo se a camada líquida depositada sobre o substrato tem que ser uniforme. Para líquidos Newtonianos, a estabilidade deste escoamento é determinada pela competição de forças viscosas e capilares: a instabilidade ocorre acima de um número de capilaridade máximo. Apesar da maioria dos líquidos utilizados em processos de revestimento serem nío Newtonianos, as análises disponíveis deste escoamento se limitam a estudos de líquidos Newtonianos. O comportamento nío Newtoniano do líquido pode alterar completamente a natureza do escoamento perto da superfície livre; quando pequenas quantidades de polímeros flexíveis de alto peso molecular estío presentes, a instabilidade na direção transversal ocorre a velocidades muito mais baixas, quando comparado ao caso Newtoniano. Os mecanismos responsáveis pela instabilidade a baixas velocidades ainda nío sío completamente compreendidos. Este escoamento viscoelástico com superfície livre é analisado neste trabalho através de duas equações constitutivas diferenciais, o modelo de Oldroyld-B e o modelo de FENE-P. As equações de conservação de massa, quantidade de movimentos acopladas com os modelos constitutivos, e as equações nío-lineares de mapeamento que transformam o problema de superfície livre em um problema de valor de contorno foram resolvidas pelo método de elementos finitos DEVSS-G/SUPG. O sistema de equações algébricas nío linear foi resolvido pelo método de Newton com continuação por pseudo-comprimento de arco. Os resultados mostram como o campo de tensío muda com o aumento do número de Weissenberg (elasticidade do líquido), levando a formação de uma camada limite de tensío elástica na superfície livre e tensões elásticas compressivas na direção transversal, que podem explicar o aparecimento da instabilidade a baixas velocidades. Este trabalho também apresenta a formulação de estabilidade linear para escoamentos viscoelásticos com superfícies livres. O modelo dá origem a um problema de auto-valor generalizado, que foi resolvido pelo método de Arnoldi (ARPACK). Os auto-valores dominantes da matriz Jacobiana indicam a estabilidade do escoamento. Esta formulação foi testada em três escoamentos distintos: escoamento em uma cavidade de tampa móvel, piscina de líquido estática e um escoamento de Couette (simples de cisalhamento).
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Aluno(a) : José Diniz Mesquita Abrunhosa
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/08/2003
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Resumo: Investigação da capacidade de previsío de modelos de turbulência baseados na modelagem estatística clássica e de grandes escalas é apresentada. A modelagem estatística clássica de turbulência (média de Reynolds) foi analisada, através da solução de escoamentos complexos, como, por exemplo, o escoamento turbulento em degrau (‘backstep’). Especial atenção foi dada aos modelos k-e de baixo Reynolds e as variantes renormalizadas (RNG). O comportamento dos vários termos da equação da energia cinética turbulenta na regiío da parede foram analisados em detalhes, especialmente o termo de difusío de pressío. Avaliou-se a importância da correta modelagem do termo de difusío de pressío sobre as predições dos modelos de baixo número de Reynolds, nas regiões de recirculação. Alguns modelos, propostos na literatura para o termo de difusío de pressío, foram também avaliados teórica e numericamente. A capacidade de previsío da metodologia de simulação de grandes escalas (LES por Large Eddy Simulation) também foi realizada. O desempenho do modelo de Smagorinsky para prever escoamentos limitados por fronteiras sólidas foi avaliado do ponto de vista computacional. Utilizou-se o método de volumes finitos para integrar tanto as equações médias de Reynolds quanto as equações LES. O escoamento turbulento em canal foi resolvido de modo bidimensional e tridimensional. Já o escoamento em degrau (‘backstep’) foi resolvido exclusivamente de modo bidimensional, enquanto o escoamento em um duto de seção quadrada foi simulado de modo tridimensional. Os resultados foram comparados com aqueles obtidos pelos modelos de baixo Reynolds, analisando-se a relação custo-benefício.
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Aluno(a) : Oldrich Joel Romero Guzman
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/20/2003
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Resumo: O processo de deposição de uma fina camada de líquido sobre um substrato em movimento é conhecido como processo de revestimento. Este processo representa um importante passo na manufatura de diversos produtos, como papel, tecidos, placas de impressío, folhas de aço galvanizado, disquete, fitas magnéticas e adesivas, filmes fotográficos, produtos de copiadoras, dentre muitos outros. É essencial para a indústria um perfeito entendimento deste processo, a fim de obter uma produtividade cada vez maior. A espessura da camada líquida depositada varia de acordo com o produto, ficando geralmente entre 10 a 100 um (espessura molhada, antes do filme ser seco). A camada depositada deve ser uniforme, sendo que o grau de uniformidade depende da aplicação do produto: produtos óticos e magnéticos possuem graus de uniformidade mais rígidos que produtos adesivos, por exemplo. A busca de maior competitividade e melhores produtos geram grandes desafios tecnológicos para as empresas que atuam na área de revestimento de substratos. Dentre os mais importantes, pode-se citar: (i) Espessura do revestimento cada vez menor; (ii) Aumento da velocidade de produção; (iii) Diminuição da emissío de poluentes (solventes orgânicos), que leva ao uso de soluções cada vez mais concentradas; (iv) Aumento da eficiência de produção; dentre outros. Os limitantes para se atingir estes desafios tecnológicos estío ligados na maioria dos casos ao escoamento na regiío de aplicação da camada líquida sobre o substrato. Por exemplo, a velocidade do substrato nío pode ser aumentada indiscriminadamente, pois existe uma determinada velocidade crítica na qual o escoamento na regiío de aplicação torna-se instável e a uniformidade da camada líquida depositada fica comprometida. Dentre os diversos métodos utilizados para revestir um substrato em movimento, um dos mais eficientes é o método de revestimento por extrusío. A espessura da camada de líquido depositada é determinada pela vazío de líquido bombeado até a barra de revestimento. Ela independe das condições de operação do processo, tornando esta classe de método ideal para operações que requerem um alto grau de precisío. Porém, a estabilidade do escoamento na regiío de aplicação e consequentemente a uniformidade da camada líquida depositada dependem fortemente das condições de operação do processo, como velocidade do substrato, geometria da barra de revestimento, e propriedades do líquido (viscosidade e tensío superficial). Em geral, o estudo do processo de revestimento por extrusío consiste em determinar a regiío no espaço de parâmetros de operação em que o processo de revestimento de líquidos Newtonianos produz filmes de qualidade aceitável. Esta regiío é denominada de janela de operação do processo. A grande maioria dos líquidos utilizados em processos de revestimento sío soluções poliméricas ou dispersões, e apresentam um comportamento nío Newtoniano. Este comportamento mecânico exerce grande influência nos limites de operação do processo e por este motivo o estudo deste efeito é de importância fundamental para a otimização deste processo de manufatura. Neste trabalho, o limite de vazío mínima (espessura mínima) é determinado para líquidos com diferentes propriedades reológicas tanto teoricamente como experimentalmente. A análise teórica consistiu na solução das equações diferenciais que governam este escoamento de superfícies livres pelo método de elementos finitos. O comportamento mecânico das solucões poliméricas foi descrito por diferentes modelos constitutivos (algébricos e diferenciais). A análise experimental foi feita através de visualização do escoamento e determinação das condições críticas de estabilidade em bancada.
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Aluno(a) : Elizabet Del Carmen Vera Becerra
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/13/2003
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Resumo: O presente trabalho trata da simulação de um compressor hermético alternativo operando em regime transiente. O modelo desenvolvido expande, para a simulação do regime transiente, de modelos de regime permanente existentes na literatura. No presente modelo o sistema é dividido em volumes de controle (motor, compressor, muflas, câmaras de sucção e de descarga, reservatório de óleo, linha de descarga, entre outros). Adota-se o modelo de parâmetros concentrados e aplicam-se as equações fundamentais de conservação, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias. Especial atenção é dedicada à formação de espuma durante a partida. Sob tais condições, pode-se chegar à sucção de óleo por parte do compressor, com conseqüentes danos às partes móveis do conjunto mecânico. Em função da ausência de informação na literatura sobre formação de espumas em compressores herméticos, construiu-se um aparato experimental para reproduzir tais condições em laboratório. Utilizou-se uma combinação de refrigerante R134a e óleo poliol-ester, que foi submetida a condições controladas de despressurização, a partir de uma pressío inicial prescrita. O processo de formação de espuma (taxa, espessura e diâmetro de bolha) foi monitorado com o auxílio de uma câmara de vídeo digital. Uma série de corridas foi efetuada para diferentes concentrações de óleo e taxas de despressurização. Os dados experimentais permitiram estabelecer um modelo semiempírico de formação de espuma no interior de um compressor hermético. Simulou-se, também, o escoamento turbulento tridimensional de refrigerante no interior da carcaça.
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Aluno(a) : Edson José Soares
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/25/2002
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Resumo: O escoamento de fluidos imiscíveis em tubos é importante em muitos processos industriais, entre eles a extração de óleo em meios porosos, a cimentação de poção de petróleo e o revestimento de superfícies internas de tubos. Para uma boa compreensío dos processos anteriores, é extremamente relevante o estudo da influência da capilaridade, da inércia e da razío de viscosidades neste escoamento. Além disso, os materiais envolvidos sío frequentemente moléculas poliméricas flexíveis, portanto, o estudo dos efeitos dos parâmetros reológicos faz-se igulamente importante. Focaliam-se os estudos na análise da fração de massa depositada nas paredes do tubo durante o escoamento e no perfil da frente da inerface. Analisa-se o problema através de uma abordagem experimental e outra numérica. Ao confrontar alguns resultados que se obtém para fluidos Newtonianos, percebe-se uma boa concordância.
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Aluno(a) : Roney Leon Thompson
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/01/2001
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Resumo: Materiais nío Newtonianos reagem de maneira diferente quando expostos a esforção cisalhantes ou extensionais. Uma equação constitutiva em que a tensío é funçíao nío só da taxa de deformação, mas também do tipo de escoamento é proposta e analisada teoricamente. Ela combina as informações obtidas em cisalhamento, extensío e movimento de corpo rígido em todas as regiões de um escoamento complexo. Esta equação é testada em códigos numéricos para duas geometrias axissimétricas diferentes: a contração abrupta 4:1 e o canal convergente R2z=C. Ambas as geometrias têm sido usadas para efetuar medições da viscosidade extensional. Para validação do modelo, foi construída uma seção de testes com uma contração abrupta 4:1. Foram feitos experimentos com fluidos Newtonianos e viscoelásticos utilizando a técnica de Velocimetria por Imagens de Partículas para determinação do campo de velocidade.
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Aluno(a) : Luiz Joaquim Cardoso Rocha
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/04/2000
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Resumo: Solidificação e fusío fazem parte de uma classe de problemas transientes de transferência de calor conhecidos como problemas de mudança de fase ou de fronteira móvel. A solução desta classe de problemas envolve uma dificuldade inerente ao processo que é o movimento da interface entre as fases sólida e líquida. Este movimento está relacionado à absorção ou remoção do calor latente na interface. Como conseqüência a localização da interface sólido/líquido nío é conhecida a priori tornando-se parte da solução. No presente trabalho, considera-se a mudança de fase em regime transiente de um material puro, na presença de convecção natural, em uma cavidade fechada bidimensional. A interface entre as fases sólida e líquida se comporta como um contorno bem definido com temperatura igual à temperatura de mudança de fase do material. O material na fase líquida é considerado um fluido Newtoniano e a aproximação de Boussinesq é utilizada. Tanto na regiío líquida, quanto na regiío sólida, as propriedades termofísicas sío constantes e uniformes, porém, diferentes entre si. O sistema de coordenadas adotado é aquele onde suas coordenadas adaptam-se ao contorno da geometria, e considera, quando existe movimento de fronteira e/ou interface, sua velocidade de deslocamento. A intensidade na qual o fluido se movimenta provoca mudanças na forma da interface e é de fundamental importância no fenômeno da mudança de fase. No começo do processo de mudança de fase, o modo de transferência de calor na fase líquida é devido somente à condução de calor. À medida que a velocidade do fluido aumenta, o processo de transferência de calor por convecção começa a dominar. O escoamento ocorre no regime laminar mas eventualmente torna-se turbulento, o que aumenta significativamente as taxas de transferência de calor ao longo da interface. Além disso, como as partículas fluidas se deslocam mais rapidamente há uma melhor distribuição destas taxas ao longo da interface, com uma diminuição em sua curvatura. O modelo de turbulência selecionado pertence à família de modelos k -e . O modelo k-e tradicional é utilizado no núcleo turbulento, e um outro conjunto de equações desenvolvido a partir de dados de simulação numérica direta, é utilizado na regiío próxima às paredes. A metodologia implementada permite determinar naturalmente a transição do regime laminar para o turbulento. O presente trabalho apresenta uma nova metodologia no tratamento da interface entre as regiões sólida e líquida. Um volume de controle de espessura zero representa a posição da interface. Uma vez resolvida a equação do balanço combinado de massa e energia na interface, nenhum artifício é necessário para se avaliar sua nova posição. Devido ao salto de massa específica na interface alguma variação no volume total do material é esperada. Entretanto, o modelo atual nío prevê aumento no volume total do material e algum artifício deve ser utilizado para adicionar ou retirar massa do domínio. A utilização do volume de controle zero na interface permite retirar ou adicionar massa sem a necessidade de termos de fonte adicionais. Também é utilizado o artifício de redistribuir os pontos nodais entre as fases sólida e líquida no intuito de nío alocar muitos pontos nodais em regiões de pequenas espessuras. A redistribuição de pontos garante um refinamento melhor junto à interface e, possibilita a utilização de maiores intervalos de tempo sem introduzir dificuldade de convergência. Os resultados numéricos sío comparados a dados experimentais e resultados numéricos para os processos de fusío e solidificação de materiais puros. A boa concordância com dados experimentais revela que a metodologia apresentada resulta numa melhora na resolução deste tipo de problemas.
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Reuther de Siqueira
Orientador(a): José A.Parise e José Vargas (UFPR)
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/15/2000
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Resumo: Este trabalho tem como objetivo a análise teórica e experimental do ciclo de refrigeração a ar. Inicialmente foi desenvolvido um aparato experimental do ciclo de refrigeração a ar, com dois estágios de compressío e dois estágios de resfriamento. Em seguida foi inserido no ciclo um regenerador estático cuja matriz de enchimento foi a palha de aço. Testes em regime transiente foram efetuados para diferentes condições de operação, variando-se a vazío mássica e o período dos regeneradores estáticos. Foi também desenvolvido um modelo matemático de simulação para o ciclo de refrigeração a ar, com duplo estágio de compressío, interresfriamento e regeneração estática. Os resultados simulados foram comparados com os resultados experimentais, encontrando-se boa concordância.
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Aluno(a) : José Simões Berthoud
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/28/1999
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Resumo: O presente trabalho realiza a integração entre uma solução computacional por elementos finites pra as equações que descrevem as condições elétricas reinantes no espaço interletrodos de um Precipitador Eletrostático (PE) fio-placas e dados experimentais obtidos em um canal de precipitação com a mesma forma geométrica. A integração acima é necessária à qualquer tentative de projeto teórico de um PE, uma vez que tais equações exigem para o seu fechamento a introdução de um parâmetro denominado mobilidade de portador de carga, para o qual nío se tem possibilidade de previsío teórica de valor, devido ao grande número de variáveis físicas que podem influenciá-lo. Além disso, as soluções teóricas em geral sío obtids dentro de uma modelagem que supõe a existência de um canal de placas paralelas provido de alguns eletrodos emissores centralizados. Isso representa uma fração da situação física real de um PE, o qual possui dezenas de eletrodos emissores consecutivamente dispostos na linha central do canal de precipitação. Essa redução da situação real à uma situação simplificada impede a observação crucial de que o fenômeno de precipitação eletrostática em um PE é um fenômeno que sofre uma variação física continua ao longo da regiío de precipitação, à medida que material particulado vai sendo retirado da carga em escoamento. Qualquer solução teórica acaba sendo de pouca utilidade ao projeto de um canal de precipitação completo. No presente trabalho estamos propondo a utilização de um equipamento laboratorial que permite a medição de correntes elétricas entregues por portadores de carga em areas discretas das placas planas aterradas em um escoamento de ar com cargas de particulados sólidos, dentro de um canal de precipitação com um número razoável de eletrodos emissores. A partir das correntes de placa medids é determinado um valor para mobilidade elétrica associada a cada regiío longitudinal da secção de precipitação. Essa mobilidade elétrica é entío adimensionalizada em termos de alguns parâmetros, sendo que no presente trabalho esses parâmetros foram restritos à tensío aplicada e à coordenada axial que representa a profundidade de penetração no campo de precipitação. Por fim utiliza-se a mobilidade elétrica adimensional como predição para as condições elétricas a serem esperadas em diferentes valores de tensío aplicada, sendo sugerido seu uso como ferramenta auxiliar no projeto de precipitadores eletrostáticos. Foi observado que o campo elétrico originado em cada um dos eletrodos apresenta uma ação alternada de aceleração ou desaceleração sobre o material articulado em suspensío, respectivamente nas regiões imediatamente após ou antes de cada eletrodo emissor, relativamente à direção do escoamento. Esse fenômeno físico, nío mencionado em qualquer uma das referências do presente trabalho, foi denominado aqui efeito de alternância e tem uma importância fundamental com relação ao uso da mobilidade adimensional no projeto de PEs e também quanto às possibiliddes de otimização de PEs já em operação.
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Aluno(a) : Cleyton Senior Stampa
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/22/1999
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Resumo: Neste trabalho realizou-se um estudo básico numérico-experimental em geometria anular vertical, sobre a solidificação de um hidrato de sal, cuja mudança de fase se dá analogamente à de ligas metálicas binárias. O sistema escolhido foi a substância NH4CL-H2O, e o processo de solidificação foi estudado em três cavidades, de diferentes razões de aspecto, usando-se soluções de diferentes concentrações iniciais. Em todos os experimentos, idênticas condições inicial e de contorno foram adotadas. Para tal, foi montado um aparato experimental que permitiu a visualização do crescimento da estrutura de sólido junto à parede fria e medicos locais de temperatura e concentração. As concentrações iniciais foram escolhidas com o intuito de formar uma base de dados experimentais que descrevesse suficientemente o comportamento do sistema durante a solidificação, no qual determinados resultados foram utilizados na comparação com as previsões numéricas. O problema numérico foi resolvido bidimensionalmente, utilizando-se o método de volumes finites e, analiticamente, foi aplicada às equações de conservação a técnica de obtenção de valores médios em volume. Além da comparação efetuada entre os resultados numéricos e experimentais sobre a evolução temporal das temperatures e concentrações, também investigou-se o comportamento da solidificação. Adicionalmente, foi avaliada a influência da razío de aspecto, sob a luz da transferência de calor para a parede fria da cavidade e do crescimento da frente de solidificação, ao longo do tempo. Na parte experimental foi desenvolvida uma técnica de medição da concentração, utilizando-se termopares acoplados a fibras ópticas, que permitiu medir esta grandeza, simultaneamente, em pontos escolhidos no domínio, em tempo real, causando minima perturbação no meio.
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Aluno(a) : Samuel Fortunato Yana Motta
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/21/1999
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Resumo: O presente trabalho trata da análise teórico-experimental do escoamento de fluidos refrigerantes através de tubos capilares adiabáticos. Especial ênfase é dado ao estudo do escoamento de misturas nío azeotrópicas de refrigerantes, algumas das quais vem sendo usadas como substitutes dos fluidos refrigerantes “tradicionais”, que atacam a camada de ozônio. Inicialmente, uma especial atenção é dada à simulação das propriedades termodinâmicas e termofísicas de misturas nío azeotrópicas de refrigerantes. Já em posse do programa que calcula as propriedades dos fluidos, um modelo matemático para o escoamento de misturas de fluidos através de tubos capilares adiabáticos é desenvolvido. No referido modelo, as equações de conservação de massa, de energia e de momentum sío aplicadas às duas regiões do tubo capilar, de escoamento líquido e de regime bifásico. Foi realizada uma comparação entre os resultados numéricos e dados experimentais (extraídos da literatura e gerados no presente trabalho), tendo-se observado uma boa concordância. O estudo experimental visa caracterizar o escoamento de misturas nío azeotrópicas através de tubos capilares adiabáticos. Neste estudo, duas das misturas de refrigerantes mais utilizadas na indústria de refrigeração sío utilizadas: R407c (sustituto do R22) e R404a (substituto do R502). Finalmente, foram estudados os efeitos da contaminação do refrigerante R407c com óleo lubrificante. Uma visualização do escoamento é feita para auxiliary o estudo dos fenômenos inerentes ao escoamento destes fluidos através de tubos capilares adiabáticos. Os resultados obtidos sío apresentados, em forma de gráficos e tabelas, constituindo importante contribuição tecnológica e científica.
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Aluno(a) : Gisele Maria Ribeiro Vieira
Orientador(a): Sergio Braga e Dominique Gobin
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/27/1998
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Resumo: Este trabalho apresenta uma análise do processo de fusão de uma substância pura em uma cavidade retangular; a qual tem uma das paredes verticais aquecida. A fase sólida do material em mudança de fase é mantida isotérmica à temperatura de fusão. Consequentemente, todo o processo é controlado pela convecção natural térmica na fase líquida. Os gradientes de densidade são devidos unicamente ao campo de temperaturas. O escoamento é laminar e a análise é feita de forma bidimensional. O fluido de trabalho é newtoniano. Supõe-se que a hipótese de Boussinesq é válida, ou seja, considera-se que o fluido possui densidade constante, com exceção do termo de força de empuxo da equação de momentum. São propostas algumas aproximações para descrever o comportamento da densidade em função da temperatura neste termo. As aproximações propostas dependem da substância de trabalho e da gama de temperaturas considerada. Materiais com diferentes números de Prandtl, sujeitos à fusão são analisados numericamente. A simulação numérica utiliza o Método dos Volumes Finitos e é baseada em uma hipótese que considera o processo de fusão como uma sucessão de estados quase-estacionários. Assim, a partir de uma dada posição da frente de fusão, resolve-se as equações de convecção natural em uma cavidade fixa. O formato irregular da interface sólido-líquido é levado em conta através de uma transformação de coordenadas não-ortogonais. De posse da solução da transferência de calor na interface, pode-se determinar a posição da frente de fusão no final do passo de tempo considerado. Em seguida, retorna-se o cálculo do escoamento convectivo para a nova cavidade líquida. O processo é repetido até que o processo de fusão chegue próximo ao fim. O caso da água, que passa por um máximo de densidade próximo à temperatura de 4 graus Celsius, recebe atenção especial. O comportamento anômalo da densidade desta substância pode exercer forte influência sobre a transferência de calor durante o processo de fusão do gelo. O interesse particular no caso da água se deve ao fato do máximo de densidade ocorrer em um domínio de temperaturas frequentemente encontrado na natureza e em diversas aplicações tecnológicas. A carência de trabalhos neste campo motivou a realização de uma parte experimental. Os experimentos realizados permitem medidas de temperatura e observações fotográficas do escoamento e do avanço da frente de fusão. Os resultados mostram que a variação não-linear da densidade do termo de força de empuxo afeta a transferência de calor por convecção natural, o movimento da interface e a estrutura do escoamento.
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Aluno(a) : Carlos Frederico Estrada Alves
Orientador(a): Washington Braga e Carlos Alberto Fialho Thompson
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/10/1998
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Resumo: Este trabalho apresenta o estudo do escoamento transiente em difusores radiais com fronteira móvel alimentados axialmente. O problema é resolvido acoplando-se a modelagem do escoamento do fluido à dinâmica do movimento da palheta. Para o fluido de trabalho (ar), admite-se o comportamento Newtoniano. O escoamento é considerado incompressível, laminar e isotérmico numa geometria axi-simétrica. As equações de conservação sío resolvidas pelo método dos volumes-finitos utilizando-se um código numérico comercial, o FLUENT, adaptado de modo a permitir que o posicionamento da fronteira móvel faça parte da solução do problema. Analisa-se os casos de movimentação súbita imposta à palheta e de fluxo mássico de alimentação períódica. Resultados do comportamento temporal da força axial do fluido sobre a palheta sío apresentados. Determina-se também o campo de geração de entropia para o escoamento bem como sua variação para diversos instantes de tempo.
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Aluno(a) : Hugo Dario Pasinato
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/21/1998
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Resumo: Neste trabalho sío apresentados os resultados de uma pesquisa orientada à modelagem da turbulência na vizinhança de contornos sólidos. Com esse objetivo foi caracterizado o escoamento turbulento de baixos números de Reynolds, na base de dados experimentais e pseudo-experimentais. Sobre essa caracterização foi feita uma análise dos valores médios de interesse para modelos de turbulência de duas equações, a qual permitiu obter conclusões sobre seu comportamento e propor modelos da mesma. Essa modelagem implica um fechamento da equação de dissipação de energia cinética turbulenta e uma expressío para a viscosidade efetiva da turbulência, na regiío viscosa. O fechamento da equação de dissipação foi feito analisando os termos fontes de vorticidade, fez-se uma re-interpretação de resultados prévios em função da ordem de grandeza relativa dos mesmos. A equação de dissipação obtida desse modo nío contêm funções de amortecimento. Com relação à expressío proposta para calcular a viscosidade efetiva de turbulência, considera-se que a transferência de quantidade de movimento devido à turbulência, pode ser obtida em função da energia cinética do escoamento médio. Considera-se que a modelagem proposta é uma complementação para modelos de turbulência de duas equações. Portanto, ela é válida na zona desde a parede até o início da sub-camada logaritmica. Problemas de escoamentos turbulentos cisalhante, usualmente utilizados para avaliar modelos de turbulência foram testados. Como resultados relevantes desta pesquisa, considera-se o fato de se usar em forma sistemática informação experimental para o desenvolvimento de modelos de turbulência, a obtenção de um fechamento para a equação de dissipação sem funções de amortecimento e uma expressío para a viscosidade da turbulência na regiío viscosa. No caso da viscosidade da turbulência, a expressío proposta permite obter a distribuição da velocidade média na regiío amortecedora ("buffer"), concordando de forma aceitável com dados experimentais.
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Aluno(a) : Jorge Alberto Almeida
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/16/1997
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Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um sistema para medição de campos instantâneos de velocidade em regiões extensas do escoamento de fluidos. A técnica utilizada foi a velocimetria por imagem de partículas. Nesta técnica, as medidas de velocidade são obtidas a partir do registro da imagem de partículas traçadoras previamente distribuídas no fluido e iluminadas externamente por um plano de luz pulsada. As imagens capturadas são digitalizadas e processadas com algoritmos numéricos especialmente desenvolvidos para este fim. Estes algoritmos empregam técnicas de correlação cruzada de imagens ou de autocorrelação de imagens. Testes do programa desenvolvido foram realizados com imagens de escoamentos geradas em computador. Um sistema experimental foi desenvolvido para capturar imagens de diversos escoamentos teste de baixa velocidade. Os resultados obtidos foram satisfatórios.
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Aluno(a) : Ernesto Ribeiro Ronzani
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/05/1996
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Resumo: Este trabalho propõe um método numérico de solução de escoamentos de fluidos compressíveis e incompressíveis a qualquer número de Mach em geometrias irregulares. Um sistema bidimensional de coordenadas curvilíneas nío-ortogonais, coincidentes com os contornos físicos, é utilizado. Os componentes cartesianos da velocidade sío usados nas equações da quantidade de movimento e os covariantes na equação da continuidade. Seleciona-se a técnica de volumes finitos para discretizar as equações de conser-vação relacionadas aos princípios físicos, em regime permanente, devido esta preservar a propriedade conservativa das equações e a sua consistência física no processo numérico. Adota-se a configuração de malha co-localizada, avaliando-se todas as variáveis depen-dentes nos pontos centrais dos volumes, que dividem o domínio físico. Os fluxos convec-tivos e difusivos nas faces dos volumes sío avaliados com os esquemas "Power-Law" e "QUICK". Especial atenção é dada ao tratamento numérico das condições de contorno. O problema do acoplamento massa específica-pressío-velocidade é solucionado usando-se uma combinação das equações da continuidade, da quantidade de movimento linear e de uma equação de estado, gerando duas equações de correção da pressío. A primeira corrige a massa específica e a pressío, a segunda, o fluxo de massa e a velocida-de. Propõe-se uma modificação da equação de correção da velocidade usando um termo de compensação do erro obtido na sua avaliação , a fim de acelerar a convergência. Utili-zam-se vários tipos de interpolação da massa específica na face, para minimizar as atenuações das variáveis, causadas pela falsa difusío. Para a solução das equações algébricas resultantes usa-se o algoritmo TDMA linha por linha e um processo de correção por blocos para acelerar a convergência. O método proposto é verificado em seis problemas testes, através da comparação com os resultados analíticos e numéricos disponíveis na literatura.
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Aluno(a) : Maria Regina da Silva Galetti
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/25/1995
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Resumo: Uma das alternativas consideradas para o desenvolvimento de reatores nucleares com características avançadas de segurança consiste na utilização de resfriamento do vaso de contenção com um “spray” de água em seu topo. Este sistema gera a formação de um escoamento de um filme líquido sobre uma superfície metálica aquecida com ar escoando em contra-corrente. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo analítico e numérico para a análise da transferência de calor e massa que ocorre na interface entre o filme líquido e a mistura ar-vapor, neste tipo de escoamento e também em escoamentos co-correntes. Devido à ausência de dados experimentais, o modelo é validado através de comparações com resultados analíticos disponíveis na literatura para situações próximas aos casos de interesse. Ainda, a influência de diversos parâmetros geométricos e operacionais é analisada e sío fornecidos resultaods para os números de Nusselt e de Sherwood observados na interface do escoamento das fases.
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Aluno(a) : Luis Fernando Gonçalves Pires
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/04/1994
Local:
Resumo: O trabalho desenvolveu uma metodologia de solução numérica de escoamentos em geometrias complexas, numa formulação incompressível bidimensional. As equações de conservação sío discretizadas com o emprego da técnica de volumes finitos em coordenadas nío ortogonais. Esta técnica mapeia o espaço real num espaço transformado, no qual as fronteiras do domínio de cálculo coincidem com as fronteiras do domínio físico. Os componentes contravariantes da velocidade foram empregados como variáveis dependentes nas equações de conservação de quantidade de movimento. Estas equações foram obtidas em coordenadas nío ortogonais pela manipulação algébrica das equações discretizadas para os componentes cartesianos. este procedimento, que emprega um sistema de coordenadas auxiliar fixo localmente, evita o surgimento dos diversos termos oriundos da curvatura e da nío ortogonalidade da malha, que seriam obtidos caso fosse empregada a análise tensorial para a derivação destas equações. O acoplamento velocidade-pressío é feito utilizando o algoritmo SIMPLEC. O conjunto de equações algébricas resultante é resolvido por um esquema de solução segregado, no qual é empregado um esquema de solução linha a linha (TDMA), com um processo de correção por blocos para acelerar a convergência. A metodologia desenvolvida foi utilizada para a solução de diversos problemas visando analisar o seu desempenho. Foram estudados os seguintes casos: escoamento laminar entre dois cilindros, convecção natural entre dois cilindros excêntricos, escoamento induzido numa cavidade trapezoidal pelo movimento de suas bases, escoamento laminar num canal, escoamento axi-simétrico num duto com redução da seção reta e escoamento laminar num canal, escoamento axi-simétrico num dutos com redução da seção reta e escoamento laminar e turbulento axi-simétrico num duto com estrangulamento. Tendo em vista os bons resultados obtidos para estes testes, pode-se concluir que as opções realizadas para a confecção do esquema desenvolvido forma corretas, pois geraram um algoritmo eficiente e versátil.
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Aluno(a) : Mônica Feijó Naccache
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/19/1993
Local:
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o estudo da convecção mista no escoamento laminar de fluidos viscoelásticos no interior de dutos retangulares. As equações diferenciais que governam o problema, equações de conservação de massa, momentum linear e energia, foram resolvidas numericamente pelo método de Volumes Finitos. O comportamento constitutivo do fluido viscoelástico foi descrito pela relação de Criminale-Ericksen-Filbey (CEF). Os resultados obtidos mostram que a transferência de calor é fortemente influenciada pelos escoamentos secundários causados pela Segunda diferença de tensões normais. Os valores do número de Nusselt atingidos em escoamentos de fluidos viscoelásticos chegam a alcançar valores superiores a três vezes os dos fluidos Newtonianos. O número de Nusselt é função também de outros parâmetros, como o número de Prandtl, o número de Reynolds, a razío de aspecto e o número de Rayleigh. Verificou-se que para uma determinada combinação destes parâmetros existe uma razío de aspecto crítica que fornece um valor máximo para a troca de calor. Verificou-se também que dependendo do peso relativo entre as forças elástica e de empuxo, sío obtidos diferentes padrões de escoamento secundário, que provocam bruscas mudanças no comportamento da transferência de calor. Para analisar a relação entre estas forças, sugere-se um parâmetro dado pela razío entre o número de Rayleigh e os números de Prandtl, Reynolds e segunda diferença adimensional de tensões normais.
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Aluno(a) : Marco Antonio Monteiro Silva Ramos
Orientador(a): Vitoriano Ruas de Barros Santos e Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/28/1993
Local:
Resumo: Este trabalho introduz um esquema numérico para a resolução do escoamento de fuidos viscoelásticos. Inicialmente abordam-se os problemas associados aos escoamentos viscoelásticos e à escolha de uma equação constitutiva. Particularmente, investigam-se aqueles modelos em que o tensor extra de tensões nío é obtido explicitamente em função do campo de velocidades, restringe-se aos modelos de Maxwell-B e Oldroyd-B, que sío considerados difíceis de resolver numericamente. A construção do esquema numérico é baseada em uma aproximação por elementos finitos que satisfaz as condições de compatibilidade de Babuska-Brezzi para um problema de Stokes representado em três campos, a saber, o campo de tensores extra de tensões, o campo de velocidade e o campo de pressões. A aproximação usada visa ser econômica computacionalmente. A resolução do sistema nío linear é feita usando-se o método de Newton. Para tratamento da característica hiperbólica da equação constitutiva, usa-se a técnica SUPG Stremline Upwind Petrov-Galerkin. Vários ensaios numéricos demonstrando a boa performance do método sío apresentados.
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Aluno(a) : Silvio Carlos Anibal de Almeida
Orientador(a): Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/14/1992
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Resumo: O presente trabalho, de natureza teórico-experimental, objetiva estudar a influência de perturbações acústicas num escoamento turbulento em desenvolvimento. Perturbações acústicas sío introduzidas no escoamento nas frequências naturais de ressonância do duto (56 e 112 Hz), acoplado ao túnel de vento propulsor do escoamento. O trabalho experimental compreende medições dos campos de velocidade, turbulência, pressío e de características da onda acústica utilizada como fonte de perturbação do escoamento. Medições de velocidade e de estruturas de turbulência foram realizadas nos escoamentos perturbado e nío-perturbado pela técnica da termo-anemometria. Para algumas das situações investigadas, a excitação acústica induziu estímulos da flutuação de velocidade da ordem de 100% em decorrência do acoplamento da turbulência com tampo acústico, relativamente ao escoamento nío-perturbado. O campo de pressío induzido pelo escoamento nío-perturbado foi medido por técnicas convencionais. Já na situação de escoamento perturbado acusticamente, sofisticações na técnica fizeram-se necessárias devido às dificuldades intrínsecas à medição da pressío em escoamentos turbulentos periódicos. Com base na resposta de diferentes sistemas de medição desenvolveu-se uma modelagem via técnica de parâmetros concentrados, o que permitiu o estudo da resposta do transdutor de pressío sob o ponto de vista de sistemas nío-lineares. Para identificar os diversos fatores que distorcem o valor da pressío indicada pelos transdutores na situação de escoamento perturbado, uma intercomparação dos resultados obtidos via diferentes sistemas (micromanômetro, sensor capacitivo de diafragma e microfone capacitivo) foi realizada, permitindo validar o modelo proposto. A técnica da analogia e conceitos de linha de transmissío fundamentados à luz da analogia elétrica, foram utilizados para explicar a origem e os erros sistemáticos, também reportados em outros trabalhos, e estabelecer uma base para modelagem via parâmetros distribuídos, permitindo adotar critérios para seleção do comprimento do tubo de conexío, que interliga o transdutor ao sistema de medida. Na busca dos efeitos introduzidos pela perturbação acústica no escoamento turbulento, foi estudada teórica e experimentalmente a mecânica da propagação da onda e os efeitos da dissipação viscosa na sua propagação.
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Aluno(a) : Roberto Guimarães Pereira
Orientador(a): Maurício Frota e Washington Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/29/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho refere-se a uma investigação de caráter numérico-experimental referente ao escoamento polimérico confinado de sistemas fluido-partícula. Foi realizado um detalhado estudo para verificar a influência imposta por uma obstrução localizada no escoamento. No contexto do que se define por “efeitos adicionais” – influência unicamente devido à obstrução importa - , foi investigada a influência da natureza reológica do fluido, do regime hidrodinâmico do escoamento e das razões de aspecto a/Ro (razío entre o raio da partícula e o raio do duto) e i/Ro (razío entre o comprimento da partícula e o raio do duto), nos adimensionais Cd (coeficiente de arrasto), D P+ A/D (razío entre a força de pressío adicional e a força de arrasto atuante sobre a partícula) e Fv+ /D (razío entre a força adicional na parede do duto e a força de arrasto sobre a partícula). A obstrução ao escoamento é materializada pela introdução de uma partícula (cilíndrica ou esférica) no escoamento. A simulação numérica refere-se ao caso do escoamento obstruído por um cilindro mantido estacionário ao longo do eixo de um duto de seção circular no interior do qual considera-se o escoamento de um fluido newtoniano ou nío-newtoniano do tipo puramente viscoso (pseudoplástico ou dilatante). O método numérico desenvolvido utiliza malhas nío-deslocadas e considera as equações de movimento na sua formulação divergente, discretizando-as via método das diferenças finitas. O algoritmo numérico utilizado para resolver as equações é sequencial e consiste em atualizar inicialmente o campo de pressío, via uma única iteração do método SOR para, em seguida, determinar o campo de velocidades através da solução simultânea das equações de momentum. Isto é feito pelo método TDMA, alternando-se as direções de busca na geometria computacional. A simulação numérica incorpora uma nova proposta de modelo consitutivo – no presente trabalho denominado Power-Law Desviado – para a função viscosidade e considera um total de 16 fluidos (cada um caracterizado pelo seu valor do expoente power-lar). O número de Reynolds (Rep ) variou de 0,008 a 2200 e a razío de aspecto a/Ro situou-se na faixa de 0,05 a 0,98, enquanto que a razío i/Ro variou de 0,1 a 1,0. O método experimental baseia-se no movimento de uma partícula (esfera ou cilindro) ao longo do eixo de uma coluna de seção circular contendo o fluido de trabalho newtoniano ou nío-newtoniano (dos tipos puramente viscoso e viscoelástico). Foram utilizados cinco fluidos de trabalho nos experimentos. O regime hidrodinâmico caracterizado pelo número de Reynolds variou de 0,001 a 1100, enquanto que a razío de aspecto a/Ro situou-se na faixa de 0,02 a 0,8 e a razío i/Ro variou de 0,3 a 1,5. Resultados inéditos para as razões D P+ A/D, Fv+ /D e Dd foram obtidos em função do expoente power-law do fluido, do regime hidrodinâmico do escoamento e de diferentes razões de aspecto entre partículas e duto, associados ao escoamento confinado de sistemas fluido-partícula envolvendo fluidos newtonianos e nío-newtonianos.
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Aluno(a) : Antonio Carlos Ribeiro Nogueira
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/29/1991
Local:
Resumo: O presente trabalho investigou numericamente e experimentalmente as características de transferência de calor e queda de pressío de um escoamento espiralado, turbulento, decaindo através de um duto retangular de elevada razío de aspecto. A condição de escoamento espiralado na entrada do duto foi obtida por meio de tubos paralelos contendo fitas torcidas de modo a produzir vórtices girando em sentidos opostos, dois a dois. Coeficientes de transferência de calor locais e médios foram determinados através da utilização da técnica de sublimação de naftaleno em conjunto com a analogia entre os processos de transferência de calor e massa. Os valores locais foram medidos sobre toda a superfície ativa do duto, com o auxílio de uma mesa de coordenadas controlada por microcomputador. Resultados para os coeficientes de transferência de calor e da queda de pressío foram obtidos para três valores de números de Reynolds do duto e para três valores da intensidade do escoamento espiralado, dados pela utilização de fitas torcidas com diferentes relações de passa/diâmetro. Para posições axiais próximas da entrada do duto, os resultados revelaram altas taxas de aumento na transferência de calor, relativamente ao caso base, representado por escoamento turbulento sem a imposição do escoamento espiralado. Os resultados para a queda de pressío demonstraram que a presença do componente tangencial de velocidade do escoamento espiralado imposto reduziu os efeitos de recuperação de pressío existentes na regiío de entrada de dutos com entrada abrupta. Foi também verificado que o comprimento de desenvolvimento hidrodinâmico do escoamento aumenta com a intensidade do escoamento espiralado. As equações de conservação de massa, movimento linear e energia, incorporando o modelo de turbul6encia k-e foram resolvidas numericamente para a configuração em estudo. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentos, permitindo a obtenção dos campos de velocidade, temperatura e pressío, os quais complementaram o estudo experimental.
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Aluno(a) : Marco Van Hombeeck
Orientador(a): Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/22/1988
Local:
Resumo: Neste trabalho é desenvolvido um modelo constitutivo para representar o comportamento reológico complexo apresentado pelos petróleos parafinicos, na faixa de temperaturas em que estes tendem a se solidificar, em virtude do aprisionamento da fase líquida na rede cristalina formada pela parafina que daí da solução. São considerados os efeitos de memória térmica do óleo e, numa etapa posterior, os efeitos das taxas de cisalhamento através de um modelo de potencia generalizado. Inicialmente são realizados medidas em um viscosímetro cone-placa, em que as amostras são submetidas a diferentes histórias de resfriamento e taxas de cisalhamento. O modelo é baseado nestes dados experimentais obtidos. Para verificação dos resultados previstos pelo modelo, um circuito de testes é construído, com seções de 6 m de comprimento e diâmetros de meio, três quartos e 1. A concordância dos valores previstos pelo modelo com os dados experimentais é apenas qualitativa e estima-se que a diferença entre estes valores possa ser atribuída, entre outros fatores, ao cisalhamento excessivo causado por sucessivas passagens do óleo pela bomba e outros acidentes de tubulação.
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Aluno(a) : Carlos Valois Maciel Braga
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/12/1987
Local:
Resumo: O presente trabalho analisa a transferência de calor e a perda de carga em escoamento turbulento através das regiões anulares lisas e aletadas. Os coeficientes de transferência de calor foram obtidos experimentalmente, utilizando-se a teoria de trocadores de calor. Também foram determinados os coeficientes de perda de carga associados a cada uma das geometrias analisadas. Os experimentos foram realizados em um trocador de calor bi-tubular concêntrico. Água (fluído quente) escoava através do tubo interno, enquanto ar (fluido frio) fluía através da região anular. Medindo-se as vazões e temperaturas na entrada e saída da seção de teste do trocador de calor, obtém-se a efetividade da mesma e, consequentemente, o coeficiente global de transferência de calor (médio). As condições de contorno adotadas foram de temperatura uniforme na superfície externa do tubo interno e de isolamento térmico na superfície externa do tubo interno e de isolamento térmico na superfície externa da região anular. Com o objetivo de obter-se condições de escoamento completamente desenvolvido, o trocador de calor possui um comprimento, a montante da seção de testes, de aproximadamente trinta diâmetros hidráulicos. Os coeficientes de transferência de calor e de perda de carga são apresentados de forma adimensional, como função do número de Reynolds do escoamento, os resultados obtidos para as regiões anulares lisas e aletadas são comparados entre si. O propósito de tal comparação foi o de estudar a influencia das aletas na perda de carga e na taxa de transferência de calor. No caso das regiões aletadas, verifica-se que a eficiência das aletas influencia a transferência de calor. Deste modo, realizou-se uma análise bi-dimensional de transferência de calor nas aletas para obter-se a eficiência das mesmas e, consequentemente, a eficiência das regiões aletadas. Também é mostrado que o desempenho térmico da região depende principalmente do número de Nusselt e da eficiência da mesma. Tais parâmetros são apresentados, em última análise, como funções do número de Reynolds e da geometria do problema.
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Aluno(a) : Paulo Murillo de Souza Araújo
Orientador(a): Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/29/1986
Local:
Resumo: O objetivo deste trabalho é analisar as transferências de momentum, calor e massa num canal bidimensional inclinado, onde escoam um filme líquido descendente e uma corrente turbulenta de ar de sentido oposto, ou de mesmo sentido oposto, ou de mesmo sentido. O filme líquido, suposto laminar, consiste numa solução fraca, ou degenerada, de trietileno glicol em água. A placa inferior do canal é mantida aquecida numa temperatura uniforme, de modo a facilitar a remoção de água do líquido para a fase gasosa. A corrente de ar deve ser turbulenta, para garantir taxas convenientes da massa de água transferida. Considera-se, não obstante, a possibilidade do ar também escoar liminarmente. A placa superior do canal, ou cobertura é adiabática e ambas as placas são impermeáveis à transferência de água. A parte hidrodinamica do problema é resolvida separadamente. Atribui-se maior importância à determinação dos perfis de temperatura e concentração de águas nas duas fases. Pretende-se que a aparelhagem acima descrita opere como um regenerador da substância líquida higroscópica, tendo este sido previamente usado num secador de ar, em aplicação de fim industrial ou agrícola. A tarefa proposta pelo problema é a simulação das condições operativas do trocador de massa. Como resultado desta simulação, tenciona-se predizer os valores dos coeficientes de transferências de calor e massa, variando amplamente as taxas de escoamento, tanto da fase gasosa, quanto da líquida. Na verdade, diversos pesquisadores têm revelado, nos últimos anos, um grande interesse no estudo de regeneradores do tipo aqui analisado. Toda vez que se tem disponibilidade de energia a temperaturas moderadas e baixo custo, como energia solar ou calor de rejeito industrial, parece indicado regenerar desta forma o desumidificante líquido nas instalações de condicionamento de ar por resfriamento evaporativo. Estabelecidas as equações diferenciais parciais do problema e as condições de contorno pertinentes, elas são resolvidas através de algoritmos obtidos por diferenças finitas, dentro do enfoque de volumes de controle. O procedimento numérico é interativo, usando-se o computador digital na obtenção da solução. Verifica-se que os resultados se mantêm dentro da analogia entre transferência de calor e massa, conforme era esperado. A partir dos resultados, podem-se estabelecer algumas correlações para os principais parâmetros do problema. Propõe-se, por fim, uma metodologia para o projeto do equipamento. Para isto, não é necessário fazer uso direto do método numérico, pois existem algumas poucas equações analíticas, simples, que podem ser facilmente manipuladas num microcomputador ou, até mesmo, numa calculadora eletrônica. Estas equações são deduzidas a partir da aplicação da teoria de penetração ao problema. As correlações dos resultados numéricos são, entretanto, essenciais ao bom emprego da teoria penetração.
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Aluno(a) : Sergio Leal Braga
Orientador(a): Francisco Eduardo Mourão Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/12/1985
Local:
Resumo: Experiências foram realizadas para se determinar coeficientes de transferência de calor e fatores de atrito para escoamento em dutos cujas seções transversais têm a forma de triângulos isósceles. Dois dutos foram usados; um tinha um ângulo de vértice igual a 120 graus e o outro 60 graus. As experiências foram realizadas utilizando-se trocadores de calor de dutos triangulares. Os fluidos foram ar e água. Coeficientes médios de transferência de calor foram determinados através da medida dis coeficientes globais de transferência de calor dos trocadores. No caso do duto de 120 graus, as paredes dos triângulos isósceles eram lisas. Foram estudados escoamentos laminares e turbulentos. Para o duto de 60 graus, duas paredes pinadas. A finalidade dos pinos foi aumentar a área de troca de calor. Nesse caso (60 graus) apenas escoamento turbulento foi estudado. Para os dutos com paredes lisas, foi possível se obter a dependência dos coeficientes de troca de calor dos dutos com o número de Prandtl. Para se atingir condições totalmente desenvolvidas, os trocadores de calor, tinham um comprimento de entrada de aproximadamente 35 diâmetros hidráulicos. As condições de contorno térmicas consistiram de temperatura uniforme nas paredes iguais dos dutos, sendo a terceira parede isolada. Os dutos triangulares dos trocadores de calor consistiram de duas paredes metálicas e uma parede de material menos condutor. Os resultados são apresentados sob formas adimensionais. Números de Nusselt e fatores de atrito como funções dos números de Reynolds.
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Aluno(a) : Philemon Melo Cunha
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/14/1984
Local:
Resumo: Coeficientes de queda de pressão e transferência de calor foram determinados experimentalmente para escoamento turbulento em dutos circulares e semi-circulares lisos e pinados. Pinos de seção transversal circular foram colocados na superfície interna dos dutos. As experiências foram realizadas utilizado-se vários tipos de trocadores de calor, eram ar e água. Para se atingir condições totalmente desenvolvidas, os trocadores de calor possuíam um cumprimento de entrada de 25 diâmetros . Os coeficientes médios de troca de calor foram determinados através da medida dos coeficientes globais de troca de calor dos trocadores de calor. Números de Nusselt e coeficientes de atrito são apresentados como funções do número de Reynolds do escoamento. A finalidade de tal comparação foi estudar a influência dos pinos de seção circular na queda de pressão e taxa de transferência de calor . Números de Nusselt e coeficientes de atrito são apresentados como funções do número de Reynolds do escoamento. Os resultados para dutos lisos e pinados foram comparados. A finalidade de tal comparação foi estudar a influência dos pinos da seção circular na queda de pressão e taxa de transferência de calor. O desempenho térmico global de superfícies pinadas depende principalmente do número de Nusselt e da eficiência da região. Assim, resultados para a eficiência do pino foram também apresentados.
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Aluno(a) : Eloi Fernandez Y Fernandez
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/20/1984
Local:
Resumo: O elemento combustível de um reator do tipo LMFBR consiste em um feixe de barras de arranjo triangular com espaçadores helicoidais, contido em um duto hexagonal. Neste trabalho, desenvolve-se o programa ATHEL que incorpora um método determinístico para o cálculo da distribuição de temperatura, baseado em modelos para o cálculo do coeficiente de atrito e redistribuição do escoamento axial, para o escoamento transversal e a mistura térmica turbulenta. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando precisão semelhante aos códigos de análise mais complexa, como é o caso do COBRA e THI3D. O modelo físico utilizado e o programa desenvolvido permitem a realização de análise termohidráulica de reatores de maneira rápida e econômica.
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Aluno(a) : Paulo Gustavo Candido de Oliveira
Orientador(a): Angela Nieckele e Ivan Aguilar
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/20/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
O petróleo é constituído por uma cadeia de hidrocarbonetos, os quais se precipitam na forma de partículas sólidas de parafina, quando a sua temperatura cai abaixo de um patamar conhecido como TIAC (Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais). Essas partículas podem se depositar nas paredes internas dos dutos obstruindo o escoamento, podendo gerar prejuízos da ordem de milhões de dólares. Por esse motivo, a habilidade de previsão e controle da deposição de parafina em eventos futuros é de fundamental importância tanto para projetistas como operadores de tubulações. Visando lidar com esse problema, grande esforço vem sendo feito pela comunidade científica com o intuito de aperfeiçoar as metodologias para previsão do depósito de parafina. Frequentemente, a modelagem da difusão das espécies é realizada utilizando a Lei de Fick, válida para misturas binárias, apesar dos hidrocarbonetos presentes no petróleo formarem uma mistura multicomponente. O presente trabalho propõe avaliar o fluxo difusivo de massa das espécies utilizando o modelo Stefan-Maxwell, compatível com sistemas multicomponentes. Para determinar a evolução axial e temporal da espessura do depósito de parafina, o escoamento foi modelado como uma mistura líquido/sólido e equações de conservação de energia, massa, quantidade de movimento linear e continuidade das espécies são resolvidas, acopladas com o modelo termodinâmico de múltiplas soluções sólidas, para determinação da precipitação da parafina. As equações de conservação foram resolvidas utilizando o software de código livre OpenFOAM®. Uma comparação das previsões obtidas com a modelagem de Fick e de Stefan-Maxwell com dados experimentais, mostrou que no início do processo de deposição, o impacto do modelo difusivo é desprezível. Porém, observou-se que a medida que o tempo passa, o modelo de Stefan Maxwell prevê um maior incremento da concentração das espécies mais pesadas no interior do depósito de parafina quando comparado com a previsão da modelagem de Fick.
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Aluno(a) : Marcos Alexandre Izidoro da Fonseca
Orientador(a): Sergio Braga e Rodrigo Calili
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/18/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
O inevitável crescimento da demanda por recursos energéticos, imposta por tempos de acelerada transformação econômica e social, e as imposições da pauta climática, fomentam o interesse pelo estudo de processos mais eficientes e menos poluentes. Neste contexto, este trabalho realiza o dimensionamento, a simulação e a otimização de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, desconectado da rede (off-grid), composto por grupos geradores e banco de baterias, visando aplicações comerciais com diferentes níveis de demanda, em cenários sazonais distintos. Também é objeto de estudo, avaliar os ganhos em eficiência e as emissões de poluentes atmosféricos, comparando-se os cenários simulados a partir de estimativas de linha de base. Os sistemas são compostos por geradores a Diesel (linha de base) com potências entre 600 e 5200kW, geradores a Gás Natural com potências entre 400 e 5088kW, e bancos de baterias com capacidades entre 900 e 9000kWh para os cenários alternativos. Foi realizada uma análise energética dos sistemas, considerando variação da energia, estado de carga, taxa C, patamares de carga, consumo específico de combustível e eficiência. Além da análise das emissões de poluentes advindos dos geradores. Por fim, com as variáveis de saída do modelo, comparou-se os resultados entre os diversos casos e os cenários de linha de base, além de analisar a influência dos fatores utilizados para criação dos cenários simulados (tipos de geração, variabilidade da carga e multiplicadores). Em comparação entre a linha de base, e o cenário mais promissor (Gás Natural + bancos de baterias), foi possível observar ganhos médios com aumento de eficiência de até 19,8% para o verão, e 26,7% para o inverno. Além de detectar aumento das emissões de hidrocarbonetos não queimados e monóxido de carbono, e redução das emissões de óxido nitroso, material particulado e dióxido de carbono.
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Aluno(a) : Enrico Luigi Moreira Perocco
Orientador(a): Angela Nieckele e Ivan Aguilar
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/15/2022
Local: por acesso remoto
Resumo:
Cardiovascular diseases are responsible for a high number of deaths in humans. Many of these pathologies are dependent on the cardiac cycle and are located in the aorta, the largest and main artery in our body. Knowledge of flow patterns and stress distributions in the walls of the aorta can help in the diagnosis and prevention of some of these diseases. Thus, the flow of blood during the cardiac cycle was numerically studied in a 3D model of the aorta of a specific patient, after TAVI (Transcatheter Aortic Valve Implantation) implantation. The cardiac cycle consists of two periods called systole and diastole. During the systole, blood is pumped from the heart to the aorta, presenting high flow rates, resulting in a turbulent flow. On the other hand, in diastole, with the closure of the aortic valve, the blood flows with low velocities in laminar regime. Until today, scientists face a challenge in turbulence modeling, as there is no single model that provides predictability for all situations involving the turbulent regime, with reasonable computational effort. In order to select the most suitable turbulence model for the analysis of the flow inside the aorta, in the presence of the transition of flow regimes during the cardiac cycle, with a reasonable cost, the methodology based on the Reynolds Average was selected. Different models were compared with experimental data extracted from the same real-scale aortic model, but a in steady state, with flow corresponding to the systolic peak. Finally, the impact of boundary conditions and turbulence models during the cardiac cycle on the distribution and values of stresses and turbulent quantities in the vascular endothelium were evaluated. It was shown that the spatial distribution of the temporal averages of tension was qualitatively and quantitatively similar, for the two cardiac cycles representative of different patients, but with small local changes for each case. In terms of turbulence models, it was observed that the SAS (Scale Adaptive Simulation) model was able to represent the relaminarization of blood flow in the diastolic period.
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Aluno(a) : Mateus Aguiar Rodrigues de Lima
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/24/2022
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Resumo:
Microcapsules are commonly used as vehicles for on-demand delivery of active contents. The capsule protects the internal content from interference of the external environment and deliver it in a controlled manner. In addition to being widely used in the pharmaceutical, food and cosmetic industries, microcapsules can be also a viable solution in medicine and in the petroleum industry to replicate themselves as cells in the body or optimize oil recovery, respectively. However, the use of a microcapsule implies the use of a shell that, due to the urge for sustainability, needs more than ever to be a biodegradable substance. In this work, we present a method of controlled release of actives protected by a biodegradable gellan-based microcapsule using temperature as the trigger for its destruction. The study shows the effect of physical properties of the capsules in the delivery time of their internal content and how the release behaves with the increase of the heat rate involved in the process. Microcapsules were produced with flow-focusing microfluidic devices with diameters varying between 190 and 510 um while the shell thicknesses varied between 4 and 50 um. The study shows that, in addition to the size, the shell material influences the release behavior. In addition, another important point is how the gellan gum nature affects the thermal trigger event, since the results show that when gellan is in its deacylated form (low-acyl) it is more resistant to changes, but when its natural form (high-acyl) is added to the chain, it becomes more sensitive to the trigger mechanism until a thickness-diameter ratio threshold, where the degradation behavior changes and the delivery is delayed.
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Aluno(a) : Rodrigo Luís Formosinho Castello Branco
Orientador(a): Angela Nieckele e João Carneiro
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/25/2022
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Resumo:
The 1D Two-Fluid model has been widely used in industrial simulations to predict two-phase flows in pipelines. Recent advances of the Regime Capturing methodology allow for the detection of flow pattern transitions from the onset and development of interfacial instabilities. However, due to the averaging processes required to reduce the dimensionality of the problem, the loss of information renders the model ill-posed, i.e., short wavelengths disturbances are amplified at an unbounded rate and unphysical solutions are obtained. Closure relations play a key role in this problem, since they are required to close the 1D system. Further, the reintroduction of the missing physics may stabilize the flow and render the model well-posed. The present work proposes a model for the liquid momentum flux parameter based on the liquid film velocity profile that is dependent on the local flow quantities. Linear Stability Theory (LST) can be used to assess the influence of closure parameters in the growth of disturbances and to evaluate the hyperbolicity of the model. A viscous approach of the differential Kelvin-Helmholtz and a discrete von Neumann stability analyses are performed to evaluate commonly employed closure models and the proposed formulations for the liquid momentum flux parameter. Numerical simulations are performed, and numerical dispersion relations are extracted from the results to verify the predictions against LST data. A rigorous numerical evaluation of the novel momentum flux parameter models against a large experimental database taken from the literature is carried out. Results show that the proposed models outperform the standard constant C_L values for both pressure drop and liquid film thickness. The models also showed better overall consistency throughout the extensive experimental database.
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Aluno(a) : Nicole Lopes Monteiro de Barros Junqueira
Orientador(a): Igor de Paula , Luís Fernando Silva e Louise Ramos
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/17/2022
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Resumo:
Computational fluid dynamics (CFD) is often applied to the study of combustion, enabling to optimize the process and control the emission of pollutants. However, reproducing the behavior observed in engineering systems has a high computational burden. To overcome this cost, machine learning techniques, such as reduced order models (ROM), have been applied to several engineering applications aiming to create models for complex systems with reduced computational cost. Here, the ROM is created using CFD laminar non premixed flame simulation data, decomposing it, and then applying a machine learning algorithm, creating a static ROM. This work analyzes the effect of five different data pre-processing approaches on the ROM, these being: (1) the properties treated as an uncoupled system or as a coupled system, (2) without normalization, (3) with temperature and velocity normalized, (4) all properties normalized, and (5) the logarithm of the chemical species. For all ROM constructed are analyzed the energy of the reduction process and the reconstruction of the flame properties fields. Regarding the reduction energy analysis, the coupled ROM, except the ROM (4), and the logarithm ROM converges faster, similarly to the uncoupled temperature ROM, whereas the uncoupled minor chemical species ROM exhibits a slower convergence, as does the coupled ROM with all properties normalized. So, the learning is achieved with a smaller number of modes for the ROM (2), (3) and (5). As for the reconstruction of the property fields, it is noted that there are regions of negative mass fraction, which suggest that the ROM methodology does not preserve the monocity or the boundedness of the properties. The logarithm approach shows that these problems are overcome and reproduce the original data.
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Aluno(a) : Vanessa Bautista Paganelli
Orientador(a): José A. Parise e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/02/2022
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Resumo:
Desde os primórdios da Revolução Industrial, caldeiras têm percorrido um longo caminho de desenvolvimento visando melhor segurança e maior eficiência. Em particular, o mercado de caldeiras flamotubulares tem exigido cada vez mais projetos personalizados dos fabricantes, abrindo caminho para o uso de modelos de caldeiras como eficientes ferramentas de projeto. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo termodinâmico para uma caldeira flamotubular, de três passes, operando em regime permanente com gás natural boliviano. Foi testada a sensibilidade no perfil de temperatura de várias correlações de troca de calor encontradas na literatura. Um planejamento composto central permitiu avaliar simultaneamente o impacto da variação de seis parâmetros (diâmetro dos tubos no primeiro, segundo e terceiro passes, comprimento da caldeira, número de tubos nos passes 2 e 3 e porcentagem de excesso de ar na combustão) e obter um modelo polinomial empírico a fim de otimizar as eficiências energética e exergética de caldeira. Um teste de malha foi realizado com temperaturas no final da chama, câmara de combustão, segundo e terceiro passes e apontou para uma divisão suficiente de 200 volumes de controle em cada passe. O modelo foi também validado com dados obtidos experimentalmente, observando-se que a diferença entre os valores experimentais e teóricos das temperaturas do primeiro e segundo passes é inferior a 22,9ºC e menor que 43,9ºC no terceiro passe. Com os modelos polinomiais robustos obtidos com o planejamento de experimentos, foi possível observar os parâmetros mais significativos, tanto para as eficiências energética e exergética, assim como para a destruição de exergia. São eles, por ordem decrescente de importância: o excesso de ar; as duas contribuições associadas ao comprimento da caldeira; o número de tubos nos segundo e terceiro passes e; o diâmetro dos tubos no segundo e terceiro passe e o diâmetro do tubo no primeiro passe. Além disso, foi possível quantificar o trade-off entre o aumento da superfície de troca de calor e a manutenção do nível de turbulência do escoamento.
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Aluno(a) : Fabio Gaspar Santos Junior
Orientador(a): Angela Nieckele e Ivan Aguilar
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/11/2021
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Resumo:
A deposição de parafina é um dos principais problemas quando se trata de garantia de escoamento. O fluido que sai quente dos reservatórios é transportado por tubulações que trocam calor com o ambiente frio. Quando o fluido atinge temperaturas abaixo da TIAC (Temperatura Inicial de Aparecimento de Cristais), partículas de sólido se precipitam. Isto causa não só aumento da viscosidade, mas também a formação de depósito nas paredes da tubulação, diminuindo a seção livre de escoamento e levando a um aumento da potência necessária para o deslocamento do fluido, ou até mesmo obstruindo totalmente a tubulação, resultando em um grande esforço de manutenção e causando grandes perdas de capital. Este problema é bastante recorrente, sendo assim, prever a deposição da parafina é crucial para projetos e operações de tubulações, sendo preciso desenvolver modelos numéricos que forneçam resultados de forma acurada e eficiente. Considerando que as tubulações são muito longas, o presente trabalho propõe um modelo hidrodinâmico unidimensional, com um modelo bidimensional de transferência de calor obtido através de um processo de marcha ao longo do duto. Todas as propriedades e fração volumétrica de sólido são determinadas em função da composição do fluido, pressão e temperatura, a partir de interpolações de tabelas criadas com um modelo termodinâmico em uma etapa de pré-processamento. O modelo considera a existência de depósito na parede da tubulação quando a fração de volume de sólido é igual ou maior do que 2 %. A modelagem proposta foi avaliada em diferentes situações, em escala laboratorial e de campo, apresentando dados de temperatura, pressão e espessura do depósito com concordância razoável com dados da literatura, mostrando que a modelagem implementada reproduz satisfatoriamente o comportamento físico do fenômeno de deposição de parafina.
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Aluno(a) : Caio Filippo Ramalho Leite
Orientador(a): Sergio Braga e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/04/2021
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In the last few years, the automotive industry has reinvented itself to meet the demands of the international market, which has been increasingly competitive in a context with environmental laws each year more severe. One alternative to lower harmful greenhouse gases emissions over the life of the vehicle is electric cars. However, the production and disposal of electric batteries is still a major problem to be solved. Therefore, companies are also searching for other potentialities to increase the internal combustion engine's efficiency and develop green technology, such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) or Spark-Assisted Compression Ignition (SACI). A MATLAB routine was created to predict the performance of SACI multi-mode combustion of natural gas using a two-zone thermodynamic model. This work performs sensitivity analysis for five performance parameters: thermal efficiency (η_th), indicated mean effective pressure (IMEP), NOx emissions, mean in-cylinder temperature (T ̅_avg), and auto-ignition timing (AIT), with several variables such as engine speed, fuel-air equivalence ratio, spark timing, compression ratio, and intake pressure, using the design of experiments tools to assess the factors’ impact. The Central Composite Design indicates that the engine speed and the fuel-air equivalence ratio were the most important SACI factors since they influence all engine performance parameters. On the other hand, the intake pressure was significant in three performance parameters (η_th, IMEP and T ̅_avg), as was the spark timing (NOx, T ̅_avg and AIT). The compression ratio, however, was relevant in only one of them (AIT). Furthermore, a Univariate Analysis was done to compare Spark-Ignition (SI) and SACI combustion techniques. The results show that at the same regime as traditional SI engines, SACI engines tend to be around 9% more efficient, NOx emissions drop notably, more than 99%, IMEP presents an increase of 45.4%, and T ̅_avg decreases 24.8%.
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Aluno(a) : Vitor Heitor Cardoso Cunha
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/28/2021
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Resumo:
Thin liquid films play a big role in many real-life applications and are of indisputable interest to scientific and industrial researchers. Evidence of thin films are observed in nature in large scales such as snow avalanches in the mountains, lava flows on volcanoes and landslides, and in small scales such as the pulmonary airways and the eye surface. They are also widespread in many industrial applications, ranging from high-resistance thin film resistors, atomization, soft-lithography methods and several coating techniques such as dip, roll, slot, spin and curtain coating. Understanding the physical mechanisms contributing to the stability of thin liquid films is a challenging problem, as thin films' flows present a fluid-fluid interface which is free to deform. The interface is bounded between two liquids or a liquid and a gas, typically having its own dynamic properties from which interfacial tension effects and complex interfacial rheological behavior arises. Instability is usually driven by long-range intermolecular forces, also known as van der Waals attractions, and may result in the rupture of the layer. Numerical investigation is often used to understand the breakup dynamics of thin liquid sheets by addressing the evolution of the film thickness using either asymptotic derivations of the lubrication theory or interface tracking techniques. In this work, a computational investigation of the breakup dynamics of a stationary thin liquid sheet bounded by a passive gas with a viscous interface is presented. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian method (ALE) is used to track the interface position. The rheological behavior of the viscous interface is modeled by the Boussinesq-Scriven constitutive law, and the numerical solution is obtained through finite element approximation. The results show that thin liquid film stability is influenced both by surface rheology and disjoining effects and that the viscous character of the interface delays the sheet breakup, leading to more stable films.
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Aluno(a) : Tatiana Naccache Rochinha
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/14/2021
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Resumo:
This work proposes to investigate normal stress measurements for yield stress materials. Using an ARES-G2 TA Instruments’ strain-controlled rheometer, three different elastoviscoplastic materials were studied. A simple but effec- tive experimental procedure was developed to obtain repetitive results for both steady-state and transient measurements. These tests were put to comparison, and interesting results were obtained. For the Carpobol dispersion and the com- mercial hair gel, transient and steady-state results were quite similar. Although, the same was not observed for the highly concentrated emulsion. Also, vari- ables such as N1, ψ1, τ, γ ̇, G′, G′′, η, τy, σs and others were explored to better understand the stress state of these materials. Furthermore, normal stresses were significantly higher than shear stresses, while all materials were submitted to low shear rates. For high shear rates, different from the other two fluids, the highly concentrated emulsion displayed normal stress values that were lower than shear stress ones. Finally, in contrast with most results found in literature, only nega- tive normal stress results were obtained for the materials studied.
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Aluno(a) : Leonardo Pedreira Pereira
Orientador(a): Sergio Braga e Antonio Villela
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/12/2021
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Resumo:
Vehicle acceleration performance is an important feature to be evaluated when internal combustion engines and new fuels are being developed. Predicting this parameter is also of great significance, once automotive track tests requires long periods of time to be done and high costs with equipment, rental of the track, hiring people and displacement of vehicles and fuels. In addition, the results are directly affected by track surface irregularities and variations in weather conditions such as ambient pressure, temperature, air humidity, wind speed and crosswinds. Therefore, this work aims to use the data collected in bench tests with an internal combustion engine, in order to computational modelling speed recovery tests of its respective car. Doing these experiments in laboratory has the advantage of a greater control of the room ambient conditions and the engine operating parameters. Also, it reduces the expenses related to on-track testing. The proposed methodology simulates the traction force on the wheels based on the measured torque in dynamometer or from the pressure curves inside the combustion chamber with the aid of friction models for spark ignition engines. In order to validate the proposed model, it became necessary to perform speed recovery tests with the car on a chassis dynamometer. Also, seven different mixtures of ethanol and gasoline were used, and it was concluded that pure anhydrous ethanol promoted a higher acceleration capacity in most of the experiments but it had higher fuel consumption. It was also seen that hydrated fuels reduced performance. The simulations demonstrated a high precision in relation to the experiment, with a recovery time difference average of 0.51 seconds and standard deviation of 0.078. Also, the acceleration performances had errors smaller than 5.25%.
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Aluno(a) : Pedro Henrique Souza Calderano
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/09/2021
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Resumo:
Thin liquid sheets are present in a variety of systems and applications. Here, we are interested in double-layered sheets, which are common in the curtain coating process. In curtain coating, the liquid falls from a die forming a thin curtain before wetting the moving substrate. One of the most important process limits is the curtain breakup, which sets a lower limit for the coating liquid flow rate. Consequently, this flow rate lower limit defines the feasible minimum deposited film thickness. Experimental evidence have shown that using a two-layer curtain, with a viscoelastic thin layer, may delay the curtain breakup to lower flow ratios. The breakup of two-layer liquid sheets, composed of a Newtonian and a viscoelastic liquid, is studied by solving the differential equations that describe the evolution of the liquid sheet configuration until breakup. The effect of different parameters on the breakup time is determined. The results show the same behavior observed experimentally, thin viscoelastic liquid layer delays the breakup, stabilizing the liquid sheet.
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Aluno(a) : Pedro Carvalho de Oliveira
Orientador(a): Sergio Braga e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/05/2021
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Resumo:
Com o crescimento da extração de petróleo offshore nos últimos anos, em particular oriundo do pré-sal, faz-se necessário adequar as plataformas a estas novas necessidades, particularmente em relação ao flare. Para que este processo seja feito com segurança, demandam-se cada vez mais modelos precisos de determinação da troca de calor radiativa e tecnologias de bloqueio de radiação, tais quais os heat shields, para que os equipamentos da plataforma operem em condições de segurança adequada. O presente trabalho introduz duas técnicas de medição da emissividade da superfície de três materias: cobertura de Thermal Sprayed Aluminum (TSA), cobertura de otatemp1000 e uma superfície crua de aço naval. Foi efetuado um levantamento das etodologias de medição de emissividade e dos conceitos básicos dos processos de radiação e convecção natural, a partir disso foi determinada uma modelagem do problema a ser observado para as estimativas de calor e emissividade. O primeiro experimento consistiu na medição da emissividade com o auxílio de um termógrafo, nesse foi realizada a comparação de medição sobre uma placa plana e um tubo revestido para o TSA e o Jotatemp1000. No segundo experimento, realizou-se a medição da emissividade através da determinação das transferências de calor por convecção natural e radiação em um espaço anular em cilindros longos. As medições neste experimento foram realizadas para três diferentes pressões, para que se quantifique o efeito da convecção natural. No primeiro experimento, houve uma discrepância significativa entre os valores medidos nos tubos e nas placas, para o TSA obteve-se um valor médio de ε = 0, 414 ± 0, 030 para a medição na placa e ε = 0, 325 ± 0, 030 para a medição no tubo, no caso do Jotatemp ε = 0, 952 ± 0, 030 para a placa e ε = 0, 874 ± 0, 030 para o tubo. Notou-se também que em ambos os experimentos a emissividade de todos os materiais permaneceu praticamente constante para os valores acima de 100 oC, isto se deve ao fato de que abaixo desta temperatura a convecção natural compõe parte considerável do calor total transferido. Para o Jotatemp por exemplo, obteve-se os seguintes valores para a pressão de 1 atm (maior influência da convecção natural), ε = 0, 405 ± 0, 045 (T = 100oC), ε = 0, 445 ± 0, 046 (T = 120oC) e ε = 0, 465 ± 0, 046 (T = 142oC). Apesar disso, para o Jotatemp1000 e o aço naval, observou-se uma disparidade considerável nos valores de emissividade encontradas no primeiro experimento em comparação com o segundo. Constata-se que a medição de emissividade com termógrafo possui uma precisão maior, por ser uma medida direta, e dentre as metodologias utilizadas para a medição no espaço anular o mais confiável para pequenos intervalos de temperatura e a parametrização pela superfície dada pelo matlab. Ainda que os resultados apresentem tais discrepâncias, pode-se observar que o TSA obteve os menores valores de emissividade em todos os experimentos e, portanto, é o material mais indicado para aplicação em heat shields a fim de mitigar os efeitos de radiação na plataforma.
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Aluno(a) : João Pedro Bezerra da Cunha
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/07/2021
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Resumo:
The motivation of this work consists in the use of four-roll mill in order to increase the phase separation of emulsions water-in-oil (W/O) present in the primary process of oil industry. With the mass and momentum conservation, the continuous phase is modeled by an incompressible, bi-dimensional and isothermal flow. Numerical simulations employing the finite element method were implemented to reveal the influence of the several flow configurations in the material mechanical behavior. From the obtained results, the standard way of classifying the flow in the four-roll mill according to the literature was proved inefficient. This work suggests local flow classifications for each position depending if it is occupied by the continuous or dispersed phase. The effect of the dispersed phase was described by a post-processing scheme. Microelements in shape of vectors were inserted in the domain and their deformations and pathlines were investigated. Thus, the deformation of droplets and their respective influences in the emulsion instability were analyzed.
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Aluno(a) : Edson Sabino da Silva
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/06/2021
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Resumo:
O setor de refrigeração tem um papel fundamental e crescente na vida moderna. Seus usos vão desde processos industriais até conservação de alimentos passando por aplicações de conforto térmico. Tamanho peso econômico também se reflete nas emissões de poluentes do segmento. Acordos internacionais têm sido implementados com o objetivo de substituir fluidos refrigerantes que são danosos à camada de ozônio ou com alto potencial de aquecimento global. Essas iniciativas buscam mitigar o impacto direto da liberação desses gases na atmosfera. Outras abordagens visam reduzir o nível de emissões por meio da diminuição do consumo energético da operação desses sistemas. Melhorar as estratégias de monitoramento e controle de equipamentos residenciais de condicionamento ar certamente concorre para esse fim, uma que a venda desse tipo de aparelho cresce a cada ano. Neste trabalho investiga-se a implementação de uma estratégia baseada em controle preditivo para sistemas de expansão direta. O objetivo foi verificar ser o controlador baseado nessa abordagem seria capaz de controlar a temperatura interna de um ambiente. Os resultados mostram que controlador proposto foi eficaz em controlar a temperatura interna de em condições externas constantes, porém ineficaz em contexto dinâmico. Em paralelo, também se estudou a aplicação do método de estimação estados em horizonte móvel. Objetivo foi discutir se era possível inferir parâmetros do ciclo de refrigeração sem efetivamente mensurá-los. Os resultados mostram que o modelo de refrigeração proposto é observável em condições externas constantes. Além disso, uma comparação de desempenho entre o sistema operando com fluidos diferentes foi realizada. O intuito foi mostrar as possibilidades que método de estimação no que tange o cálculo de indicadores de desempenho.
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Aluno(a) : Camila Moreira Costa
Orientador(a): Monica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2021
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Resumo: O sucesso da operação de perfuração de poços de petróleo provém da incessante pesquisa científica que busca soluções e melhorias às diversas etapas deste processo. A correta formulação dos fluidos de perfuração e suas medições reológicas são parte fundamental neste cenário. O objetivo deste estudo é investigar o funcionamento de um viscosímetro Fann 35A e a metodologia utilizada para caracterização reológica de fluidos de perfuração, mediante comparação com um reômetro rotacional. Por conseguinte, diferentes fluidos, tais como soluções poliméricas e fluidos de perfuração, foram analisados com a finalidade de propor novas recomendações e aprimorar o uso do equipamento, comumente utilizado pelas companhias de petróleo. Curvas de escoamento e testes de força gel foram executados e, os resultados mostraram que as equações API são responsáveis pela determinação errônea dos parâmetros reológicos destes fluidos. Além disso, foi realizado um estudo teórico da relação entre a pressão e vazão em escoamento em tubo e espaço anular. Observou-se que a escolha precisa da função de viscosidade é imprescindível para o correto dimensionamento de bomba. Ademais, uma geometria ranhurada foi projetada e desenvolvida a fim de evitar os efeitos do deslizamento aparente em baixas taxas de cisalhamento. A força gel, medida importante para avaliar o reinício do escoamento em poços de petróleo, também foi avaliada e apresentou resultados bastante divergentes dos obtidos no reômetro. O gel adicional exibiu respostas significativas e assim, sua utilização é indicada. Por fim, as melhorias e metodologias propostas mostraram-se promissoras, embora em alguns casos não possua valia pelo custo benefício. A incorporação das recomendações obtidas no presente estudo garante aquisição com maior acurácia da reologia de fluidos de perfuração e, consequentemente, desempenho correto de algumas funções atribuídas ao mesmo, evitando assim ocorrência de sérios problemas operacionais, ambientais e financeiros.
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Aluno(a) : Bruno Jorge Macedo dos Santos
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/06/2021
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Resumo:
Reynolds Average Navier Stokes (RANS) models are among the most employed models to solve turbulent flows, due to their low computational cost. The majority of RANS models use the Boussinesq approximation, based on a linear relation between the deviatoric part of Reynolds stress tensor and the rate of strain tensor, with the turbulent viscosity as the positive proportionality parameter. However, these models fail in several situations, and a great deal of effort has been made by the scientific community aiming to improve model prediction through the development of non-linear models. Analysis of higher-order models employing objective orthogonal tensors has shown that these are very promising to improve the prediction of the normal components of the Reynolds stress. At the present work, turbulent characteristic velocity and length based on the intensity of the rate of strain tensor were examined, and new wall damping functions were developed presenting very good results. Further, a new one-equation turbulent model based only on the turbulent kinetic energy transport equation was proposed coupled with a new algebraic closure equation to model the turbulent kinetic energy dissipation. Very good results were obtained with the new developed models, when compared with DNS data and with the predictions of previous works.
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Aluno(a) : Maria Clara de Jesus Vieira
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/05/2021
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Resumo:
O fenômeno de retorno de chama em tubos é conhecido e estudado há várias décadas. Sua análise clássica é baseada na determinação do gradiente de velocidade crítico, Gc, que o delimita como função das propriedades das misturas combustíveis. Entretanto, não é conhecido o efeito da diluição por CO2, importante para a previsão da segurança das instalações do pré-sal. Por isto são aqui desenvolvidos estudos específicos do retorno de chamas pré-misturadas em escoamentos laminares.
O objetivo geral deste trabalho é determinar experimentalmente a influência da diluição por CO2 sobre o retorno de chamas (flashback) em misturas de hidrocarbonetos (CH4 e propano) e de ar. O levantamento do estado da arte permitiu especificar as características da instalação experimental para o estudo deste fenômeno e, também, identificar as principais questões a serem abordadas. Foi projetado e construído um aparato experimental para o estudo do flashback em escoamentos laminares.
Os resultados originais obtidos mostram como a propensão ao retorno de chama é influenciada pela natureza do combustível, pela estequiometria da mistura e pela diluição. Misturas de propano possuem maior propensão ao flashback e maiores valores de Gc do que as de metano. Também foi mostrado que há uma redução da propensão ao flashback com o aumento da diluição. Esta propensão foi relacionada aos números adimensionais que caracterizam a combustão, isto é, os números de Lewis, Péclet, Karlovitz e Zel'dovich. Para este último, uma proposta original visando sua determinação é apresentada, que envolve uma expressão da taxa de liberação de calor da reação química global controlada por uma variável de progresso.
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Aluno(a) : Ricardo Cavalcanti Linhares
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/22/2020
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Resumo: Wax deposition in petroleum production and transportation lines is one of the most relevant problems faced by the industry in order to assure the flow of oil and gas at the designed economical rates. Significant losses occur due to decreased production, line replacements and maintenance costs associated with cleaning operations. Wax deposit formation on the inner wall of the pipes might occur when the warm oil from the well loses heat to the cold environment, typical of deep water production operations, and its temperature reaches a critical value at which wax crystal formation occurs. This critical temperature is the WAT, wax appearance temperature. The prediction of wax deposit formation by simulation models is of fundamental importance for the proper design and operation of petroleum lines. Several wax deposition models have been developed and employed over the years, incorporating different wax deposition mechanisms. In the present work, the wax deposition phenomenon was studied employing a model fluid flowing through an annular test section, built to offer simple and well-defined boundary and initial conditions for the deposition process. Optical access to the interior of the test section allowed for the registration of images of the wax deposit formation. A miniature temperature probe was designed and employed to obtain original information on the temperature profiles within the deposit as it was formed. Also, the probe registered the transient evolution of the deposit interface temperature for different flow rates and cooling rates. The transient formation of a cloud of wax crystals over the deposit interface and carried by the flow was registered by a high frame rate camera. The temperature within this cloud was measured by the temperature probe. The results have shown that the deposit interface temperature evolves from a value equal to the WAT for the fluid measured by microscopy, rapidly reaching a constant value which is intermediate between the WAT and the solution thermodynamic phase change temperature. This information contradicts one of the key assumptions included in the molecular diffusion deposition mechanism, and widely employed in academic and industrial simulation models. The presence of wax crystals in the solution at temperatures above the WAT indicates that, locally, the WAT might differ from that obtained by microscopy, and that the local prevailing cooling rates could be lower than those imposed at the cold wall, allowing crystal formation above the deposit interface. The data obtained in the present work are of good quality and can be used as a reference to test wax deposition simulation models.
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Aluno(a) : Veronica da Rocha Weaver
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/06/2020
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Resumo: Given the constant advances in technology, electronic devices have been going through a process of miniaturization while sustaining an increase in power. This trend proves to be a challenge for thermal management since commonly electronic cooling systems are air-based, so that the low heat transfer coefficient of air limits its capacity to keep up with the thermal needs of today’s industry. In this respect, two-phase cooling has been regarded as a promising solution to provide adequate cooling for electronic devices. Two-phase thermosyphon loops combine the technology of two-phase cooling with its inherent passive nature, as the system does not require a pump to provide circulation for its working fluid, thanks to gravity and buoyancy forces. A micro-channel heat sink located right on top of the electronic device dissipates the heat generated. This makes for an energy and cost-efficient solution. Moreover, having a thermosyphon loop operating with a low GWP refrigerant such as R-1234yf results in low impact for the environment since it is an environmentally friendly refrigerant, and the system has low to none energy consumption. This work provides a detailed numerical model for the simulation of a two-phase thermosyphon loop operating under steady-state conditions. The loop comprises an evaporator (chip and micro-fin heat sink), a riser, a tube-in-tube water-cooled condenser and a downcomer. Fundamental and constitutive equations were established for each component. A finite-difference method, 1-D for the flow throughout the thermoysphon’s components and 2-D for the heat conduction in the evaporator and chip, was employed. The model was validated against experimental data for refrigerant R134a, with good agreement. Additional simulations were performed to present a performance comparison between R134a and its environmentally friendly substitute, R1234yf.
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Aluno(a) : José Eduardo Sanson Portella de Carvalho
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/02/2020
Local:
Resumo: O setor da refrigeração possui um papel essencial e crescente na economia global, com um aumento na quantidade de sistemas operantes. A necessidade de desenvolver novos refrigerantes tem sido cada vez mais frequente, a fim de atender a legislações ambientais cada vez mais rigorosas. Igualmente, medidas envolvendo a introdução de novos materiais, como os nanofluidos, tem sido uma constante. Neste trabalho, um sistema de refrigeração usando uma mistura nanolubrificante POE-diamante e refrigerante R410A foi simulado. Dados experimentais cedidos pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU) foram usados para a elaboração e validação do modelo. O simulador utiliza a equação de Peng-Robinson para o cálculo das propriedades termodinâmicas e o método de fronteira móvel para a modelagem dos trocadores. O impacto das nanopartículas em relação aos parâmetros críticos foi avaliado a partir do princípio do isomorfismo e da natureza de ambos os materiais: fluido base e nanopartículas. A convergência da simulação do ciclo de refrigeração foi obtida com o método do simplex modificado mostrou-se adequado para tal aplicação, apresentando convergência satisfatória em todos os casos. As temperaturas de evaporação, condensação e de descarga do compressor são obtidas a partir das condições de operação do compressor, dos dois fluidos de transferência de calor, do grau de superaquecimento no evaporador e também do grau de subresfriamento no condensador. Superfícies de resposta foram criadas a fim de avaliar o efeito de cada uma das variáveis (temperatura de evaporação, frequência do compressor e concentração de nanopartículas) utilizadas no estudo s do coeficiente de performance (COP), da capacidade frigorífica e da potência do compressor. A temperatura de evaporação possui um impacto significativo sobre a capacidades frigorífica e o COP, enquanto que a potência é mais afetada pela frequência do compressor. A concentração de nanopartícula, apesar de possuir um efeito mais atenuado, não deve ser desprezada, devido à modificação que causa sobre as propriedades termofísicas da mistura.
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Aluno(a) : Pedro Roberto Barbosa Rocha
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/10/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Two-phase intermittent pipeline flows are frequently found in industry, such as in the transportation of oil and gas. Their dynamics is commonly modeled through a one-dimensional approach, since long pipelines are employed, making 2D or 3D simulations unfeasible. The models always require an assessment of wall and interfacial friction factors, which are usually obtained by empirical correlations. In this work, from full 3D velocity fields across statistically developed slug unit cells, friction factors and momentum flux parameters were evaluated and new correlations for them are proposed. For that, several three-dimensional numerical simulations were performed by the software OpenFOAM. The Volume of Fluid (VOF) method and the k-ω Shear Stress Transport (SST) turbulence model were applied within a computational domain corresponding to a single slug unit cell, with periodic boundary conditions under imposed pressure gradient and overall void fraction. Liquid holdup, superficial gas and liquid velocities, slug parameters, turbulence quantities, liquid and gas velocity profiles, pressure distribution and wall shear stresses were also evaluated. Comparisons with experimental data and empirical correlations were performed, showing a quite good agreement. In summary, this work presents a methodology for assessing mean parameters of intermittent flows from three-dimensional fields, which may be further used to improve one-dimensional models.
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Aluno(a) : Renato de Oliveira Gabriel
Orientador(a): Sergio Braga e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/20/2020
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Resumo: A crescente demanda global por energia e a finitude dos recursos fósseis despertaram grande interesse pelo uso de energias renováveis e tecnologias menos poluentes. Neste contexto, este trabalho introduz uma simulação numérica de um sistema híbrido on-grid de uma unidade combinada de calor e potência (CHP) para microaplicações residenciais e industriais. O sistema é composto por uma célula a combustível tipo membrana polimérica (PEMFC) acoplada a um reformador de gás natural, painéis fotovoltaicos e baterias conectados à rede elétrica através de um inversor híbrido bidirecional. Uma análise energética foi desenvolvida para validar a rotina computacional e determinar a vazão de gás natural. Em seguida, foi realizada uma análise econômica baseada na evolução do fluxo de caixa dos usuários e no custo cumulativo total do sistema no horizonte de 2020 a 2040, de forma a investigar a influência das taxas de incremento das tarifas de energia elétrica e gás natural, diferentes configurações do sistema, do número de consumidores e do fator de aproveitamento de créditos na rede. Diferentes tipos de tarifa (convencional e branca) e a possibilidade de cogeração com o rejeito térmico da PEMFC também foram avaliados. Ao final, uma análise ambiental foi desenvolvida para avaliar a contribuição para o potencial de aquecimento global do micro-CHP. Paybacks entre 6 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020. Adicionalmente, fortes reduções no custo cumulativo total foram obtidas levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. Finalmente, emissões equivalentes até 30% inferiores às da eletricidade da matriz energética nacional e do fornecimento de calor por queima de gás natural foram calculadas com uso da cogeração no atendimento da demanda térmica dos usuários.
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Aluno(a) : Rafael Ferrão Moura Cruz
Orientador(a): Márcio Carvalho e Frederico Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/29/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Macroscopic rock properties such as porosity, permeability, and wave velocity describe petrophysical characteristics of rocks. In the particular case of heterogeneous rocks like carbonates, the estimation of equivalent petrophysical properties is challenging because of the presence of distinct rock structures in the same domain of interest. Also, the presence of voids with sizes of disparate orders of magnitude imposes extra difficulty to predict equivalent properties in carbonates. Equivalent properties can be determined through experimental measurements in the laboratory, which can be relatively slow and expensive, or via numerical simulation. In this study, we determined equivalent permeability of vuggy porous media using a Digital Rock Physics workflow, which is comprised of the microCT scan of the rock sample, the segmentation of the digital image, the mesh generation on the porous matrix and vuggy regions, and the solution of the Brinkman model using the finite element method. Digital Image Analysis (DIA) was used to determine the characteristics of the macropores (volume, surface area, pattern, among others), which were use to curve-fit the equivalent permeability resulting from solutions of the Brinkman model for many different samples. The goal was to be able to evaluate the equivalent permeability simply based on the image characteristics of the sample, without the need of solving the Brinkman model
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Aluno(a) : José Adriano Bento de Souza Cardoso
Orientador(a): Márcio Carvalho e Danmer Paulino Maza Quinones
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/27/2020
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Resumo: Well formation tests are usually performed to determine the geological properties of a reservoir and the obtained data has often been interpreted based on an assumption that the reservoir is homogeneous in the vertical direction and described by a 1-D model. However, many reservoirs are found to be composed of different number of layers that have different characteristics. Production wells in such reservoirs may receive oil from more than one layer. In stratified reservoir system, the pressure and temperature behavior are not necessarily the same as in single layered system, and rarely reveals the same average properties of the entire system. The prediction of the characteristics of the individual layers is important to describe properly the reservoir and improve production management. This work presents a numerical transient-thermal model for a coupled wellbore/2D-reservoir considering Joule-Thompson heating/cooling, adiabatic fluid expansion, conduction and convection effects for both wellbore and reservoir for one phase fluid flow. The two-dimensional reservoir model allows the analysis of stratified zones and barriers. The model allows cross flow between the adjacent layers with different rock properties. Wellbore temperature and pressure at a certain gauge depth are evaluated numerically. Results show how pressure transient analysis (PTA) and temperature transient analysis (TTA) can be used to characterize different configuration of stratified reservoirs.
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Aluno(a) : Pedro Bruno Pereira Panisset
Orientador(a): Igor de Paula
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/08/2020
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Resumo:
O estudo de bolhas de separação laminar em aerofólios que operam a baixos números de Reynolds é importante para diversas aplicações tais como: turbinas a gás, geradores eólicos, veículos aéreos não tripulados, dentre outros. A perda de performance desses equipamentos, normalmente, está associada a presença e a ruptura de bolhas de separação. Neste trabalho buscou-se investigar, experimentalmente, os efeitos relacionados a variação súbita no nível de perturbações do escoamento à montante da região de formação da bolha. A ideia é avaliar como o escoamento se comporta em uma situação onde o nível de turbulência do escoamento livre pode variar. No caso de turbinas, essa condição pode ser observada quando as esteiras dos aerofólios de um estágio influenciam àquelas do estágio seguinte. Apesar da relevância prática, o regime transiente foi pouco investigado na literatura. Para o presente estudo foi utilizado um canal de água do laboratório de Engenharia de Fluidos. O gradiente de pressão, necessário para a formação da bolha, foi gerado com uma placa convergente-divergente e o nível de perturbações na camada limite foi controlado através de um gerador do tipo fita vibrante. Os campos de velocidades na região da bolha foram medidos com a técnica de Velocimetria por Imagem de Partícula com alta resolução temporal. A geração de perturbações e as medições de velocidade foram sincronizadas, permitindo assim o uso de técnicas de extração de médias de eventos. Caracterizou-se a bolha em um regime estacionário, onde não houve excitação de perturbações controladas a montante da bolha. Os resultados foram comparados com referências da literatura, apresentando boa concordância. No regime transiente, analisou-se o escoamento desde o instante em que o gerador de perturbações foi subitamente desligado até a recuperação completa da bolha. Nessas condições, notou-se que bolha cresceu até atingir um comprimento maior do que o observado no regime estacionário. Somente após o desprendimento de um grande vórtice, a bolha voltou a exibir características similares àquelas do regime estacionário. Esse comportamento se assemelha àquele reportado na literatura para ruptura de bolhas (“bursting”) mas que ainda não é bem compreendido.
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Aluno(a) : Daniel Lomba Fonseca
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/17/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
A migração, induzida por cisalhamento, de partículas em suspensão tem sido o objeto de diversos estudos no passado, e alguns modelos já foram propostos a fim de prevê-la. A migração de gotas em emulsões, contudo, apresenta uma série de especificidades, especialmente nos casos em que fenômenos de floculação e coalescência estão presentes. Emulsões de água-em-óleo com surfactantes não-iônicos, tal qual o Span 80, tendem a formar agregados de gotas quando se encontram sob cisalhamento, e esses agregados podem afetar o deslocamento de partículas em um campo cisalhante não-homogêneo. Testes em diferentes taxas de cisalhamento e intervalos de tempo foram realizados em uma geometria transparente do tipo placa-placa na intenção de avaliar macro- e microscopicamente os processos de floculação e migração de gotas de água em uma fase contínua de óleo. Estes experimentos apresentaram uma rápida e intensa migração radial de gotas rumo ao centro da placa em altas taxas de cisalhamento, e uma formação significativa de flocos em taxas de cisalhamento mais baixas. O tamanho médio e concentração de gotas foram determinados para diferentes posições da placa ao longo do tempo.
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Aluno(a) : João Pedro Aiex Naccache
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/03/2020
Local: por acesso remoto
Resumo:
Ao longo do tempo de vida de um poço de petróleo, a produção de óleo pode sofrer uma variação significativa. Sendo assim, esta que, anteriormente, era composta em sua maioria de petróleo pode acabar se tornando em uma mistura de água e óleo, gerando a ocorrência de emulsões no sistema. Contudo, a presença dessas emulsões torna-se um problema recorrente para a indústria de petróleo, uma vez que acarretam em um aumento de custos de transporte e processamento do óleo.
Sendo assim, a verificação da eficiência de separação primária de emulsões ocorre, normalmente, com a utilização de emulsões reais retiradas dos campos. Todavia, tais emulsões são fluidos que podem apresentar comportamentos tóxicos, voláteis e inflamáveis [1]. Somado a isso, a falta da confiabilidade necessária para a aferição da eficiência dessas tecnologias de separação uma vez que há uma extrema dificuldade de repetibilidade das emulsões sintetizadas a partir do óleo cru, induz à necessidade de utilização de fluidos modelos que possuam comportamento similares ao petróleo.
O objetivo geral deste trabalho é, sobretudo, aprofundar o estudo das emulsões de petróleo e desenvolver um método para a síntese de fluidos de trabalho com características reológicas, de formação e de estabilidade semelhantes às de óleos e emulsões reais encontrados no campo. Assim, para o desenvolvimento deste trabalho, óleos modelo com características macroscópicas similares a dois diferentes petróleos (A e B) foram sintetizados. Verificou-se que as emulsões modelo obtiveram um comportamento mais similar às emulsões formadas a partir o petróleo A. Contudo, tais sistemas apresentaram um comportamento de shear-thinning no regime semi diluído, devido, sobretudo, a diferenças qualitativas na estrutura dos agentes tensoativos das emulsões de petróleo e os surfactantes comerciais utilizados em emulsões modelo.
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Aluno(a) : Sergio Luiz Pinto Castineiras Filho
Orientador(a): Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/05/2020
Local: Sala 110L
Resumo:
O objetivo dessa dissertação é apresentar a simulação termodinâmica de uma planta de etanol derivado de cana-de-açúcar, abrangendo o sistema de cogeração e hidrólise enzimática aplicáveis ao bagaço, e associada a uma planta de cultivo de microalgas para produção de biodiesel de terceira geração, por rota de transesterificação. Adicionalmente, foram avaliados estatisticamente, por planejamento composto central 32, os efeitos de duas variáveis – designação de bagaço para hidrólise enzimática (x1) e de etanol para desidratação (x2) – sobre parâmetros de performance energéticos e ambientais. Em um cenário base similar à realidade brasileira – coordenadas (0, 50%) –, observou-se que a integração pode produzir uma quantidade de biodiesel (26,6 kg.t-1 de cana) equiparável, em termos energéticos, à oferta de etanol (62,2 kg.t-1 de cana) na saída da planta. Nesse cenário, a demanda energética da seção de microalgas-biodiesel demonstrou-se semelhante à da planta de etanol tradicional. Os modelos produzidos demonstram-se robustos e precisos (R2 superiores a 0,998). As avaliações estatísticas indicaram que x1 afeta quadraticamente as respostas, e x2 promove efeitos nulos ou brandos. Destaca-se valores de NER entre 0,763 e 0,904, próximos a 1, e valores de FER entre 4,33 e 10,88, acima do limite mínimo de 3 para se determinar o caráter renovável do sistema. As otimizações das respostas para identificação de coordenadas ótimas, segundo cada parâmetro de performance definido, foram realizadas, encontrando-se um valor ótimo para eficiência exergética global nas coordenadas (92 %, 0). Por fim, a associação das plantas de etanol e de biodiesel forneceu resultados promissores, com perspectivas interessantes para eficiências energéticas, conversão de energia fóssil em renovável, e incremento de eficiência exergética original da planta de etanol.
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Aluno(a) : Priscilla Sieira Chaves
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Florian Pradelle
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/22/2019
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Resumo: The structure of a mesophase pitch carbon fiber is largely developed during the fiber spinning process and is perfected in stabilization and carbonization steps. It is of critical importance to strictly control the extrusion parameters to form standard carbon fibers. Designs of experiments were employed in melt spinning under 17 conditions to investigate the influence of three process variables - screw velocity, spinning temperature and winding speed - on the diameter of petroleum-derived pitch filaments. Screw velocity was found to be the most significant factor to produce thinner fibers. Optimized conditions were validated in an experiment that produced a filament with average diameter of 14 µm, proving that design of experiments is a powerful tool to be used in carbon fibers production. The data collected on experiments were used to model the elongational flow that occurs during the fiber formation. Tensile strength at which the material can be subjected under extrusion without breaking was evaluated. The relation between the degree of orientation of the carbon layers parallel to the fiber axis and the diameter of the fibers was also analyzed. Despite the fact that the thickness of the fiber improved the axial alignment of molecules, there is a limiting diameter at which the diffusion of oxygen, needed to form stabilized fibers, do not occur. Only diameters smaller than 45 µm could be fully stabilised in air. Insufficient stabilization of the thicker filaments induced defects on their structure that reflected on their tensile strength and modulus. While thinner fibers reached strengths of 1000 MPa and 90 GPa modulus, thicker fibers have only supported 200 MPa with 17 GPa modulus.
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Aluno(a) : Alandmara Rosa Dionizio Leoncio
Orientador(a): Marcio Carvalho e Ranena Veronica Flores
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/19/2019
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Resumo: Stable oil-in-water (O/W) and water-in-oil (W/O) emulsions are created in different processes of oil production due to the presence of natural crude oil surfactants, such as asphaltenes, resins, oil-soluble organic acids, solids, and waxes. An interfacial film is formed causing chemical interactions between the surfactants and other species in the water phase. This work aims to study the formation and stability of emulsions stabilized by a fatty acid as natural surfactant, under ambient and high-pressure conditions, and their flow behavior through injectivity tests in sandstones. To this end, study of emulsion stability and interfacial rheology analysis were performed by evaluating the droplet size distribution and interfacial viscoelastic modulus as a function of the surfactant concentration, aqueous composition, and flow conditions. In the rheological tests, results showed that the presence of the fatty acid in the oil phase promoted a reduction in the oil-water interfacial tension and elastic modulus larger than the viscous modulus, evidencing important surface activity. All emulsions formed with an alkaline solution without salts were stable under ambient conditions. During emulsion injection in single-phase flow, water mobility control was observed through the reduction of the absolute permeability as a strong function of emulsion drop size distribution and capillary number.V
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Aluno(a) : Yago Chamoun Ferreira Soares
Orientador(a): Mônica Naccache e Ricardo Jorge E. Andrade
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/04/2019
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Resumo: Graphene is formed by a monolayer of cabon atoms linked together forming a hexagonal network. It has been extensively studied by researchers and attracted investment from various sectors of the economy, because it presents excellent mechanical, thermal, electrical and optical properties. The present work has as main objective the rheological characterization of the suspensions of graphene oxide (GO) dispersed in poly(ethylene) glycol (PEG 400), with different oxidation times (2 and 96 hours), through the use of rotational rheometry. Graphene oxide was obtained by Hummers method and characterized by various techniques. This method is based on the chemical exfoliation of graphite using strong acids such as sulfuric acid. Once the graphite oxide (GrO) is obtained, it is exfoliated in an ultrasonic bath in PEG to form the suspension with graphene oxide. The rheological characterization is fulfilled through measurements in steady shear flow, transient shear flow and oscillatory shear flow. The characterization of GO was performed using techniques such as: X-Ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Fourier Transform Infrared (FTIR), Atomic Force Microscopy (AFM) and Thermogravimetric Analysis (TGA). The results will serve as a basis for understanding the interaction between the GO and the polymer, and the rheological behavior of GO-based polymer nanofluids.
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Aluno(a) : Raphael Chalhub Oliveira Spinelli Ribeiro
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/23/2019
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Resumo: Thanks to decay of new discoveries of oil and gas reserves in the past decades, oil companies have a growing interest in the increase of oil recovery efficiency. Commonly, after primary and secondary recovery phases, a large amount of oil remains inside the reservoir, as it becomes unprofitable to continue the extraction. Thus, the number of studies focused on enhanced oil recovery is growing, aiming to obtain a better recovery fraction. The focus of this work is to study the fundamentals of oil displacement in porous media using a confocal laser scanning microscope, which enables 3D visualization with a good resolution. The analysis is focused on oil displacement that results from the use of a suspension of gellan gum microcapsules in water injected after water injection. These microcapsules, moving along with the water, blocked some of the preferential paths and forced the water to displaces parcels of the trapped oil. The result achieved was a collection of 3D images from artificial porous media, in which it was possible to distinguish the distribution of phases (microcapsules, oil, and aqueous phases) inside the porous media, before and after the microcapsules injection. These images showed that indeed the gellan gum microcapsules blocked preferential water paths and that, after the blockage, some oil ganglia were displaced from their original positions. This thesis applies modern techniques of microscopy to investigate the concept behind enhanced oil recovery using microcapsules.
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Aluno(a) : Alain Prais Neviere Coimbra
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/19/2019
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Resumo: Lean premixed turbulent swirling flames are found in many engineering systems, such as gas turbines and jet engines. This work aims to numerically study flame regimes, representative of such systems, stabilized in a laboratory scale burner. The state of the art of the numerical studies concerning these types of flames is reviewed, with respect to Reynolds-Averaged Navier- Stokes and Large Eddy Simulations. A turbulent, isothermal flow study is performed within the radial swirler and the combustion chamber. The impact of different turbulence models, mesh refinement levels and boundary conditions on the swirl number and overall flow structure is investigated. The results show that the three tested turbulence models yield similar results, with respect to the obtained flow field, whereas the mesh refinement level and slip wall boundary condition alter the swirl number significantly. Using Reynolds-Averaged Navier-Stokes transport equations, closed by the realizable k − epsilon model, coupled with a two-equation premixed combustion model for methane/air mixtures, two stable combustion regimes are analyzed. These regimes correspond to the Outer Recirculation Zone flame (M-flame) and an unstable regime, which occurs at the transition between the V-flame and tornado-flame. The flow structure is characterized in terms of velocity fields, turbulence and combustion properties. A reaction progress variable comparison is also performed, using existing experimental results, yielding qualitatively similar results for both studied regimes
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Aluno(a) : Paulo Roberto de Castro Mendes Jr
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/15/2019
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Resumo: Several processes present free surfaces flows. Some of those processes go beyond engineering problems, including everyday issues like raindrops falling from the sky, water flowing down the river or through a faucet. In industry, we can cite extrusion flow and the coating process as two processes that are strongly affected by the behavior of the interface. The most commonly used free interface model was developed in the 19th century and describes as isotropic the behavior of interfaces and dependent on a single parameter called interfacial tension. Since then, advances in the area of interfacial rheology have been showing that the interfacial phenomena are more complex and accurate of more information to be modeled. In this line of thinking, this work suggests a further elaborate model to describe the interfacial behavior and analyzes the impact of this hypothesis in the two industrial processes mentioned above.
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Aluno(a) : Rodrigo dos Santos Navarro de Mesquita
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/12/2019
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Resumo: O estudo do escoamento intermitente de gás e líquido é de enorme relevân- cia. Devido a sua vasta ocorrência em diversos problemas industriais, como na indústria do petróleo, em escoamentos de água e vapor em trocadores de calor e em sistemas de refrigeração de usinas nucleares, diversos estudos experimentais e numéricos buscam obter um conhecimento mais profundo deste complexo fenômeno. Devido a esta complexidade, se fazem necessário experimentos detalhados de maneira a dar suporte aos modelos matemáticos desenvolvidos. O presente trabalho descreve um estudo experimental de um escoamento turbulento gás-líquido no regime intermitente para tubo hori- zontal. As técnicas de velocimetria por imagem de partícula estereoscópica de alta frequência (SPIV ) e fluorescência induzida por laser (LIF ) foram us- adas para medir todos os três componentes do vetor de velocidade em difer- entes seções do tubo, referenciadas pelo nariz da bolha de gás. A seção de testes consistiu de uma tubulação de acrílico com diâmetro interno de 40mm e 17, 7m de comprimento. Os fluidos de trabalho utilizados foram água e ar, com velocidades superficiais de jL = 0, 3, 0, 4 e 0, 5m/s e jtt = 0, 5m/s que formaram o padrão de escoamento intermitente. Um sistema de sensores fo- tossensíveis foi utilizado para medir a velocidade de translação da bolha de gás, além de acionar o sistema SPIV. Desta forma, foi possível determinar os campos médios das três componentes de velocidade da fase líquida do escoamento turbulento gás-líquido em regiões de interesse na vizinhança da bolha alongada. Os dados obtidos revelaram a influência das bolhas de gás de maior velocidade, na dinâmica do campo de velocidade do líquido. Tais dados contém informações valiosas que contribuem não apenas para uma melhor compreensão da física que rege o escoamento, mas também como forma de validação e aprimoramento de modelos numéricos.
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Aluno(a) : Gabriela de Castro Almeida
Orientador(a): Angela Nieckele e Bruno Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/21/2019
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Resumo: Arterial aneurysmal is defined as an excessive dilation of the normal diameter of an artery. Ascending aortic aneurysm is generally asymptomatic, so it is often accidentally identified during routine imaging examinations. After the aneurysm has been identified, if there is no surgical indication, the patient should be followed adequately, since arterial rupture can be fatal. The influence of blood flow on aortic remodeling is an important area of investigation. The aim of this study is to identify hemodynamic patterns in ascending aortic aneurysms that may be related to aneurysm enlargement. Each patient in the study was evaluated at two different times. A three-dimensional model of the ascending aortic aneurysm was generated for each patient from aortic angiotomography examinations. The flow field was numerically determined with a commercial software. It has been shown that the angle between the entrance of the main flow and the brachiocephalic trunk can induce an incident jet on the aortic wall, causing areas of recirculation in the posterior region of the jet, besides high values of pressure and wall shear stress. The present hemodynamics findings may be related to remodeling of the ascending aortic.
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Aluno(a) : Fernando Bastos Fernandes
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/03/2018
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Resumo: Reservatórios não-convencionais possuem elevado grau de anisotropia devido à presença de fraturas naturais (NFs) e também da orientação dos beddings. Com isso as fraturas induzidas hidraulicamente (HFs) interagem com as fraturas naturais e geram uma rede de fraturas com morfologia complexa. A existência de NFs modifica o campo de tensões no shale e influencia diretamente o comportamento geomecânico das HFs durante a operação de fraturamento, gerando ramificações na fratura dominante e contribuindo para a formação da rede complexa de fraturas. A construção de uma rede de fraturas aumenta significativamente a condutividade da formação, pois conecta fraturas e poros que anteriormente encontravam-se isolados, incrementando assim o índice de produtividade dos poços e proporcionando maior viabilidade econômica nos projetos em reservatórios de shale gas/oil. Este trabalho apresenta uma análise de sensibilidade da influência do espaçamento entre fraturamentos na construção da rede de fraturas complexas gerada em shales, visando entender como este parâmetro modifica o volume de reservatório estimulado e a distribuição de propante na rede de fraturas, de maneira a evitar problemas nesta fase do projeto e assim, manter a sustentação da rede economicamente viável. A revisao de literatura contempla os principais trabalhos publicados sobre este tema e os modelos não-convencionais de fraturas (UFM) usados para a modelagem da rede de fraturas complexas. A análise de sensibilidade será realizada por meio do software MShale, que usa o método de rede de fraturas discretas (DFN) e resolve numericamente as equações de equilíbrio e da poroelasticidade para shales, em termos de tensões efetivas, além das equações de conservação de massa e momento linear para escoamento lento (creeping flow). Para a análise, os demais parâmetros que influenciam na contrução da rede serão mantidos constantes e somente o espaçamento sofrerá variação
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Aluno(a) : Gabriel Barrocas de Oliveira Cruz
Orientador(a): Igor Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/03/2018
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Resumo: The efficiency of water flooding, the most common secondary recovery method in the oil industry, is limited by its non-uniform sweep pattern, originating from the formation of preferential paths because of the high mobility ratio between water and oil, and the high residual oil saturation, associated with capillary oil trapping. In order to improve oil recovery, different approaches have been suggested in the literature, with some of them based pore blocking and consequent water diversion, thus sweeping a bigger area of the reservoir and displacing more of the trapped oil. Pore blockage can be performed with different methods, one of which is emulsion flooding, with the disperse phase, composed by oil drops, acting as the agent responsible for the decreased water phase mobility. In this work, the fundamental mechanisms of emulsion flooding process was studied experimentally, by visualizing the pore-scale flow in a glass microfluidic device composed of a network of constricted channels, that models the main features of a porous media. The results show the effect of drop size and capillary number on the flow pattern, trapped oil ganglia size and residual oil recovery.
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Aluno(a) : Omar Elias Horna Pinedo
Orientador(a): Igor de Paula
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/03/2018
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Resumo: O trabalho consiste no projeto, construção e qualificação de um aparato experimental para o estudo de bolhas de separação laminar sobre uma placa plana. A previsão do comportamento das bolhas de separação é importante para o projeto de aeronaves, turbinas e geradores eólicos, pois o desprendimento dessas bolhas tem grande impacto na performance de aerofólios. A dinâmica dessas bolhas não é bem compreendida, além de ser difícil de ser capturada por simulações numéricas que utilizam modelagem da turbulência. Por isso, ensaios experimentais são muito utilizados para a calibração dos modelos utilizados em simulações de engenharia. Neste trabalho, foram criados equipamentos para simular experimentalmente de bolhas de separação laminar sobre uma placa plana. Os dispositivos foram projetados para o canal de água do Laboratório de Engenharia de Fluidos. O gradiente de pressão necessário para induzir a separação da camada limite e consequente formação da bolha foi ajustado com uma parede falsa, de modo a criar um canal convergente-divergente com a placa plana. Foi projetado um mecanismo de sucção da camada limite na parede falsa, para a evitar a separação do escoamento nessa superfície. A localização e as vazões de cada ponto de sução foram determinadas com o auxílio de simulações numéricas. Também foi projetado e testado um sistema de sopro e sucção para a excitação de ondas de instabilidade, do tipo Tollmien-Schlichting, na camada limite da placa plana. O funcionamento de cada dispositivo foi avaliado através da medição da velocidade do escoamento. Para isso, foram empregadas técnicas de medição por velocimetria a laser Doppler e de velocimetria por imagem de partículas. Os resultados obtidos validam o projeto e qualificam o aparato para o estudo de bolhas de separação.
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Aluno(a) : Suzane Pereira dos Santos Nascimento
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/25/2018
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Resumo: Entender o processo de produção de fuligem é crucial para o projeto de novos queimadores, como os de fornos industriais. Estes queimadores, que utilizam processos de combustão turbulenta, dependem de transferência de calor via radiação das partículas de fuligem para as paredes do forno para seu bom funcionamento. A fuligem formada na região de radiação deve ser oxidada para evitar problemas de saúde e meio ambiente. Mesmo tendo havido significativo progresso no decorrer das duas últimas décadas em relação às chamas laminares, a interação entre a turbulência e a produção de fuligem ainda é um problema em aberto. Este trabalho apresenta resultados experimentais recentes da distribuição instantânea e média da distribuição de fuligem em chamas turbulentas de etileno/ar não pré-misturadas estabilizadas em um queimador do tipo blu -body. A intensidade de turbulência na região de esteira deste queimador é muito alta, levando a uma presença de fuligem intermitente e a estruturas de fuligem altamente distorcidas. A distribuição de fuligem é medida usando incandescência induzida por laser (LII), com uma excitação em 266 nm a 10 Hz e fluência de 0,8 J/cm2 e medição em 400 nm por uma câmera intensificada. Os resultados da técnica LII são comparados à técnica clássica de extinção da luz. Resultados da distribuição de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos também são apresentados. Os resultados obtidos permitem caracterizar a distribuição da função de densidade de probabilidade de fuligem. Nas situações de escoamento onde a turbulência da esteira é controlada pelo escoamento de ar, demonstra-se que a PDF da fração volumétrica de fuligem corresponde a uma distribuição lognormal.
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Aluno(a) : Luiz Fernando Bermero Nardi
Orientador(a): Igor de Paula
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/19/2018
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Resumo: Vibrações induzidas por escoamento tem apresentado cada vez mais importância na indústria do petróleo, devido a número de Reynolds cada vez maiores no interior de poços. Apesar de ser inofensiva à maior parte das estruturas presentes em poços, a exposição prolongada a fenômenos de vibração pode causar o desgaste de micro-componentes da coluna de produção, principalmente, se somados aos ciclos de temperatura e pressão que agem naturalmente sobre a tubulação.Apesar de o escoamento em dutos ter sido extensivamente investigado, pouco foi produzido para escoamentos anulares de alta vazão, em especial, no que diz respeito a fenômenos de turbulência e vibração. Este estudo pretende investigar os vórtices formados em geometrias básicas de injeção em espaço anular, bem como as implicações de tais vórtices na vibração das estruturas. O método escolhido foi a velocimetria por imagem de partículas (PIV), seguida por Decomposição Ortogonal Própria (POD), para identificar eventos turbulentos dominantes.A geometria escolhida foi inédita, em toda a literatura estudada, portanto, para fins de comparação, foram estudadas geometrias semelhantes, principalmente a do jato incidente sobre superfície côncava.Jatos incidentes tem ampla aplicação, na indústria. Eles aumentam consideravelmente a transferência de calor e massa numa superfície. Entre as mais comuns aplicações estão o resfriamento de circuitos eletrônicos, câmaras de combustão e altos-fornos.Os jatos também podem ser encontrados na indústria da energia, em poços de injeção de água ou gás. Nesses poços, altas vazões são lançadas contra as paredes da tubulação, através de pequenos orifícios de válvulas de controle de fluxo. Durante essa injeção, algumas complicações podem surgir, devido ao fenômeno da vibração induzida por escoamento.Em poços injetores, é comum a ocorrência de altos números de Reynolds, muitas vezes da ordem de 10 ^6, sendo essa condição muito difícil de ser reproduzida em túnel de vento.Os jatos incidentes podem ser divididos em quatro regiões: camada de cisalhamento livre, esteira turbilhonar, região de estagnação e, finalmente, jato de parede. Também é possível definir o núcleo potencial, como a região onde a velocidade do jato cai até 95% do valor a montante.Em 1999, Cornaro et al. Visualizou um jato incidente em diversos tipos de anteparo, inclusive superfícies côncavas e convexas, através de visualização com fumaça. Foram usados altos valores de curvatura relativa (até d/D = 0,38). A autora demonstrou que, caso a distância entre jato e parede fique abaixo do comprimento do núcleo potencial, serão formados vórtices coerentes junto às superfícies curvas. Porém, para grandes distâncias, assim como para alguns valores críticos de L/D, ocorrerão fortes oscilações do ponto de estagnação. L/D é a distância adimensional entre jato e parede.Outra contribuição importante na caracterização desses jatos foi feita por Hashiebaf, em 2015. Ele mediu jatos incidentes sobre superfícies côncavas. Diversos perfis de velocidade foram obtidos e mostraram-se muito semelhantes aos perfis do jato livre, exceto na região de parede, onde se observa queda abrupta na velocidade. O autor também conseguiu descrever as estruturas turbulentas notáveis ao redor do jato.Para a análise de transferência de calor, valem ser mencionadas as contribuições de Choi (2001) e Kayansayan (2001), que conseguiram observar o segundo pico do número de Nusselt na parede, provavelmente associado com a maior turbulência dessa região, se comparado ao ponto de estagnação.
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Aluno(a) : Felipe Warwar Murad
Orientador(a): Angela Nieckele e Luiz Eduardo Sampaio
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/24/2018
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Resumo: The most popular models to solve turbulent flows are based on the Reynolds Average Navier Stokes approach (RANS), which needs closure equations to relate the Reynolds stress tensor to the mean kinematic tensors. The classical approach is the Boussinesq approximation that assumes a linear relation between the deviatoric part of the Reynolds stress tensor, and the rate of strain tensor. Previous works have shown, that the non-linear dependence on the rate of strain tensor can improve the model predictions. At the present work, first an evaluation of linear models available in the literature is performed, followed by the analysis of three higher order methods, that expands the tensorial basis to include other objective orthogonal tensors. Two different normalizations, one with the turbulent kinetic energy and dissipation rate and the other one with turbulent kinetic energy and the intensity of the rate of strain, had also been proposed for the models. The performance of the new models is assessed by comparing their numerical predictions to available channel flow and for a broad range of Reynolds Numbers. All models are implemented in the open source platform OpenFoam. Reasonable predictions of the Reynolds shear component of all models were obtained when compared with the DNS data. However, the non-linear models proved superior in the prediction of the other components. It was also observed that the model which depends non-linearly with the rate of strain and linearly with the non-persistence of strain was the one that best represented the DNS data field.
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Aluno(a) : Igor Szczerb
Orientador(a): José A. Parise e Paul Ortega Sotomayor
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/09/2018
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Resumo: O presente trabalho disserta sobre a simulação numérica de uma sistema de refrigeração por compressão de vapor, operando com uma mistura de fluido refrigerante (R134a) e nanolubrificante. Este último é composto por óleo POE como fluido base contendo nanopartículas de TiO2 em suspensão. Para levar em conta a variação local do coeficiente de troca de calor no lado do refrigerante, os trocadores de calor, condensador e evaporador, foram divididos em volumes de controle para os quais foram aplicadas as equações fundamentais de conservação de energia e de transferência de calor (método da efetividade). Um modelo semi-empírico foi empregado para modelar o compressor. O sistema resultante, de equações algébricas não lineares, foi implementado na plataforma EES, tendo-se desenvolvido um algoritmo próprio para a solução numérica. O modelo foi verificado contra dados experimentais disponíveis na literatura obtendo-se boa concordância com os resultados fornecidos. Os dados experimentais disponíveis levaram em conta a influência das variações de temperatura de condensação e evaporação, e da concentração de nanopartículas no óleo lubrificante. O programa foi utilizado para uma análise paramétrica estudando-se os efeitos da concentração de nanoparticula no desempenho do sistema.
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Aluno(a) : Marisa Schmidt Bazzi
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/11/2018
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Resumo: Thin free liquid sheets are ubiquitous in many industrial processes, such as atomization and curtain coating. Liquid sheets are susceptible to instabilities at the interface, which can grow, triggering a breakup process. This process can be divided into two different stages: the rupture stage and retraction. The first, driven by van der Waals force, occurs when a small instability grows until it pinches-off the sheet. The second, driven by capillary forces, induces the growth of the hole caused by the pinch-off, leading to the full disintegration of the liquid sheet. The stability of a liquid sheet depends on disturbance characteristics, sheet thickness, and fluid properties. Experimental analyses have shown that thinner stable liquid curtain can be obtained with viscoelastic liquids. The underlyning physical mechanisms associated with increased stability are, however, not fully understood. This work presents a theoretical and numerical analysis of the effect of viscoelasticity on the stability of a thin liquid sheet during both stages of the breakup process. We first analyze the rupture dynamics, deriving linear stability criteria for both planar and axisymmetric perturbations of Newtonian and Oldroyd-B liquids. The time evolution of planar and axisymmetric perturbations in an Oldroyd-B liquid sheet is evaluated using the asymptotic expansion of the flow variables and a fully-implicit time integration scheme. The rupture time and retraction velocity are calculated as a function of the viscoelastic properties. The results show that the liquid rheological behavior does not influence the linear stability criterion. Nevertheless, it has a strong effect on the growth rate of the disturbance and retraction velocity, increasing, thus, the breakup time. The results show that elastic forces act to hinder the rupture and retraction stages. Analysis of the temporal evolution of the thickness profile reveals that liquid rheological behavior also affects the shape of the liquid sheet. For low viscosity regime, the elastic forces damp the capillary waves that arise during the retraction of Newtonian sheets.
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Aluno(a) : Elias da Conceição Rodrigues
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/06/2018
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Resumo: A performance de protocolos reológicos geralmente empregados na caracterização reológica de pastas de cimento é investigada. Para este fim duas pastas de cimento foram utilizadas, Pasta A e Pasta B. O procedimento API (American Petroleum Institute), tal qual sua modificação é estudada. Curvas de escoamento são determinadas com o auxílio de um reômetro rotacional através de três diferentes métodos (ramp up/ramp down, ramp down e viscosidade mínima). O procedimento API gerou curvasde escoamento que superestimaram (Pasta A) ou subestimaram (Pasta B) a viscosidade dentro da faixa de cisalhamento estudada. Os desvios tornam-se particularmente maiores em baixas taxas, e para Pasta B, por causa de efeitos tixotrópicos, o regime permanente não é atingido. A modificação do protocolo API investigada resultou em curvas de escoamento similares ao método de viscosidade mínima.Um novo modelo constitutivo fenomenológico irreversível é proposto para descrição reológica de pastas de cimento (voltadas para poços de petróleo) sob escoamento de cisalhamento simples. Para esse objetivo uma série de experimentos foram realizados, como taxa de deformação constante, construção e destruição da microestrutura. O modelo proposto utiliza a própria fluidez, recíproca da viscosidade, para descrever a evolução da estrutura da pasta. O efeito macroscópico do fenômeno de hidratação na reologia é introduzido por meio de uma função exponencial para tensão limite de escoamento. Todos os dez parâmetros necessários no modelo são experimentalmente obtíveis. Os resultados mostraram boa concordância entre os dados experimentais e a modelagem, embora pequenas diferenças tenha sido observadas para taxas de deformação abaixo de 7,1 s 1.
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Aluno(a) : Leandro Andrade Furtado
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Vieira G. Ribeiro
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/28/2018
Local:
Resumo: O crescimento da demanda por energia elétrica e investimentos governamentais em fontes renováveis incentivam produtores do setor sucroenergético no país a buscar melhorias nos processos de suas usinas. Através do aumento da produção de vapor nas caldeiras de biomassa, que operam com ciclos Rankine, é possível gerar energia elétrica excedente para comercialização. O Brasil, um dos maiores produtores de cana-de-açúcar do mundo, gera resíduos derivados da cana com alto potencial energético. Os ciclos termodinâmicos híbridos têm sido utilizados em várias usinas de biomassa no exterior utilizando como combustíveis o gás natural e resíduos sólidos urbano (waste-to-energy). Como mostrado por diferentes autores, é possível através destes ciclos, melhorar a eficiência térmica destas usinas utilizando gases quentes da exaustão de uma turbina a gás operando com gás natural. A desvantagem é que o percentual de participação do gás natural de alguns ciclos híbridos pode ser alto, tornando estes projetos economicamente inviáveis. Neste trabalho será aplicado um ciclo híbrido adaptado para usinas de cana-de-açúcar brasileiras que queimam o bagaço em caldeiras de biomassa com reaquecimento externo. Os benefícios destes ciclos termodinâmicos incluem a melhoria de eficiência da planta, acarretando na maior geração de energia elétrica e aumento da quantidade de vapor de processo produzido para a mesma quantidade de bagaço queimado originalmente. Além da melhoria da eficiência térmica, o ciclo tem como uma de suas principais vantagens o fato de não depender de grandes quantidades de gás natural, reduzindo a possibilidade de prejuízos caso haja aumento do seu preço. Por último será mostrado que embora haja a queima deste combustível fóssil é possível reduzir as emissões de CO2/KWh devido ao seu baixo consumo na usina aliado a elevada geração de energia elétrica.
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Aluno(a) : Filipe Teixeira de Freitas e Silva
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/27/2018
Local:
Resumo: No presente trabalho foi realizada a construção, montagem, revisão de projeto e avaliação experimental preliminar de um novo motor a combustão interna rotativo por ignição por centelha, que pode ser classificado como “cat-and-mouse engine” ou “Twin-Rotor Piston Engine”. Nesse motor, dois pares de deslocadores são montados sobre dois rotores, que giram em velocidade variável em dentro de uma câmara cilindrica, de forma a conferir uma variação da posição angular relativa entre deslocadores e, assim, formar quatro câmaras de volumes variáveis com o tempo, a fim de se realizar processos termodinâmicos equivalentes aos de um motor alternativo de quatro tempos. Esse motor destaca-se por possuir um sistema inovador que permite a mudança do movimento dos rotores e deslocadores, de forma a aumentar o volume deslocado e a taxa de compressão das câmaras onde ocorrem os processos termodinâmicos. Tal dispositivo permite alterar e otimizar a taxa de compressão para diferentes combustíveis. Os componentes do motor foram usinados de acordo com o projeto e o protótipo foi montado, revisado e ajustado, de forma a garantir a operacionalidade do equipamento. Posteriormente, o motor foi montado em uma bancada para se efetuar testes preliminares de acionamento externo, afim de se medir vazão volumétrica, potência fornecida e pressão de compressão no ponto morto superior em função da velocidade angular. A revisão bibliográfica do trabalho contém definições úteis na classificação de motores rotativos, além de discutir suas especificidades características.
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Aluno(a) : Bruno Pereira de Macedo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/27/2017
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Resumo:
O processo de impressão por rotogravura é largamente usado na manufatura de revistas pela sua alta velocidade de aplicação. As aplicações deste processo vêm sendo ampliadas para o processo de impressão de circuitos eletrônicos em substra-tos flexíveis, onde o grau de precisão e controle são bem maiores, já que falhas na impressão levam ao mal funcionamento dos dispositivos fabricados. O processo consiste na transferência de fluido de uma superfície a outra formando uma ponte de fluido. No entanto, essa operação aparentemente simples apresenta mecanismos ainda não bem compreendidos que têm efeito direto na precisão do padrão impres-so. O entendimento dos mecanismos de transferência de fluidos entre duas super-fícies formando pontes de fluido vai além dos processos de impressão, como tribo-logia, biologia, recuperação de óleo e microfluídica. Muitos estudos têm sido dire-cionados para o entendimento da transferência de fluidos entre superfícies e cavi-dades através do uso de simulação computacional; entretanto os ensaios experi-mentais são escassos dada a complexidade na execução dos mesmos, principal-mente pela pequena dimensão e alta velocidade do escoamento. O objetivo princi-pal deste trabalho é analisar experimentalmente a dinâmica da transferência de uma gota para um cilindro de borracha em movimento rotacional. O ensaio expe-rimental foi realizado utilizando uma mesa de cobrimento com cilindro motorizado e uma câmera de alta velocidade para visualizar o processo. Os resultados mostram como as propriedades dos fluidos, o número de capilaridade, a posição relativa do cilindro com relação à superfície da gota e a interação fluido-estrutura (molhabili-dade) influenciam o processo de formação da ponte de fluido, o volume de fluido transferido entre as superfícies e o padrão impresso.
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Aluno(a) : Guilherme Cunha Maia Nobre
Orientador(a): José A Parise e Paul Ortega e Enio Pedone
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/29/2017
Local:
Resumo:
O uso de nanofluidos na área de Termociências tem sido de grande interesse tendo em vista possibilitar uma melhora significativa na capacidade de transferência de calor em máquinas térmicas. Isto se deve à presença de partículas em suspensão com diâmetros menores que 100 nm que são misturadas a fluidos convencionais. Parâmetros como viscosidade e condutividade térmica são fatores determinantes no desempenho desses materiais como fluidos térmicos em diferentes aplicações. O presente trabalho teve como objetivo a realização de ensaios experimentais para determinação da viscosidade dinâmica (µ) e da tensão cisalhante ( ) de três nanofluidos com diferentes composições, sob condições de temperatura controlada (faixa de -15 oC a 30 oC). Dois parâmetros adicionais - taxa de cisalhamento, taxa de rotação (N) - foram condicionantes nos ensaios. A montagem da bancada experimental foi realizada a partir do acoplamento de um viscosímetro rotativo com um banho termostático. As curvas obtidas mostraram decréscimo da viscosidade absoluta (µ) com a temperatura para os nanofluidos, e um incremento com a concentração de partículas, em relação aos seus fluidos base. Houve também incremento da viscosidade relativa ( ), sobretudo para temperaturas mais elevadas. Os nanofluidos apresentaram comportamento, em geral, de fluidos não newtonianos, mas com tendências a newtonianos para altas taxas de cisalhamento com temperaturas mais baixas. Correlações entre viscosidade com temperatura e com taxa de cisalhamento foram construídas seguindo funções exponenciais decrescentes e de potência, respectivamente. Os resultados obtidos neste trabalho acrescentam conhecimento à literatura científica sobre a viscosidade e o comportamento reólógico de nanofluidos a baixas temperaturas
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Aluno(a) : Felipe Magarão Costa
Orientador(a): José A Parise e Paul Ortega
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/20/2017
Local: Sala do 6ºandar
Resumo:
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um programa de simulação computacional, escrito na linguagem FORTRAN, para avaliar o desempenho de trocadores de calor de placas corrugadas (PHE) com mudança de fase, operando como evaporador e como condensador cascata (trocador intermediario de um sistema de refrigeração cascata). Um modelo matemático baseado nos principios fundamentais de conservação foi desenvolvido para esta aplicação. Cada trocador foi dividido em volumes de controle, para avaliar as propriedades termodinâmicas e de transporte especificas para cada elemento. A modelagem leva em conta a variação local dos coeficientes de troca termica nas zonas bifásicas. Correlações apropriadas foram selecionadas para cada condição especifica de troca térmica: escoamento monofásico, com evaporação e condensação. A modelagem foi validada pela comparação com dados experimentais publicados na literatura internacional. Verificou-se boa concordância nos resultados. Os dados experimentais abrangem fluxos térmicos na faixa de 1,80 kW/m² até 18,5 kW/m², placas corrugadas com ângulos variando entre 30° e 60° e fluidos como R134a, R22, CO2, água e o nanofluido SWCNT-água. Adicionalmente foi realizada uma análise paramétrica, estudando-se o efeito da concentração volumétrica de nanopartículas ( =0.223 %vol., =0.035 %vol., =0.053 %vol.) no desempenho dos trocadores de calor. Também foram testados outros fluidos refrigerantes, como a mistura não azeotrópica de baixo potencial de aquecimento global: R444B. É de se destacar que o número de artigos relativos à modelagem de condensadores cascata e/ou evaporadores operando com nanofluidos SWCNT-água é limitada, destacando, assim, a contribuição original do presente trabalho.
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Aluno(a) : Guilherme dos Santos Vieira Lima
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/18/2017
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Resumo:
A deposição de parafinas em dutos traduz-se em perdas econômicas relevantes para a indústria. Dentre as formas de mitigação do fenômeno, encontram-se os inibidores de parafina, produtos químicos injetados continuamente e em baixas concentrações, cujo objetivo é eliminar ou reduzir a deposição. Tradicionalmente, a eficiência de inibição destes produtos para uma dada amostra de petróleo é avaliada em laboratório em equipamento denominado dedo-frio. No entanto, não há uma padronização para o projeto e uso destes equipamentos e procedimentos experimentais de teste. Também, ainda não há consenso entre fabricantes dos inibidores e operadoras de petróleo sobre a correlação entre a eficiência de inibição apresentada nos testes de dedo frio e aquela observada no campo. O presente trabalho teve como objetivo comparar resultados de deposição de parafina obtidos em dedo frio do tipo dinâmico com aqueles obtidos em duto circular em loop de teste, utilizando solução de teste com propriedades controladas, com e sem a presença de inibidor de parafina.
No dedo-frio do tipo dinâmico, um cilindro refrigerado imerso no óleo gira com velocidade angular constante, promovendo um escoamento do tipo Taylor-Couette, caracterizado por padrões de escoamento complexos e diferentes daqueles encontrados em dutos de transporte de petróleo. O trabalho teve como foco o estudo da influência de parâmetros hidrodinâmicos na deposição de parafinas, representados pelo número de Reynolds e tensão cisalhante adimensional sobre a superfície do depósito. Testes realizados com os fluidos modelo em regime laminar e turbulento mostraram boa correlação entre os resultados de inibição obtidos no dedo frio e no loop de teste, a despeito da diferença nos padrões de escoamento. Testes em regime turbulento resultaram em depósitos menores e menos porosos, tanto no dedo-frio quanto no loop. Foi também observada a redução da porosidade dos depósitos com a adição do inibidor, independentemente do tipo de equipamento e da condição operacional. Experimentos no dedo-frio com um segundo fluido, mais viscoso, foram conduzidos com o objetivo de avaliar a influência da viscosidade no processo de deposição, tendo como premissa a diminuição do coeficiente de difusão esperada para o fluido mais viscoso. Ao contrário do esperado, não foi observada variação sensível na deposição com a mudança da viscosidade do fluido. Efeitos positivos e negativos de inibição foram observados nos testes para o inibidor avaliado. Observou-se uma maior atuação do inibidor, seja positiva ou negativa, para experimentos em regime laminar. O presente estudo mostrou que o inibidor pode diminuir a massa total depositada aumentando, no entanto, a massa de parafina depositada.
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Aluno(a) : Ricardo Teixeira Leite
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/13/2017
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Resumo:
In this research, we developed a novel methodology to analyze materials in the linear and quasilinear oscillatory regimes (constant structure motions). It was shown that very few rheometric experiments are necessary. Furthermore, data analysis presented on this thesis is straightforward as raw data obtained from the rheometer requires simple data processing before being input into the equations that evaluate the material functions. This fact contrasts with most large amplitude oscillatory shear analysis methods since they aim to analyze structure-changing motions and this requires complex mathematical manipulation of data. At last, both experimental methodology and data analysis presented in this research are much simpler than the previous methodologies used to analyze materials in the QL-LAOS regime.
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Aluno(a) : Ricardo Teixeira Leite
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/13/2017
Local:
Resumo:
In this research, we developed a novel methodology to analyze materials in the linear and quasilinear oscillatory regimes (constant structure motions). It was shown that very few rheometric experiments are necessary. Furthermore, data analysis presented on this thesis is straightforward as raw data obtained from the rheometer requires simple data processing before being input into the equations that evaluate the material functions. This fact contrasts with most large amplitude oscillatory shear analysis methods since they aim to analyze structure-changing motions and this requires complex mathematical manipulation of data. At last, both experimental methodology and data analysis presented in this research are much simpler than the previous methodologies used to analyze materials in the QL-LAOS regime.
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Aluno(a) : Marcelo de Alencastro Pasqualette
Orientador(a): Angela Nieckele e Joao Neuenschwander
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/11/2017
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Resumo: The current depletion of traditional oil fields is increasing the demand for the production and transport of unconventional oils, which might possess a high dynamic viscosity. In this context, the study of the simultaneous flow of gas and viscous oils in pipelines is of paramount importance for the Oil & Gas industry. One-dimensional numerical simulations play a key role in such studies, especially the ones based on the 1D Two-Fluid Model, whose numerical solution in fine meshes consists in the Regime Capturing Methodology. The purpose of this work is to use this approach for reproducing the experimental data of isothermal slug and stratified wavy viscous oil-gas flows in a horizontal laboratory-scale pipe. For improving the results of the methodology, experimental data were used together with an optimization procedure and a simplified version of the 1D Two-Fluid Model for successfully creating two new expressions for the interfacial friction factor, which showed better efficiency than standard literature correlations. The effect of introducing a dynamic pressure, axial momentum diffusion and dynamic interfacial shear in the 1D Two-Fluid Model was examined. Results of pressure gradient and liquid holdup (Probability Density Functions, mean values and transient profiles) were compared against experimental data. It was seen, with the aid of well-posedness analyses, that the dynamic pressure and the new expressions for the interfacial shear stress provided satisfactory results.
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Aluno(a) : Phillype de Lima Massari
Orientador(a): Igor Braga e Maria Helena Farias
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/05/2017
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Resumo:
Este trabalho apresenta uma investigação experimental do escoamento induzido pela interação entre uma pluma de bolhas e um escoamento cruzado oscilatório. Condições de escoamento similares podem ser encontrados em processos de aeração artificial utilizados na mitigação da poluição nos rios e na representação de vazamento de gás natural no fundo dos oceanos. No presente trabalho, ondas superficiais controladas foram inseridas em um canal de água para gerar oscilações na corrente do escoamento cruzado. As ondas foram geradas a partir de uma placa móvel na superfície da água e determinadas condições de escoamento instável foram selecionadas para a investigação. O ar foi injetado pelo fundo do canal para formar a pluma de bolhas. A técnica Particle Image Velocimetry (PIV) foi empregada para medir a velocidade do escoamento. Antes da estimativa da velocidade, as imagens foram pré-processadas aplicando-se rotinas desenvolvidas no Matlab a fim de distinguir as partículas traçadoras das bolhas de ar e criar máscaras dinâmicas para as imagens do sistema PIV. Assim, o campo vetorial de velocidade foi estimado utilizando algoritmos padrão do PIV. Além disso, as propriedades das bolhas, como tamanho e velocidade, também foram estimadas a partir das imagens adquiridas. Finalmente, foi analisada a interação entre a pluma de bolhas com o escoamento cruzado instável.
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Aluno(a) : Victor Hugo Martins Matos Silva
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/04/2017
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Resumo:
O presente trabalho tem por objetivo analisar e comparar sistemas de trigeração (produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração) de diferentes arquiteturas com base nas eficiências energética e exergética e nas emissões de CO2. Sistemas de trigeração são considerados mais eficientes na conversão de energia, se comparados a sistemas convencionais, devido ao reaproveitamento do calor de rejeito do motor térmico para outros fins (aquecimento, acionamento de “chiller”, ou geração de eletricidade). Quatro configurações (com “chiller” de compressão de vapor, com “chiller” de absorção, com a combinação dos ciclos anteriores, e combinado com um ciclo Rankine orgânico) foram estudadas a partir de modelos matemáticos resultantes dos balanços de energia e de exergia, e do cálculo de emissão de CO2 considerando as demandas energéticas (eletricidade, aquecimento e refrigeração) como independentes do desempenho do sistema. Todas as arquiteturas de trigeração aqui analisadas apresentaram um “ponto ótimo” de operação, onde o calor de rejeito recuperado para aquecimento se iguala à respectiva demanda. Neste ponto, o fator de utilização de energia (indicador de desempenho pela 1ª Lei) e a eficiência exergética são máximos, e, a emissão de CO2 é mínima. A solução das equações resultantes mostrou também que a melhor arquitetura, do ponto de vista energético, exergético, ou ambiental, dependerá da combinação das demandas energéticas.
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Aluno(a) : Guillaume Louis Pradère
Orientador(a): José A. Parise e Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/04/2017
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Resumo: Este trabalho tem por objetivo principal a avaliação de desempenho de um sistema piloto de preaquecimento dos motores da central termelétrica Gera Maranhão, via energia solar térmica, em Miranda do Norte, Maranhão, através de uma simulação numérica. Cinco subsistemas independentes, cada um responsável pelo preaquecimento de um motor Wartsila 20V32 de 8.73 MW, foram construídos, somando um total de 500 coletores solares instalados e uma superfície de captação solar total de 1000 m2. Uma estação meteorológica com sensores de radiação solar global, difusa, direta e temperatura ambiente foi posicionada do lado dos sistemas para medir as condições ambientais na região. A simulação do desempenho do sistema solar foi efetuada ao longo de um ano com dados de radiação solar da estação meteorológica de Buriticupu, no Maranhão, mostrando terem se aproximado mais dos dados disponíveis de Miranda do Norte. Correlações para transformar a radiação global medida nessa cidade numa superfície horizontal para uma superfície inclinada foram selecionadas após uma revisão bibliográfica dentre as disponíveis na literatura. Diferentes cenários de controle do acionamento das bombas de água foram comparados a fim de determinar a melhor configuração de operação. A influência da temperatura de preaquecimento dos motores no desempenho do sistema solar foi avaliada também. Os resultados da simulação foram comparados com os resultados obtidos via o método F-CHART. Uma participação média anual da energia solar de 11.5% foi encontrada para o preaquecimento dos motores levando a uma redução de 24693 kg/ano de óleo combustível usado na caldeira do sistema de preaquecimento dos motores da usina termelétrica.
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Aluno(a) : Pollyana de Lima Massari
Orientador(a): Marco Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/28/2017
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Resumo:
A questão da poluição ambiental está ganhando cada vez mais importância. Por esse motivo, estudos relacionados a processos de dispersão de poluentes estão ganhando cada vez mais destaques. Como estudos em campo são mais custosos, os estudos realizados em laboratório, com modelos reduzidos, estão sendo mais aplicáveis, uma vez que permitem análises de problemas específicos. Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo exploratório em um túnel de vento do comportamento de uma pluma emitida por uma chaminé, que permita modificações nas condições de velocidade e temperatura da pluma. Para isso, foi realizada a reprodução da camada limite atmosférica, através do Método de Irwin, simulando um ambiente suburbano, em que o perfil de velocidades média foi medido com a técnica de Anemometria de Fio Quente. Foram realizados ensaios para três condições do escoamento principal e levantados os perfis de velocidade e intensidade turbulenta à jusante da chaminé. Foi realizado um estudo da inclinação da pluma, tanto pela influência da velocidade, quanto pela diferença de temperatura da pluma com o escoamento principal, que foi variada em 10 e 20°C. As análises de concentração foram possíveis através das imagens obtidas com a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas. Foram feitas análises do perfil de concentração a diferentes posições a sotavento da chaminé e o coeficiente de dispersão vertical ( z) obtido foi comparado com diversas literaturas conhecidas.
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Aluno(a) : Juliana Karla Paiva Alves
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/24/2017
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Resumo: O petróleo, por se tratar de uma mistura complexa de hidrocarbonetos, pode conter em sua composição compostos parafínicos que, quando submetidos a baixas temperaturas ao longo do escoamento, podem depositar na parede das tubulações dando origem a uma estrutura resistente e com aparência gelificada. O estudo do comportamento do petróleo nesta condição particular e crítica é de elevada importância para a indústria uma vez que, a depender das condições reológicas do fluido, o reinício da produção dos poços ou até mesmo o escoamento do petróleo através de dutos de transferência poderá demandar a adição de energia ao sistema através da instalação de bombas, cujos dimensionamentos são fundamentais e envolvem aspectos econômicos. Os valores de pressão de reinício de escoamento do petróleo gelificado encontrados a partir de testes em laboratório mostram com frequência uma diferença significativa em relação aos valores reais encontrados no campo. Com o intuito de se comparar a Tensão Limite de Escoamento e a tensão efetiva de escoamento, o presente trabalho simulou o processo de reinício de escoamento através de uma bancada experimental objetivando reproduzir o resfriamento estático sofrido pelo petróleo parafínico em um duto submarino. Além disso, são apresentados dois métodos para cálculo do encolhimento térmico sofrido durante o resfriamento e gelificação dos óleos parafínicos, objetivando verificar se existe uma relação entre o encolhimento sofrido pelo fluido e a diferença entre a Tensão Limite de Escoamento e a tensão efetiva para iniciar o seu escoamento em um duto. O primeiro método proposto é o método da Pipeta, que consiste na utilização de uma pipeta com precisão de 0,01 mL, acoplado a um recipiente com controle de temperatura, para medição do volume de líquido. Já o segundo método proposto é o método da célula PVT, que consiste na utilização de um sistema fechado de volume conhecido em que a medição da variação do volume de líquido é estimada pela variação do volume do gás à baixa pressão com a adoção da hipótese de gás ideal. Os fluidos selecionados para os estudos, visando representar o petróleo parafínico, foram fluidos sintetizados em laboratório com diferentes concentrações de parafina, óleo mineral e querosene, e foram caracterizados reologicamente através de testes de rampa de tensão e tensão constante para a determinação do valor de Tensão Limite de Escoamento. Os resultados mostraram que o encolhimento térmico é uma grandeza de difícil medição, o que lhe confere consequentemente um alto grau de incerteza, mas que é possível estimar ordem de grandeza do encolhimento térmico para os fluidos estudados
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Aluno(a) : Lucas Sales Pereira Bartolomeu
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/24/2017
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Resumo:
A injeção de soluções poliméácas tem sido utilizada em muitas aplicações para aumentar a viscosidade da fase aquosa e, por conseguinte, reduzir a elevada razão de mobilidade durante o deslocamento de óleo num meio poroso. Evidências expeámentais mostraram também que o comportamento viscoelástico de algumas soluções poliméácas pode contábuir para um melhor deslocamento do óleo na escala de poros, reduzindo assim, a saturação de óleo residual. Este comportamento na escala de poros não é claramente compreendido já que a modelagem de um fluxo viscoelástico de uma solução poliméáca em meiOS porosos é extremamente desafiadora. o comportamento do escoamento em escala macroscópica está diretamente associado com o fluxo extensional dominante através das gargantas e poros que fmmam o meio poroso. Muitos modelos têm sido desenvolvidos com o objetivo de descrever o efeito extensional observados no fluxo de soluções poliméácas de elevado peso molecular. O modelo desenvolvido neste trabalho baseia-se na relação entre a vazão e a queda pressão do escoamento de soluções poliméricas através de capilares com garganta que servem como um modelo simples da geometria das gargantas de poro. Um modelo de rede de capilares bidimensional foi desenvolvido para obter os parâmetros macroscópicos do escoamento a partir do entendimento do comportamento microscópico. No modelo monofásico, os resultados apresentam efeitos de diferentes parâmetros reológicos no comportamento macroscópico do escoamento. Para estudar o escoamento bifásico, um modelo de rede dinâmico foi desenvolvido. Os resultados obtidos fornecem uma descrição mais detalhada do processo de deslocamento de óleo pela fase aquosa.
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Aluno(a) : Carlo Cesar Drumond
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/16/2017
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Javier Aliaga Rivera
Orientador(a): Marco Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/17/2016
Local:
Resumo:
Na cidade do Rio de Janeiro, por motivos de caráter econômico e administrativo, o número de pontos de medida de uma rede de monitoramento de qualidade de ar é limitado e, acima de tudo, a disposição espacial deles pode não ter sido estudada cuidadosamente, podendo estar posicionada em um local pouco representativo. Por este motivo, para auxiliar as medidas de concentrações e saber a evolução das mesmas, nesta pesquisa se usou modelos baseados em dinâmica de fluidos computacional. A área do entorno da estação Tijuca foi escolhida como local de estudo e se investigou a dispersão dos poluentes; monóxido de carbono, dióxido de nitrogênio e dióxido de enxofre emitido por fontes veiculares, em condição atmosférica neutra, mais comum nos meses de inverno. Foi utilizado o pacote comercial Fluent versão 17.1 e as equações de transporte RANS foram fechadas com o modelo de turbulência k– clássico. Entre as tarefas mais importantes pode-se mencionar: sustentar uma camada limite atmosférica desenvolvida ao longo do domínio computacional, desenvolver as configurações apropriadas de condições de contorno, definir as constantes do modelo, a modificação das constantes da lei da parede e efetuar os testes da malha computacional baseada em critérios de convergência para um incremento da densidade da malha. O estudo permitiu analisar a influência da energia cinética turbulenta gerada pela movimentação dos veículos nas ruas sobre o comportamento da pluma, e determinar qual é o número de Schmidt turbulento que melhor se adapta ao modelo. Os resultados obtidos nas simulações foram comparados entre si e também com dados experimentais disponíveis do sensoriamento na estação de monitoramento Tijuca, observando-se boa concordância de dados.
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Aluno(a) : Bruna Costa Leopércio
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/12/2016
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Resumo:
Os processos de formação e de dissociação de hidratos são de grande interesse nas áreas ambiental e energética. Especificamente para a indústria de petróleo e gás, o hidrato aparece como um impecílio à garantia de escoamento, alavancando ainda mais a necessidade urgente de ampliar o conhecimento sobre os fenômenos envolvidos em sua formação. Neste trabalho, uma nova abordagem para observar e compreender a cinética e as propriedades mecânicas dos hidratos por meio da reologia interfacial é apresentada. O conhecido anel du Nouy é empregado com uma nova célula de latão projetada para permitir o necessário gerenciamento da temperatura de teste. Ciclopentano é utilizado como formador de hidrato. Com a nova geometria interfacial, diferentes temperaturas e protocolos de contato água/ciclopentano são explorados. A importância de primeiro provocar o contato do CP com cristais de gelo, a fim de iniciar a formação de hidrato (“efeito de memória”) é de particular interesse. Assim, time sweeps são realizados em duas etapas: uma para a formação de gelo e outra para os formação de hidrato. Foi determinado que os hidratos de ciclopentano são detectados em temperaturas Tf 6oC. Uma discussão a respeito do estado de metaestabilidade dos hidratos é, então, apresentada. Depois que os hidratos preenchem completamente a interface água/ciclopentano, strain sweeps são realizados para examinar a fragilidade dos filmes de hidrato, medindo os módulos interfaciais elástico e viscoso (G and G ). As propriedades mecânicas desses filmes demonstraram uma forte dependência da temperatura (Tf): o tempo de indução, medido a partir do primeiro contato do ciclopentano com gelo, (tc) bem como o módulo elástico (G ) e a deformação limite de escoamento ( y) aumentam conforme Tf aumenta.
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Aluno(a) : Rodrigo Bento Rebouças
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/17/2016
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O processo de revestimento de substratos é uma das principais etapas na manufatura de diversos produtos, tais como eletrônicos transparentes, fitas magnéticas e adesivos. Em sua grande maioria, os estudos disponíveis na literatura consideram que o líquido de revestimento é um fluido Newtoniano. No entanto, em grande parte das aplicações, este fluido é mais complexo, sendo composto por partículas dispersas em uma fase contínua. Nesse sentido, efeitos reológicos relacionados à presença das partículas no escoamento ainda não são bem estabelecidos. Por exemplo, variações nos valores locais de taxa de cisalhamento e concentração induzem à diferentes mecanismos de migração de partículas que, por sua vez, podem mudar os padrões do escoamento e a estrutura final do filme. Além disso, se o tamanho das partículas é pequeno o suficiente de modo que forças coloidais são relevantes, fenômenos locais como redução ou aumento de viscosidade podem ocorrer dependendo das contribuições macroscópicas do escoamento. Neste trabalho, as equações de conservação de massa, momento e transporte de partículas são consideradas juntas com um modelo de viscosidade sensível a variações locais tanto de concentração quanto da taxa de cisalhamento. Nesse sentido, o Modelo de Fluxo Difusivo é empregado com o intuito de capturar fluxos difusivos de partículas em casos nos quais interações irreversíveis entre partículas são relevantes. As equações de conservação são acopladas a um sistema de equações diferencias que descreve o mapeamento numérico entre o domínio físico e outro de referência, e são discretizadas usando o Método de Elementos Finitos com a formulação fraca de Galerkin. O sistema não-linear resultante é resolvido por meio do método de Newton associado à um robusto método LU de decomposição matricial. Os resultados mostram que o comportamento reológico de suspensões coloidais afeta a distribuição final de partículas no filme depositado e os limites de operação de um processo típico de revestimento de substrato por extrusão.
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Aluno(a) : Ivan Rosa de Siqueira
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/14/2016
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Resumo:
O revestimento de substratos por extrusão é um dos métodos mais utilizados para obter uma camada de líquido fina e uniforme sobre um substrato móvel. Dependendo da aplicação do produto final, o líquido utilizado no revestimento é uma suspensão de partículas, de modo que o filme apresente uma microestrutura adequada para sua funcionalidade. Contudo, a interação entre as partículas dispersas e o escoamento gera uma distribuição não uniforme na concentração e alinhamento da fase dispersa. O entendimento desse problema e seu impacto em processos de revestimento não são bem compreendidos. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho é estudar o processo de revestimento de substratos por extrusão com suspensões de partículas alongadas, investigando a distribuição e alinhamento das partículas no escoamento, especialmente na região do filme. A suspensão é composta por partículas elípticas dispersas em um solvente Newtoniano, e sua viscosidade é dada como uma função da concentração local e da razão de aspecto das partículas. A migração de partículas é descrita matematicamente pelo Modelo de Fluxo Difusivo, e sua orientação média é dada pela direção principal de um tensor conformação. A orientação média das partículas e o tensor conformação são utilizados para definir uma tensão viscosa anisotrópica adicional. A evolução do tensor conformação no escoamento e a equação constitutiva para a tensão adicional são adaptadas de modelos clássicos tipicamente utilizados para descrever o comportamento de suspensões de esferoides, cilindros e fibras, e de polímeros com moléculas rígidas. O modelo matemático completo é aplicado ao escoamento de revestimento por extrusão, e o sistema não linear resultante é resolvido utilizando uma variação do Método dos Elementos Finitos (DEVSS/G-SUPG FEM). Os resultados mostram que o filme formado no processo é altamente anisotrópico, apresentando uma distribuição não uniforme de concentração e alinhamento de partículas ao longo de sua espessura dependendo dos parâmetros operacionais do processo, como a vazão e o número de capilaridade do escoamento.
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Aluno(a) : Pedro Nieckele Azevedo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/18/2016
Local:
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Aluno(a) : Ronaldo Vitorino dos Santos
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/05/2015
Local:
Resumo:
O propósito deste trabalho é a modelagem de um sistema de termoacumulação utilizando cápsulas esféricas com material de mudança de fase (MMF) o programa computacional desenvolvido utilizado, foi à plataforma Matlab. O ponto principal do presente trabalho, no seu inédito modelo, está no fato de se estudar este sistema utilizando diferentes dimensões de esferas em único tanque de estocagem (Usualmente a termoamulação em cápsulas esféricas utiliza no interior do tanque cápsulas esféricas com um único diâmetro). Para formar o gelo (calor latente) nas cápsulas, um fluido com temperatura abaixo da temperatura de congelamento da água escoa em regime permanente através das cápsulas. Desta forma há uma troca de calor entre o fluido e as cápsulas com MMF (neste caso água). O ideal seria que toda água no interior das cápsulas se tornasse gelo. Porém, a resistência térmica formada pelo gelo começa a interferir na formação total da água no interior da cápsula. Outro problema é a temperatura do fluido que circula. Com o decorrer do escoamento a temperatura do fluido aumenta ao trocar calor com as cápsulas. Desta forma, as esferas em planos diferentes irão receber um fluido com uma temperatura maior que do plano anterior. Assim o gradiente de temperatura entre o fluido e a água fica cada vez menor influenciando o tempo de formação de gelo em todas as cápsulas. O estudo deste processo de termoacumulação prevê um tempo menor de circulação de fluido para formação de gelo e melhor uso da energia estocada.
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Aluno(a) : Mario Caetano Pareto de Sá
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/28/2015
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Resumo:
Soluções poliméricas diluídas podem ser usadas na indústria de Óleo e Gás para injeção em reservatórios de petróleo como agentes de controle de mobilidade em técnicas de recuperação avançada de óleo, com o objetivo de aumentar o fator de recuperação do campo e postergar a indesejada alta taxa de produção de água. No entanto, o fenômeno macroscópico esperado, aumento da eficiência de varrido, é influenciado diretamente por fatores microscópicos que ocorrem na escala de poro. Devido às suas grandes cadeias moleculares, ao avançar através do meio poroso, soluções poliméricas de alto peso molecular dificultam o avanço da água alterando a razão de mobilidades água/óleo. Porém, o estudo de escoamento de soluções poliméricas ainda é um desafio devido ao comportamento não Newtoniano da relação vazão x diferença de pressão e à sensibilidade a diversos fatores como: tipo de polímero utilizado, concentração, razão de viscosidades, temperatura, salinidade e taxa de cisalhamento. O presente trabalho analisa a implementação de dois modelos constitutivos, Oldroyd-B e FENE-CR, aplicados ao método de solução de elementos finitos, EF, utilizando a formulação dos resíduos ponderados de Galerkin para modelar o escoamento de soluções poliméricas diluídas através de capilares com constrição e entender os fenômenos viscosos e elásticos envolvidos. Os resultados obtidos fornecem uma descrição mais detalhada da aplicação dos modelos testados e do escoamento de soluções poliméricas diluídas em gargantas de poros.
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Aluno(a) : Thiago Handerson Torres Eduardo
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/19/2014
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Resumo:
A estabilidade do escoamento estratificado de ar e água, sujeito a perturbações periódicas no nível de líquido, é investigada numericamente em um duto horizontal. Selecionou-se o Modelo de Dois Fluidos unidimensional para a simulação do escoamento. As equações de conservação de massa e de quantidade de movimento linear para as fases gás e líquido são discretizadas de acordo com o método dos Volumes Finitos. O acoplamento entre as equações é resolvido sequencialmente com uma versão modificada do método PRIME. Perturbações no nível de líquido foram introduzidas de maneira controlada na entrada da tubulação. A evolução dessas perturbações, ao longo da tubulação, é analisada e os resultados são comparados com as previsões fornecidas por um modelo baseado na teoria linear de Kelvin-Helmholtz. A velocidade de propagação, a frequência e o número de onda das perturbações apresentam excelente concordância entre a simulação e modelo, indicando que, de fato, ambas abordagens são capazes de prever características fundamentais dessas ondas. As taxas de crescimento previstas pelo modelo e as obtidas na simulação, também, foram comparadas apresentando razoável concordância. Os resultados mostram que a frequência da perturbação tem influência na taxa de amplificação e que ondas com frequências mais altas tendem a serem mais instáveis. Para tubulações longas, efeitos não lineares podem ser observados em regiões afastadas da entrada da tubulação. Nesse estágio é possível observar alterações no mecanismo de crescimento das perturbações.
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Aluno(a) : Simone Bochner de Araujo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/24/2014
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Resumo:
Slot coating is a common method in the manufacturing of a wide variety of products. It belongs to a class of coating method known as premetered coating: in a steady state operation, the thickness of the coated liquid layer is set by the flow rate fed to the die and the speed of the substrate moving past, and is independent of other variables of the process. For many applications, the coating liquid is a particle suspension. The commom simplified approach is to study the flow as Newtonian and evaluate its viscosity based on the average particle concentration. However, experimental data shows that particle distribution is in fact non-uniform in shear flows. Moreover, particle distribution along the film thickness during the coating process will affect the final fim structure and consequently product performance. Hence, it is important to understand the fundamentals of coating process with particle suspension to better describe and predict the behavior of the flow and the particle distribution in the coated layer. The goal of the present work is to study different particle migration mechanisms in a suspension that may affect particle distribution in the coated film; such as diffusive mechanisms and sedimentation. The model presented takes into account the viscosity dependency and local particle concentration and surface-active particles, i.e. Marangoni effect. Two different approaches were used to study Marangoni flow. First, the bulk-interface transport is considered much faster than bulk diffusion such that the net flux is zero and surface concentration is equal bulk concentration. The second, more complete model, considers adsorption and desorption fluxes from the interface. The non-linear system of equations, with appropriate boundary conditions, is solved by Galerkin Finite Element Method and Newton s Method. The flow is two-dimensional and therefore two-dimensional elements are used to describe flow domain. Nonetheless, in order to evaluate particle concentration along the interface a one-dimensional element was created. The coupling between those two classes of elements of discussed. The results show that the particle distribution on the coated layer is a strong function of the film thickness and suspension properties, such as particle density and diffusion coefficients. The Marangoni flow associated with surface tension gradient due to particle concentration variation along the interface can change the recirculation pattern and particle concentration distribution. Furthermore, the results show that particle adsorption and desorption from interface have a strong effect on the particle distribution.
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Aluno(a) : Bruno Nieckele Azevedo
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2014
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Resumo:
Emulsões podem ser usadas como agentes de controle de mobilidade em métodos de recuperação avançada de óleo de forma a conseguir um varrido mais eficiente do reservatório. A aplicação de tal técnica requer um entendimento completo de como as emulsões escoam em um material poroso. O comportamento macroscópico do escoamento deve ser determinado baseado no escoamento na escala de poros, em que as emulsões não podem ser tratadas como líquidos não Newtonianos monofásicos, uma vez que os diâmetros das gotas são da mesma ordem de magnitude das gargantas de poros. Experimentos realizados por Cobos et al.(1) sobre o escoamento de emulsões através de micro-capilares com garganta, que serviu como modelo para a geometria de uma garganta de poro conectando dois poros adjacentes, mostrou o efeito da fase dispersa na queda de pressão para diferentes condições de escoamento e características das emulsõs. De forma a ampliar a faixa de número de capilaridade e tamanhos de gota explorados nos experimentos, determinar o efeito da tensão interfacial, razão de viscosidades, geometria do capilar e determinar características do escoamento com mais de uma gota, é estudado o escoamento de gotas suspensas em uma fase contínua escoando através de um micro-capilar. A evolução da interface das gotas é determinada pelo método de level-set, que é acoplado a solução das equações de Navier Stokes, baseada no método de elementos finitos. Foi investigado o efeito da distância inicial entre duas gotas, assim como o efeito da tensão interfacial na velocidade de cada uma das gotas. Os resultados obtidos fornecem uma descrição mais detalhada do escoamento de emulsões em gargantas de poros.
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Aluno(a) : Fabiana Rodrigues Vieira Louvem
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/31/2014
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Resumo:
As propriedades reológicas dos piches de petróleo têm grande importância no processamento e nas propriedades finais das fibras de carbono, além de auxiliar na seleção da matéria-prima. No presente trabalho, uma série de piches de petróleo com teores crescentes de anisotropia foi produzida a partir de óleo decantado proveniente do processo de craqueamento catalítico do petróleo, com o objetivo de se investigar as propriedades reológicas destes materiais, para melhor aplicá-las na produção de fibras de carbono. Um dos piches produzidos foi centrifugado em alta temperatura com o objetivo de estudar as propriedades reológicas das suas fases isotrópica e anisotrópica. Os teores e texturas das anisotropias obtidas foram analisados, respectivamente, por centrifugação em alta temperatura e por microscopia ótica com luz polarizada. Os tamanhos moleculares dos piches de petróleo foram medidos utilizando-se a técnica de Espectrometria de Massas com Ionização e Dessorção a Laser Assistida por Matriz e Análise de Íons por Tempo de Vôo (MALDI-TOF-MS). Os piches analisados apresentaram uma natureza oligomérica, e massas moleculares de até 1500 Da foram detectadas. A caracterização reológica mostrou o comportamento viscoplástico dos piches e as curvas de escoamento medidas foram ajustadas utilizando a função viscosidade de Herschel-Bulkley. As análises reológicas também mostraram o aumento da elasticidade dos piches com o progresso do tratamento térmico e o surgimento do comportamento tixotrópico. As técnicas de análise utilizadas neste trabalho se mostraram eficientes para o estudo e caracterização de piches de petróleo precursores de fibras de carbono.
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Aluno(a) : Ricardo Fernando Paes Tiecher
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/18/2014
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Resumo:
Comparison of new and conventional commercial refrigeration systems, operating with typical and alternative refrigerants, was performed. First, thermodynamic models for the pumped CO2 and the CO2 booster cycles were developed. The COP and the annual energy consumption of these novel designs were compared to those of the traditional direct expansion system in different geographic locations, to take into account year-round climate data. Refrigerant R404A, CO2 and new low-GWP non-azeotropic blends were considered as working uids in this analysis. Second, a component-based lumped parameter model to simulate the steady-state operation of a multicompressor multi-evaporator direct expansion system was developed. The modeling effort considered a multizone approach for the tube-and-fin heat exchangers, as well as addressing enhanced internal surfaces and different fin patterns. Predicted results were compared with experimental data, and a life cycle climate performance (LCCP) analysis was performed to compare the environmental impact of new low-GWP refrigerants.
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Aluno(a) : Thiago Fabricius Konopka
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/27/2014
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Resumo:
Essa dissertação apresenta um estudo comparativo de quatro diferentes modelos de cinética química detalhada que envolvem as principais espécies químicas responsáveis pelo processo de formação e oxidação da fuligem, i.e., o oxigênio molecular, o radical hidroxila, o acetileno, o propargil, benzeno, fenil e pireno. Para este fim, considera-se a combustão de misturas de etileno/ar e metao/ar. Para analisar os modelos cinéticos são utilizados um reator perfeitamente misturado (PSR) e um reator parcialmente misturado (PaSR). No caso do reator perfeitamente misturado, um estudo sistemático da influência do tempo de residência e a riqueza da mistura sobre estas espécies químicas é apresentado. São discutidas as importantes discrepâncias obtidas, para o acetileno, o propargil, o benzeno, o fenil e o pireno, entre os modelos cinéticos analisados. As espécies oxidantes exibem menores discrepâncias dentre todas as espécies analisadas. No caso do reator parcialmente misturado, a razão entre o tempo de residência e o tempo de mistura é o parâmetro de análise. De modo geral, os resultados obtidos permitem avaliar o comportamento dos mecanismos cinéticos em uma situação representativa de combustão em escoamentos turbulentos.
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Aluno(a) : Carlos Marx da Silva de Carvalho
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/12/2013
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Resumo: O presente trabalho trata do projeto, modelagem e simulação de uma bancada de testes, com a finalidade de mensurar o desempenho de componentes de refrigeração, para ciclos por compressão de vapor. A configuração da bancada foi concebida para oferecer flexibilidade na escolha dos componentes e estabilidade durante a realização dos experimentos. Um modelo matemático foi desenvolvido e implementado a partir da aplicação dos princípios de conservação da massa e energia para cada um dos volumes de controle dos componentes da bancada. A modelagem considera também as equações de troca de calor, propriedades termodinâmicas e modelos físicos dos componentes, para prever condições de operação da bancada operando em regime permanente. Para a modelagem computacional utilizou-se o software EES-Engineering Equation Solver. O modelo resultante também foi utilizado no pré-dimensionamento dos subsistemas da bancada e na simulação de parâmetros característicos, a fim de delimitar a faixa de capacidades, bem como as variáveis de entrada e saída, necessárias ao controle do sistema. O dimensionamento e a seleção dos equipamentos e componentes foram efetuados com base no refrigerante R134a, como fluido de trabalho. No entanto, o modelo é compatível com a utilização de outros refrigerantes, tais como o R22, R407C, R410A, e outras misturas. O trabalho inclui um modelo para simular o comportamento em regime transiente do tanque inercial térmico com o intuito de estudar a estabilidade e o controle do sistema em regime permanente. A simulação demonstrou que a configuração da bancada garantirá estabilidade e reprodutibilidade dos experimentos nas eventuais variações das condições externas, diferindo, portanto, de grande parte dos sistemas de refrigeração convencionais.
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Aluno(a) : Willian Felipe Theobald
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/23/2013
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Resumo: A presente dissertação trata do projeto, construção e ensaio preliminar de um novo modelo do compressor Kopelrot. É uma máquina de deslocamento positivo baseada em seis patentes depositadas desde 1998. Esta tecnologia está em desenvolvimento há aproximadamente 8 anos, tendo gerado artigos e dissertações, assim como a construção de dois protótipos. É apresentada, inicialmente, uma revisão dos trabalhos publicados sobre a tecnologia Kopelrot. Foram construídos junto ao novo modelo de compressor Kopelrot um novo sistema de acionamento e uma base para a fixação de ambos a um motor elétrico. Durante a elaboração dos desenhos foram realizadas simulações preliminares da geometria para definir a fabricação de algumas peças importantes. A base permite regular a excentricidade entre os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento e, dessa forma, variar a vazão volumétrica do compressor. Simulou-se a variação de volume no interior da câmara com o conjunto compressor Kopelrot/Sistema de acionamento, ajustado para 5 excentricidades diferentes, a fim de mapear o comportamento do Kopelrot quando sua capacidade é variada, deslocando-se os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento. Para as excentricidades escolhidas, foram calculadas, a partir de modelo termodinâmico simplificado, as variações de pressão, temperatura e massa no interior da câmara do compressor. Valores globais de potência consumida e eficiência volumétrica também foram calculados. Durante o funcionamento do protótipo identificaram-se alguns problemas tipicamente encontrados em tecnologias inovadoras. Devido a esses problemas, não foi possível a realização dos testes do compressor operando em condições normais de pressão.
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Aluno(a) : Renato Nunes Teixeira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/19/2013
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Resumo: High stability tungsten strip lamps are no longer suitable comparison artefacts for high temperature radiation thermometry, because they are fragile, have a small target size, are restricted in temperature range and are not blackbodies. This study developed proof-of-concept high performance comparison artefacts, which overcome the problems encountered when using such lamps in comparisons of the International Temperature Scale of 1990 (ITS90) among National Metrology Institutes (NMIs). This work demonstrated the concept of using high temperature fixed points (HTFPs) that have unknown temperatures and hence suitable as blind comparison artefacts. Four of these novel HTFPs were designed, constructed, filled and measured in the work described here. Initially Co-C was chosen but due to robustness issues, Ni-C was the selected the base eutectic alloy. The Ni-C cells were doped in two different concentrations with selected elements in a successful attempt to change the pure eutectic transition temperature by some tenths of degrees Celsius. The realization temperatures of eutectic cells determined at Inmetro were compared to the ones predicted by thermochemical simulation, using Thermo-Calc software and thermochemical property databases. In addition they were used to perform a blind comparison with the National Physical Laboratory (UK), which did not know beforehand what their temperatures were. Very good results were achieved (scale agreement and cell stability), demonstrating that doped cells are very suitable high temperature comparison artefacts for radiation thermometry.
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Aluno(a) : Guilherme Moreira Bessa
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2013
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Resumo: O presente trabalho é um estudo experimental sobre o escoamento laminar de óleos pesados através de dutos longos isolados termicamente e que apresentam forte dependência da viscosidade com a temperatura. O objetivo do estudo é identificar e interpretar o comportamento verificado em operações de campo onde a dependência da queda de pressão ao longo do duto com a vazão afasta-se significativamente da relação linear esperada para escoamentos hidrodinamicamente desenvolvidos. Para o estudo foi montado um experimento em escala de laboratório utilizando como fluido de trabalho uma solução de glicerina e água, que apresenta forte dependência da viscosidade com a temperatura. A solução quente de glicerina era bombeada por um tubo longo imerso em um meio refrigerado. A troca de calor do fluido com o ambiente frio produzia gradientes de temperatura radiais e axiais associados a fortes variações da viscosidade. Os experimentos conduzidos revelaram uma relação linear entre a vazão e a queda de pressão ao longo do duto para baixos e altos valores da vazão. No entanto, para valores intermediários da vazão, a relação entre vazão e queda de pressão afasta-se do comportamento linear, deixando de apresentar uma relação monotônica. Nesta região intermediária, os mesmos valores de queda de pressão foram observados para vazões de ordem de grandeza diferentes. Medidas de perfis radiais de temperatura e velocidade axial foram realizadas para duas diferentes posições axiais no duto. Sondas de termopar e a técnica de velocimetria laser- Doppler foram utilizadas neste estudo. Os perfis de temperatura apresentaram forte assimetria como decorrência da presença de escoamentos secundários originados por convecção natural. Os perfis de velocidade axial foram pouco afetados pelos escoamentos secundários. Acredita-se que o impacto observado na tensão cisalhante na parede e, portanto, na queda de pressão, esteja associado à forte variação da viscosidade junto à parede fria, e não às variações do gradiente de velocidade na parede que não se mostraram significativas. Os resultados experimentais foram comparados com simulações numéricas tridimensionais e unidimensionais fornecidas por outros pesquisadores. A relação de queda de pressão com a vazão foi bem modelada por ambos os modelos. Os perfis radiais de velocidade foram bem previstos pelo modelo tridimensional, ao contrário dos perfis radiais de temperatura que se afastaram das medições.
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Aluno(a) : Juan José Cruz Villanueva
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/02/2013
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Resumo:
O presente trabalho apresenta uma análise experimental da combustão turbulenta de sprays de etanol, mediante o uso de técnicas de diagnóstico laser, em queimadores tipo obstáculo. São empregadas a fluorescência induzida por plano laser (PLIF) do radical hidroxila (OH), para mapear a frente de chama, a velocimetria por imagens de partículas (PIV), para determinar o campo de velocidades das gotas do spray e Shadowgraphy, para obter o diâmetro e velocidade de gota. Uma caracterização da estrutura do escoamento de ar a jusante do corpo rombudo é realizada com PIV estéreo para diferentes números de Reynolds. Os resultados mostram uma similitude do escoamento na zona de recirculação. As maiores flutuações turbulentas de velocidades são encontradas na região de vórtice e indicam anisotropia no tensor de Reynolds. Os resultados de Shadowgraphy revelam que as gotas do spray não são perfeitamente esféricas em regiões perto do atomizador. O diâmetro médio Sauter (SMD) foi medido em varias posições na região de recirculação. As gotas de maior diâmetro apresentaram as maiores velocidades e as pequenas são ligeiramente desviadas pela zona de recirculação nas regiões mais afastadas da linha central. Os experimentos reativos realizados com diversos valores de vazão de etanol e ar indicam que a frente de chama é descolada do queimador, sua forma é determinada principalmente pela vazão de etanol e a intensidade de luminescência é aumentada com a velocidade do ar. Em alguns casos o escoamento de ar muda a forma do spray. Uma quantidade de gotas apreciável sempre consegue atravessar a frente de chama. O campo de velocidade das gotas é influenciado pelo incremento da velocidade do escoamento anular de ar.
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Aluno(a) : Luis Diego Valdez Silva
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/02/2013
Local:
Resumo:
Slot coating process is commonly used in the manufacture of high technology products such as flexible circuits, LCD and OLED displays, among others. The thickness of the coated liquid film depends on the flow rate and substrate velocity. It is very important to study the flow in the coating bead region, because the flow pattern has a strong effect on the quality of the coated film. Most of the available studies on slot coating consider the fluid as a Newtonian liquid. However, coating liquids are usually polymer solutions or particle suspensions. The effect of dissolved polymer molecules in the flow has been analyzed recently. However, the effect of suspended particle remains unknown. The goal of this work is to develop a fundamental understanding of the effect of suspended particles in the flow pattern in a slot coating process. The local changes in particle concentration can lead to great changes in the local liquid viscosity and consequently in the flow and process limits. In this research, the particle suspension is a system composed by a Newtonian liquid as a continuous phase and rigid spherical particles as the dispersed phase. The particle transport equations takes into account the diffusion due to gradients of concentration, viscosity and deformation rates. The particle transport equation together with the mass and momentum conservation equations are used to describe the two-dimensional free surface flow. These equations are solved using the Galerkin/Finite element method. The numerical code was validated by comparing numerical prediction obtained in circular tube flow with the available exact solution. The results obtained in slot coating flow show regions of high and low concentration of particles and its effect of the flow, and the variation of particle concentration in the deposited thin film.
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Aluno(a) : Leonardo Costa Braga
Orientador(a): Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/11/2012
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Resumo: O desenvolvimento de um motor de quatro tempos, de ignição por centelha, com injeção direta de combustível dentro da câmara de combustão foi uma iniciativa importante para o mercado automobilístico mundial. O potencial termodinâmico deste tipo de motor e sua notória melhoria na economia de combustível têm feito com que a tecnologia seja foco de um grande número de projetos de pesquisa, com o objetivo de entender, desenvolver e aperfeiçoar o sistema de injeção direta de combustível. No entanto, para atender aos novos limites de emissões estabelecidas pela especificação EURO 5, foi necessária uma reavaliação do projeto da geometria do injetor, o que ocasionou no desenvolvimento de um novo componente com um maior número de furos e com uma redução do diâmetro dos mesmos (injetor multifuros). Essa alteração no projeto visa garantir uma melhor pulverização, otimização da relação ar/combustível e, consequentemente, um melhor processo de queima na câmara de combustão, atendendo dessa forma os limites de emissões estabelecidos pela diretriz normativa vigente. Os processos de preparação da mistura, injeção, vaporização e controle do escoamento de ar dentro do cilindro têm sido as principais fontes de publicações de periódicos que estudam o sistema de injeção direta. O presente trabalho, por sua vez, tem por finalidade avaliar a formação de depósitos de compostos inorgânicos nos injetores, provenientes da utilização de combustíveis formulados com diferentes teores de sulfato. O motor utilizado para execução dos testes foi o EP6CDT da PSA Peugeot Citroen. No estudo foram realizados ensaios em bancada de testes e em veículos (estrada e dinamômetro). Outros veículos com a mesma tecnologia, disponíveis no mercado brasileiro, também foram testados. As variáveis avaliadas durante o projeto foram: a composição química de diferentes combustíveis, fator de correção do tempo de injeção (FRA) e a vazão através dos bicos injetores no decorrer dos testes. Os estudos indicaram que a mudança na geometria dos injetores, somada a composição das gasolinas nacionais testadas, originou a formação dos depósitos que será discutida ao longo deste trabalho.
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Aluno(a) : Eugenio Fredericci Simíões
Orientador(a): Angela Nieckele e João Neuenschwander
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/27/2012
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Resumo: O estudo de escoamentos multifásicos é de particular interesse para a indústria petrolífera offshore. Este fenômeno ocorre usualmente nos fluxos advindos dos poção produtores, e tem considerável impacto no projeto dos sistemas de produção e na estratégia de operação – especialmente nos cenários de águas profundas ou com longos tie-backs, em que as questões de garantia de escoamento sío críticas. Neste trabalho, um escoamento bifásico intermitente de ar-água em uma tubulação horizontal com transferência de calor é estudado. Para tanto, um código 1D nío-isotérmico do tipo slugcapturing é desenvolvido, baseado no Modelo de Dois Fluidos, e a solução numérica é obtida através do método de volumes finitos. Um estudo é desenvolvido para verificar a influência do comprimento do duto e da inserção de um ruído branco na entrada do duto. Para o comprimento da tubulação, as variáveis térmicas apresentaram pouca influência, contudo é observado um crescimento das golfadas com o aumento da tubulação. É demonstrado que é possível reduzir o comprimento necessário para a formação das golfadas com a introdução do ruído branco. Uma análise é realizada utilizando diferentes condições operacionais de escoamento no regime de golfadas, ao longo de um duto com perda de calor para o ambiente. Duas condições de contorno térmicas (fluxo ou temperatura prescritos) e correlações para avaliar o coeficiente de transferência de calor interno sío investigadas. As variáveis térmicas obtidas sío comparadas com dados experimentais e boa concordância é observada. Finalmente, as propriedades características das golfadas, tais como a velocidade de translação, comprimento da golfada e bolha sío comparadas com correlações disponíveis na literatura, obtendo boa concordância entre os resultados.
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Aluno(a) : Victor dos Santos Assumpção
Orientador(a): Sergio Braga e Sandro Barros Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/05/2012
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Resumo: Após um período de baixa nas bacias hidrográficas, o Brasil investiu em novas fontes de geração de energia elétrica. O gás natural é um dos exemplos destas novas fontes de energia. Dentre as usinas usuárias deste combustível, existem aquelas que operam com turbinas a gás. Assim, torna-se necessário que estas usinas trabalhem com segurança e confiabilidade. Para garantir esta estabilidade, é necessário o desenvolvimento de um sistema de controle, capaz de realizar esta operação de geração de energia elétrica de forma satisfatória. O sistema de controle utilizado por estes equipamentos é o objeto de estudo deste trabalho
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Aluno(a) : Raphael Guimarães Duarte Pinto
Orientador(a): Sergio Braga e Sandro Barros Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/25/2012
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Resumo: A evolução das turbinas a gás industriais resultou em um processo de combustío mais eficiente que permitiu a elevação da temperatura dos gases na exaustío dessa máquina. Assim, caldeiras de recuperação de calor cada vez mais complexas foram desenvolvidas com o intuito de aproveitar ao máximo o potencial energético na exaustío das turbinas. Dessa forma, modelos computacionais capazes de prever as condições de operação do equipamento se mostraram necessários de maneira a analisar o comportamento da máquina em diferentes situações, visando à máxima eficiência do processo. Esta dissertação descreve um modelo computacional capaz de simular o funcionamento fora do ponto de projeto, em regime permanente, de uma caldeira de recuperação de calor operando em uma usina de ciclo combinado, enfatizando sua utilização em sistemas de diagnóstico. As rotinas foram desenvolvidas em FORTRAN e os trocadores de calor presentes na HRSG foram modelados individualmente e calibrados através de um sistema de otimização utilizando algoritmos genéticos, responsável por minimizar o desvio do modelo. O programa desenvolvido foi validado contra dados de operação de uma usina real e mostrou resultados satisfatórios, que confirmam a robustez e fidelidade do modelo de simulação.
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Aluno(a) : André Reinaldo Novgorodcev Junior
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/23/2012
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Resumo: O presente trabalho tem por objetivo a realização de experimentos e simulações numéricas para estudar a interação da turbulência e da combustío em uma chama nío pré-misturada de hidrogênio no ar estabilizada a jusante de um corpo rombudo. Para tanto, sío utilizadas, simultaneamente, as técnicas de PIV, para a determinação de dois componentes da velocidade, e a técnica de PLIF para a determinação da intensidade de fluorecência do radical químico OH, que é um bom indicador da localização da frente de chama. Sío avaliados os métodos de pós processamento dos resultados do PIV com o intuito de maximizar a resolução espacial da técnica e ao mesmo tempo remover o maior número de vetores espúrios dos campos de velocidade instantâneos. Paralelamente, o queimador é modelado no software ANSYS/FLUENT e os resultados de simulação validados por comparação com os resultados experimentais. Modelos baseados nas médias de Reynolds sío empregados para a caracterização da turbulência e o modelo de elementos de chama é adotado para a descrever a combustío. Os resultados experimentais indicam que, para as vazões de ar e hidrogênio adotadas, a combustío ocorre no regime de elementos de chama, onde a frente de chama apresenta algumas dobras, mas sem descontinuidades. Os resultados das simulações com combustío nío obtiveram a concordância esperada com os resultados numéricos, indicando que a malha de cálculo precisa ser aprimorada.
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Aluno(a) : Oscar Juan Pablo Rodriguez Mejia
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/13/2012
Local:
Resumo: A presente dissertação trata do estudo de sistemas de potência baseados em ciclos Rankine orgânicos (ORC – Organic Rankine Cycle) acionados por energia térmica de rejeito. Um modelo termodinâmico simples é apresentado, relacionando as características termodinâmicas do ciclo Rankine orgânico àquelas da corrente com rejeito térmico (como, por exemplo, vazío mássica, capacidade térmica e temperaturas de operação). A seguir, o método de multi-zonas, ou de fronteira móvel, é aplicado aos trocadores de calor do ciclo, condensador e caldeira, para dimensioná-los às condições do efluente de rejeito térmico. Na escolha do tipo de trocador de calor para a caldeira, é feita distinção quanto à natureza do efluente, se gasoso ou líquido. Sío também estudados novos fluidos de trabalho de menor impacto ambiental. No primeiro caso emprega-se trocadores de tubo e aleta e, no segundo, trocadores de placas. Finalmente, o conceito do ciclo Rankine orgânico é aplicado a sistemas de trigeração, caracterizados pela produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração.
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Aluno(a) : Julio Cesar Egúsquiza Goñi
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/26/2012
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Resumo: Técnicas ópticas nío intrusivas foram utilizadas para obter imagens instantâneas e médias de chamas turbulentas nío pré-misturada de etanol e ar estabilizadas num queimador tipo “bluff-body”. O espalhamento Mie, PLIF (fluorescência induzida em um plano laser) e PIV (velocimetria por imagem de partículas) determinaram; a distribuição da densidade de gotas no spray, intensidade da fluorescência do radical OH, para mapear a zona de reação da chama, e o campo da velocidade do ar, respectivamente. Inicialmente propriedades de sprays de água sío comparadas quando se variam as vazões de combustível e de ar, mostrando assimetria de duas zonas de máxima intensidade de espalhamento Mie próximas do bocal de injeção, nos casos de maior vazío de jato, e nos casos de menor vazío, o fechamento do filme do líquido ocorre na zona central. Em seguida dois regimes de combustío foram estudados que correspondem a duas vazões de combustível, para os quais foram caracterizadas, a partir do sinal de fluorescência do radical OH, a estrutura instantânea e a média das chamas turbulentas o que permitiu identificar zonas de extinção. A superposição das imagens médias do OH-PLIF e de espalhamento Mie permitem evidenciar, no caso de menor vazío, que o spray é completamente envolto pela chama, o que representa um comportamento clássico para o desenvolvimento e uso de modelos de combustío. No caso de maior vazío, spray interage fortemente com o processo de combustío, sendo este um caso que se afasta das situações clássicas.
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Aluno(a) : Bruno de Barros Mendes Kassar
Orientador(a): Márcio Carvalho e Marcos de Oliveira L. Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/29/2012
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Resumo: Este trabalho apresenta uma nova formulação implícita e totalmente acoplada para o problema de escoamentos tridimensionais com corpos rígidos suspensos. Esta é a principal contribuição deste trabalho. A formulação foi implementada em C++ como um software e testada para o problema de sedimentação de uma partícula esférica. Os resultados indicam comportamento físico plausível apesar de serem limitados por inacurácia de malha. O software resolve numericamente as Equações de Navier-Stokes acopladas com as Equações da Dinâmica de Corpo Rígido usando o Método de Elementos Finitos. O acoplamento entre os domínios fluido e sólido é feito pela Técnica do Domínio Fictício, que evita a geração de malha a cada passo de tempo. O escoamento tridimensional sem partículas também é estudado neste trabalho e é a base para a formulação do escoamento com partículas.
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Aluno(a) : Fernando Ferrari Filho
Orientador(a): Carlos Valois Braga e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/20/2011
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Resumo: Este trabalho buscou avaliar o comportamento de um motor do ciclo Diesel, quando operado no modo original (diesel puro) e no modo bicombustível (diesel / etanol), em dois modos de hidratação do álcool (70 e 93° INPM).A rotação foi mantida fixa em 1800 rpm. A finalidade foi estudar os parâmetros de desempenho do motor e analisar a liberação de calor pela combustío, como também, o calor trocado com as paredes. Avaliou-se como parâmetros de desempenho, o rendimento térmico, consumo específico de combustível e emissío de poluentes. A fase inicial do trabalho constou de ensaios experimentais realizados no conjunto motor / dinamômetronos modos mencionados acima. O objetivo foi coletar a variação de pressío no interior do cilindro, consumo de combustível, emissío de gases, temperaturas em pontos estratégicos, entre outros.Em uma segunda etapa foi realizada uma análise dos parâmetros de desempenho e da liberação de calor. Para emissões de poluentes, observou-se uma diminuição de MP em altas taxas de substituição, no entanto, notou-se um aumento elevado de HC. Em baixas cargas e taxas de substituição elevadas houve redução de emissío de NOx. O rendimento térmico apresentou comportamentos similares em 70 e 93° INPM. Em altas cargas e altas taxas de substituição houve um sensível aumento do rendimento quando comparado ao modo original.O rendimentofoi menor para baixas cargas com altas taxas de substituição, em relação ao modo original. O processo de queima do combustível ocorreu antes no modo bicombustível, nas condições de altas cargas e máximas taxas de substituição. Isto devido à liberação de calor que ocorreu mais cedo no modo bicombustível.Ressalta-se que nas mesmas condições, houve a ocorrência de um maior calor trocado com as paredes do cilindro, em ambos os modos de hidratação (70 – 93° INPM), quando comparado ao modo original.
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Aluno(a) : Andrea Cristina Carvalho dos Anjos
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/13/2011
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Resumo: A simulação numérica de processos de combustío é uma ferramenta cada vez mais utilizada para o projeto, a análise e a otimização de turbinas, motores e fornos de combustío, entre outros. No entanto, um dos principais inconvenientes que limitam a descrição fiel da realidade de modelos de combustío é o esforço computacional necessário para a solução das equações de transporte das propriedades do escoamento reativo, como frações de massa das espécies químicas, que incluem um termo fonte nío linear associado à lei de Arrhenius. A rigidez e a carga computacional relacionadas com a determinação deste termo domina o custo de simulações que empregam modelos detalhados da cinética química da combustío. Esta dissertação descreve um estudo cujo objetivo é reduzir tais custos mediante a utilização de uma técnica de tabulação automática da evolução termoquímica da mistura. Assim, este trabalho apresenta a discussío do estado da arte da técnica denominada tabulação adaptativa in situ, que exibe desempenho considerável em termos de tempo computacional, na determinação dos termos fontes químicos, e propõe uma modificação do algoritmo atrasando o início da tabulação, para evitar o armazenamento de composições existentes apenas no estado transiente da queima, as quais nío sío representativas do regime estatisticamente estacionário. Um estudo dos resultados obtidos, em um reator parcialmente agitado com CO/O2, mostra ganhos superiores a 95% na altura da árvore binária utilizada para tabulação, isso se reflete no custo de armazenamento e na acurácia dos resultados. Uma análise do tempo computacional caracteriza situações em que a nova estratégia de tabulação pode levar à redução do mesmo, quando comparado com a estratégia original. Seu desempenho é confirmado pelo estudo do sistema químico CH4/ar.
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Aluno(a) : Luis Daniel Peralta Maldonado
Orientador(a): Sergio Braga e Luiz Eduardo Bittencourt
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/16/2011
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Resumo: Na tentativa de reduzir o tempo e o custo das simulações na indústria automobilística, o presente estudo usa o software de código livre OpenFOAM para avaliar o escoamento em torno da asa traseira de um carro de corrida, em particular, o carro de Fórmula Universitária da PUC - Rio. Para diminuir o tempo que leva para preparar a simulação numérica, nos avaliamos a precisío do gerador de malha automático chamado snappyHexMex, o qual esta disponível dentro dos utilitários do OpenFOAM. O efeito do uso deste gerador de malha na simulação junto com dois diferentes modelos de turbulência foi testado para quatro ângulos de ataque. A simulação consistiu das seguintes seis etapas: aquisição do objeto tridimensional, modelagem da geometria, geração da malha, cálculo do escoamento, validação dos resultados, visualização e analise dos resultados. Os resultados mostraram que as simulações bidimensionais feitas usando a malha nío estruturada, concordam com valores experimentais variando entre 0,39% e 8%. Aliás, como comprovação adicional, os resultados foram comparados com os resultados numéricos apresentados no trabalho de Emanuela Genua, mostrando uma diferencia entre 0,5% e 3,6%. Já na simulação da asa, através da visualização do escoamento confirmou-se que a metodologia apresentada neste estudo é capaz de capturar os diversos fenômenos físicos presentes no escoamento. O qual está caracterizado por vórtices nas pontas e sua interação com a camada limite na superfície inferior da asa. Por tanto, devido às vantagens e precisío apresentadas pelo método, considera-se que ele é capaz de diminuir o tempo total das simulações assim como o custo global delas.
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Aluno(a) : José Alberto Aguilar Franco
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/30/2011
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Resumo: Uma bancada experimental foi desenhada e desenvolvida para realizar ensaios experimentais de um motor de ciclo Diesel utilizando gasolina como combustível. O motor (originalmente de ciclo diesel) foi adequado com diferentes dispositivos para funcionar em modo HCCI. Estas modificações nío afetaram as condições originais do motor, podendo em qualquer momento voltar ao modo diesel. A instrumentação inclui medição de: temperatura (gases de escapamento, entrada da carga de admissío, óleo lubrificante), pressío (entrada do ar de admissío, entrada da gasolina, câmara de combustío), torque, rotação, vazío de ar, vazío de combustível. O motor foi submetido a diversas condições de operação e parâmetros de controle para estudar e analisar os efeitos da rotação do motor, da relação ar-combustível e da temperatura da mistura (ar-gasolina) de entrada na combustío HCCI. Os resultados indicam que as variações na quantidade de combustível e na temperatura de admissío têm um efeito direto na combustío HCCI. Maiores temperaturas ou quantidades de combustível provocam um avanço da fase de ignição, que teria uma influência direta no inicio da combustío e nas máximas pressões no interior da câmara de combustío. Os resultados também indicam que, incrementando a quantidade de combustível e variando a temperatura de admissío, mais energia útil é gerada até atingir o limite da zona de detonação. Pequenos ganhos na eficiência de combustío sío traduzidos em economias significativas de energia, reduzindo também os níveis de poluição dos gases de escapamento.
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Aluno(a) : José Miguel Mayta Tito
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/31/2011
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Resumo: Desenvolveu-se um modelo de simulação para trocadores de calor de placas soldadas (BPHE – “Brazed Plate Heat Exchanger”) operando em regime permanente em um sistema de refrigeração em cascata por compressío de vapor, ou seja, condensador, trocador de calor intermediário (ou “condensador em cascata”) e evaporador. O modelo adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em uma série de pequenos volumes de controle, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de massa e de energia sío aplicadas. Para o cálculo dos coeficientes locais de transferência de calor e do fator de atrito foram utilizadas correlações disponíveis na literatura, considerando as regiões de escoamento monofásico ou bifásico em cada um dos trocadores. Estas correlações cobrem valores de fluxo de calor entre 2,5 kW/m2 e 185 kW/m2, temperaturas de saturação entre 5oC e 35oC, e aplicam-se a geometrias com ângulo de corrugação entre 20 e 60 graus. Um programa computacional foi desenvolvido em FORTRAN para o cálculo do desempenho térmico dos trocadores de calor e das condições de saída dos dois fluidos. Na simulação foram consideradas conhecidas as condições de entrada dos fluidos e a geometria do trocador. As propriedades termofísicas dos fluidos foram calculadas utilizando-se a mais recente versío do padrío NIST de referência de propriedades termodinâmicas e de transporte (REFPROP 9.0), permitindo a simulação dos trocadores de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Os resultados da simulação foram comparados com dados experimentais (condensador e evaporador) levantados por outros autores para os refrigerantes R22 e R290, tendo-se obtido boa concordância. Uma análise de sensibilidade para os trocadores de calor, utilizando os novos refrigerantes R1234yf e R1234ze, foi também realizada.
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Aluno(a) : Cláudio Veloso Barreto
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/14/2011
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Resumo: Análise numérica do processo dinâmico do escoamento de gás natural em estações de entrega, considerando o comportamento transiente dos principais equipamentos existentes, tais como válvula de três vias, válvulas redutoras de pressío e aquecedores de gás. Desenvolvimento da lógica de controle dinâmica (controle PID - proporcional-integral-derivativo) de todos os equipamentos relevantes. Para determinação das propriedades termodinâmicas do gás natural empregou-se as equações de estado Peng-Robinson e Soave-Redlich-Kwong. O estudo apresenta um maior enfoque na análise do comportamento de aquecedores de gás indireto a banho d’água e na regulagem dinâmica da temperatura de entrega através de um controlador PID que comanda a válvula de três vias. Investigou-se o desempenho de uma estação de entrega de gás natural existente baseada nas condições operacionais estabelecidas no projeto. Simulou-se o escoamento correspondente a operação em uma estação de entrega real e realizou-se comparação direta com dados de instrumentação enviados ao supervisório de controle e aquisição de dados (SCADA). A metodologia desenvolvida reproduziu de forma adequada a existência de eventos operacionais como a partida de uma usina termelétrica e, cenários de apagamento dos aquecedores que foram registrados no banco de dados do supervisório. Finalmente analisaram-se procedimentos a serem aplicados nas estações de entrega existentes para redução dos níveis de emissío de CO2 e do consumo do gás combustível utilizado no processo de pré-aquecimento.
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Aluno(a) : Anthony Oswaldo Roque Ccacya
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/20/2010
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Resumo: Com o intuito de reduzir as emissões e melhorar a combustío em uma maior faixa de rotação e carga de um motor, foi proposto este estudo de combustío por compressío de misturas homogêneas (HCCI). Tal processo apresenta altas eficiências e baixas emissões, principalmente de NOx e fuligem. O objetivo do presente trabalho é a determinação das faixas de operação estável em um motor originalmente diesel, de alta taxa de compressío (20:1). O combustível utilizado foi a gasolina tipo A, tendo em vista a sua grande produção, além das características de auto-ignição. Para atingir o objetivo proposto foram controladas a temperatura de entrada do ar e a quantidade de combustível da mistura, o que foi implementado sem modificação estrutural do motor. Os ensaios foram realizados com uma temperatura de alimentação entre 75 e 95 °C, com rotação entre 1200 e 2200 RPM. Os valores para o fator lambda (λ) variaram, em função de um processo de combustío estável, entre 2 e 4. Sío apresentados os resultados experimentais obtidos em um dinamômetro de bancada, sobre os quais se fez uma análise do rendimento, para a faixa de melhor estabilidade da combustío. Para a mesma faixa foi realizada uma análise das curvas de pressío x tempo, verificando-se o efeito do instante de auto-ignição como função da temperatura do ar e da riqueza da mistura. Os melhores rendimentos encontrados situam-se ao redor de 36,5 %, para temperaturas de ingresso por volta de 85 °C, para as maiores rotações pesquisadas.
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Aluno(a) : Roberto Carlos Chucuya Huallpachoque
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/16/2010
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Resumo: O escoamento bifásico no regime de golfadas é um dos padrões que requer maior esforço em sua caracterização e modelagem, devido às características marcantes da distribuição espacial entre fases, que gera intermitência ao escoamento. Este escoamento ocorre em larga faixa de vazões de gás e líquido em tubulações de diâmetro médio e pequeno, com variação periódica da densidade, fração de vazio e pressões na seção transversal da tubulação. No presente trabalho estuda-se numericamente o regime de golfadas ao longo de tubulações horizontais utilizando-se o Modelo de Dois Fluidos. Uma análise detalhada das estatísticas do escoamento é realizada com a caracterização dos principais parâmetros de uma golfada, como comprimento, velocidade da frente e cauda e freqüência de passagem das golfadas ao longo da tubulação. Os dados obtidos das simulações sío analisados através de histogramas de distribuição assim como de funções densidade de probabilidade (PDF) das variáveis hidrodinâmicas, destacando-se o caráter estocástico do escoamento no padrío de golfadas. Adicionalmente, comparações com dados de trabalhos experimentais da literatura foram realizadas com excelente concordância.
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Aluno(a) : Ana Gabriela Pilla zur Nedden
Orientador(a): Márcio Carvalho e Valdir Estevam
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/02/2010
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Resumo: produção de petróleo é geralmente acompanhada pela produção de água, que pode estar presente sob forma livre e emulsionada. As emulsões podem ser encontradas em quase todas as fases de produção: nos reservatórios, nos poção produtores, nas facilidades de produção, nos dutos de transporte, no processamento e no armazenamento O sistema de Bombeio Centrifugo Submerso (BCS) é um dos métodos utilizados na indústria para a elevação de petróleo para campos localizados tanto em terra como em mar. Ainda que seja o método de elevação artificial mais apropriado para a produção de petróleo quando há elevada produção de água, a eficiência da bomba é bastante reduzida quando há manuseio de misturas de água e óleo e a formação de emulsões. Este trabalho teve como objetivo o estudo do cisalhamento aos quais os fluidos estío expostos durante a passagem por um estágio de uma Bomba Centrífuga Submersa e seus efeitos no grau de emulsificação da mistura de água e óleo. Foi construído um aparato experimental composto por dois discos, um giratório e um fixo. Ao escoar através destes a mistura de fluidos sofre deformação cisalhante e extensional e seu grau de emulsificação, isto é, tamanho médio e distribuição dos diâmetros de bolhas, é medido a montante e a jusante do dispositivo.
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Aluno(a) : Américo Barbosa da Cunha Jr.
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/19/2010
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Resumo: O desenvolvimento de modelos computacionais para simulação de escoamentos reativos operando em regime de turbulência requer a solução das equações diferenciais parciais que representam os balanção de massa, quantidade de movimento, espécies químicas e energia. Além disso, as reações químicas do modelo necessitam de um mecanismo cinético detalhado para descrição dos fenômenos físico-químicos associados. Um dos maiores desafios encontrados é a rigidez da simulação numérica desses modelos e a natureza nío linear do termo de produção das espécies químicas. Esta dissertação apresenta uma revisío das principais técnicas disponíveis na literatura para o desenvolvimento de modelos reduzidos de cinética química, em particular para a combustío, bem como de técnicas para solução eficiente dos modelos de escoamentos reativos. Após uma apresentação da formulação matemática associada, a metodologia denominada tabulação adaptativa in situ (ISAT) é implementada e avaliada quanto a sua acurácia, eficiência e uso de memória na simulação de alguns reatores modelo homogêneo. Avalia-se a combustío de misturas de metano/ar e monóxido de carbono/oxigênio cujos mecanismos cinéticos tem 4 e 52 espécies, 3 and 325 reações respectivamente. Os resultados destas simulações indicam que a presente implementação da técnica ISAT tem erro relativo global inferior a 0,4%. Além disso, o algoritmo ISAT propiciou ganhos, em termos de tempo computacional, de até 46% quando comparado a simulaçãoo direta da cinética detalhada. Entretanto, em termos de utilização da memória, a implementação desenvolvida da técnica ISAT se mostrou excessivamente exigente.
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Aluno(a) : Rafael Silverio Barbosa
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/18/2010
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Resumo: Turbinas a gás industriais modernas instaladas em usinas termelétricas têm seus parâmetros de desempenho monitorados em tempo real, contudo, existem inúmeras falhas de operação que sío impossíveis de serem detectadas pela simples visualização destes parâmetros, uma vez que a condição de operação do equipamento é influenciada por diversos fatores. Sistemas de diagnóstico sío usualmente oferecidos pelos fabricantes destes equipamentos, mas nío sío divulgados na literatura aberta, que conta em geral com trabalhos aplicados a casos específicos e a turbinas aeronáuticas. Esta dissertação propõe um sistema de diagnóstico de falhas em turbinas a gás, o qual opera através da contínua comparação entre sinais medidos em campo, os quais simulados por um programa computacional, e resultados gerados por um modelo de referência, simulador da turbina saudável. O sinal comparado serve de entrada para um sistema fuzzy, que identifica e quantifica a severidade das falhas. Foram testadas falhas fictícias no compressor e foi avaliada a influência da mudança de geometria na calibração do sistema. Os resultados mostraram a robustez do sistema e sua capacidade de aplicação em uma situação real.
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Aluno(a) : Marília Paula e Silva
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/26/2010
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Resumo: A deterioração do desempenho da turbina a gás é resultado de vários tipos de falhas dos seus componentes no caminho do gás, sendo os principais o compressor, o combustor e a turbina. No presente trabalho é avaliado o desempenho de diferentes tipos de Redes Neurais Artificiais (RNA) no emprego de diagnóstico deste tipo de falha. Todas as redes projetadas neste trabalho sío do tipo MLP (multi-layer perceptron) com algoritmo de retropropagação (backpropagation). Para cada função de diagnóstico, várias arquiteturas foram testadas, modificando parâmetros de rede como o número de camadas escondidas e o número de neurônio em cada uma destas camadas. As RNAs para diagnóstico de falhas foram aplicadas ao modelo termodinâmico de uma turbina a gás industrial: a W501F. Este modelo foi responsável pela criação de dados da usina saudável e também degradada, utilizados para o treinamento e validação das redes. Com os resultados obtidos do treinamento das redes é possível mostrar que as mesmas sío capazes de detectar, isolar e quantificar falhas de componentes de turbinas a gás de forma satisfatória.
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Aluno(a) : Paula de Mello Ribeiro Pinto
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2010
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Resumo: Os mapas de características do compressor axial representam o desempenho deste por toda sua faixa de operação. Estes mapas podem ser utilizados para a determinação do ponto de operação na simulação off-design. O presente trabalho propõe uma metodologia de manipulação de mapas de características de compressores axiais, baseada nas metodologias já existentes. A rotina desenvolvida, denominada PCOMP, é capaz de obter uma nova linha de rotação, entre duas linhas adjacentes conhecidas. A distância entre as linhas conhecidas e a nova linha irá determinar a influência que cada uma terá nas características desta nova linha. Uma vez determinada a linha de rotação, os parâmetros conhecidos sío interpolados a fim de determinar a vazío mássica corrigida e eficiência isentrópica para a razío de pressío correspondente, dada na entrada da rotina. O método de ponderação para a determinação de novas linhas de rotação apresentou desvios menores de 3% para a vazío mássica corrigida e eficiência isentrópica. Comparando as saídas do código com dados de operação de uma planta termelétrica, foram encontrados desvios menores de 1% para a eficiência isentrópica. A rotina desenvolvida foi implementada no módulo de simulação do compressor no modelo NGGT, que compõe uma ferramenta computacional de desempenho de turbina a gás. Dados de operação da mesma planta termelétrica foram utilizados no NGGT, que apresentou resultados satisfatórios.
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Aluno(a) : Vinicius Pimenta de Avellar
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/26/2010
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Resumo: As turbinas a gás sío equipamentos de vital importância para o setor industrial, fornecendo energia mecânica e calor para diversos setores, do transporte aos sistemas de cogeração. A crescente necessidade de geração de energia elétrica confiável tem incentivado o projeto de turbinas a gás estacionárias, inclusive no Brasil, que operam com vários combustíveis como o diesel, gás natural e de baixo teor calorífico. Para melhor monitorar e controlar estes motores, uma análise completa da previsío de funcionamento transitório é necessária. Durante o regime transitório das turbinas a gás industriais (heavy-duty), o sistema de controle deve manter os limites de certos parâmetros, tais como a temperatura na entrada da turbina e a velocidade de rotação do eixo, no seu valor de projeto. Além disso, o tempo de resposta necessário para o sistema de controle atuar deve ser o mais breve possível para garantir uma operação segura e confiável. A temperatura de entrada da turbina, que é um parâmetro muito importante no desempenho de uma turbina a gás, é limitada pela resistência mecânica do material das pás da turbina. A velocidade de rotação do eixo deve permanecer constante, devido à ligação ao sistema elétrico, que nío pode suportar altas flutuações de freqüência. Este trabalho tem como motivação o incremento da capacidade de simulação de um modelo computacional existente, incorporando, para este fim, rotinas de sistemas de controle. Como resultado, o novo modelo será capaz de simular qualquer condição de funcionamento de turbinas a gás industriais, em regime permanente e transitório controlado. Os resultados obtidos pelo programa computacional se mostraram fiéis ao comportamento real da máquina. Além disso, mostraram a flexibilidade do modelo ao lidar com diferentes condições de operação. Um programa computacional capaz de simular o desempenho transitório controlado de turbinas a gás é de extrema relevância para o desenvolvimento de softwares que auxiliam os operadores destes equipamentos. Dentre estes, estío os sistemas de monitoramento e diagnóstico dos equipamentos em questío.
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Aluno(a) : Edwin Ronald Valderrama Campos
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/30/2009
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Resumo: Estudou-se a aplicação de nanofluidos no sistema de arrefecimento de motores a combustío interna. Nanofluidos sío suspensões de partículas de diâmetro menor que 100 nm em fluidos convencionais de troca de calor, tais como água, óleo, etileno glicol, entre outros. Devido às suas características favoráveis de transferência de calor, em função da suspensío de partículas, metálicas ou nío metálicas, com elevada condutividade térmica, nanofluidos têm sido considerados para atuar como fluidos térmicos em diferentes aplicações. Desenvolveram-se modelos matemáticos para operação em regime permanente, na avaliação do efeito das características térmicas e hidráulicas do escoamento do nanofluido nos componentes do sistema de arrefecimento; e em regime transiente, na avaliação do processo de aquecimento do motor. Fez-se uso do pacote EES para a simulação e consideraram-se os seguintes componentes do sistema de arrefecimento automotivo: radiador, camisas do bloco de cilindros, termostato e bomba do líquido de arrefecimento. Foram empregados o método dos parâmetros concentrados e o método ε – NTU para a modelagem global do sistema monofásico. Diferentes tipos de nanofluidos, com variações na concentração volumétrica de nanopartículas, foram considerados na avaliação desta alternativa em fluidos térmicos visando aplicações automotivas.
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Aluno(a) : César Gonzalo Vera Vasquez
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/18/2009
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Resumo: O trabalho teve por objetivo a conversío de um grupo gerador, originalmente Diesel, para operar no modo Diesel-Gás, onde estes dois combustíveis sío administrados simultaneamente ao motor. Para tal foi utilizado um grupo gerador de 120KW, com um motor Perkins 1006 TAG (turbo alimentado com intercooler). Medidas experimentais foram realizadas tanto no modo Diesel quanto no bicombustível Diesel-gás. Foram avaliados desempenho e, principalmente, emissões de poluentes atmosféricos. A redução de emissões foi realizada através da restrição parcial do ar de combustío, com a ajuda de uma válvula de borboleta eletrônica, posicionada na entrada do coletor de admissío. A relação Diesel-Gás foi também avaliada, onde o segundo combustível era administrado através de um sistema eletrônico de injeção de gás natural. Os resultados indicam que em cargas baixas as reduções de monóxido de carbono e hidrocarbonatos sío significativas. O mesmo se observa em cargas intermediárias. Em cargas médias e baixas observa-se um leve aumento nas emissões de óxidos nitrosos. Pode-se observar um leve aumento no rendimento global do grupo gerador com o aumento da carga e da taxa de substituição. De uma forma geral conseguiu-se reduzir os níveis de emissões em altas cargas, principalmente em hidrocarbonetos e monóxido de carbono.
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Aluno(a) : Herberth Arturo Vasquez Haro
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/11/2009
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Resumo: O processo de absorção pode ser utilizado na separação de um ou mais componentes de uma corrente gasosa através do contato com um solvente liquido, podendo ocorrer ou nío reação química entre eles. Uma aplicação industrial importante é a remoção de dióxido de carbono (CO2) de um efluente gasoso (gases de combustío provenientes da queima de combustíveis fósseis) através da absorção química, em solução aquosa de monoetanolamina (MEA), em plantas de geração de energia (termoelétricas), na indústria farmacêutica e na indústria de petróleo, entre outras. Processos de absorção com reações químicas (absorção química), quando comparados àqueles com absorção física apenas, apresentam dificuldades para o seu projeto. Na realidade, os projetos de empresas de grande porte sío verdadeiras caixas-pretas e, no Brasil, pouco tem sido publicado a respeito. No presente trabalho apresenta-se um modelo físico e matemático simples que simula a absorção química de CO2 em solução aquosa de MEA, baseado nas equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia, para prever o comportamento do processo de absorção em um reator cilíndrico de filme líquido. Os resultados indicam uma boa concordância com dados experimentais da literatura, demonstrando que o modelo pode prever a absorção química de CO2 em geometrias semelhantes.
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Aluno(a) : Andre Luiz Tenorio Rezende
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/10/2009
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Resumo: A estabilização de mísseis e projéteis é normalmente realizada através de aletas, que podem ser representadas por placas planas finas. O escoamento sobre placas finas é de difícil previsão por apresentar diversos fenômenos, tais como transição da camada cisalhante para regime turbulento, recolamento, relaminarização e geração de bolhas primárias e secundárias. A proposta deste trabalho é analisar o escoamento turbulento ao longo de uma placa plana com pequeno ângulo de incidência, e ao mesmo tempo investigar o desempenho de diferentes modelos para a previsão da turbulência, empregando duas metodologias. A primeira é baseada nas Equações de Média de Reynolds (RANS), a qual requer um menor esforço computacional, por considerar um domínio bi-dimensional e regime permanente. Neste caso, três níveis de modelagens foram selecionados, os quais envolvem a solução de uma, duas e cinco equações diferenciais parciais, correspondendo aos modelos de Spalart- Allmaras (SA), kapa-ômega Shear Stress Tensor (SST) e Reynolds Stress Model (RSM), respectivamente. No segundo enfoque, investigou-se o desempenho do modelo Smagorinsky Dinâmico, que é proveniente da metodologia da Simulação de Grandes Escalas (LES), a qual é tri-dimensional e transiente. Os resultados foram obtidos para número de Reynolds igual a 2,13 x 10(5) e para três ângulos de incidência (um, três e cinco graus). A modelagem da turbulência foi validada através de comparação como dados numéricos e experimentais existentes na literatura. Os resultados obtidos mostraram que apesar do modelo RSM conseguir uma melhor previsão dos níveis de turbulência, o mesmo não é adequado para prever camadas cisalhantes livres. Já o modelo SA é muito difusivo, e não consegue prever adequadamente as tensões normais turbulentas, enquanto que o modelo SST foi capaz de prever razoavelmente bem a bolha de separação. Porém, apesar do custo bem superior, as previsões dos fenômenos provenientes da bolha de recirculação principal obtidas com a metodologia LES foram sensivelmente superiores e forneceram maior riqueza de informações que as apresentadas pelas soluções RANS.
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Aluno(a) : Roberto da Fonseca Junior
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/03/2009
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Resumo: No presente trabalho foi realizado um estudo experimental sobre escoamento bifásico em regime intermitente através de tubos horizontais e de pequena inclinação. O estudo foi direcionado para a determinação dos campos de velocidade instantâneos nas regiões a montante do nariz, a jusante da cauda das bolhas de gás, assim como na regiío do filme de líquido sob as bolhas. Para isso foi implementada uma combinação de três técnicas ópticas nío invasivas. Velocimetria por Imagem de Partículas bi-dimensional (Particle Image Velocimetry – PIV) foi utilizada para determinar os campos de velocidade instantâneos nas regiões de interesse em um plano meridional do tubo, enquanto luz de fundo pulsada e sincronizada proveniente de uma matriz de LED’s vermelhos iluminava os contornos das bolhas aumentando o contraste das interfaces líquido-gás (Pulsed Shadow Technique – PST). Uma técnica baseada na fluorescência induzida por laser foi utilizada (Laser Induced Fluorescence - LIF) para separar a luz verde intensa proveniente do laser associado à técnica PIV espalhada pelas interfaces gás-líquido, da luz muito menos intensa espalhada pelas partículas traçadoras dispersas no líquido. Nesta técnica, partículas traçadoras impregnadas de tinta fluorescente (Rodamina B) sío utilizadas junto com um filtro óptico passa-alta posicionado em frente à câmera digital. O filtro barra a luz verde espalhada pelas interfaces deixando passar somente a luz vermelha proveniente das partículas fluorescentes, possibilitando, desta forma, o registro simultâneo do deslocamento das partículas traçadoras e da forma da bolha. Os testes foram conduzidos em seção transparente tendo água e ar como fluidos de trabalho. Os campos de velocidade instantâneos foram obtidos para condições de escoamento correspondendo a números de Froude relativamente baixos onde os pistões de líquido apresentavam-se levemente aerados, de modo a facilitar a utilização da técnica óptica. Os resultados obtidos revelaram informações detalhadas sobre o escoamento de líquido na vizinhança da bolha de gás que contribuem para um melhor entendimento dos fenômenos físicos envolvidos no escoamento intermitente, além de fornecerem resultados para validação de códigos computacionais usados para simular este padrío de escoamento. O trabalho realizado também produziu resultados estatísticos relacionados às principais variáveis globais do escoamento como, a velocidade e os comprimentos da bolhas e pistões de líquido, além da frequência de passagem desta estruturas do escoamento. Os resultados apresentaram boa concordância com dados disponíveis na literatura.
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Aluno(a) : Juan Carlos Valdez Loaiza
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/2009
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Resumo: Estudou-se, numericamente, a utilização de nanofluidos como fluidos secundários em sistemas de refrigeração por compressío de vapor. Foi desenvolvido um modelo de simulação de um sistema água-água com compressor alternativo e condensador e evaporador de tubo duplo reto. O método de multi-zonas foi utilizado na simulação dos trocadores de calor. As zonas bifásicas, por sua vez, foram discretizadas para levar em conta a variação local do coeficiente de transferência de calor. No caso do condensador determinou-se o coeficiente de transferência de calor a partir de um mapa de escoamento bifásico. No evaporador o nanofluido escoa na seção circular (interna) enquanto que o refrigerante escoa na seção anular. Um programa baseado na plataforma EES foi desenvolvido para a solução do sistema de equações algébricas nío lineares resultantes do modelo matemático. Os resultados da simulação mostram que, para a mesma capacidade frigorífica, a área de troca de calor no evaporador e a queda de pressío no lado do refrigerante diminuem quando: (i) a concentração volumétrica das nanopartículas e a temperatura do fluido-base aumentam; (ii) o diâmetro das nanopartículas diminui. Observou-se, também, que a queda de pressío do lado do nanofluido e, conseqüentemente, a potência de bombeamento, aumentam com a concentração volumétrica de nanopartículas, mas diminuem para diâmetros das nanopartículas menores e temperaturas mais elevadas do fluido-base. Os resultados para um sistema típico mostraram que o uso de nanofluidos como fluidos secundários pode levar a uma redução de até 6% na área do evaporador, quando comparado com o fluido-base convencional.
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Aluno(a) : Frederico Carvalho Gomes
Orientador(a): Marcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/15/2009
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Resumo: Uma das etapas do processo de perfuração de um poço de petróleo é a cimentação, ela prove o isolamento das zonas e a sustentação do revestimento. Durante o processo de cimentação é necessário a substituição da lama de perfuração pela pasta de cimento. Para evitar a mistura entre esses fluidos é normalmente utilizado um fluido espaçador. Dessa forma é comum que sejam bombeados 3 ou mais fluidos através do anular excêntrico formado pela parede da rocha e o revestimento. A análise completa do escoamento no espaço anular, que ocorre durante o processo de cimentação é extremamente complexa, pois os fluidos em questío podem apresentar comportamento nío-Newtoniano e o escoamento é tridimensional e em regime transiente. Desta forma, a análise computacional do processo é extremamente cara. Modelos simplificados para o processo estío disponíveis na literatura e sío largamente utilizados em softwares comerciais pela indústria de exploração de petróleo. No entanto, as muitas simplificações adotadas nestes modelos limitam os parâmetros nos quais sío obtidos bons resultados. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo 2D para esse escoamento 3D utilizando as simplificações propostas pela teoria de lubrificação. O modelo desenvolvido considera a variação de inclinação e excentricidade ao longo do poço e as características nío-Newtonianas dos fluidos envolvidos. Os resultados obtidos mostram como as propriedades dos fluidos e a geometria do poço afetam a eficiência do processo de bombeio.
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Aluno(a) : Jaques Savino
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Monica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/07/2009
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Resumo: O estudo de escoamentos no espaço anular é de fundamental importância para a compreensío do processo de cimentação de poção. A lama de perfuração deve possuir propriedades reológicas tais que garantam um bom desempenho na lubrificação/ resfriamento das brocas, no carreamento de cascalho até a superfície, bem como na manutenção da pressío do poço através da coluna hidrostática. Durante o processo de cimentação, esta lama deve ser removida e substituída por uma pasta de cimento. O cimento tem a função de revestir a parede da formação, promovendo estabilidade mecânica e prevenindo infiltrações. O processo de substituição ocorre pelo deslocamento de um fluido por outro no espaço anular entre a formação rochosa e o revestimento. Para melhorar o processo de cimentação, utilizam-se fluidos intermediários (colchões lavadores ou espaçadores), entre os fluidos principais. Deste modo, é importante conhecer o efeito da reologia de tais fluidos sobre o processo de deslocamento. Lama de perfuração e pasta de cimento têm comportamento viscoplástico. Tais materiais possuem uma tensío limite de escoamento, abaixo da qual sua viscosidade é extremamente elevada. Entretanto, após este limite, estes materiais passam a ter comportamento pseudoplástico, isto é, a viscosidade decresce em função da taxa de deformação. Colchío lavador apresenta comportamento newtoniano. Foi utilizado o modelo reológico SMD (Souza Mendes e Dutra) para descrever a viscosidade dos fluidos nío newtonianos. Nesse trabalho foi analisado numericamente o processo de deslocamento de um fluido por outro em geometria horizontal nío retilínea. A perfuração de poção horizontais utiliza técnicas para alterar a direção da broca, onde a aplicação de forças corrige o direcionamento da broca. Entretanto, é obtido um perfil senoidal após a perfuração, devido à técnica de compensação vertical da direção. A geometria analisada será desenvolvida em ziguezague, para representar esta característica. Para simular o processo de deslocamento tridimensional foi utilizado um software comercial baseado na técnica dos volumes finitos, e o método VOF (Volume of Fluid). Foram estudadas duas etapas do processo. Na primeira situação, o fluido deslocador (nío newtoniano) simula a pasta de cimento enquanto o deslocado (newtoniano) simula o colchío espaçador. Na segunda situação, o fluido deslocador (newtoniano) simula o colchío espaçador enquanto o deslocado (nío newtoniano) simula a lama de perfuração. A forma da interface entre os fluidos foi analisada variando-se as propriedades reológicas e a vazío, para determinar a eficiência do deslocamento. Perfis pontiagudos sugerem uma indesejável deficiência de remoção do fluido deslocado. Por outro lado, perfis achatados indicam um deslocamento mais eficiente. Com base nesses resultados foi possível prever quais parâmetros operacionais aperfeiçoam o processo de deslocamento.
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Aluno(a) : Jane Celnik
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/11/2008
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Resumo: Durante a perfuração e cimentação de poção de petróleo e gás, diversos fluidos circulam no espaço anular formado entre a coluna de revestimento e a formação rochosa. A boa aderência do cimento à formação e à coluna de revestimento depende de quío bem o fluido de perfuração é deslocado para fora do espaço anular pelos fluidos lavadores e espaçadores e de quío bem a pasta de cimento desloca esses últimos. Falhas na cimentação podem comprometer a vedação hidráulica do poço causando sérios danos ambientais e perdas na produção. Portanto, é importante estudar o processo de deslocamento de fluidos em espação anulares e determinar as condições que garantam a eficiência de deslocamento. Neste trabalho foi investigado experimentalmente o deslocamento de fluidos para regimes laminares em um espaço anular formado por cilindros concêntricos. A eficiência de deslocamento foi associada à configuração da interface formada entre os fluidos. Foram realizados testes de visualização na planta experimental existente no laboratório e foi construída uma nova planta experimental em menor escala. Na nova planta experimental, foi verificada a possibilidade da adição, ao fluido deslocador, de micropartículas que refletem a luz incidida por feixes de laser formando um plano de visualização. A maior dificuldade observada para a utilização desta técnica foi encontrar fluidos com índices de refração parecidos. Foram estudados o caso de um fluido newtoniano mais viscoso deslocando um menos viscoso e vice-versa para três diferentes vazões.Foi observado que quanto menor a vazío, mais plano é o formato da interface entre os fluidos, o que indica um deslocamento mais eficiente.
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Aluno(a) : Bruno José Barreto Nassar
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/17/2008
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Resumo: Atualmente, o escoamento de fluidos nío Newtonianos está presente em diversos processos industriais e também no dia-a-dia de todos. Na presente dissertação, inicialmente, é apresentada uma nova equação constitutiva capaz de modelar fluidos que possuam tanto elasticidade como viscoplasticidade, sendo este novo modelo definido como elasto-viscoplástico. Para a melhor compreensío do modelo, é realizada, anteriormente, uma breve revisío dos fluidos nío Newtonianos, com maior ênfase para o modelo viscoplástico SMD e o modelo viscoelástico de Oldroyd-B, que possuem grande influência no novo modelo constitutivo. Em seguida é apresentada uma nova metodologia de adimensionalização levando-se em conta apenas os parâmetros reológicos neste processo, garantindo a independência das equações com relação a vazío. Por fim, é realizada a simulação deste novo modelo em um escoamento com uma expansío e contração abrupta. Nesta simulação, é analisado o comportamento do fluido ao passar por esta cavidade com relação às principais variáveis da equação constitutiva. A simulação foi realizada pelo método dos elementos finitos e os resultados mostram a influência do número de Deborah, da velocidade, do expoente power-law e da razío entre os tempos de retardo e de relaxamento, na perda de carga e no padrío de escoamento.
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Aluno(a) : Selma Fontes de Araujo Andrade
Orientador(a): Marcio Carvalho e Juliana Valério
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/26/2008
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Resumo: O conhecimento do escoamento no interior das Bombas de Cavidades Progressivas (BCP) é de grande importância para aprimorar o desenho e a aplicação destas bombas em poção de petróleo. A simulação do escoamento na BCP é extremamente complexa devido ao caráter transiente, à presença de paredes móveis e à diferença de escala do tamanho da folga entre o estator e o rotor. Esta complexidade torna impraticável o uso da simulação como ferramenta de projeto. Esta dissertação apresenta um modelo assintótico do escoamento no interior de BCP monolobular com estator metálico. O modelo foi desenvolvido para fluido newtoniano e utiliza a teoria da lubrificação para reduzir as equações tri-dimensionais de Navier-Stokes a uma equação de Poisson bi-dimensional, para o campo de pressío. As equações diferenciais do modelo, escritas com coordenadas cilíndricas, foram resolvidas numericamente pelo método de diferenças finitas de segunda ordem. O programa desenvolvido em Matlab oferece resultados que reproduzem satisfatoriamente os dados experimentais, com tempo de processamento e capacidade computacional significativamente inferiores aos modelos que resolvem o sistema completo de equações. Os resultados obtidos mostram o efeito de parâmetros geométricos e operacionais, tais com folga estator-rotor, número de estágios, viscosidade e densidade do fluido, rotação e diferencial de pressío, nas curvas de desempenho da bomba.
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Aluno(a) : João Felipe Barbosa Alves
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/08/2008
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Resumo: Neste trabalho, foi realizado um estudo comparativo de eficiência e acurácia dos métodos de partículas Moving Particle Semi-implicit Method (MPS) e Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). A acurácia dos métodos de partículas foi determinada tomando-se como referência os métodos dos Volumes Finitos e Volume of Fluid (VOF). A comparação de acurácia entre os métodos MPS e SPH foi realizada através da simulação dos problemas de quebra de barragem e de descarga de água. Além disso, o problema de escoamento laminar em uma cavidade quadrada e o problema do tubo de choque foram simulados com sucesso pelo método SPH. A análise de eficiência foi realizada pela determinação do tempo total de processamento em função do número de partículas. Adicionalmente, uma análise da influencia do número de partículas na solução foi realizada. Os resultados obtidos mostram que ambos os métodos podem ser considerados como boas ferramentas para a simulação de fluidos.
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Aluno(a) : Maria Angélica Acosta Pérez
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/16/2008
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Resumo: Neste trabalho é apresentado o estudo da interação entre um jato supersônico e uma superfície plana, com o objetivo de analisar o comportamento do campo de velocidade, pressío e temperatura do escoamento. Este estudo encontra sua motivação no processo de descamação térmica de rochas duras, a qual pode resultar da iteração entre um jato a alta pressío e temperatura e a rocha. Este processo, que pode ser útil na perfuração de rochas duras e profundas, ocorre devido ao acúmulo de tensões térmicas na rocha, o qual pode acarretar sua fratura. Este tipo de processo também envolve diversos mecanismos aerodinâmicos e termodinâmicos, que sío isoladamente fenômenos abertos. No desenvolvimento deste trabalho o escoamento foi modelado pelas equações de Navier – Stokes bidimensionais para uma mistura de gases perfeitos em um sistema de coordenadas cilíndrico. O modelo considerado para descrever o transporte turbulento é o modelo de uma equação de Spalart – Allmaras, o qual envolve a solução de uma equação diferencial para a viscosidade turbulenta. Estas equações sío resolvidas utilizando-se uma metodologia de volumes finitos adaptada a escoamentos compressíveis. A descrição dos escoamentos transientes obtidos necessitou de diversas modificações ao código computacional existente. Estas modificações trataram, em particular, das condições de contorno, que utilizam a noção de características, e do modelo de turbulência. A estrutura do escoamento resultante da iteração entre o jato supersônico e a parede é estudada, avaliando-se a influência (i) da distância entre a saída do jato e a parede, (ii) da razío de pressões entre o jato e o ambiente. Além disso, é examinada a evolução transiente do escoamento. Os resultados obtidos sío analisados com vista a obter as melhores condições aerodinâmicas para o processo de descamação térmica.
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Aluno(a) : Luis Enrique Alva Huapaya
Orientador(a): Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/10/2008
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Resumo: Neste trabalho se apresenta um estudo experimental e numérico de escoamentos turbulentos quimicamente reativos em um queimador tipo obstáculo. O objetivo principal é estudar uma chama turbulenta nío pré-misturada de configuração geométrica simples. Esta chama, que queima gás natural e ar, é estabilizada por um queimador tipo obstáculo. Inicialmente um estudo bibliográfico do estado da arte de experimentos e da comparação entre experimentos e modelagem neste tipo de queimador é apresentado. Na sequência, a formulação matemática, clássica, de dinâmica dos fluidos computacional é exposta, seguida da apresentação da técnica de medição empregada nos experimentos, a fluorescência induzida por plano laser (PLIF). A discussío dos resultados obtidos neste trabalho é divida em três etapas. Na primeira, comparam-se os resultados de modelagem computacional usando quatro modelos de turbulência e dois modelos de combustío com dados experimentais encontrados na literatura. Esta comparação coloca em evidência o conjunto de modelos que possui melhor capacidade preditiva no que diz respeito a este tipo de configuração. A segunda etapa consiste na apresentação dos resultados experimentais obtidos, os quais permitem caracterizar, em três regimes de combustío distintos, a presença de uma espécie química existente durante o processo de combustío, no caso, o radical hidroxila (OH). Esta caracterização é realizada pelo exame tanto da estrutura instantânea da chama turbulenta quanto da média. Por fim, comparam-se os resultados da modelagem com aqueles obtidos no presente aparato experimental. Esta comparação coloca em evidência as deficiências dos modelos clássicos de combustío empregados e indica a necessidade de serem realizadas medidas simultâneas de velocidade e de concentração de espécies químicas que possibilitem o desenvolvimento de novos modelos de combustío em escoamento turbulento.
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Aluno(a) : Paul Ortega Sotomayor
Orientador(a): José A.Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/08/2008
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Resumo: É desenvolvido um modelo de simulação de evaporadores automotivos tipo placa (Brazed Laminated Plate), para o resfriamento de ar úmido. O modelo estudado adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em um número de elementos de troca de calor, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de energia sío aplicadas. Para efeito da determinação do coeficiente local de troca de calor e do fator de atrito, o modelo considera duas regiões na troca de calor. Pelo lado do refrigerante foi considerada uma regiío bifásica (líquido - vapor) e outra, de superaquecimento (vapor). No lado do ar têm-se duas condições: com a superfície do evaporador seca ou molhada. Para cada zona foram levadas em conta diferentes mecanismos de transferência de Calor. Também foi estudada a queda de pressío do lado do refrigerante e do lado do ar, utilizando, para tal, as respectivas correlações de queda de pressío. Para a simulação foram consideradas definidas as condições de entrada dos fluídos e a geometria do evaporador. Um programa foi desenvolvido em FORTRAN para calcular os estados termodinâmicos de saída dos dois fluídos. As propriedades do refrigerante foram calculadas utilizando o software REFPROP versío 7.0, desenvolvido no NIST, EUA, o que permitiu a modelagem do trocador de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Novos refrigerantes, H e 1234yf, ainda nío constantes da biblioteca REFPROP v07, foram também testados. Os resultados da simulação foram comparados com dados experimentais disponíveis.
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Aluno(a) : Carlos Thomas Guimarães Lopes Junior
Orientador(a): José A.Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/25/2007
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Resumo: O presente trabalho realiza uma comparação entre o ciclo Rankine tradicional e uma nova proposta de ciclo Rankine para uma planta de cogeração na indústria siderúrgica. O ciclo inovador é caracterizado por um sistema de regeneração direta de vapor seguida de bombeamento bifásico substituindo o uso de pré-aquecedores como no ciclo tradicional. Para a simulação dos ciclos de potência é empregado o Software Gate Cycle, Sío simuladas e estudadas diversas alternativas de configuração para a aplicação da nova tecnologia. A melhor alternativa de configuração do ciclo inovador é entío comparada com o ciclo tradicional por meio da aplicação das análise de Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.Obesrvou-se, entretanto, pouca diferença no desempenho do ciclo tradicional e no ciclo modificado.
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Aluno(a) : Julio Manuel Barros Junior
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/21/2007
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Resumo: O escoamento entre cilindros concêntricos com rotação do cilindro interno e com a imposição de um gradiente axial de pressío foi estudado experimentalmente. A razío de raios era 0,64 e razío de aspecto era 265. O fator de atrito e campos de velocidade foram estudados para quatro rotações diferentes do cilindro interno e para os três regimes de escoamento: laminar, transição laminar-turbulento e turbulento. Os campos de velocidades foram obtidos através da técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Os resultados para os fatores de atrito revelaram que a influência da rotação foi mais pronunciada para regimes laminares e de transição. Para estes dois regimes o aumento observado foi de 100% de f/fO. Para o regime de escoamento turbulento, o aumento foi decrescendo gradativamente até o valor de 10% de f/fO para Reaxial= 8458. Os campos de velocidade instantâneos revelaram padrões complexos do escoamento. Os perfis de velocidade axial médios tomavam uma forma achatada, com o aumento da rotação do cilindro interno e do número de Reynolds axial. Para o regime de escoamento turbulento, a influência da rotação do cilindro nos perfis de velocidade era pequena.
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Aluno(a) : Elder Marino Mendoza Orbegoso
Orientador(a): Luís Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/14/2007
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Resumo: O presente trabalho tem como finalidade avaliar os diferentes modelos de mistura para o cálculo da combustío de reagentes pré-misturados utilizando a abordagem de Reator Parcialmente Misturado (PaSR). Os modelos de mistura considerados neste trabalho foram os modelos de mistura IEM Estendido, Langevin e Langevin Estendido. Investiga-se aqui o grau de mistura previstos por tais modelos e sua influência sobre as propriedades termoquímicas em um processo de combustío. A primeira parte deste trabalho consiste na apresentação e avaliação destes modelos de mistura, na qual considerou-se um campo escalar inerte em presença de um campo turbulento homogêneo e isotrópico. Uma vez que estes modelos de mistura envolvem formulações do tipo estocástico, sua implementação foi realizada utilizando o método de Monte Carlo mediante a utilização de esquemas numéricos adequados à resolução de equações diferenciais estocásticas. Assim, estuda-se a evolução da Função Densidade de Probabilidade (PDF) e das principais propriedades do campo escalar para cada modelo implementado. Os resultados obtidos sío também comparados com simulação numérica direta e resultados analíticos disponíveis. Um ótimo acordo em termos qualitativos e quantitativos é obtido. Após a validação e verificação dos modelos de mistura para o caso inerte, a segunda parte deste trabalho utilizou estes modelos para o estudo numérico de um PaSR no qual sío modelados os processos difusivo e reativo presentes durante a combustío. O PaSR foi utilizado para avaliar a influência dos modelos de misturas nas propriedades termoquímicas da mistura em uma situação de combustío de tipo pré-misturada, que foi modelada utilizando-se uma variável do progresso de uma reação. Os resultados obtidos com os diferentes modelos de mistura foram comparados para diferentes regimes de funcionamento do PaSR.
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Aluno(a) : Aline Amaral Quintella Abdu
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/03/2007
Local:
Resumo: Os materiais termoplásticos compósitos, tais como o polipropileno reforçado com fibras de vidro curtas, sío usados cada vez mais em diversos setores industriais. O reforço da fibra de vidro é uma forma utilizada para melhorar as propriedades mecânicas dos termoplásticos, devido ao elevado módulo das fibras e à melhor adesío entre as fibras e a matriz polimérica. No entanto, há poucas informações referentes as propriedades desses fluidos na literatura. No presente trabalho, um estudo das propriedades cisalhantes e elongacionais do polipropileno reforçado com fibras de vidros curtas é apresentado. As viscosidades cisalhantes e elongacionais foram obtidas em um reômetro capilar através da medição da queda de pressío na entrada convergente de um capilar axissimétrico. Utilizou-se duas geometrias diferentes na entrada do capilar, para a obtenção dos dados experimentais: as geometrias semi-hiperbólica convergente e cônica convergente. Neste último a viscosidade elongacional foi obtida a partir da queda de pressío na entrada, utilizando as análises de Cogswell e Binding. Simulações numéricas foram realizadas com o objetivo de se investigar o comportamento do polipropileno em um processo de extrusío. As equações de conservação de massa e quantidade de movimento foram resolvidas utilizando o método dos elementos finitos a partir do programa comercial Polyflow (Ansys). Para modelar o comportamento da mecânico viscoelástico do polipropileno utilizou-se os modelos de Maxwell, Oldroyd-B e Phan-Thien Tanner (PTT), no entanto a comparação entre os resultados numéricos e os experimentais obtidos no reômetro capilar nío apresentaram concordância satisfatória.
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Aluno(a) : Fabio Rocha Hoelz
Orientador(a): Marcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/21/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme
Resumo: A interação entre escoamentos e sólidos flexíveis possuem diversas aplicações tecnológicas. Como exemplo pode-se citar o fenômeno de redução da força de arraste em corpos revestidos por uma camada resiliente. Atualmente, diferentes dispositivos microfluidodinâmicos sío baseados no escoamento retilíneo através de canais revestidos com materiais flexíveis, como geis e borrachas. Acima de uma tensío cisalhante crítica agindo na camada resiliente, o padrío de escoamento é completamente alterado, dando origem a um escoamento transiente com pequenas recirculações. Esta mudança no escoamento é acompanhada por um aumento significativo das taxas de transferência de calor e dispersío. Apesar da publicação recente de vários trabalhos experimentais, determinando as condições críticas nas quais os escoamentos tornam-se instáveis e estudando os padrões globais dos escoamentos resultantes, pouco se sabe sobre o efeito dos diversos parâmetros nas condições críticas e sobre os detalhes do padrío de escoamento após a instabilidade. Este trabalho apresenta uma análise teórica do escoamento retilíneo no espaço anular entre dois cilindros concêntricos, sendo um deles revestido com uma camada de borracha. As equações diferenciais que descrevem o escoamento bi-dimensional transiente e a deformação da camada resiliente sío resolvidas simultaneamente utilizando-se o método de Galerkin / Elementos Finitos e um método totalmente implícito para integração no tempo. A condição crítica de perda de estabilidade foi determinada para cada geometria e propriedades do líquido e do sólido elástico. Os resultados mostram que as condições críticas podem ser obtidas através da análise teórica descrita neste trabalho e fornecem um melhor entendimento dos mecanismos que levam a perda da estabilidade e do comportamento do escoamento após a transição.
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Aluno(a) : Clovis Henrique Meirelles Fonseca
Orientador(a): Sergio Braga e Sandro Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/18/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme
Resumo: Resumo: Este estudo foi realizado visando avaliar o desempenho de um grupo gerador na geração de energia elétrica nas áreas remotas do Brasil utilizando um combustível renovável, o óleo de dendê in natura. Foi investigado, em laboratório, o comportamento de um motogerador diesel, de 3 kVA ligado a um banco de carga composto por 16 lâmpadas de 150 kW. O desempenho do motor foi avaliado com a utilização do óleo de dendê, tendo como referência o desempenho do mesmo grupo gerador utilizando o óleo diesel. Devido à alta viscosidade do combustível escolhido, foi necessário um pré-aquecimento do mesmo para que esta propriedade fosse semelhante à do diesel. As emissões de poluentes do motor utilizando o óleo vegetal foram em média menores do que com o motor utilizando diesel. No entanto, o consumo específico de combustível do motor utilizando óleo de dendê foi maior que o consumo específico de combustível utilizando o óleo diesel. Além disso, a potência média gerada com o dendê foi a mesma que a potência média gerada com diesel. Isso indica que é possível uma substituição do óleo diesel pelo óleo de dendê in natura nas remotas localidades do país.
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Aluno(a) : Deni Lemgruber Queiroz
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/17/2007
Local:
Resumo: No processo de transporte e produção de petróleo e seus derivados em linhas submarinas, o controle da transferência de calor entre o produto quente e o mar frio, é fundamental para a garantia do escoamento. Se a temperatura do produto cair abaixo de determinados valores críticos, problemas como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação podem ocorrer, levando ao bloqueio da linha e interrupção de produção, demandando altos custos. A perda de calor para o ambiente é minimizada, através de isolantes térmicos projetados para operações em regime permanente. Nestes casos, devido as altas velocidades do escoamento axial, o qual é tipicamente turbulento, o processo de transferência de calor dominante é o de convecção forçada. Porém, durante uma operação de manutenção de algum equipamento, a produção pode ser interrompida e o fluido ficando parado no interior da linha, tende a resfriar-se podendo atingir uma temperatura crítica. Durante este resfriamento, na ausência de bombeio, o processo de convecção natural passa a dominar. O presente trabalho analisa o processo de transferência de calor após a parada de bombeio, considerando os efeitos da convecção natural no resfriamento do produto, assim como a influência da capacidade térmica da parede do duto e das camadas de revestimento no transiente térmico. Inicialmente, considera-se que o escoamento axial é rapidamente levado ao repouso e utiliza-se um modelo bidimensional da seção transversal do duto, utilizando três produtos típicos: um óleo leve, um óleo pesado, e um gás. Os campos de velocidade e temperatura sío obtidos numericamente utilizando o software FLUENT, considerando a hipótese de Boussinesq para avaliar a convecção natural. A taxa de resfriamento obtida é comparada com a previsío de um modelo unidimensional na direção axial, que utiliza correlações empíricas para avaliar a transferência de calor entre o fluido e a parede da tubulação, em função do regime de escoamento. Boa concordância entre as simulações para a seção central da linha é obtida. No entanto, como as variações axiais para o caso do gás sío maiores, para este produto, um modelo tridimensional também foi analisado, onde considerou-se os efeitos combinados da convecção forçada e natural. Adicionalmente, a hipótese de Boussinesq foi eliminada, e a equação de gás ideal foi considerada.
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Aluno(a) : Carlos Eugenio Carceroni Provenzano
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/22/2007
Local:
Resumo: Escoamentos bifásicos sío encontrados com freqüência em diversas aplicações, em especial na indústria de petróleo. A previsío destes escoamentos é fundamental para o projeto e operação eficientes das linhas de produção de gás e petróleo. No presente trabalho desenvolveu-se uma metodologia para resolver o escoamento bifásico em tubulações longas utilizando o Modelo de Drift, uma vez que este se destaca pela sua capacidade de prever desde escoamentos com bolhas dispersas até escoamentos com fases separadas do tipo golfada.. As equações de conservação foram discretizadas pelo método de Volumes Finitos utilizando a aproximação upwind para os termos convectivos, e Euler implícito para o termo temporal. O sistema algébrico foi resolvido de forma acoplada, com um algoritmo de TDMA por blocos. Diversos casos testes foram analisados demonstrando a capacidade do método de prever situações extremas. A metodologia também foi aplicada na previsío do regime de golfadas severas (severe slug), o qual gera alternância na produção da fase gasosa e líquida. O regime severo de golfadas é geralmente descrito em quatro fases: formação da golfada, produção da golfada, rompimento da golfada pela fase gás e fluxo reverso do que restou da fase líquida. Este regime de escoamento predispõe o duto a condições mais extremas do que qualquer outro regime, devido a um grande aumento de pressío no duto durante a formação da golfada e aumento na taxa de produção durante a expulsío da mesma. Os resultados obtidos para o campo de pressío, vazío de líquido e fração de líquido foram comparados com dados disponíveis na literatura apresentando uma concordância bastante satisfatória.
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Aluno(a) : Miguel Angel Alvarez Aquino
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Luis Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/14/2006
Local:
Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo experimental de escoamentos turbulentos quimicamente inertes e reativos em um queimador tipo obstáculo. O objetivo principal é a caracterização do escoamento através da obtenção do campo de velocidade instantâneo utilizando técnicas óticas nío intrusivas. As técnicas empregadas foram a Velocimetria Laser Doppler (LDV) e a Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV), as quais possibilitaram a medição das componentes transversal e longitudinal da velocidade do escoamento em estudo. Os resultados experimentais obtidos foram comparados com aqueles oriundos da simulação numérica usando um programa computacional existente. Sío analisados os acordos e as discrepâncias obtidas, colocando-se em evidência a capacidade e as limitações de cada uma das técnicas utilizadas.
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Aluno(a) : Julio Cesar Cuisano Egúsquiza
Orientador(a): Sergio Braga e Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/06/2006
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Resumo: Neste estudo os esforção sío concentrados em buscar-se a redução das emissões em motores Diesel-gás. Assim, sío apresentados resultados experimentais, obtidos em dinamômetro de bancada, das emissões e desempenho de um motor do ciclo Diesel (turbo alimentado e com intercooler), para operar, reversivelmente, como motor Diesel-gás ou Diesel original. Inicialmente foram executados ensaios nas duas versões, Diesel e Diesel-gás, e os resultados foram comparados em termos de emissões e desempenho do motor. A seguir, na operação Diesel-gás, foi avaliado o método da restrição parcial do ar de admissío, a fim de produzir uma mistura efetivamente mais rica para a mesma quantidade do gás natural. Os resultados obtidos mostraram uma notável redução nas emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos nío queimados para toda a faixa de operação avaliada. Por outro lado, as emissões de material particulado continuaram sendo ínfimas em altas taxas de substituição e os níveis de óxidos de nitrogênio apresentaram certo incremento em altas cargas do motor. Quanto ao rendimento térmico, verificam-se acréscimos quando é alcançado certo valor de taxa de substituição. Contudo, os resultados de emissões e rendimento térmico apresentam melhores resultados em baixas cargas do motor (abaixo de 50% da plena carga). Assim, além de reduzirem-se os níveis de certas emissões em altas cargas, verificou-se uma contribuição adicional do presente trabalho no que diz respeito à redução, de forma parcial, de um dos principais problemas envolvendo a combustío em motores Diesel-gás: a queima incompleta de misturas pobres em cargas baixas.
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Aluno(a) : José Luis Plasencia Cabanillas
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/07/2006
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Resumo: A tendência da produção offshore do petróleo é crescente. O transporte do óleo nestes ambientes frios (águas profundas) ocasiona a perda de solubilidade e precipitação das parafinas de alto peso molecular. A deposição de parafinas nas paredes internas das linhas é um problema critico para o transporte do óleo, causando a bloqueio parcial ou total da linha, um incremento da potencia de bombeamento e elevados custos de manutenção que sío proporcionais ao incremento da lamina de água.A pesquisa bibliográfica feita revela que ainda existem discordâncias entre os pesquisadores sobre a relevância de cada um dos mecanismos de deposição de parafina conhecidos. O melhor entendimento dos mesmos resultaria em predições acuradas das taxas de deposição que seriam muito importantes para programas de manutenção e o design de novas linhas.A filosofia do presente trabalho é realizar experimentos simples, com propriedades de fluido conhecidas e condições de contorno bem controladas procurando um melhor entendimento da importância e relevância de cada um dos mecanismos de deposição. Para este fim foram realizadas experiências de visualização do fenômeno de deposição para uma mistura de óleo-parafina escoando em regime laminar, submetida a diferentes condições de temperatura. Experiências feitas com cristais de parafina precipitados em suspensío mostraram que é necessário um fluxo de calor negativo para produzir deposição. Para fluxos de calor zero e positivo nío foi visualizada deposição alguma. Adicionalmente, para condições de fluxo de calor negativo, foram realizadas medições da evolução temporal da espessura da camada depositada tendo como variáveis, diferentes Números de Reynolds e gradientes de temperatura. Os perfis obtidos das experiências realizadas sío informação importante para serem comparados com diferentes modelos de simulação numérica.
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Aluno(a) : César Celis Pérez
Orientador(a): Luis Fernando Silva e e Sandro Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/20/2006
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Resumo: Entradas de ar submersas sío utilizadas para diversos sistemas de uma aeronave, tais como motor, ar-condicionado, ventilação e turbinas auxiliares. Neste trabalho, através de simulações numéricas, visa-se estudar a influência do uso de um gerador de vórtices sobre a espessura da camada limite a montante da entrada de ar, com o intuito de diminuir-la e assim aumentar a eficiência de recuperação de pressío dinâmica e a vazío mássica ingerida pela entrada. A pesquisa bibliográfica realizada mostrou que a espessura da camada limite a montante da entrada é o parâmetro determinante no desempenho deste tipo de entradas, e que quanto maior a espessura da camada limite, menor é o desempenho da entrada de ar. O escoamento em uma entrada NACA convencional, projetada para uma dada condição crítica de projeto, é analisado numericamente e seus resultados sío tomados como referência para as comparações com os casos nos quais o gerador de vórtices é utilizado. Em seguida, o gerador de vórtices é projetado, simulado e analisado numericamente e seus resultados sío utilizados para o posicionamento do mesmo em relação à entrada NACA. O resultado do acoplamento do gerador de vórtices isolado à entrada NACA é estudado através de uma análise paramétrica da posição horizontal, do ângulo de ataque e da área do gerador de vórtices. Para a esta configuração é projetado o mastro de suporte do gerador de vórtices, o qual é usado para fixar este em relação à entrada NACA. Finalmente, sío realizadas simulações do conjunto entrada NACA com gerador de vórtices e mastro para três ângulos de derrapagem do mastro.Os resultados mostram que a presença, tanto do gerador de vórtices livre como do gerador de vórtices com mastro, leva a reduções consideráveis da espessura da camada limite e, consequentemente, a ganhos significativos nos parâmetros de desempenho da entrada de ar. Para o caso da entrada NACA com gerador de vórtices livre, os ganhos obtidos em relação à entrada NACA convencional, em termos de eficiência e de vazío mássica, sío de até 58% e 21%, respectivamente, e para o caso da entrada NACA com gerador de vórtices e mastro, o melhor resultado exibe ganhos da ordem de 53% em termos de eficiência e de 19% em termos de vazío mássica que ingressa na entrada de ar. A contribuição do arrasto provocado pela presença do gerador de vórtices com mastro no arrasto total do conjunto entrada NACA com gerador de vórtices e mastro é pequena, menor que 10%. Porém, o coeficiente de arrasto total exibe aumentos consideráveis, da ordem de 80%, os quais sío conseqüências diretas do aumento da vazío mássica ingerida pela entrada de ar.
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Aluno(a) : João Neuenschwander Escosteguy Carneiro
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/03/2006
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Resumo: Escoamentos bifásicos no regime de golfadas são caracterizados pela alternância de pacotes de líquido e grandes bolhas de gás na tubulação, sendo associados a altas perdas de carga, além de trazer uma indesejada intermitência aos escoamentos. O desenvolvimento do regime de golfadas em tubulações horizontais se dá a partir do escoamento estratificado em decorrência de dois fatores: do crescimento natural de pequenas perturbações (por um mecanismo de instabilidade do tipo Kelvin-Helmholtz) ou devido à acumulação de líquido causada por mudanças de inclinação no perfil do duto. O presente trabalho consiste da simulação numérica do surgimento das golfadas em ambas as situações descritas acima, assim como do subseqüente desenvolvimento do escoamento neste padrão para um regime estatisticamente permanente. A previsão do escoamento é obtida utilizando-se uma formulação unidimensional baseada no Modelo de Dois Fluidos. Parâmetros médios das golfadas (comprimento, velocidade e freqüência) são comparados com estudos numéricos e experimentais da literatura, obtendo-se uma concordância bastante satisfatória, especialmente dada a simplicidade de uma formulação unidimensional.
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Aluno(a) : Victor Manuel Cardenas Tarazona
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/21/2005
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Resumo: O estudo de escoamentos em espaço anular é de fundamental importância para o entendimento e otimização do processo de perfuração de poção. A lama de perfuração deve possui propriedades reológicas e termofísicas tais que garantam um bom desempenho no carreamento de cascalho, na lubrificação e refrigeração das brocas, na limpeza do poço, manutenção da pressío da coluna de líquido para equilibrar a pressío das formações atravessadas e estabilizar as paredes do poço. Uma análise completa desta situação é extremamente complexa; o cilindro interno (coluna) pode estar girando, a geometria da parede do poço nío é um cilindro perfeito, o espaço anular é excêntrico e a excentricidade varia ao longo do poço. Além disto, lamas de perfuração possuem um comportamento pseudoplástico, isto é a viscosidade é função da taxa de deformação. Os modelos que levam em conta todos esses fatores sío extremamente complexos e caros computacionalmente. Os modelos disponíveis na literatura utilizam hipóteses simplificadoras para tornar a análise menos complexa. Muitos trabalhos consideram a rotação do cilindro interno e o comportamento nío Newtoniano, mas desprezam a variação da excentricidade ao longo do poço. Mesmo com esta simplificação, os modelos apresentados, que consistem na solução da equação bi-dimensional para determinar o campo de velocidade axial e tangencial do escoamento desenvolvido em um espaço anular, possuem alto custo computacional. O modelo apresentado neste trabalho leva em conta a variação da excentricidade ao longo do poço, bem como o comportamento pseudoplástico da lama e a rotação do cilindro interno. As equações que governam o problema foram simplificadas utilizando a teoria de lubrificação. As equações diferenciais parciais que descrevem o perfil de velocidade e a pressío ao longo do poço foram resolvidas pelo método de diferenças finitas (diferenças centrais) e linearizadas pelo método de Newton. O modelo de lubrificação foi validado através da comparação dos resultados obtidos com trabalhos na literatura para escoamentos com excentricidade constante. Os resultados mostram o efeito da variação da excentricidade ao longo do poço, da rotação na coluna, das propriedades nío Newtonianas no padrío do escoamento e no fator de atrito.
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Aluno(a) : David Iván Maldonado Távara
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/14/2005
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Resumo: O presente trabalho estudou o escoamento axial de fluido através de um espaço anular com rotação do cilindro interno. Esta configuração encontra aplicações em diversas situações de interesse industrial, como reatores químicos catalíticos, filtros e nas operações de perfuração de poção produtores de petróleo e gás. Além destas aplicações a configuração estudada representa um problema clássico em mecânica dos fluidos onde podem ocorrer diversas combinações de padrões de escoamento.O trabalho realizado concentrou-se na determinação experimental da influência da rotação do cilindro interno na queda de pressío axial, associada à potência de bombeamento requerida. Para isso foi projetada e construída uma seção de testes formada por um tubo externo transparente e um cilindro interno com rotação controlável. A seção de testes possuía comprimento suficiente para garantir a obtenção da condição de escoamento hidrodinamicamente desenvolvido. Tomadas de pressío ao longo da seção de testes permitiam a determinação do gradiente de pressío axial. O problema em estudo é governado pelos seguintes parâmetros adimensionais: razío de raios do cilindro externo e interno, número de Reynolds e número de Reynolds rotacional. Dentre estes parâmetros, a razío de raios foi mantida constante ao longo dos experimentos em valor igual a 0,65. A faixa de números de Reynolds investigada foi de 150 a 15000, enquanto o Reynolds rotacional variou de 50 a 100. Os resultados de queda de pressío em termos do fator de atrito indicaram uma aumento de cerca de 15% para o maior valor de rotação investigada.
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Aluno(a) : Mauricio Ladeira Casado
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/16/2005
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Resumo: Neste estudo foi desenvolvido um sistema de alimentação mecânico para conversío de um motor do ciclo Diesel para operar como um motor Dual diesel-gás natural, com campo de aplicação em embarcações fluviais de pequeno e médio porte. Primeiramente foram executados ensaios no modo original, diesel puro, e em seguida com controle manual de injeção diesel-gás. Os resultados experimentais foram utilizados para comparação entre os dois modos de operação e como base para elaboração do sistema de conversío reversível, sempre mantendo os mesmos níveis de torque e potência do motor.Numa segunda etapa criou-se uma metodologia para construção do sistema de controle de alimentação Dual, para um regime de funcionamento simulando a operação do motor com uma hélice acoplada. O controle foi projetado, construído e montado no motor para realização dos testes de desempenho e validação do sistema. O motor foi testado novamente nos dois modos de operação e os resultados comparados em termos de desempenho global, eficiência e nível de emissões (particulados).Os resultados obtidos confirmam a viabilidade econômica e técnica de se operar o motor no modo Dual com os mesmos níveis de torque e potência do motor diesel original e validaram o sistema de controle projetado. Foram observadas reduções significativas das emissões (particulados) com um rendimento satisfatório para todo o regime de operação avaliado. As taxas de substituição impostas sío da ordem de 70%, limitadas pelo sistema de controle, para minimizar os riscos de possíveis danos ao motor em termos de superaquecimento dos bicos injetores e pela detonação.
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Aluno(a) : Mao Ilich Romero Velásquez
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/16/2005
Local:
Resumo: Deposição de parafinas, com alto peso molecular, na parede interna de linhas submarinas de produção e transporte continua a ser um problema crítico encontrado pela indústria de petróleo. Uma previsío precisa das taxas de deposição e da distribuição espacial da parafina depositada é uma informação fundamental para o projeto de linhas submarinas. Uma revisío minuciosa da literatura mostrou que nío existem informações suficientes para determinar quais sío os mecanismos relevantes para a deposição da parafina. No entanto, a maioria das simulações disponíveis emprega a difusío molecular como único mecanismo de deposição. Portanto, no presente trabalho realiza-se uma análise numérica do processo de deposição da parafina em dutos, utilizando o modelo de difusío molecular e compara-se com dados experimentais obtidos em um experimento simples e básico em um duto de seção retangular. Duas formulações matemáticas sío utilizadas para modelar a taxa de transporte de parafina para a parede do duto; a primeira formulação é uni-dimensional e estima a taxa de deposição da parafina a partir do gradiente de temperatura; a segunda formulação é bi-dimensional e a taxa de deposição é determinada em função do gradiente de concentração da parafina. O método de volumes finitos é empregado para resolver as equações de conservação de massa, energia e da fração de massa juntamente com a equação difusiva que descreve o crescimento do depósito de parafina. Adicionalmente, investigou-se a influência do calor latente no balanço de energia. Verificou-se que o calor latente acelera o processo de deposição, mas nío influencia na espessura final depositada, após atingir o regime permanente. Os resultados obtidos apresentam diferenças significativas com relação aos dados experimentais, indicando que a difusío molecular nío é o único mecanismo relevante para a deposição de parafina.
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Aluno(a) : Marlon Max Huamani Bellido
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/16/2005
Local: PUC-Rio
Resumo: A maioria das formas atuais de fornecimento de energia elétrica àsociedade nío é sustentável. Mais ainda, com a redução de sua disponibilidade, e conseqüente aumento de seu custo, existe uma tendência atual de se projetar sistemas energéticos que aproveitem o máximo a energia química do combustível. As soluções a serem adotadas devem ser específicas e dependem, caso a caso, dos perfis de consumo de energia elétrica e térmica. A cogeração é um conceito sempre presente nas formas de conversío energética do futuro, uma vez que propõe a otimização no aproveitamento das fontes ou recursos energéticos utilizados. Ela passa, necessariamente, por uma análise técnica-econômica, onde todos os insumos têm seu custo marginal ponderado, e as despesas energéticas finais sío quantificadas para minimizar o custo da energia produzida. Atualmente, a grande maioria das instalações de refrigeração sío consumidoras intensivas de energia elétrica. Na transformação dos sistemas convencionais para operação em cogeração, a energia térmica dos gases de exaustío dos equipamentos geradores de energia elétrica é aproveitada para acionar equipamentos de refrigeração intensivos em energia térmica, deslocando a energia elétrica que seria utilizada pelos sistemas convencionais. Nesta conversío, existe a necessidade de se estimar o consumo de energia elétrica utilizada pelos sistemas convencionais de refrigeração para que osistema de cogeração possa ser dimensionado. Neste trabalho, uma metodologia foi desenvolvida para a estimativa dos perfis elétrico e térmico mês a mês ao longo do ano, a partir dos poucos dados normalmente disponíveis. Para o perfil elétrico, dados anuais deconsumo de energia elétrica, a cada 15 minutos, existentes na PUC-Rio,foram utilizados como referência para este estudo. Para o perfil térmico, uma nova metodologia será desenvolvida;discutir-se-á como o consumo de energia térmica pode ser estimado da mesma forma que os cálculos de cargas de refrigeração de um sistemaconvencional, eles podem ser estimadas a partir dos dados disponíveis detemperatura do meio ambiente, radiação média incidente sobre as paredes,janelas e teto, além das cargas internas constantes da instalação.
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Aluno(a) : Jhoany Jhordann Barrera Escobedo
Orientador(a): Angela Nieckele e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/16/2005
Local:
Resumo: Linhas submarinas sío utilizadas na produção e transporte de petróleo e seus derivados. Em ambas as situações, o controle da transferência de calor do fluido para o ambiente externo pode ser um fator determinante para o escoamento. No caso de produção em águas profundas, o fluido aquecido perde calor para a água do mar gelada. A perda de calor é controlada através do isolamento térmico, o qual é projetado para operações de escoamento em regime permanente. Durante eventuais paradas de operação, o fluido estagnado no interior da tubulação ao perder calor para o ambiente frio, pode atingir níveis críticos de temperatura, acarretando graves problemas, tais como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação, o que pode levar ao bloqueio da linha e interrupção de produção. No transporte de produtos, o reinício de bombeio de fluidos muitos viscosos também é um problema crítico, devido ao aumento significativo da viscosidade com a redução da temperatura. O presente trabalho apresenta uma análise da influência da capacidade térmica da parede do tubo e das camadas de revestimento no transiente térmico de linhas com muito isolamento. A perda de calor da linha para o ambiente é determinada resolvendo-se a equação transiente de condução de calor para as camadas de revestimento da tubulação, utilizando um simples modelo uni-dimensional na direção radial. O método de volumes finitos é empregado para resolver o escoamento transiente no interior da tubulação acoplado com o transiente térmico na parede da tubulação, a partir do instante em que uma válvula é fechada na extremidade da tubulação interrompendo o fluxo. Comparações com as previsões de softwares comerciais foram realizadas e suas limitações sío discutidas. Resultados obtidos das simulações para o escoamento tanto de líquidos quanto de gases, considerando e desprezando a capacidade térmica, mostram que o efeito da mesma é relevante na determinação do tempo de resfriamento da linha e do fluido em seu interior.
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Aluno(a) : Alex Tadeu Almeida Waldmann
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e André Martins
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/12/2005
Local:
Resumo: Este estudo procurou observar e quantificar os parâmetros operacionais que governam as propriedades permoporosas da torta de filtração, formada após o escoamento de uma solução de glicerina com uma determinada concentração de sólidos. A formação de um reboco externo de baixa permeabilidade é um dos fatores mais importantes para minimizar da invasão do filtrado de fluido na rocha reservatório. A contaminação do reservatório pelo filtrado do fluido pode trazer vários problemas operacionais, que serão discutidos nesta dissertação. A eficiência do sistema de fluidos em minimizar a invasão é normalmente avaliada através de ensaios padrão de filtração estática. Neste trabalho dois objetivos centrais são definidos: Identificar os parâmetros operacionais que governam as propriedades permoporosas do reboco externo através de ensaios de filtração estática e disponibilizar uma metodologia para a avaliação da invasão do filtrado do fluido de perfuração na geometria poço-reservatório (escoamento radial), a partir de ensaios de laboratório de filtração estática (escoamento linear). Os resultados indicam que a solução da lei Darcy para o problema de filtração com formação de torta incompressível mostrou - se adequada para grande maioria dos ensaios experimentais com solução de glicerina contendo agentes obturantes. O mesmo não se verificou para ensaios com solução de goma xantana como meio contínuo. Os resultados experimentais obtidos mostraram também que, para uma mesma solução de glicerina contendo agente obturante, os valores de permeabilidade da torta de filtração obtidos na geometria linear e na geometria radial são semelhantes. Desta forma, pode - se validar a metodologia de previsão do grau da invasão de fluidos de perfuração na rocha reservatório (configuração radial) a partir de ensaios convencionais de laboratório (configuração linear).
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Aluno(a) : Luiz Fernando Romcy Sauerbronn
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/09/2005
Local:
Resumo: Examina-se o escoamento interno de líquidos viscoplásticos através de uma expansío-contração axissimétrica. Esta situação é representativa de vários escoamentos encontrados em processos industriais, como a extrusío, enchimento de moldes, e deslocamento de líquidos em meios porosos. A tensío limite de escoamento afeta fortemente o padrío de escoamento e o campo de pressío ao longo do canal. Neste trabalho, executaram-se experimentos de visualização utilizando soluções aquosas de Carbopol a diferentes concentrações, contendo microesferas para promover reflexío de luz. Construiu-se a secção de testes em acrílico transparente. Utilizou-se uma bomba de deslocamento positivo para mover o fluido através da secção, em loop aberto. Planificou-se um raio de luz laser para iluminar o plano contendo o eixo do canal. Usou-se uma câmera CCD para gravar as trajetórias das partículas para uma ampla faixa de razões comprimento/diâmetro grande e diâmetro pequeno/diâmetro grande, e para diferentes valores da tensío limite de escoamento adimensional. Observaram-se regiões sem movimento e regiões com movimento para diferentes combinações dos parâmetros adimensionais do problema. Uma mudança dramática do padrío de escoamento se observa em um valor critico da razío comprimento/diâmetro grande, aparecendo uma superfície de descontinuidade aparente no campo de velocidade. Para valores baixos da razío comprimento diâmetro grande, o líquido viscoplástico parece “fraturar” na vizinhança da regiío central do escoamento, e uma regiío sem movimento se observa longe da linha de simetria. Para grandes valores desta razío, esta superfície de descontinuidade aparente nío se observa.
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Aluno(a) : Cláudia Márcia Ferreira Costa
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/26/2005
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Resumo: A discussío em torno do problema da poluição atmosférica e sua relação direta com o aumento da morbidade e mortalidade nos grandes centros tem feito crescer a demanda por equipamentos capazes de coletar e classificar as partículas em suspensío no ar. Dentre estes equipamentos destaca-se o impactador inercial em cascata devido à simplicidade, baixo custo e alta aplicabilidade. Este consiste num instrumento no qual uma amostra de ar e poluentes (aerossóis) é obrigada a percorrer um trecho contendo obstáculos, chamados placas de impactação. Os obstáculos forçam o jato a mudar de direção, mas como as partículas têm maior inércia do que o fluido, nío acompanham as linhas de corrente do escoamento e acabam por depositar-se sobre estes obstáculos.Diferenças na geometria do instrumento envolvendo diminuição de área de passagem de escoamento e conseqüente aumento de velocidades, fazem com que, a cada estágio, partículas de diâmetros menores sejam coletadas.O desafio é, entío, projetar um equipamento que maximize a eficiência de coleta, diminuindo as perdas por deposição indesejável de partículas em certas regiões, recirculações e outros efeitos. Nesta Dissertação de Mestrado foi realizado o projeto de um impactador inercial em cascata de três estágios coletando partículas de 10, 2.5 e 1 μm, operando com vazío de 30 lpm a pressío atmosférica. Para avaliar o instrumento foram realizadas simulações numéricas com o objetivo de analisar características do escoamento e da trajetória de partículas e levantar as curvas de eficiência de coleta. Foram realizados também testes experimentais reproduzindo condições de uso com o intuito de levantar as curvas de eficiência reais. Os resultados numéricos e experimentais foram comparados e apresenta-se ao final, conclusões sobre o desempenho do instrumento e recomendações para trabalhos futuros.
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Aluno(a) : Melisa Yvone Zambrano Becerra
Orientador(a): Márcio Carvalho e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/15/2005
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Resumo: O processo de deposição de uma fina camada de líquido sobre um substrato em movimento é conhecido como processo de revestimento. Um das técnicas mais utilizadas é o Revestimento por Rotação Direta, devido a sua simplicidade e baixo custo de instalação e operação. A baixas velocidades, o escoamento na regiío de aplicação do líquido sobre o substrato é bi-dimensional e permanente. Porém quando a velocidade é elevada o escoamento bi-dimensional torna-se instável, levando a um escoamento tri-dimensional, com variação da espessura do filme de líquido depositado ao longo da largura do substrato. Este tipo de instabilidade é comumente denominado ribbing, e limita a velocidade do processo dependendo dos requisitos de uniformidade de espessura. Geralmente, os líquidos utilizados neste processo sío soluções poliméricas, os que apresentam um comportamento nío Newtoniano. Foi demonstrado, para líquidos Newtonianos, que o gradiente da pressío perto do menisco desestabiliza o escoamento. O parâmetro crítico para o aparecimento da instabilidade é o número de capilaridade. Para líquidos viscoelásticos, o comportamento do escoamento muda drasticamente, a instabilidade ocorre a números de capilaridade bem menores quando comparado ao caso Newtoniano. O mecanismo pelo qual a elasticidade desestabiliza o escoamento perto da superfície livre ainda nío é completamente entendido. Predições recentes mostraram que a zona de recirculação perto do menisco, presente para líquidos Newtonianos, diminui e desaparece posteriormente a medida que o escoamento torna-se mais viscoelástico (aumento do Número de Weissenberg). O objetivo deste trabalho é verificar experimentalmente este fenômeno e determinar o efeito das propriedades viscoelásticas do líquido no processo. Para isso, o escoamento entre uma placa estacionaria e um cilindro girante é analisado experimentalmente visualizando a regiío perto da superfície livre e medindo o campo de velocidade usando a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Diferentes soluções de polietileno glicol (PEG) de baixo peso molecular e oxido de polietileno (PEO) de alto peso molecular em água foram utilizadas como líquidos de testes. Suas propriedades reológicas foram medidas tanto em cisalhamento como em extensío.
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Aluno(a) : Juliana Kuhlmann Abrantes
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/11/2005
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Resumo: As características do escoamento e da transferência de calor em um jato espiralado incidindo em uma placa plana foram investigadas experimentalmente. Jatos incidindo ortogonalmente em superfícies lisas sío extensamente estudados por proporcionarem uma transferência de calor bastante eficiente. O presente trabalho estuda o efeito de uma componente tangencial de velocidade nos padrões do escoamento e na distribuição dos coeficientes de troca de calor. Imagens instantâneas do escoamento foram obtidas através da técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV) e perfis de velocidade axial, radial e tangencial foram medidos com Anemometria Laser Doppler (LDV). Os campos de velocidade medidos indicaram a presença de uma recirculação na regiío de estagnação para altos valores de intensidade de "swirl". Esta estrutura afeta a transferência de calor local na placa. O estudo investigou também a influência do espaçamento entre o jato e a placa.
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Aluno(a) : Danmer Paulino Maza Quií±ones
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/08/2005
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Resumo: O processo de revestimento por extrusío é amplamente usado nos processo de manufatura de diferentes produtos. Em geral a mínima espessura que pode ser obtida é diretamente proporcional à distância entre a barra de revestimento e o substrato (usualmente sustentado por um cilindro rígido) e inversamente proporcional a viscosidade do líquido. Na prática, a distância entre a barra e o substrato tem que ser grande o suficiente para evitar o risco da colisío entre as duas superfícies rígidas; tipicamente este valor é em torno de 100 mm. Conseqüentemente, existe um limite da menor espessura de filme que pode ser depositada, principalmente no caso de líquidos de alta viscosidade. Uma solução muito comum é usar um cilindro rígido coberto por uma camada de borracha, que se deforma durante o processo, como suporte do substrato. O líquido na regiío de aplicação produz pressío alta o suficiente para deformar a camada elástica, mudando a geometria do escoamento, caracterizando uma interação elastohidrodinâmica. Apesar de muito usado na indústria, o conhecimento fundamental deste processo é bastante limitado. O perfeito entendimento desta interação líquido / sólido é vital para a otimização deste processo de revestimento. Um modelo teórico para descrever este processo tem que levar em conta o escoamento viscoso, a deformação do cilindro e os efeitos da superfície livre a fim de predizer o comportamento do escoamento e conseqüentemente os limites de operação do processo. Uma análise teórica é apresentada neste trabalho, que consiste em resolver a equação de Navier-Stokes para descrever escoamento com superfície livre acoplado a um arranjo de molas para modelar a deformação da camada elástica. O sistema de equações foi resolvido pelo método Galerkin / Elementos Finitos. O sistema de equações algébricas nío-linear resultante foi resolvido pelo método de Newton. Os resultados indicam como os parâmetros de operação, as propriedades do líquido e da cobertura do cilindro afetam os limites de operação do processo.
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Aluno(a) : Luis Carlos Castillo Martinez
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/04/2005
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Resumo: A pasta de gelo é uma mistura de água e um aditivo, com finas partículas de gelo, apresentando uma alta densidade de energia térmica. Sendo o motivo de sua utilização o aproveitamento do calor latente na mudança de fase. O presente trabalho trata do estudo experimental sobre a transferência de calor e queda de pressío, com mudança de fase utilizando uma mistura de propileno glicol - água ao 13.8% em peso, num trocador a placas com arranjo em U para 16 placas. Realizaram-se testes de troca de calor em paralelo e contra-corrente, para duas condições de fração mássica de gelo e número de Re de 150 a 425 da pasta de gelo, com diferentes condições de carga térmica. Tiveram aumentos do 25% no coeficiente global de troca de calor ao incrementar a vazío e número de Re da pasta de gelo. Ao ter uma maior presença de fração de gelo melhora-se a capacidade de resfriamento aumentando o número de Nu da pasta de gelo, porém o coeficiente de troca começa a diminuir. Na literatura esta relação nío está bem definida, alguns apresentam ganhos, perdas ou indiferença no coeficiente global. Resultados do coeficiente global e do número de Nu, nos modos paralelo e contra-corrente nío tiveram maior diferença. A capacidade de resfriamento em contra-corrente foi maior, apresentando valores de efetividade num 10% a mais sobre os resultados em paralelo. Caso similar aconteceu com o Re da pasta de gelo, apresentando o mesmo fator. Os fatores de atrito encontrados vío de 0.025 a 0.065, o que se encontra dentro da linha de outros pesquisadores, o qual diminui com o aumento da vazío mássica, e de maneira inversa com o aumento da fração de gelo.
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Aluno(a) : Mauricio Lane
Orientador(a): Mônica Naccache e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/22/2004
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Resumo: Neste trabalho foi analisado o escoamento de fluidos viscoelásticos através de canais axisimétricos convergentes divergentes. A solução da conservação de massa e de conservação de momento foi obtida numericamente via elementos finitos utilizando o programa de computador Fluent. A equação constitutiva de fluidos Newtonianos generalizados foi utilizada para modelar o comportamento mecânico do fluido viscoelástico. A equação de Shunk-Scriven foi usada para cálculo da viscosidade, que assume como a média geométrica entre a viscosidade de cisalhamento e a viscosidade de extensío. Os resultados de perda de pressío e vazío sío comparados com os resultados calculados pela relação simplificada proposta por Souza Mendes e Naccache, 2002 entre a perda de carga e vazío de fluidos viscoelásticos fluindo através do meio poroso, para analisar a sua performance.
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Aluno(a) : Marcos José Rei Villela
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes e Iberê Alves
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/21/2004
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Resumo: Cerca de 46% das reservas brasileiras de hidrocarbonetos estío localizadas na plataforma continental em lâminas de água superiores a mil metros. Tal fato exige que uma nova abordagem seja empregada na seleção dos equipamentos e filosofia de desenvolvimento dos campos “offshore”, diante da severidade das condições ambientais ora encontradas. As temperaturas congelantes do fundo do mar, tornam os problemas inerentes ao escoamento da produção de petróleo, ainda mais críticos. Entretanto, os desafios da garantia de escoamento, nío sío os únicos obstáculos para a produção de petróleo em águas ultra-profundas. A opção por um sistema com completação seca (árvore de natal na superfície), está intimamente relacionada com o aspecto da viabilidade técnica da execução de poção com grande afastamento, necessários para a drenagem das regiões mais extremas do reservatório, associando maiores riscos à perfuração. Além dos aspectos relacionados à geologia e fatores econômicos, a decisío de desenvolvimento de um campo de petróleo no mar, adotando um sistema com completação submarina ou com completação seca, precisa ser respaldada por uma análise criteriosa dos problemas relacionados com a garantia de escoamento, principalmente em locações de águas profundas e ultra-profundas. Nestes cenários, a maior variação da energia potencial e conseqüente intensificação do efeito Joule-Thomson, contribuem de uma forma bem mais significativa para a queda de temperatura e pressío. Este trabalho objetiva promover a comparação entre um sistema de produção usando poção direcionais de grande afastamento, produzindo para uma unidade de completação seca e um sistema adotando poção com completação submarina, a 850, 1550 e 2300m de lâmina de água, avaliando os efeitos das perdas de carga e calor em um fluxo multifásico. Numa segunda etapa, usando completação molhada, é avaliada a máxima distância viável entre a zona produtora da formação e a unidade flutuante de produção, de forma a permitir o fluxo de hidrocarbonetos sem interrupção por formação de cristais de parafina. Com base nos resultados alcançados, podemos tirar algumas conclusões importantes quanto à tendência dos sistemas de produção em águas profundas e ultra-profundas, que nortearío no futuro próximo o desenvolvimento de campos de petróleo na plataforma continental brasileira.
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Aluno(a) : Bruno de Queiroz Lima
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/22/2004
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Resumo: O objetivo desse trabalho é avaliar o potencial técnico-econômico nacional da autogeração de energia elétrica. O levantamento desse potencial é realizado a partir do desenvolvimento de uma metodologia determinística para os clientes de alta tensío da concessionária LIGHT no estado do Rio de Janeiro, extrapolando-a para a estimativa do potencial brasileiro, através dos dados de consumo nacional. A geração distribuída é analisada a partir do atual estado da arte da tecnologia disponível para motores alternativos de combustío interna, ciclos Diesel e Otto. Os motores alternativos possuem tecnologia amplamente difundida, alta escala de produção, alta eficiência e baixo custo de investimento de aquisição, principalmente quando comparado a outras tecnologias de geração elétrica de pequeno e médio porte. Dessa forma, optou-se pela tecnologia dos motores alternativos como o mais adequado para a autogeração. Os motores alternativos têm grande potencial para servir de base para expansío da geração distribuída nacional. Sío considerados como alternativas de fontes energéticas para a autogeração, o óleo diesel e o gás natural. Para a operação dos motores ciclo Diesel foi considerada, além da hipótese de funcionamento pelo modo tradicional a óleo diesel, sua operação com um kit de conversío para combustível “dual”. Este permite uma substituição do óleo diesel pelo gás natural em torno de 80%. Já para os motores alternativos ciclo Otto foi apenas considerada a utilização do energético gás natural. A viabilidade econômica do investimento em centrais de geração distribuída, é obtida quando traçado um paralelo entre o atual custo da energia elétrica que é fornecida pela concessionária e o custo da aquisição e operação do sistema de autogeração. O cálculo de viabilidade será dado por uma ótica estritamente econômica. Considerando-se que a atratividade do empreendimento seja dada por uma taxa interna de retorno do investimento mínima de 15%a.a para um horizonte de 15 anos, é estimado que a geração distribuída possa representar 2,6% da energia elétrica gerada nacionalmente ou cerca de 7.173 GWh/ano, concentrada principalmente para geração de horário de ponta. Os geradores a diesel representam 44,6% desse total, os geradores diesel-gás 55,2% e os geradores a gás cerda de 0,2%. Isto significa em um consumo diário de 2,2 MMm3 de gás natural e 2.800 m3 de óleo diesel. De uma maneira geral a autogeração nío se viabiliza economicamente para geração fora de ponta, em virtude do baixo custo da energia elétrica neste período. Em função da penetração do gás natural no mercado nacional, é realizada uma análise de sensibilidade entre custo de desse energético e o aumento do potencial de geração distribuída nacional. Conclui-se, que a queda do preço do gás natural pode aumentar ainda mais o potencial de geração distribuída baseado nos geradores diesel-gás, além de também viabilizar os geradores gás. Finalmente sío abordados e analisados os impactos e benefícios trazidos pela geração distribuída ao sistema atual de geração e transmissío nacional.
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Aluno(a) : Pedro Rios de Moura Teixeira
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/19/2004
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Resumo: A utilização do biogás, proveniente de aterros sanitários, para a produção de energia elétrica mostra que os problemas ambientais conseqüentes dos resíduos sólidos podem ser revertidos em benefícios ambientais e econômicos. Este projeto apresenta resultados sobre a composição dos resíduos sólidos em aterros sanitários e investiga sua utilização como fonte de energia através do seu processo de combustío.Foi estudado um modelo baseado na formulação de volumes finitos, através da utilização do pacote comercial Fluent (versío 6.1), que inclui o modelo k-ε de turbulência, o modelo generalizado de taxas finitas de Arrhenius e Magnunssen para o cálculo das reações químicas e o modelo de radiação por transferência discreta, para simular o processo de combustío em fornalhas industriais. O principal objetivo deste estudo é investigar a aplicação do modelo na simulação do processo de combustío do biogás, avaliar a possibilidade de uso do biogás como fonte de energia e prever a formação de poluentes, tais como NO, CO e SO2.Na simulação do processo de combustío foram utilizados modelos de uma única reação global (1 etapa) para a oxidação dos hidrocarbonetos e modelos de duas reações (2 etapas). Para a previsío da formação de NO investigou-se os mecanismos thermal NO, prompt NO, e fuel NO. Os resultados indicaram que o mecanismo fuel NO foi o mecanismo dominante no processo de formação do NO. O modelo apresentou resultados que indicam a sua possível aplicação na investigação do processo de combustío do biogás. De acordo com os níveis de temperatura e de fluxo encontrados avalia-se que o biogás produzido nos aterros sanitários pode ser uma alternativa importante como fonte de energia. Estudos experimentais, contudo, sío necessários para um melhor aproveitamento do biogás.
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Aluno(a) : Sueli Tiomno Tolmasquim
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/06/2004
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Resumo: Na indústria do petróleo, a passagem de pigs em dutos tem sido largamente aplicada com diferentes propósitos: limpeza do tubo, inspeção, remoção de líquido e separação de produtos, entre outros. A eficiência e segurança de uma operação com pig demandam que diversos parâmetros operacionais, tais como pressões máximas e mínimas no duto e velocidade de movimentação do pig, sejam bem avaliados durante a etapa de planejamento e mantidos dentro de determinados limites durante o acompanhamento da operação. Tendo como objetivo a obtenção de uma ferramenta eficiente para ajudar no controle e projeto das operações de passagem de pigs, desenvolveu-se um código numérico baseado no método de diferenças finitas para a simulação de escoamentos transientes de dois fluidos, podendo estes ser líquido-líquido, gás-gás ou líquido-gás. Módulos para controle automático das variáveis do processo foram incluídos, visando à previsío do escoamento mediante diferentes estratégias para alcançar uma operação eficiente. Problemas teste foram realizados, validando a metodologia. Por fim, os resultados obtidos com o simulador sío comparados com um caso real de esvaziamento de um trecho do oleoduto OSPAR, pertencente à Petrobras, com 30” de diâmetro e extensío de 60 km.
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Aluno(a) : Arturo Jesus Ortega Malca
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/30/2004
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Resumo: Diversos processos práticos apresentam uma seqüência de diferentes configurações de escoamentos bifásicos, com diferentes padrões de escoamento. Dependendo das razões entre as velocidades superficiais do gás e do líquido, diferentes padrões de escoamento bifásico podem ser encontrados. O padrío de escoamento slug pode ser formado a partir do padrío estratificado, devido ao crescimento das instabilidades hidrodinâmicas ou devido às ondulações no terreno onde se instala a tubulação. O presente trabalho consiste na análise do escoamento bifásico no padrío slug, ao longo de tubulações horizontais, mediante a aplicação do modelo de dois fluidos em sua forma transiente e unidimensional. Através de uma análise de estabilidade de Kelvin-Helmholtz para escoamento estratificado, estima-se a possível faixa de operação para a obtenção de um modelo matemático bem estabelecido. Diferentes técnicas de discretização foram implementadas e testadas. Comparações com dados disponíveis na literatura foram realizadas.
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Aluno(a) : José Jaime Ravelo Chumioque
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/06/2004
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Resumo: O presente trabalho versa sobre o estudo e modelagem de um sistema de refrigeração para ar condicionado de edifícios. O modelo considera um sistema de compressão de vapor de grande porte, chamado habitualmente chiller; um tanque de armazenamento de água gelada e uma torre de resfriamento.Para o desenvolvimento do modelo utilizam-se as equações constitutivas e as equações de conservação da massa e energia em todos seus componentes.O modelo permite obter as condições de funcionamento ótimo do sistema de refrigeração reduzindo o tamanho de seus componentes (menor custo de investimento) e o consumo de energia (custo de operação) em correspondência com o diagrama de carga térmica do edifício.Consideram-se as variações da temperatura do meio ambiente ao longo do dia (transiente horário) para estudar a influência destas variações no desempenho global do sistema de refrigeração.Aplica-se o modelo à obtenção das características dos componentes do sistema de refrigeração para condicionamento de ar de um dos blocos do prédio Cardeal Leme da PUC-Rio.No presente estudo, a estratégia de operação usada é um fator decisivo na seleção da melhor alternativa econômica.
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Aluno(a) : Eduardo de Britto Perez
Orientador(a): Márcio Carvalho
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/26/2004
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Resumo: O processo de manufatura de fitas adesivas geralmente envolve uma etapa de retirada dos solventes presentes na solução revestida e formação de uma camada de material semi-sólido sobre um substrato impermeável. Devido a alta espessura de adesivo requerida no produto final e a alta concentração de solventes característica da solução revestida, a secagem se torna, muitas vezes, o gargalo do processo produtivo. Ganhos de produtividade em linhas que podem produzir centenas de milhares de metros quadrados de fita adesiva por mês sío importantes para viabilizar incrementos na oferta ou redução dos custos operacionais. Esta dissertação apresenta a análise do processo de secagem de soluções poliméricas revestidas sobre substratos impermeáveis através do desenvolvimento de um modelo matemático para representar os fenômenos de transferência de calor e massa. Também propõe uma metodologia para atingir ganhos de produtividade utilizando um programa computacional especialmente desenvolvido para simulação do processo de secagem
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Aluno(a) : Miguel Angel Tupa Walter
Orientador(a): Luiz Fernando Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/13/2004
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Resumo: Nesta dissertação apresentam-se os resultados de um estudo numérico da interação entre uma onda de detonação oblíqua forte estabilizada pela rampa de um diedro e o leque expansío gerado pela deflexío da superfície do diedro. Neste estudo foi utilizado um código numérico que resolve as equações que governam o escoamento de uma mistura reativa de hidrogênio e ar. Estas equações sío discretizadas por um procedimento do tipo volumes finitos centrado na célula de cálculo, segundo um esquema que leva em conta as velocidades características do escoamento. A presença de ondas de choque e detonação requer o uso de procedimentos de adaptação de malha. Neste trabalho procedimentos de enriquecimento e empobrecimento de malha sío usados, o primeiro melhora a resolução das regiões do escoamento nas quais ocorrem grandes gradientes das propriedades, enquanto o segundo retira pontos da malha em locais onde os gradientes sío pequenos. Mostra-se que este procedimento de empobrecimento, desenvolvido neste trabalho, resulta em ganhos no tempo de processamento. Na determinação dos parâmetros que levem a obter ondas do tipo Chapman-Jouguet como resultado da interação, inicialmente é realizada uma análise quase uni-dimensional baseada nos diagramas das polares de detonação e nos diagramas do tempo de indução da mistura reativa. Em seguida, os resultados das simulações numéricas mostram que a obtenção de uma detonação do tipo Chapman-Jouguet é possível para valores intermediários do ângulo diedro, dentro da faixa das detonações estáveis. Quando o ângulo do diedro é próximo ao ângulo máximo permitido para detonações estáveis obteve-se o desacoplamento da onda de detonação, com a subsequente extinção do processo de combustío.
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Aluno(a) : Alexandre Lima Barroso
Orientador(a): Luiz Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/28/2003
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Resumo: A deposição de parafinas no interior de dutos de transporte de petróleo é um problema relevante para a indústria, principalmente nos casos de produção no mar com lâminas de água profunda e ultra profunda. . À medida que o petróleo proveniente dos poção escoa pelos dutos, perde calor para a água do mar. Como a solubilidade do petróleo é uma função decrescente da temperatura, cristais de parafina surgem e podem vir a bloquear parcialmente ou totalmente o escoamento causando consideráveis prejuízos. Dentre as técnicas utilizadas para a remoção de depósitos de parafina, talvez a mais empregada seja a utilização de pigs raspadores. Pigs sío dispositivos introduzidos nos dutos com interferência e deslocados pelo próprio fluido. As forças de contato geradas na parede realizam o trabalho de remoção dos depósitos de parafina. O presente trabalho foi direcionado para o estudo das forças necessárias para a remoção de depósitos parafínicos utilizando pigs. Para isso, realizou-se um estudo de laboratório onde depósitos de parafina com propriedades físicas e geométricas controladas foram produzidos na parede interna de um duro de teste. Um guincho acoplado a células de carga foi utilizado para puxar diferentes tipos de pigs por sobre os depósitos. A forca necessária para remover cada depósito foi registrada e analisa à luz de modelos simplificados disponíveis para a previsío de força de remoção. Foram analisadas as interações com a parafina de pigs de disco, de pistío e de espuma de várias densidades. Os resultados mostraram que a força necessária para empurrar a parafina já removida é significativamente superior àquela necessária para quebrar o depósito. Também, foi mostrado que os modelos de previsío de força disponíveis na literatura apresentam uma capacidade preditiva apenas razoável.
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Aluno(a) : Henriete Lima Seixas
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/30/2003
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Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o estudo para a diminuição da poluição atmosférica, no que diz respeito à emissío de gases que contribuem para o aumento do efeito estufa. A finalidade é reduzir as emissões, pela redução do uso do combustível fóssil, o óleo BPF, através da otimização energética de uma planta industrial de geração de vapor, para a secagem de fermento. Será feita a análise energética e exergética da planta de geração de vapor e a verificação dos parâmetros operacionais da mesma através de um modelo termodinâmico, em regime permanente, através da Primeira Lei e Segunda Lei da Termodinâmica. Nesta análise, serío verificados os equipamentos da planta onde ocorrem as maiores perdas térmicas e as maiores irreversibilidades, indicando quais as medidas para melhorar o desempenho da planta e reduzir o consumo de combustível, o que significará uma redução nas emissões de poluentes para a atmosfera.
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Aluno(a) : Hugo Guillermo Jimenez Pacheco
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/29/2003
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Resumo: O uso de pasta de gelo em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar é bastante recente. Dentre suas vantagens, citam-se a capacidade de “armazenar frio” sob forma de latente e a possibilidade de ser bombeado como a água fria. A pasta de gelo pode ser usada para o armazenamento térmico, no lugar da água fria ou do gelo, desde que, até determinadas concentrações, possa ser bombeada através de trocadores de calor. Para que esta tecnologia seja mais bem aceita, informações de engenharia sío necessárias, principalmente no que se refere às características de escoamento do fluido e troca de calor. Com este intuito, um dispositivo experimental foi desenvolvido para se determinar os coeficientes de transporte do gelo líquido em um trocador de calor de placas, utilizando água como carga térmica a resfriar. Foram investigadas várias situações, para diferentes frações iniciais de sólido e vazões do gelo líquido. As condições de entrada da carga térmica foram mantidas constantes. Foram continuamente monitorados o campo de temperatura, a queda de pressío, a concentração e a vazío de gelo líquido no trocador de calor, além da vazío e o campo de temperaturas na parte da carga térmica.Observou-se que o coeficiente global de troca de calor aumenta em função da fração inicial de sólido na pasta de gelo. A capacidade resfriamento do trocador de calor aumenta consideravelmente com o uso do gelo líquido, quando comparada com a água. Finalmente, a perda de carga cresce com o aumento da fração inicial de gelo.
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Aluno(a) : Oscar Hernán Jalil Guiteras
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo e Oswaldo Antunes Pedrosa Jr.
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/13/2003
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Resumo: Para que ocorra o fluxo de fluidos em um sistema de produção é necessário que a energia dos fluidos no reservatório seja capaz de superar as perdas de carga nos diversos componentes do sistema. Os fluidos têm que escoar do reservatório aos separadores na superfície, passando pelas tubulações de produção dos poção, pelos equipamentos de cabeça de poço e pelas linhas de surgência. Particularmente em campos de gás natural, o projeto de um sistema de produção nío deve ser executado considerando independentemente o desempenho do reservatório e o cálculo do fluxo nas tubulações de produção e nas linhas e equipamentos de superfície. A avaliação do desempenho de um sistema de produção de gás requer a aplicação de um método de análise total que considere simultaneamente o escoamento nos diversos segmentos do sistema. A análise total de um sistema de produção, pode ser efetuada por um método gráfico - analítico a ser empregado no desenho de completação de poção de gás e petróleo com ou sem levantamento artificial. Em termos de conceito de análise total, um sistema de produção é constituído basicamente pelos elementos: reservatório, tubo de produção vertical, linhas de fluxo horizontal e separador, incluindo válvulas de fundo poço e choke superficiais onde ocorrem uma certa perda de pressío relacionada com a vazío. Muitas vezes, a queda de pressío em alguns dos elementos é tal que restringe severamente a produção. O comportamento de fluxo de cada elemento do sistema total de produção é representado por uma equação que relaciona a pressío num nó selecionado e a vazío de produção. O cálculo seqüencial das pressões nos diferentes nós dos diversos elementos do sistema permite que a vazío de produção do poço seja determinada. Para calcular a relação da vazío com as mudanças de pressío que ocorrem durante o transporte do fluido à superfície e conseqüente variação das propriedades físicas do fluido, efetuou-se uma revisío dos conceitos de engenharia de reservatório, correlações de fluxo em tubulações verticais, horizontais e restrições. Finalmente, realizou-se uma análise de sensibilidade da metodologia ao emprego das diferentes relações de performance de fluxo e dos métodos de cálculo de fluxo em poção e linhas.
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Aluno(a) : Marcos Antonio Jangelavicin
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/11/2003
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Resumo: Este trabalho refere-se a uma aplicação em equipamentos de separação de óleo da água produzida em plataformas de produção de petróleo. O presente trabalho tem por objetivo principal analisar a influência da geometria na eficiência de separação de óleo-água de um flotador, com o intuito de otimizar a sua operação. Isto permitirá, entre outras coisas, a reconfiguração interna de equipamentos já existentes e a comparação entre eficiências de equipamentos com geometrias diferentes. Para simulação do flotador é proposta uma metodologia onde é utilizada a modelagem numérica do escoamento e flotação. É utilizada uma técnica de volumes de controle finitos onde sío resolvidas as equações de conservação de massa e de quantidade de movimento linear, juntamente com as duas equações do modelo de turbulência k-ε. Para a modelagem da flotação, sío utilizados alguns modelos para cálculo da probabilidade de colisío, aderência e estabilidade da bolha na gota de óleo, utilizando o campo de taxa de dissipação de turbulência da simulação numérica do escoamento. É entío acompanhada a trajetória das gotas de óleo no campo de velocidades para verificação do destino e eficiência de separação. Depois é feita uma validação da metodologia utilizada com dados experimentais já disponíveis na literatura. Finalmente é analisado um caso variando a geometria e alguns parâmetros importantes no processo de flotação.
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Aluno(a) : Marcius Ferrari Duarte de Oliveira
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes e Elisio Caetano
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/08/2003
Local:
Resumo: Um sistema de produção e escoamento de petróleo, quando equipado com manifold submarino, viabiliza a produção conjunta de poção de diferentes capacidades de produção. O equilíbrio conseguido na produção desses poção se faz à custa do estrangulamento (choking) dos poção de mais alta capacidade de produção, de forma a propiciar um equilíbrio com aqueles de mais baixa capacidade de produção. Naturalmente as vazões atingidas nessa forma sinérgica sío menores do que aquelas que seriam atingidas com a produção em separado desses poção mas, tais menores vazões sío economicamente mais atraentes devido às economias atingidas nos custos de investimento (e.g., redução do comprimento total de linhas de produção e do número de risers) e das esperadas e normalmente ocorrentes reduções de custo operacional nesses sistemas. Entretanto, a partir da disponibilidade da tecnologia de bombeamento multifásico submarino, na qual se torna possível diretamente transferir energia à misturas multifásicas (óleo, gás e água) em produção, viabiliza-se o estabelecimento de um novo e mais atraente tipo de equilíbrio nesses sistemas. Tal novo equilíbrio, possível pelo uso de sistemas de bombeamento multifásico instalados em manifold submarinos de produção, deve propiciar níveis de produção governados inclusive pelos limites impostos pela engenharia de reservatórios e nío mais tío somente pelas características físicas dos sistemas (seções de escoamento, distâncias, lâminas d’água, propriedades dos fluidos etc.). A esta forma inédita de obtenção de um novo e mais alto patamar de equilíbrio da produção, a literatura vem utilizando a denominação Estrangulamento Positivo (Positive Choking). Assim, baseados no aumento das vazões de produção – antecipação de produção – e no potencial aumento dos fatores de recuperação – maiores volumes produzidos - acredita-se ser tal técnica economicamente atraente quando aplicada em sistemas de produção ainda em implementação, ou mesmo, na implantação da mesma em sistemas já instalados. O propósito desta tese é o de contribuir na análise técnica e econômica da inédita aplicação de um sistema de bombeamento multifásico submarino num sistema de produção equipado com manifold.
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Aluno(a) : Luiz Antonio Reis Jr.
Orientador(a): Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/15/2003
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Resumo: Escoamentos de fluidos viscoplásticos através de expansões e contrações sío achados em diversos processos industriais. Neste trabalho é feita a simulação numérica do escoamento de um fluido viscoplástico através de uma expansío abrupta axissimétrica seguida de uma contração. Resultados experimentais mostram que neste tipo de escoamento pode surgir uma regiío estacionária do fluido em certas condições, causando uma fratura do material entre esta regiío e a regiío de escoamento. Um dos objetivos deste trabalho é verificar se o modelo constitutivo usado na simulação numérica pode prever este tipo de comportamento. A solução numérica das equações de conservação de massa e momento é obtida usando o método de volumes finitos. Para modelar o comportamento nío Newtoniano do fluido, é utilizada a equação constitutiva de Fluido Newtoniano Generalizado. Duas diferentes equações sío utilizadas para a função viscosidade: o modelo de Carreau-Yasuda e o modelo de Herschel-Bulkley. A solucío numérica fornece os campos de velocidade, viscosidade e pressío. Os efeitos dos parâmetros geométricos e reológicos nos padrões de escoamento sío investigados. Observa-se que existe uma transição no padrío de escoamento quando o comprimento do duto central (que é o de maior diâmetro) aumenta. Para baixos valores da razío entre o comprimento e o diâmetro do duto central, o material viscoplástico parece fraturar perto da regiío central do escoamento. Para valores maiores desta mesma razío, o padrío de escoamento dos materiais viscoplásticos tem o mesmo comportamento qualitativo ao de um fluido Newtoniano, nío sendo observada nenhuma fratura.
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Aluno(a) : Helio de Miranda Cordeiro
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/26/2003
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Resumo: Essa dissertação realiza uma análise do escoamento reativo e turbulento no interior do combustor de um estato reator a combustível sólido. Investiga-se diferentes modelos para prever a pirólise do combustível sólido. O modelo matemático é baseado na solução numérica das equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia e equações de transporte para quantidades escalares. O modelo de turbulência empregado é o κ-ε para altos Reynolds e na modelagem da combustão emprega-se o formalismo da fração de mistura/função densidade de probabilidade prescrita. Próximo às paredes, a lei da parede é usada, sendo a camada limite dividida em duas regiões, uma subcamada laminar e uma região totalmente turbulenta. As transferências de calor e massa para as paredes são calculadas utilizando-se a lei da parede modificada com uso de um parâmetro de transferência de massa. Os resultados obtidos através do modelo proposto foram comparados com os resultados obtidos anteriormente com outros modelos e com dados experimentais, verificando-se que os mesmos apresentam um boa concordância com os dados existentes na literatura, concluindo-se que o modelo é satisfatório para o problema proposto.
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Aluno(a) : Epifanio Mamani Ticona
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/21/2003
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Resumo: Um sistema térmico de armazenamento da energia com pasta de cristais de gelo foi desenvolvido para aplicações de condicionamento de ar e resfriamento de processos. O sistema usa um evaporador orbital de haste, um trocador de calor vertical do tipo tubo e carcaça com intensificação mecânica de transferência de calor. A pasta de gelo é produzida continuamente sem acumulação no evaporador e é compatível com unidades condensadoras convencionais, tanques de armazenamento e bombas. Soluções aquosas diluídas ou soluções inorgânicas de salmoura promovem a formação de cristais de gelo, e o gelo líquido resultante pode ser bombeado ou por gravidade alimentar um tanque de armazenamento. O circuito hidráulico de refrigeração (carga térmica) pode ser desacoplado da produção do gelo utilizando-se o tanque de armazenamento. O armazenamento de gelo líquido fornece temperaturas consistemente baixas à medida que se derrete o gelo, que por sua forma pode ser derretido também muito rapidamente. Com suas altas temperaturas características de evaporação e elevados fluxos do calor, os sistemas de geração de gelo líquido apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas estáticos de elo ou “ice harvesting”
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Aluno(a) : Rafael Prudencio Sacsa Diaz
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/10/2002
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Resumo: A tecnologia automotiva moderna alcança progressos consideráveis tanto no aspecto mecânico como funcional, com esses avanção tecnológicos, o maior progresso foi feito na estrutura dos automóveis e dos sistemas de ar condicionado. O presente trabalho é desenvolvido considerando a importância da utilização de gás refrigerante, já que se tornou um assunto ambiental de grande importância pelo fato de ter um papel na destruição da camada de ozônio. Foi construída uma bancada experimental que consta de dos câmaras isoladas para a colocação do equipamento, instrumentos, dispositivos de medição e geração de carga térmica, em seguida foi montado um condicionador de ar automotivo composto por componentes originais do sistema de condicionamento de ar de um automóvel para simular funcionamentos, com a finalidade de avaliar os parâmetros de funcionamento afetados quando sío utilizadas diferentes cargas de gás refrigerante. Foram realizados testes controlando a temperatura e umidade constantes no habitáculo automotivo (câmara 1), para variações de temperatura na câmara (2), da vazío mássica no sistema e variações de torque e velocidade, no sistema motor - compressor, com diferentes quantidades de gás refrigerante originando situações de insuficiência de carga, carga adequada e sobre carga. Para o controle da carga térmica dentro das câmaras foram utilizados, controladores de potência e um software aplicativo, os parâmetros de operação do equipamento foram obtidos e arquivados mediante um sistema automático de aquisição de dados. Os resultados experimentais mostraram o comportamento real do ciclo de refrigeração, a queda de pressío nas linhas de descarga, líquido e de sucção, assim como no condensador e no evaporador, também se apresenta o sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador, o gás superaquecido na sucção apresenta uma tendência politrópica, no lugar do processo isentrópico do ciclo ideal. Esta divergência do ciclo ideal faz com que a temperatura de descarga do compressor (T2) seja elevada. A carga de gás refrigerante influencia os parâmetros básicos do ciclo y eles atuam em os resultados. Os resultados concordaram bem com as expectativas teóricas do problema considerado.
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Aluno(a) : Aldo Falconi Filho
Orientador(a): José A. Parise e Carlos Eduardo Reuther
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/11/2002
Local:
Resumo: O presente trabalho analisa experimentalmenteum ciclo de refrigeração por absorçãooperando em regime transiente. Estuda-se,desta forma, a possibilidade do uso dociclo de refrigeração por absorção emveículos automotores para condicionamentode ar. O ciclo de absorção utilizaria,como fonte térmica, os gases de exaustíoou a água de refrigeração do motor. Estafonte de calor está disponível, geralmente,em condições variáveis de temperatura epotência. O trabalho foi dividido emtrês etapas. Na primeira delas éanalisado o desempenho do ciclo de absorção funcionando com uma resistênciaelétrica de potência variável. Nestaetapa os parâmetros do ciclo foramdeterminados, assim como as temperaturasem diversos pontos do sistema. Nasegunda etapa, foi utilizado um sopradortérmico que simula os gases de exaustíode um motor a combustío interna. Naeventualidade da utilização do ciclopara o condicionamento de ar em aplicaçõesautomotivas, o uso dos gases de exaustíodo motor de combustío interna reduziriao consumo de combustível do veículo, vistoque o ciclo de absorção nío exige potência mecânica do motor, tal como nociclo tradicional de compressío devapor. Há vantagens, também, nos itensrelativos a manutenção e impactoambiental. Como a carga e velocidadede um motor sío variáveis, as temperaturasdo ciclo sofrem variações muito rápidas.Tal problema foi minimizado com o usode um regenerador estático, na terceirafase do trabalho, que impõe uma inérciatérmica ao sistema, atenuando, desta forma,estas oscilações de temperatura.
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Aluno(a) : Renata Corrêa Sarmento
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/30/2002
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Resumo: O bloqueio total de linhas submarinas de produção de petróleo devido ao depósito de parafina é um problema relevante para a indústria. Esse problema tem levado a perdas significativas associadas à diminuição de produção e à substituição de linhas obstruídas. O presente trabalho é um estudo sobre a viabilidade técnica de um procedimento para remoção de bloqueios ocasionados por depósitos de parafina. Nesse procedimento, a seção da linha de petróleo obstruída com parafina é aquecida por indução utilizando-se uma bobina externa posicionada sobre a linha no fundo do mar. O objetivo do trabalho é estimar o nível de potência elétrica necessária para amolecer a obstrução de parafina dentro da linha. Com esta finalidade, foi empregado um modelo numérico para simular o processo de condução de calor transiente, prevendo a distribuição de temperatura na parede da linha e na parafina sólida. Essa informação foi usada para estimar as dimensões básicas da seção da bobina de aquecimento e isolamento térmico empregado para minimizar as perdas de calor para o ambiente frio da água do mar. Um estudo experimental de laboratório com uma seção de um duto submarino bloqueado com parafina foi conduzido para verificar as previsões do modelo numérico e para testar o desempenho da bobina de indução de aquecimento. Os resultados mostraram que as soluções numéricas obtidas apresentaram boa concordância com o experimento. Ainda, foi observado que os níveis de temperatura necessários para produzir o amolecimento da parafina na regiío bloqueada somente serío obtidos se toda a extensío da regiío bloqueada for aquecida pela ferramenta de indução.
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Aluno(a) : Oscar Coronado Matutti
Orientador(a): Márcio Carvalho e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/25/2002
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Resumo: A superposição de um fluxo circular de Couette e um fluxo com gradiente de pressío axial, através de um espaço anular ocorre em muitas aplicações práticas, tais como: reatores químicos catalíticos, filtros, extratores líquido-líquido, mancais e o fluxo de retorno de lamas de perfuração entre a coluna de perfuração rotatória e a formação rochosa na perfuração de poção produtores de petróleo e gás. As linhas de corrente curvadas do fluxo circular de Couette podem causar uma instabilidade centrífuga que produz vórtices toroidais, conhecidos como vórtices de Taylor. A presença destes vórtices muda as características hidrodinâmicas e a transferência de calor no processo. Em consequência, é muito importante ser capaz de prever o aparecimento da instabilidade. A maioria das análises numéricas e experimentais disponíveis na literatura sío para fluidos Newtonianos e viscoelásticos (soluções poliméricas). Neste trabalho, o efeito das propriedades viscoplásticas neste tipo de escoamento e nas condições críticas para o aparecimento de vórtices sío determinadas teoricamente através da solução das equações de conservação. As equações diferenciais foram integradas pelo método de elementos finitos-Galerkin e o sistema de equações algébricas nío lineares resultante foi resolvido pelo método de Newton.
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Aluno(a) : Rodrigo Bicalho Otávio Jardim
Orientador(a): Márcio Carvalho e Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/05/2002
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Resumo: Este trabalho tem como objetivo a análise numérica do processo de extrusío de pastas cerâmicas. As pastas cerâmicas tem comportamento mecânico viscoplástico, i.e., sío fluidos nío Newtonianos que apresentam uma tensío limite de escoamento. A geometria analisada é a de uma contração abrupta axisimétrica. As equações de conservação foram resolvidas numericamente utilizando o método de volumes finitos. Para modelar o comportamento nío Newtoniano das pastas, foi utilizada a equação constitutiva de Fluido Newtoniano Generalizado. Foram utilizadas duas expressões para a função viscosidade, o modelo de Carreau-Yassuda e o modelo de bi-viscosidade modificado, baseado no modelo de Herschel-Bulckley. O efeito dos parâmetros reológicos da pasta e parâmetros operacionais do processo de extrusío no escoamento foram analisados, buscando a compreensío deste processo e sua otimização.
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Aluno(a) : Daniel Irigon de Irigon
Orientador(a): Sergio Braga e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/02/2002
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Resumo: O presente trabalho estuda o escoamento de uma mistura de óleo e parafina através de um tubo cilíndrico, simulando as condições de extração de petróleo em águas profundas. Uma bancada foi construída possibilitando controlar a pressío e temperatura na entrada da seção de testes. Foram realizados testes mantendo a pressío ou vazío constantes, com o objetivo de entender o fenômeno de obstrução do tubo. A análise dos resultados de perda de carga e testes reológicos do material depositado mostraram que sob certas condições é possível a formação de um material estruturado tenro e de fácil remoção, inclusive pelo próprio escoamento, inibindo desta forma a obstrução das linhas por difusío molecular.
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Aluno(a) : Pedro Prudêncio de Morais Filho
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/22/2002
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Resumo: O presente trabalho diz respeito ao desenvolvimento de m modelo semiteórico de simulação para um ciclo transcrítico de compressío de vapor empregando, como fluido refrigerante o dióxido de carbono, R744. Com base no modelo matemático dos componentes do ciclo (um compressor, uma válvula de expansío, um evaporador, um resfriador de gás, um acumulador de sucção e um intercambiador de calor), operando em regime permanente, foi proposto o desempenho de um sistema de ar condicionado automotivo, em condições de temperaturas ambientes elevadas. Um program aescrito em FORTRAN foi desenvolvido para calcular o desempenho do ciclo e os resultados foram comparados com dados experimentais publicados em McEnaney et al. (1999). As propriedades do R744 foram calculadas com subrotinas do pacote REFRIPROP, desenvolvido no NIST, EUA.
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Aluno(a) : Erick Fabrízio Quintella Andrade Coêlho
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/02/2001
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Resumo: Estenose é uma constrição ou estreitamento de um duto ou de uma passagem. Este termo é usado freqüentemente em referência a constrições que ocorrem em vasos sangüíneos, especialmente em artérias. Um vaso estenótico geralmente causa estagnação do fluxo sangüíneo e, portanto, a formação de trombos, os quais podem ser bastante prejudiciais à saúde humana. Neste trabalho realizam-se experimentos com a técnica de velocimetria por imagens de partículas (PIV) a fim de estudar o escoamento de um líquido que possui uma tensío limite de escoamento (ou líquido viscoplástico) através de um tubo na vizinhança de uma constrição axissimétrica. Escolheu-se a reologia do líquido de modo a se aproximar daquela do sangue de hematócrito igual a 54%. Estudaram-se números de Reynolds e números de escoamento característicos para diferentes artérias. Obtiveram-se também resultados para fluidos Newtonianos, para fins de comparação. Entre outros resultados, observou-se que a reologia nío Newtoniana causa mudanças significativas no padrío de escoamento na vizinhança da estenose. Como as condições para formação de trombos estío diretamente relacionadas com o padrío de escoamento, estudos do escoamento do sangue através de artérias com estenose que supõem uma reologia Newtoniana podem levar a conclusões errôneas.
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Aluno(a) : Cássio das Neves Monteiro
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/27/2001
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Resumo: É desenvolvido um modelo matemático que simula o desempenho de um novo compressor rotativo de deslocamento positivo. Neste compressor a variação de volume é garantida pelo movimento concêntrico de deslocadores. Por meio de um mecanismo de acionamento inovador, estes deslocadores percorrem 360o com velocidades angulares variáveis e defasadas, o que leva a uma aproximação e afastamento sucessivos, garantido desta forma as fases de compressío e sucção. As equações de conservação de massa e de energia, em sua forma diferencial em relação ao tempo, sío aplicadas aos volumes de controle. Propriedades do gás sío consideradas uniformemente distribuidas nos volumes de controle. As variações de pressío e temperatura no interior do compressor sío obtidas a partir da integração numérica das equações de conservação junto com as equações de troca de calor entre gás e parede, de escoamento do gás através das passagens das válvulas e das folgas entre peças móveis e da equação de variação do volume de gás na câmara.
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Aluno(a) : Luiz Gustavo do Val
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/22/2001
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Resumo: No presente trabalho, foi desenvolvido uma metodologia teórico-experimental para a avaliação de plantas de cogeração, incluindo o confronto com os dados dos fabricantes dos equipamentos, a análise de incerteza de medição dos principais parâmetros e a análise termoeconômica. Como resultado, o trabalho visa apresentar critérios mais otimizados para especificação e operação de sistemas de cogeração. Para o seu desenvolvimento, foram analisadas a planta da Companhia Cervejaria Brahma, localizada em Campo Grande, RJ, que é constituída de três turbinas a gás de 4,90 MW acopladas a três caldeiras de recuperação que utilizam Pós-Queima, com capacidade nominal de até 36000 kg/h, cada uma, e a planta do Parque Gráfico do InfoGlobo, localizada na rodovia Washington Luis, Duque de Caxias, RJ, que é constituída de dois motores alternativos de combustão interna de 2,90 MW, duas caldeiras de recuperação e um chiller de absorção de 800 TR s. Para a Companhia Cervejaria Brahma, foi utilizado a metodologia do balanço de massa das reações químicas, usando as medições das emissões e da composição do gás natural na planta, para obtenção da vazão mássica do ar admitido pela turbina e, consequentemente, a vazão mássica dos gases de exaustão. Essa metodologia foi empregada devido a não existência de um medidor de vazão de ar nas turbinas, que é um parâmetro essencial para avaliação do desempenho da planta. Esta metodologia também foi empregada, para a avaliação das caldeiras de recuperação que utilizam queima adicional de combustível. Foi realizada, também, a análise de incertezas dos resultado de desempenho obtidos na planta, de modo a identificar problemas operacionais como, o economizador sujo da caldeira de recuperação. Também, pode-se ver verificar, que o aproveitamento global do combustível utilizado, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado da água foi inferior ao aproveitamento deste, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado dos gases. A menor diferença encontrada destes valores na escala percentual, foi de 6 porcento. Como esta diferença não é desprezível, chega-se à conclusão que a medida do desempenho da planta de cogeração deve ser feito com base na energia térmica transferida para a água, e não a que é transferida dos gases, como normalmente é feito, sem levar em consideração as perdas térmicas. Por fim, foi realizado uma análise técnico-econômica da utilização dos equipamento empregados na planta, com a finalidade de determinação de custo-benefício. Para o Parque Gráfico do InfoGlobo, foi realizada uma simulação do desempenho dos equipamentos utilizados nesta planta, devido a impossibilidade de se obter dados experimentais em determinados pontos da planta. Para isto, foram utilizados dados de projeto dos equipamentos, admitindo que estes pouco variam com as condições ambientais. Desta forma, não foram realizadas as análises de incertezas dos resultados encontrados. Com a metodologia empregada, pôde-se identificar problemas operacionais como o fato de que a bomba da água de alimentação de caldeira, estar fora doe seu ponto de projeto. De um modo geral, o percentual de aproveitamento da energia do combustível varia muito durante o dia, indicando um acoplamento insatisfatório entre a demanda e oferta de energia. Foi desenvolvido um modelo computacional, para a simulação da turbina a gás de eixo duplo THM 1203 Hispano Suiza, modo a obter todos os parâmetros essenciais que possam ser utilizados para o projeto de sistemas de cogeração. É previsto neste modelo a operação em cargas parciais com a variação das condições ambientais.
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Aluno(a) : Leandro Schlesinger de Castro Gama
Orientador(a): Eloi Fernandez e José Cesário Cecchi
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/22/2001
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Resumo: A regulamentação do uso por terceiros, mediante remuneração adequada ao titular das instalações de transporte de gás natural, estabelece que o transportador deve divulgar sua capacidade disponível, sendo esta entendida como a diferença entre a capacidade máxima do gasoduto e a soma das capacidades contratadas com o consumo próprio.Foi verificado que existe uma série de fatores que sío determinantes na identificação dessa capacidade, dentre os quais se destacam: a metodologia de cálculo do escoamento empregada, as condições operacionais,a localização dos pontos de entrega e a consideração do regime transiente.Foi proposta a criação de um regulamento técnico de cálculo e verificação de capacidade que serviria de base para a instauração de um processo de avaliação da capacidade disponível e a regulamentação da publicação de informações que sío igualmente importantes para implementação do livre acesso a gasodutos.O pano de fundo para toda discussío apresentada é a crescente importância do gás natural na Matriz Energética Brasileira e a necessidade de promover tanto o crescimento da infraestrutura de transporte de gás natural quanto a introdução de concorrência nos elos da cadeia que nío se caracterizam como monopólio natural, ou seja, no suprimento e na comercialização de gás natural. Palavras-chave: Gás natural, regulamentação, gasoduto, capacidade, livre acesso
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Aluno(a) : Frank Chaviano Pruzaesky
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/09/2001
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Resumo: O presente trabalho diz respeito ao desenvolvimento de um modelo de simulação para evaporadores do tipo casco e serpentina, com aplicações para resfriadores de água. O modelo considera o trocador de calor como dividido em duas zonas: uma de evaporação e outra de superaquecimento. Diferentes mecanismos de transferência de calor, existentes em cada zona, foram, portanto, levados em consideração. Definidas as condições de entrada de ambos os fluidos e a geometria do evaporador, um programa escrito em FORTRAN foi desenvolvido para calcular o desempenho térmico do evaporador, incluindo a capacidade témica, condições de saída do refrigerante e água e distribuição de área de troca pelas duas zonas. Propriedades do refrigerantes foram calculadas com subrotinas do pacote REFPROP, desenvolvido no NIST, EUA, permitindo a modelagem de equipamentos operando com uma vasta gama de refrigerantes, incluindo hidrocarbonetos e misturas nío azeotrópicas. Em virtude da ausência de informação na literatura, um aparato experimental foi construído para a determinação do coeficiente de transferência de calor no lado da carcaça, por onde escoa a água.
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Aluno(a) : Juan José Milón Guzmán
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/18/2000
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Resumo: Um dispositivo experimental foi desenvolvido para investigar o desempenho térmico de um sistema de armazenamento de "frio"que utiliza água como material com mudança de fase (MMF)em esferas rígidas e contém um elemento interno para responder às variações da massa específica do MMF durante o processo. A maioria das experiências de dispositivos de armazenamento térmico em cápsulas tem uma variação em suas dimensões externas devido à expansío ou contração que aparecem nos processo de solidificação e fusío. Se a expansío ou contração é interiormente absorvida, a forma externa permanece invariável e podem ser evitados problemas de variação de volume e acomodação das cápsulas em tanques de armazenamento. Neste trabalho sío investigados sistemas encapsulados esféricos com elemento interno (diafragma) que absorve a variação de volume para manter constante o diâmetro externo. A esfera é esfriada por um fluxo externo de Mistura Álcool-Água controlado por um banho de temperatura constante. Foram investigadas várias situações para temperaturas diferentes e regimes de fluxo. Sío monitorados o campo de temperatura, a posição de interface e a transferência de calor dentro das esferas. Implementou-se um modelo numérico para a avaliação dos resultados experimentais. o programa foi preparado na linguagem de programação Fortran e as comparações foram feitas no campo de temperaturas, frente de solidificação, e energia removida. A vantagem ou desvantagem de cada caso sío apresentadas.
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Aluno(a) : Andre Augusto Isnard
Orientador(a): Marcos Sebastião Gomes
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/12/2000
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Resumo: Atualmente, vem ocorrendo um notável aumento de investimentos no setor de gás natural no Brasil. A utilização do gás natural para a geração de energia tem importantes atrativos como, por exemplo, a diversidade de oferta do gás e sua queima mais limpa em relação a outros combustíveis fósseis. Existe um crescente interesse em projetos, idéias e opções alternativas para melhorar a performance e reduzir as descargas poluentes de equipamentos de combustão industrial para o meio ambiente. A necessidade de processos mais eficientes e menos poluentes tem acelerado a busca por desenvolvimento tecnológico. No projeto desenvolvido, foi investigada a performance de um modelo baseado na formulação de volumes finitos, incluindo o modelo k-e de turbulência, o modelo generalizado de taxas finitas de Arrhenius e Magnussen para o cálculo das reações químicas, e o modelo de radiação por transferência discreta, para simular o processo de combustão em fornalhas industriais através da utilização do pacote comercial Fluent (versão 4.4). O principal objetivo do estudo foi o de investigar a performance deste modelo em simular a combustão e prever a formação de NO e CO em chamas industriais de gás natural através da comparação com dados experimentais. Para a simulação da combustão foram testados dois modelos, o primeiro correspondendo a uma única reação global de oxidação do metano (1 etapa), e o segundo composto por duas reações (2 etapas). Uma sensível evolução foi obtida empregando-se o modelo em duas etapas em comparação com o em uma etapa. Para a simulação da formação de NO foram testados sete casos diferentes. Nestes casos, foram principalmente investigados os mecanismos - thermal NOx -,- prompt NOx - e o método PDF para a representação da interação química- turbulência. Percebeu-se que o método PDF permitiu uma evolução na predição da formação de NO na fornalha. Além disso, o - prompt NOx - foi o mecanismo dominante e portanto faz-se necessária uma investigação mais aprofundada sobre as características desse mecanismo para melhores resultados na predição de NO. Apesar da evolução dos modelos empregados e de seus resultados durante o trabalho, são necessárias novas investigações para detectar possíveis melhorias em tais modelos que possibilitem previsões mais realistas para a formação de NO.
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Aluno(a) : Walter Novello Bastos
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/23/1999
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Resumo: Diante da crise energética e de mercado a Cogeração se apresenta oportuna tanto para a produção de energias elétrica e térmica quanto para a redução dos custos operacionais de produção de uma empresa. Um Sistema de Cogeração integrado e adaptado ao processo de uma Planta Criogênica de Separação de Ar, que tem a energia elétrica como insumo básico, pois o ar nío tem custo, pode se mostrar viável, com considerável redução nos custos operacionais da planta. Um estudo Termoeconômico, englobando uma análise da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica, e uma análise econômica, foi necessário nío apenas para demonstrar esta viabilidade, mas também para propor as modificações no processo Criogênico de Separação de Ar, assim como, para definir o melhor Sistema de Cogeração a ser integrado à planta típica T-240 NA MPL3. O Sistema de Cogeração a partir do Ciclo Combinado foi o que apresentou o melhor desempenho, entre os sistemas propostos a partir dos ciclos clássicos.
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Aluno(a) : Luiz Gustavo de Melo Freire
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/02/1999
Local:
Resumo: Um estudo experimental é realizado é realizado para investigar o fenômeno de fratura num fluido nío Newtoniano viscoplástico através de uma expansío abrupta com simetria axial. Uma visualização foi, entío, efetuada usando uma técnica simples, com adição de pequenas partículas esféricas ao fluido de teste. Neste trabalho três soluções de Carbopol 676, que representou o fluido viscoplástico, foram preparadas e submetidas ao escoamento laminar e lento, com número de Reynolds no tubo a jusante abaixo de 0,1. Três razões de aspecto, a saber, de 2,0, 6,0 e 12,5, foram estudadas nesta estreita faixa de regime laminar. Perdas de carga na expansío foram determinadas a partir de medidas experimentais de pressões diferenciais num determinado trecho (antes e após a expansío) para três vazões volumétricas diferentes. Um modelo de um Fluido Newtoniano Generalizado foi empregado para descrever o comportamento mecânico do material, com a função da viscosidade de Herschel-Bulkley, com consistência (K) e índice de comportamento (n).
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Aluno(a) : Oldrich Joel Romero Guzmán
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/15/1999
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Resumo: O presente trabalho tem como principal objetivo resolver numericamente o escoamento de líquidos e gases isotérmicos ou nío, no regime transiente em tubulações industriais com área variável. Pretende-se ainda, investigar os campos de velocidade, pressío e temperatura na presença de vazamentos na tubulação. O código computacional implementado resolve as equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear e da energia na sua forma conservativa. Este enfoque permite obter resultados importantes, dentre os quais pode-se destacar a capacidade de reproduzir as perturbações nos campos de velocidade e pressío, uma vez iniciado o vazamento do fluido num determinado instante de tempo e em qualquer ponto da tubulação. Para a solução numérica do escoamento unidimensional em coordenadas retangulares utilizou-se o método de volumes finitos. A discretização espacial foi realizada baseada no método "upwind" e para a discretização temporal utilizou-se o método totalmente implícito. As equações de conservação de massa e quantidade de movimento linear sío resolvidas diretamente, através da solução de uma matriz hepta-diagonal. A seguir resolve-se a equação da energia por um algoritmo para matrizes tri-diagonais. Como as equações sío nío lineares, um processo iterativo é necessário. Para validar o metodologia empregada, sío efetuados vários testes com casos registrados na literatura e resolvidos problemas que apresentam solução analítica. Uma comparação entre o enfoque conservativo e nío conservativo é apresentada. Finalmente, investiga-se a resposta do campo de pressío e velocidade para a presença de vazamentos na tubulação.
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Aluno(a) : Edson José Soares
Orientador(a): Mônica Naccache e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/04/1999
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Resumo: Existem muitas indústrias que usam em seus processos materiais viscoplásticos. Esses tipos de materiais possuem propriedades fortemente dependents da temperatura. Devido ao fato de seus escoamentos geralmente nío serem isotérmicos, informações sobre o processo de transferência de calor é extremamente necessária para um bom entendimento e aperfeiçoamento das operações. Neste trabalho é estudado o problema da transferência de calor, em escoamentos laminares de fluidos viscoplásticos através de geometries anulares, sendo analisadas as regiões de entrada e desenvolvida, para similar o processo de perfuração de poção de petróleo. Os fluidos de perfuração sío tipicamente suspensões concentradas e por consequência de natureza altamente nío newtoniana. Tais fluidos devem possuir densidade correta para manter a integridade física dos poção e evitar produção premature de hidrocarbonetos. Além disso, suas propriedades reológicas devem garantir a capacidade de arraste das partículas sólidas geradas durante o processo de perfuração, com o mínimo de potência de bombeamento. Tais particularidades requerem fluidos com baixas viscosidades a altas taxas de cisalhamento, que ocorrem em regiões próximas à parede, e altas viscosidades nas regiões onde as taxas de deformação sío baixas, próximas aos cascalhos. Os fluidos viscoplásticos apresentam este comportamento. Portanto, o sucesso do processo de extração do petróleo depende de um grande conhecimento e controle das propriedades reológicas dos fluidos de perfuração, que sío fortemente dependents da temperatura. Dessa forma, a determinação do campo de temperatures e coeficientes de troca de calor no escoamento sío de grande importância. O escoamento analisado é laminar e o comportamento do material é modelado como Fluido Newtoniano Generalizado, com a função viscosidade descrita pela equação de Herschel-Bulkley. As equações de conservação sío resolvidas numericamente via o método de volumes finites. Sío investigados os efeitos da tensío limite de escoamento, índice power-law, razío de aspecto e dos números adimensionais de Reynolds e de Peclet no coeficiente de troca de calor. É também mostrado queo comprimento de entrada decresce a medida que o material se afasta do comportamento Newtoniano.
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Aluno(a) : Luis Clemente Bocanegra Ortiz
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/28/1998
Local:
Resumo: O presente trabalho descreve a construção e calibração de um sistema frigorífico instrumentado para controlar e medir vazões mássicas através de um tubo capilar adiabático, com o gás refrigerante R22 e seu substituto, o R407c, uma mistura nío-azeotrópica. Uma geometria muito simples faz do tubo capilar um dos mais utilizados dispositivos de expansío em sistemas de refrigeração de pequeno porte e em equipamentos de ar-condicionado domésticos (tipo “janela”). Testes foram realizados para diferentes condições de operação, variando-se a temperatura de condensação e o grau de subresfriamento do líquido, na entrada do tubo capilar. Os resultados obtidos mostram que o comportamento do R407c foi muito similar ao do R22, sendo ambos sensíveis às mudanças das condições de operação. O aparato experimental foi ajustado para trabalhar com vazões mássicas na faixa de 12 kg/h.
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Aluno(a) : Gladys Augusta Zevallos Nalvarte
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/28/1998
Local:
Resumo: No presente trabalho é realizada uma análise do desempenho de três diferentes modelos de turbulência na previsío de escoamentos que apresentam separação e recolamento. Investigou-se o escoamento turbulento através de dutos com obstruções curvilíneas. Os modelos selecionados pertencem a classe de modelos de duas equações diferenciais k-e para baixos números de Reynolds. A análise tem por objetivo verificar se estes modelos sío capazes de captar as regiões de recirculação e recuperação de pressío após a obstrução, grandezas fundamentais para a avaliação da distribuição de tensões. Os campos de velocidade, energia cinética turbulenta, taxa de dissipação obtidos pelos diferentes modelos sío comparados com dados numéricos e experimentais na literatura, visando identificar qual é o modelo mais adequado para esse tipo de escoamento. Para a determinação numérica do escoamento na geometria com uma obstrução curvilinear, do tipo senoidal, utilizou-se o método de volumes finites com coordenadas curvilíneas nío ortogonais que se adaptam à geometria. Os components contravariantes da velocidade foram empregadas como variáveis independents nas equações de conservação de quantidade de movimento e o acoplamento velocidade pressío foi resolvido pelo algoritmo SIMPLEC. Dentre os modelos testados, nenhum conseguiu reproduzir exatamente todos os dados experimentais, porém concluiu-se que o modelo LSH, proposto por Launder e Sharma (1974) com a modificação proposta por Hanjalic e Launder (1980) apresentou o melhor desempenho, o qual pode ser considerado como satisfatório. O efeito da geometria no escoamento também foi analisado, utilizando-se o modelo LSH.
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Aluno(a) : Felipe Decourt
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/27/1998
Local:
Resumo: É desenvolvido, no presente trabalho, um modelo matemático para a simulação de um condensador a água tipo tubo e carcaça, para aplicação em sistemas de refrigeração. Observa-se que três zonas térmicas distintas podem coexistir no condensador: a zona superaquecida, a bifásica e a subresfriada. O diferentes mecanismos de troca de calor ao longo dessas três zonas térmicas, bem como a grande variação das propriedades do refrigerante, sío levados em consideração pelo modelo. Este permite uma avaliação de desempenho, isto é, a partir dos dados físicos do condensador tipo tubo e carcaça e das condições termodinâmicas de entrada do refrigerante e da água, as condições de saída dos fluidos e o desempenho em geral do condensador sío previstos. Uma primeira aplicação do presente modelo surgiu em função da substituição dos refrigerantes halogenador, principais responsáveis pela destruição da camada de ozônio. Simulou-se um condensador operando com os novos refrigerantes. Os refrigerantes que atualmente podem ser utilizados no modelo sío: R11, R12, R22, R502, R134a, R290, R600a, R600, R717, além do R407c, mistura nío-azeotrópica, cuja obtenção das equações das propriedades termofísicas foi também fruto deste trabalho.
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Aluno(a) : Ricardo Hernandez Pereira
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/18/1998
Local:
Resumo: Medidas da transferência de calor media de uma superfície aquecida para água oriunda de matrizes de jatos pulverizados foram feitas. Três modelos distintos de jatos pulverizados, disponíveis comercialmente, foram empregados. Estes foram dispostos sobre a superfície de incidência de modo a reproduzir o padrío de escoamento que se verifica na incidência de matrizes quadradas de jatos pulverizados. Resultados foram obtidos em situações onde existia troca puramente convective de calor ou ebulição nucleada do fluido de transporte. Os parâmetros variados incluiram a vazío mássica d’água, ângulo de pulverização, diâmetro médio Sauter, distância entre pulverizadores e superfície de incidência e passo entre jatos vizinhos na matriz. Os resultados indicam que a geometria da matriz pode ser representada, para fins de correlação dos resultados, por apenas um parâmetro geométrico.
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Aluno(a) : José Julio Pinheiro dos Santos Jr.
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/13/1998
Local:
Resumo: O presente trabalho tem por objetivo a avaliação do desempenho de um compressor hermético empregado em sistemas de refrigeração de pequeno porte, operando com R134a. Para tal foi montada uma bancada calorimétrica que opera com um calorímetro de fluido secundário, ou seja, para a geração da carga térmica fornece-se calor a um refrigerante nío necessariamente igual ao que circula pelo ciclo de compressío a vapor. A bancada consiste basicamente de um circuito tradicional de refrigeração onde cada componente foi projetado para trabalhar em uma ampla faixa de operação permitindo, assim, a utilização de compressors com diferentes capacidades. Todo o circuito foi instrumentado de modo a permitir a obtenção das principais variáveis (pressío, temperatura, potência elétrica fornecida ao calorímetro e potência consumida pelo compressor) necessárias à determinação dos parâmetros de desempenho do compressor. Ensaios adicionais foram realizados para se avaliar a influência da vazío e temperatura de entrada do fluido do resfriador de óleo no desempenho do compressor. O aparato experimental também permitiu a avaliação de um condensador a água do tipo tubo e carcaça, operando com R134a.
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Aluno(a) : Candice Lourenço Monteiro
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/29/1997
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Resumo: O presente trabalho tem por objetivo a simulação do deslocamento de Pigs em tubulações de transporte de gases e líquidos. Pigs sío dispositivos frequentemente empregados em operações de limpeza e secagem de linhas, inspeção da tubulação e separação de produtos transportados. Pigs sío dispositivos cilíndricos introduzidos na tubulação com interferência, sendo movimentados pelo próprio fluido em escoamento. Apesar de serem utilizadas há anos, o conhecimento disponível sobre o comportamento dinâmico de Pigs é quase que totalmente baseado em dados experimentais obtidos em operações de campo. No presente trabalho foi desenvolvido um modelo computacional para simular o comportamento dinâmico de pigs. O modelo desenvolvido utiliza as equações uni-dimensionais de conservação de massa e quantidade de movimento linear para simular o movimento transiente do fluido. A equação de conservação de quantidade de movimento linear para o Pig é também resolvida simultaneamente. Equações auxiliaries para prever a vazío de fluido através de furos no Pig foram propostas e acopladas ao sistema. Vários casos de operações típicas de limpeza e secagem de tubulações foram testados, apresentando excelentes resultados
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Aluno(a) : Maria Helena Farias
Orientador(a): Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/22/1997
Local:
Resumo: Este trabalho mostra um estudo experimental realizado numa cavidade ressonante cilíndrica, dentro da qual, através de um tubo concêntrico à mesma, escoam fluidos. Dentro desta cavidade é inserida potência em microondas, que tem por objetivo aquecer o fluido escoante. Nío é trivial prever-se a distribuição do campo elétrico dentro de uma cavidade ressonante, pois a forma geométrica da cavidade e do material nela inserido para absorver potência em microondas sío variáveis que muito influenciam na intensidade e distribuição do campo eletromagnético interno à mesma. Por isso, ao se aquecer amostras cujas dimensões nío permitem analisar-se o grau de absorção de energia através da teoria da perturbação em cavidades, faz-se necessário uma verificação experimental, além da teórica, no estudo do processo. O objetivo deste trabalho é analisar a influência de perturbações no interior da cavidade, visando-se a possibilidade de otimização do aquecimento de fluidos nesta. Tais alterações no interior da cavidade sío três hastes metálicas localizadas numa seção transversal da mesma, além da variação do diâmetro externo do tubo pelo qual o fluido a ser aquecido escoará. O estudo das cavidades, em busca da otimização do aquecimento dentro das mesmas, traz, como retorno, menor desperdício de energia aplicada nestes sistemas de aquecimento.
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Leme Nóbrega
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/05/1997
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Resumo: O aumento continuo dos picos de demanda de energia elétrica é um problema enfrentado por todas as concessionárias, mundo afora. Com o objetivo de equalizar a curva diária de demanda, incentivos tais como tarifas reduzidas em horários noturnos vêm sendo oferecidos aos grandes consumidores de energia. É neste contexto que se enquadra o presente trabalho, a chamada termo-acumulação. O processo de acumulação escolhido para estudo é o de “transferência alternada interior”, no qual o material de mudança de fase encontra-se enclausurado em cápsulas cilíndricas, dispostas transversalmente ao escoamento. Para tal, um modelo é proposto com base em algumas hipóteses simplificadoras, resultando em uma equação diferencial parcial (relativa ao transporte de energia) e um sistema de equações integrais, referentes à mudança de fase. Sío apresentadas duas formulações do problema (dimensional e adimensional), cujas soluções sío comparadas a resultados disponíveis na literatura e a dados experimentais, colhidos em laboratório. Em todos os casos, verificou-se boa concordância. Os resultados fornecem conclusões importantes para o projeto e operação para termo-acumuladores deste tipo.
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Aluno(a) : Roney Leon Thompson
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/21/1997
Local:
Resumo: Materiais nío Newtonianos reagem de maneira diferente quando expostos a esforção cisalhantes ou extensionais. Uma equação constitutive em que a tensío é função nío só da taxa de deformação, mas também do tipo de escoamento é proposta e analisada teoricamente. Ela combina as informações obtidas em cisalhamento, extensío e movimento de corpo rígido em todas as regiões de um escoamento complexo. Esta equação é testada em códigos numéricos para duas geometries axissimétricas diferentes: a contração abrupta 4:1 e o canal convergente R2 z = C. Ambas as geometries têm sido usadas para efetuar medicos da viscosidade extensional. Para validação do modelo, foi construída uma seção de testes com uma contração abrupta 4:1. Foram feitos experimentos com fluidos newtonianos e viscoelásticos utilizando a técnica de Velocimetria por Imagens de Partículas para determinação do campo de velocidade.
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Aluno(a) : Rivânia Hermógenes Paulino
Orientador(a): Washington Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/27/1997
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Resumo: O trabalho desenvolvido trata da solução das equações de Navier-Stokes, na forma vorticidade-função corrente, via Diferenças Finitas e técnicas de aceleração via Malhas Múltiplas. Embora outras opções tenham sido tratadas, a que melhor funcionou tratou o problema de forma nío acoplada: uma equação de vorticidade foi resolvida via multigrid e a solução da equação de função corrente, uma equação puramente elílptica, foi resolvida via S.O.R. (Successive over relaxation). O código desenvolvido foi aplicado ao problema da cavidade, típico no teste de simuladores em Dinâmica dos Fluidos, em diversos números de Reynolds. Foram testados um método clássico (armazenamento da correção) e uma variação do método FAS (Full Approximation Storage). Os resultados obtidos mostram claramente os ganhos computacionais ganho quando compararmos os resultados do método multigrid com o método iterativo básico S.O.R., indicando o potencial do uso desta técnica para problemas mais complexos em coordenadas generalizadas.
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Aluno(a) : Suleman Muftah Abu-As
Orientador(a): Paulo Murillo de S. Araújo
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/03/1997
Local:
Resumo: A motivação principal do presente trabalho é analisar numericamente o desempenho de um trocador de calor de tubo duplo, sem impor condições de contorno artificiais na superfície de troca de calor e considerando a possibilidade de cada um dos escoamentos ser laminar ou turbulento. As condições de contorno utilizadas sío apenas as compatibilidades de temperatura e fluxo térmico, isto é, condições de contorno naturais. Considera-se, para ambos os fluidos, escoamento incompressível desenvolvido hidrodinamicamente e se desenvolvendo termicamente. Os perfis de velocidades e de difusividades turbulentas da quantidade de movimento e do calor para ambos os escoamentos no tubo e no espaço anular sío determinados por um método inverso (semi-analítico), baseado na utilização de dados globais sobre o coeficiente de atrito e o número de Nusselt. O objetivo a ser alcançado na elaboração de um método específico para o problema aquia abordado é a obtenção de formas analíticas fechadas para os perfis desejados, as quais sejam contínuas em todo o domínio de cálculo. Também é desejável que as equações referentes a um dado escoamento turbulento englobem o escomento laminar como um caso particular. Os resultados obtidos podem ser classificados em duas categorias diferentes: (i) resultados semi-analíticos referentes às difusividades turbulentas em ambos os escoamentos e (ii) resultados da análise numérica do trocador de calor, considerando tanto escoamentos de mesmo sentido (correntes paralelas) quanto de sentidos opostos (contra-corrente). Quanto ao trocador de calor, os principais resultados sío os referentes aos coeficientes convectivos locais de transferência de calor, com base no cálculo das temperaturas médias de mistura, aos valores locais do coeficiente global de transferência de calor, aos valores médios de todos os coeficientes e, finalmente, ao número i de unidades de transferência e à efetividade do trocador de calor. É feita uma ampla variação dos parâmetros relevantes, tais como: parâmetros geométricos, números de Reynolds e Prandl de ambos os escoamentos e a razío das taxas de capacidade térmica. A grande quantidade de deformações sobre o presente problema, que é encontrada na literatura permite, por comparação, nío apenas a validação do método empregado, como também a verificação da exatidío dos resultados. As equações diferenciais do problema e as condições de contorno pertinentes sío resolvidas através de uma análise numérica acoplada para os dois escoamentos. Admite-se que as difusividades térmicas turbulentas independam da condição térmica de contorno na superfície de troca de calor. O método de volumes finites é utilizado dentro de um procedimento numérico interativo. O aumento do trabalho computacional devido à análise acoplada dos dois domínios de cálculo é compensado através da parte analítica previamente estabelecida, envitando-se o risco de descontinuidades e eliminando-se a necessidade de interpolações durante o refinamento da malha.
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Aluno(a) : Márcia Soares Gama
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Mônica Naccache
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/18/1996
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Resumo: O problema de transferência de calor, que ocorre durante o escoamento laminar de um fluido de Herschel-Bulkley na regiío de entrada de tubos é estudado. O número de Nusselt é obtido como uma função da coordenada axial, tensío limite de escoamento e índice de comportamento. Sío examinadas duas condições de contorno térmicas: fluxo de calor uniforme na parede e temperatura uniforme na parede. Esta análise é feita considerando, primeiramente, as propriedades do líquido independente da temperatura. Em uma fase posterior, investiga-se o efeito da variação da tensío de escoamento e do índice de consistência com a temperatura. É investigada a influência de alguns parâmetros sobre a transferência de calor. Para o caso das propriedades independentes da temperatura, constatou-se a influência do índice de comportamento e do raio de “plug flow” sobre o perfil de velocidade. Quando o índice de comportamento é menor que 1, ou o raio de “plug flow” é maior que 0, o perfil de velocidade fica mais achatado. Em função disto, o número de Nusselt aumenta nestes casos. Os números de Reynolds e Peclet nío afetam a troca de calor no escoamento totalmente desenvolvido, porém tem um papel significativo na regiío de entrada do tubo. Os resultados mostram que a hipótese de fluidos com propriedades independentes da temperatura nío muda o comportamento qualitativo do frente à transferência de calor, embora quantitativamente ocorram mudanças significativas.
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Aluno(a) : Elizabet Del Carmen Vera Becerra
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/12/1996
Local:
Resumo: O presente trabalho versa sobre o desenvolvimento de um modelo de simulação dos processos de trabalho de um motor a combustío interna do tipo Gás-Diesel. Inicialmente foram estudadas as características principais do motor Gás-Diesel. Este motor, do ponto de vista da combustío, apresenta uma combinação dos processos de combustío dos motores com ignição por centelha e por compressío. Foi desenvolvido o modelo matemático correspondente, a partir das equações de conservação de massa e energia. Trata-se de um modelo zero-dimensional, a partir do qual a pressío e temperatura no interior do cilindro sío calculadas ângulo a ângulo. Foram utilizadas curvas de liberação de calor independentes para a descrição da queima do gás natural e do óleo Diesel. Foi realizada uma comparação entre os resultados numéricos e dados experimentais, tendo-se observado uma boa concordância entre estes.
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Aluno(a) : Roberto Santos Martins
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/30/1996
Local:
Resumo: Neste trabalho estudou-se um método numérico para simulação de processos envolvendo transporte convectivo de calor e massa. A metodologia é baseada no método de elementos finitos, utilizando-se o conceito de volumes de controle, e tem como objetivo lidar com geometrias irregulares e malhas nío uniformes. A formulação é baseada em variáveis primitivas, e atribui-se grande importância à interpretação da formulação em termos de grandezas com significado físico tais como fluxos, forças e fontes. Em problemas que nío envolvem o cálculo do escoamento, o domínio de cálculo é discretizado utilizando-se elementos triangulares de três nós. Nos demais problemas, o domínio é primeiramente discretizado utilizando-se macroelementos triangulares de seis nós; entío cada macroelemento é dividido em quatro subelementos triangulares de três nós. Nío há restrições quanto à forma ou tamanho destes elementos. Após esta triangularização do domínio de cálculo, associa-se a cada nó um volume de controle poligonal. A natureza do problema a ser resolvido determina as formas das funções de interpolação para as variáveis dependentes. Em problemas de condução, todas as variáveis dependentes sío interpoladas linearmente em cada elemento triangular de três nós. Entretanto, em problemas envolvendo escoamento, utiliza-se funções especiais de interpolação para todas as variáveis dependentes, exceto a pressío. Estas funções de interpolação sío exponenciais na direção de um vetor velocidade média no elemento e lineares na direção perpendicular ao mesmo; elas dependem do número de Peclet para o elemento, reduzindo-se a completamente linear quando este se aproxima de zero. Na fomulação do método, os princípios de conservação de interesse sío impostos aos volumes de controle associados aos nós. Os sistemas resultantes de equações integrais de conservação sío entío aproximados por equações algébricas, utilizando-se as funções de interpolação discutidas anteriormente. Estas equações algébricas, que sío em geral nío lineares e acopladas, sío resolvidas através de um processo iterativo similar ao método das aproximações sucessivas. Em cada ciclo deste procedimento, a pressío, os componentes da velocidade, a correção da pressío e todas as demais variáveis dependentes sío resolvidas de uma forma seqüencial. Problemas testes foram realizados, apresentando bons resultados.
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Aluno(a) : Flávio Sant Anna Ribeiro
Orientador(a): Sergio Braga e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/14/1996
Local:
Resumo: O presente trabalho visa a obtenção de um melhor conhecimento dos mecanismos de deposição de parafina em linhas de produção de petróleo, a fim de auxiliar nas atividades de manutenção preditiva, e de fornecer subsídios para o estudo da viabilidade econômica da exploração de campos petrolíferos. Os dados experimentais obtidos foram utilizados para calibrar o simulador numérico desenvolvido pela PUC-Rio. Experiências de deposição para várias condições e óleos foram realizados. O regime de escoamento foi sempre monofásico (líquido), nío tendo sido executado nenhum experimento com a presença de gás. Foi realizada uma comparação entre os dados experimentais e resultados numéricos correspondentes, tendo-se observado uma boa concordância entre ambos.
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Aluno(a) : Belmiro Rufini Valente
Orientador(a): Pedro Carajilescov e Ruy Luiz Milidiu
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/21/1996
Local:
Resumo: A ocorrência de fluxo crítico de calor – FCC – é o principal fator termo-hidráulico limitante à produção de energia em reatores nucleares do tipo PWR (Reator a Água Pressurizada). O método usual de determinação de FCC é baseado em simulação numérica, utilizando programas como os COBRA, desenvolvidos a partir da análise dos subcanais do núcleo do reator. Esses programas implementam uma correlação, ou função empírica, que interpola os resultados obtidos por simulação experimental, realizada nas Seções de Testes – ST – de forma a obter o FCC numa ampla faixa operacional do reator. Esta dissertação propõe e investiga um método alternativo de determinação de FCC empregando, como correlação, redes neuronais artificiais – RNA. Neste método, as RNA sío obtidas a partir de treinamento, utilizando o paradigma de backpropagation, realizado com o mesmo conjunto de dados experimentais oriundos das ST’s.
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Aluno(a) : Ivan José Pacheco Pinto
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/30/1996
Local:
Resumo: O presente trabalho apresenta um simulador numérico que prevê o desempenho de um evaporador em um refrigerador convencional de uma porta. Neste caso a troca de calor se dá por convecção natural. Avalia-se também a distribuição das temperaturas no ambiente condicionado, como função do tempo, para regime transiente inicial. Para tal foi determinado experimentalmente o coeficiente externo de troca de calor por convecção do evaporador, nío disponível na literatura pesquisada. No decorrer das experiências foi investigada a influência da formação de depósitos de gelo, conhecidos por “frost”, sobre a superfície do trocador de calor. Os resultados da parte experimental sío apresentados sob a forma do número de Nusselt como função do número de Rayleigh. Para o simulador sío realizados diversos testes variando-se parâmetros de importância ao problema como vazío de refrigerante e níveis internos de temperatura do refrigerador.
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Aluno(a) : Ahmed Mohammed Segayer
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/24/1996
Local:
Resumo: A solução numérica de problemas de escoamentos de fluidos com transferência de calor, involve a solução de um conjunto de equações diferenciais parciais nío lineares acopladas. O maior esforço computacional gasto na solução dessas equações, é devido a solução dos sistemas algébricos resultantes da discretização das equações de conservação. A taxa de convergência de vários métodos iterativos é sensível a natureza de problema que está sendo resolvido. Portanto, nenhum método pode ser aclamado como melhor para A solução numérica de problemas de escoamentos de fluidos com transferência de calor, envolve a solução de um conjunto de equações diferenciais parciais nío lineares acopladas. O maior esforço computacional gasto na solução dessas equações, é devido a solução dos sistemas algébricos resultantes da discretização das equações de conservação. A taxa de convergência de vários métodos iterativos é sensível a natureza de problema que está sendo resolvido. Portanto, nenhum método pode ser aclamado como melhor para todos os problemas.Junto com o desenvolvimento de novos métodos iterativos, o desenvolvimento de técnicas de aceleração da convergência dos métodos iterativos conhecidos é de considerável interesse de ponto de vista prático.O objetivo primário do presente trabalho consistiu em analisar uma classe de algoritmos para a solução de sistemas algébricos provenientes da discretização das equações de conservaçí de fenômenos de transporte.O segundo objetivo foi o de selecionar um método adequado e eficiente que produza um aumento da taxa de convergência. Para este propósito, selecionou-se e implementou-se um esquema de “multigrid” por correção aditiva.Esta é uma ténica recente na qual o mesmo problema diferencial é aproximado em diversas malhas cujos tamanhos de malha sío geralmente múltiplos integrais.Investigou-se seu desempenho para melhorar a taxa de convergência junto com o método iterativo linha por linha TDMA, e comparou-se seu desempenho com o método de correção por blocos.
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Aluno(a) : Alex Alberto Silva Huerta
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/26/1996
Local:
Resumo: O objetivo do presente trabalho é desenvolver um simulador numérico capaz de prever o comportamento de um condensador, resfriado a ar por convecção natural, de um refrigerador doméstico. Visando encontrar a melhor correlação para o coeficiente externo de troca de calor por convecção, experiências foram realizadas em laboratório. Para tal, o fluido interno foi substituído por água, e diferentes condições de vazío e temperatures foram impostas e monitoradas no trocador de calor. A comparação dos resultados experimentais com os previstos, por diferentes correlações permitiram a escolha da melhor opção. Com esta, dados previstos e simulados concordam bem. Baseada na correlação escolhida a modelagem matemática é desenvolvida. As equações de conservação sío resolvidas para pequenos volumes de controle ao longo do condensador. Um estudo detalhado dos diversos regimes de escoamento bifásicos foi realizado. Diferentes configurações para o trocador de calor foram simuladas, onde sío variados os diâmetros dos tubos e aletas, número de aletas e espaçamento entre os tubos. Foram também analisados os comportamentos dos trocadores para diferentes refrigerantes e misturas, além da influência da presença de oleo no escoamento. Os resultados das simulações mostram as influências dos diversos parâmetros no comportamento do condensador.
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Aluno(a) : Samuel Fortunato Yana Motta
Orientador(a): José A. Parise e Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/29/1995
Local:
Resumo: O presente trabalho versa sobre a modelagem e simulação de alguns componentes de sistemas de refrigeração de pequeno porte (refrigeradores domésticos e equipamentos de ar condicionado). Foram estudados o tubo capilar adiabático e o compressor hermético alternativo. Os modelos desenvolvidos permitem prever o desempenho dos ditos componentes operando com sete diferentes fluidos refrigerantes, a saber: R-12, R-22, R502, R-134a, R-290 (propano), R-600a (isobutano) e R-600 (butano). Foi realizada uma comparação entre os resultados numéricos e dados experimentais correspondentes, tendo-se observado uma boa concordância. Uma análise de sensibilidade é também apresentada para cada componente simulado
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Aluno(a) : Luiz Alberto Oliveira Rocha
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e José Viriato Coelho
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/27/1995
Local:
Resumo: Trocadores de calor consistindo de tubos aletados sío largamente aplicados em sistemas de ar condicionado, aquecedores de ar, radiadores, etc. No presente trabalho é executada uma análise bidimensional da aleta, utilizando-se coeficientes de troca de calor locais, para a obtenção de sua distribuição de temperatura, eficiência e da distribuição da temperatura da corrente de ar ao longo da aleta, em trocadores de calor de tubos elípticos, de excentricidade 0,5 e 0,65 e com uma e duas fileiras. Através da analogia entre transferência de massa e de calor, os coeficientes locais de troca de massa obtidos por Ximines [1] foram transformados em coeficientes de troca de calor. Novos resultados numéricos de eficiência de aleta para trocadores de calor de tubos elípticos foram comparados com aqueles para trocadores de tubos circulares e a comparação revelou que o arranjo com tubos elípticos é superior ao arranjo com tubos circulares. Esta é uma conclusío positiva, porque o uso de tubos elípticos pode reduzir consideravelmente a queda de pressío, devido a sua melhor configuração aerodinâmica, o que, associado à comparação anterior, mostra que os trocadores de calor de tubos elípticos podem apresentar desempenho bastante superior aos convencionais trocadores de tubos cilíndricos. A comparação entre o uso de coeficientes médios de troca de calor para aletas isotérmicas e coeficientes locais para o cálculo da eficiência de aleta evidenciou que a utilização de coeficientes médios é uma hipótese muito boa, pois o erro relativo entre os dois resultados foi menor do que 6,75% nos casos analisados. Com a eficiência da aleta e com os números de Nusselt médios de aletas isotérmicas é possível calcular a taxa real de transferência de calor dos trocadores de calor nas diversas configurações analisadas neste trabalho.
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Aluno(a) : José Ronaldo Chaves de Melo
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/03/1995
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um método numérico para a solução de escoamentos bidimensionais de fluidos incompressíveis e imiscíveis. As equações de conservação sío discretizadas através do método de volumes finitos. A modelagem da interface se baseia no método VOF, em que a quantidade relativa de um dos fluidos em cada volume de controle é descrita por uma variável, aqui denominada saturação. Conhecida a distribuição desta variável, é possível a reconstrução da interface quando necessário. A principal particularidade do presente trabalho é que a reconstrução da interface leva em conta seu ângulo de inclinação dentro de cada volume de controle. Isto permite que a advecção da interface se realize com maior precisío do que normalmente se encontra nos trabalhos desenvolvidos a partir do método VOF. Este ângulo de inclinação é obtido partir das saturações da célula analisada e das duas células vizinhas também cortadas pela interface. A determinação da curvatura da interface, importante para o cálculo da pressío capilar, também é facilitada a partir do presente esquema. Domínios axi-simétricos, onde os volumes de controle apresentam geometrias mais complexas, também sío bem resolvidos, utilizando-se um tratamento especial para os volumes de controle junto ao eixo. Prevê-se ainda a especificação do ângulo de contato da interface com uma parede sólida. Foram testados com sucesso o problema de uma bolha de ar de grande porte imersa em água que se desloca sob a ação da força de empuxo, a passagem de uma gota de óleo através de uma garganta em um meio poroso microscópico, a aglutinação de duas bolhas sob a ação de forças viscosas e interfaciais e a deformação de uma interface plana para se ajustar à súbita mudança do ângulo de contato.
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Aluno(a) : Victor Kaminsky Martins
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/29/1994
Local:
Resumo: O modelo de duas equações diferenciais k-e, largamente empregado na análise de escoamentos turbulentos, nío é capaz de adequadamente modelar problemas que envolvam escoamentos secundários, escoamentos com rotação em dutos ("swirl"), descolamento de camada-limite e outras situações em que a anisotropia inerente ao escoamento turbulento necessite ser levada em conta. Modelos mais complexos, que consideram esta anisotropia -os chamados modelos de tensões de Reynolds - sío utilizados no intuito de obter resultados numéricos mais próximos daqueles observados experimentalmente. Um problema geometricamente simples, o escoamento turbulento hidrodinâmicamente desenvolvido em um duto de seção quadrada, no qual a ocorrência de escoamentos secundários foi constatada experimentalmente e documentada por diversos autores, foi modelado e resolvido através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente o modelo k-e foi implementado e testado, comprovando a incapacidade do mesmo de prever o escoamento na seção transversal devido ao caracter isotrópico do mesmo. A seguir, o modelo de tensões de Reynolds foi implementado. A validação deste modelo é obtida comparando-se os resultados numéricos obtidos a resultados experimentais e numéricos encontrados na bibliografia.
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Aluno(a) : José Glênio Medeiros de Barros
Orientador(a): Maurício Frota e Cesar das Neves
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/14/1994
Local:
Resumo: A presente Dissertação de Mestrdo refere-se a um estudo de demanda de servição técnicos especializados da indústria naval desenvolvido sob duas óticas distintas: (i) a das instituições ofertantes de servição e (ii) a das empresas demandantes. A primeira abordagem da pesquisa considerou as demandas de servição técnicos especializados das empresas do setor industrial naval atendidas por três importantes instituições prestadoras de servição sediadas no Rio de Janeiro, através das quais foi estudada a demanda de 1.347 empresas vinculadas aos diferentes setores econômicos. A Segunda abordagem estudou a demanda diretamente junto às empresas demandantes, via análise setorial, pesquisando a demanda de servição técnicos especializados provenientes de empresas responsáveis por cerca de 92% da produção naval do País. Os resulados da pesquisa permitiram caracterizar o perfil e os condicionantes da demanda, dimensionar o porte do mercado de servição tecnológicos estimulados pela indústria naval, propor linhas de análise e estabelecer um diagnóstico de adequação da demanda à oferta de servição de instituições públicas e privadas.
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Aluno(a) : Luiz Gustavo da Cruz Duarte
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/29/1994
Local:
Resumo: O presente trabalho é um estudo experimental das características de troca de calor e massa de um jato de ar incidindo ortogonalmente sobre uma placa. O estudo tem por objetivo avaliar a influência nos coeficientes de troca da presença de um componente circunferencial na velocidade do jato. Durante os experimentos foram investigadas a influência do número de Reynolds do jato, da distância jato/placa e da intensidade do escoamento espiralado (número de swirl). Os coeficientes de troca foram determinados utilizando-se a técnica de sublimação de naftaleno em conjunto com a analogia entre os processos de transferência de calor e massa. Coeficientes de troca de massa locais foram determinados utilizando-se uma mesa de coordenadas computadorizada especialmente construída, que permitiu a obtenção de medidas detalhadas tanto na regiío de estagnação do jato quanto na regiío mais externa. Coeficientes globais de troca de massa foram obtidos independentemente dos locais através de passagem. Os resultados demonstraram uma diminuição nos coeficientes de troca de massa do jato com o aumento da intensidade do escoamento espiralado. Visualizações do escoamento junto à placa foram realizadas, utilizando-se a técnica de óleo com negro de fumo. Os resultados das visualizações demonstraram a existência de regiões de separação junto à fronteira da zona de estagnação. Para altos valores do número de swirl foram verificadas fortes reversões do escoamento na regiío de estagnação.
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Aluno(a) : Cleyton Senior Stampa
Orientador(a): Pedro Carajilescov e Eloi Fernandez
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/21/1994
Local:
Resumo: No presente trabalho realizou-se um estudo experimental preliminar, sobre o desempenho térmico do sistema de resfriamento da contenção de um reator LWR do tipo AP-600. Foi projetado, construído e testado um aparato experimental similar ao vaso de contenção dotado de uma piscina com fonte quente e resfriado externamente por circulação forçada de ar. Neste arranjo, foram testados os efeitos do volume de água, potência dissipada e da vazío externa de ar. Nos ensaios, foram observadas três regiões típicas nos perfis de tempeatura: regime de pré-saturação da água da piscina, transitório com ebulição interna e finalmente equilíbrio térmico global onde todo o calor fornecido pela fonte quente é removido pelo ar externo.
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Aluno(a) : Marcelo de Bastos Lavrador
Orientador(a): Carlos Valois Braga e Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/21/1994
Local:
Resumo: A tendência atual na segurança de reatores nucleares é adotar sistemas passivos, que sío aqueles que independem de mecanismos complexos ou interferência humana para funcionarem. Um exemplo de sistema passivo é a utilização do princípio da circulação natural para remoção do calor residual, gerado pelos produtos de fissío em um reator nuclear. Foi projetado, construído e testado um circuito termo-hidráulico, fechado (“loop”), formado essencialmente por uma tubulação de cobre, contendo uma fonte quente e uma fonte fria. A influência de diversos parâmetros operacionais no comportamento da vazío de água através do mesmo (obtida em regime permanente), é amplamente discutida, assim como o campo de temperaturas nos regimes permanente e transitório.
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Aluno(a) : Cláudio Marcio Pereira da Cunha
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/16/1993
Local:
Resumo: Foi desenvolvido um sistema de medição de campo completo de velocidades de escoamento de fluidos. A técnica empregada é conhecida como Particle Tracking Velocimetry (PTV). As medidas foram determinadas a partir de imagens de trajetórias de partículas em suspensío no fluido. As imagens foram digitalizadas e processadas automaticamente em um microcomputador. O processamento foi feito por um programa dedicado que identifica as trajetórias e calcula as velocidades associadas. O sistema desenvolvido foi aplicado a um escoamento cujo perfil de velocidades é conhecido para comparação dos resultados obtidos. Foram analisadas as influências de características das imagens e do processamento nos resultados.
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Aluno(a) : Ênio Menengoy da Costa
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/07/1993
Local:
Resumo: É apresentado um modelo de simulação, com o objetivo de prever-se vários fatores de interesse num determinado projeto. Faz-se uso de dois volumes de controle, cilindro e cárter, interligados por dutos nos quais ondas de pressío sío consideradas. Para isto faz-se uso dos métodos das características na solução de escoamentos nío-homoentrópicos. Apresenta-se também um modelo para o processo de lavagem, com capacidade de representar todos os processos reais. Um modelo da simulação da dinâmica das palhetas (válvulas de palhetas) também é apresentado. O processo de combustío processa-se através de curvas previamente determinadas por experimentos (cessío de calor) e, as emissões sío determinadas por simples reações químicas.
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Aluno(a) : Antonio Henriques Botelo de Mello
Orientador(a): Carlos Valois Braga e Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/21/1992
Local:
Resumo: Muitos fornos de reaquecimento de placas de aço de indústrias siderúrgicas, sío dotados de modelos de simulação desenvolvidos para aumentar a sua performance na operação. Com este objetivo foi desenvolvido um modelo de simulação térmica de um forno para aquecimento de uma tira metálica movendo-se continuamente. Neste forno, idealizado como um espaço fechado (enclosure), sío alocadas chamas com temperatura, área e posição previamente definidas. Estas chamas fornecem ao forno, energia de aquecimento por radiação térmica para as superfícies das paredes refratárias e da tira metálica, e por convecção para o gás interno ao forno, proveniente da combustío. Este gás troca calor por convecção, entre as paredes e a tira. As paredes refratárias sío consideradas adiabáticas e forma subdivididas em zonas isotérmicas. A tira metálica foi subdividida em elementos de volumes de controle também isotérmicos. Cada elemento da tira, troca calor por condução e transporte de entalpia através das fronteiras internas, devido ao seu movimento. Uma vez equacionado o sistema e escolhido o método de resolução, foi desenvolvido um programa que fornece: a temperatura superficial e interna dos volumes de controle da tira metálica, as temperaturas superficiais das zonas de todas as paredes refratárias; a temperatura final dos gases; a potência dispendida ao forno para a configuração operacional utilizada e o balanço térmico do forno e a distribuição da temperatura interna da tira.
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Aluno(a) : Carlos Vinicius Costa Massa
Orientador(a): Carlos Valois Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/21/1992
Local:
Resumo: O presente descreve o desenvolvimento e aplicação de um modelo computacional para análise da combustío em motores do ciclo Otto. Tal modelo está fundamentado na primeira Lei da Termodinâmica e calcula parâmetros de interesse para o estudo da combustío, do desempenho e das emissões, a partir de resultados experimentais do motor. Descreve-se, também o aparato montado para a medição desses dados, fazendo-se um destaque – pela sua fundamental importância – para o sistema de aquisição e tratamento dos dados de pressío no cilindro. Realizam-se ensaios com diferentes combustíveis, taxas de compressío e relações ar-combustível e, através dos resultados calculados com esses diferentes dados de entrada, avalia-se o comportamento do programa, quanto a sua qualidade como ferramenta para análise da combustío.
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Aluno(a) : José Alipio Castelo Branco Junior
Orientador(a): Washington Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/18/1992
Local:
Resumo: Um programa simulador numérico interativo é desenvolvido para ajudar o usuário a obter rápidos e precisos resultados na montagem, simulação e análise das redes de gás natural. O programa opera através de uma interface gráfica especialmente desenvolvida em Turbo Pascal 5.5 que o torna uma ferramenta poderosa e ágil na manipulação dos dados de entrada e saída. Utilizando o método implícito, o programa pode simular escoamentos nos regimes permanente e transiente, obtendo como resultado as variações da pressío, vazío e temperatura nos diversos nós e demais elementos da rede.
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Aluno(a) : Pedro de Sá Campello Faveret
Orientador(a): Sergio Braga e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/23/1992
Local:
Resumo: Construiu-se uma bomba de calor para operar segundo o ciclo Stirling e utilizando o ar como fluido de trabalho. A configuração escolhida foi a “alfa” e o protótipo montado a partir de dois compressores de ar. Diversos testes foram realizados com o objetivo de se estudar a influência dos principais parâmetros no coeficiente de performance da bomba. Foram variados: ângulo de fase entre os pistões, temperaturas de ambos reservatórios térmicos, pressío média do fluido de trabalho e rotação do conjunto. O coeficiente de performance – COP- é entío apresentado como função de todos estes parâmetros para o sistema como um todo, onde parte do calor gerado pelo atrito dos pistões é também aproveitada e transferida ao reservatório quente. Com o objetivo de se avaliar o ciclo isoladamente uma segunda análise é feita descontando-se do total as perdas mecânicas do sistema.
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Aluno(a) : Paulo Alberto Ferro Bougleux
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/18/1992
Local:
Resumo: Modelos de simulação foram desenvolvidos para prever o desempenho de resfriadores evaporativos direto, indireto e de torres de resfriamento. Obtivemos modelos matemáticos, a partir de equações de balanço de energia, massa e transferência de calor e massa pelo método da efetividade, considerando uniformes as propriedades em uma mesma seção transversal, sendo portanto, unidimensionais. Os sistemas resultantes sío resolvidos numericamente. Os valores da simulação numérica do resfriador evaporativo direto e da torre de resfriamento foram comparados com medidas experimentais demonstrando serem, os primeiros, bastante satisfatórios para a faixa analisada, assim sendo validado o modelo. As aplicações dos modelos foram verificadas por intermédio de variações ora da umidade relativa do ar, ora da temperatura do ar, mostrando o efeito causado pela alteração de cada uma destas propriedades sobre a performance dos equipamentos citados.
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Aluno(a) : Marco Aurélio Leal
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/21/1992
Local:
Resumo: Apresenta-se neste trabalho uma análise termodinâmica comparativa entre o desempenho de um ciclo de refrigeração que usa um ejetor como um pré-expansor do fluido refrigerante e um ciclo padrío de refrigeração por compressío de vapor. Na primeira etapa do trabalho é desenvolvido um modelo matemático em regime permanente baseado na Primeira Lei da Termodinâmica para cada um dos ciclos estudados. Cada modelo é capaz de prever o funcionamento de cada um dos componentes do ciclo, assim como do sistema em geral. Ao modelo do ejetor é dada uma especial atenção. Para este componente do sistema apresenta-se uma “simulação de desempenho”, isto é, a partir de condições termodinâmicas previamente estabelecidas, seu modelo matemático é resolvido separadamente através de um processo iterativo pelo método sequencial de solução. Na segunda etapa do trabalho é apresentada para cada um dos equipamentos de cada ciclo uma análise, também em regime permanente, baseada na Segunda Lei da Termodinâmica, ou Análise Energética. Os resultados encontrados demonstram que teoricamente, o uso de um ejetor nas condições propostas no trabalho, melhora de maneira significativa o desempenho de um ciclo padrío de refrigeração por compressío de vapor.
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Aluno(a) : Cláudio Marcelo do Santos Ferreira
Orientador(a): Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/11/1992
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Resumo: Experimentos foram realizados para se determinar as características de transferência de calor de modo combinado, por convecção natural e radiação, de um conjunto de aletas retangulares e verticais, com antepara, em ar. Os seguintes parâmetros foram variados durante o curso dos experimentos: comprimento longitudinal das aletas, diferença de temperatura aleta-ambiente, altura das aletas e a folga entre aletas/antepara. Anteparas possuindo características térmicas distintas foram empregadas (altamente condutora e isolante). Para cada configuração variou-se o número de Rayleigh entre 4,0 x 101 a 7,0 x 102 . Encontrou-se que o posicionamento de uma antepara próxima às aletas reduz a taxa de troca de calor de modo combinado quando comparado ao caso sem antepara. Encontrou-se, também, que as aneparas metálicas forneceram taxas de transferência de calor maiores que as isoladas. Cálculos mostraram que, quando a folga aleta/antepara era nula, a parcela convectiva era dominante. Para outros valores da folga, a contribuição da componente radiativa era da mesma ordem de grandeza da convectiva. A contribuição da parcela radiativa era maior para baixos valores do número de Rayleigh e para valores da folga aleta/antepara diferentes de zero.
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Aluno(a) : Eduardo Câmara Berlinck
Orientador(a): José A. Parise e Rui Pitanga Marques da Silva
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/24/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo de simulação numérica da unidade de reliquefação de etileno instalada no complexo industrial da Companhia Petroquímica do Nordeste (COPENE), em Aratu, Bahia. A unidade foi dividida, por uma questío de facilidade de estudo, em dois sistemas: o do etileno propriamente dito e o de refrigeração por amônia. Cada sistema é composto por um conjunto de equipamentos, que incluem compressores alternativos de duplo efeito e de duplo estágio, trocadores de calor, tanque de estocagem, válvulas de expansío, separadores de líquido e vasos de pressío. A modelagem da unidade de reliquefação consiste basicamente no cálculo das propriedades dos fluidos envolvidos, no uso de relações de transferência de calor por convecção, na aplicação de equações de balanço de massa e de energia e na utilização de equações termodinâmicas de compressío e de expansío de gases. A solução do modelo foi obtida pelo método modular-sequencial onde cada equipamento é analisado isoladamente e o sistema resultante resolvido sequencialmente. Os parâmetros termodinâmicos (temperatura, pressío, vazões, etc.) assim determinados foram comparados com dados de operação, extraídos da própria unidade de reliquefação. O modelo apresentou, de uma maneira geral, uma boa concordância com os dados coletados. Uma análise paramétrica da unidade de reliquefação foi também realizada.
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Aluno(a) : Renato Nunes Teixeira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/09/1992
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Resumo: É realizado um estudo teórico e experimental sobre motores a combustío interna operando com taxa de compressío variável. É feita uma análise teórica sobre determinado mecanismo que permite variar a taxa de compressío. Para tal foi utilizado um programa de simulação para motores com ignição por centelha. No presente trabalho o modelo de simulação foi aprimorado, com a inclusío de previsío de detonação, de emissío de hidrocarbonetos, do cálculo da potência de atrito, assim como a inclusío do dispositivo do mecanismo de taxa de compressío variável, entre outras alterações. Uma parte experimental foi também realizada, com o objetivo de validar os resultados do modelo teórico e de quantificar os benefícios proporcionados pelo mecanismo em questío. Para tal um motor de pesquisa de combustível – motor CFR – foi utilizado. Uma comparação dos resultados teóricos e experimentais obtidos no presente trabalho com os de outros pesquisadores é também apresentada.
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Aluno(a) : José Viriato Coelho Vargas
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/18/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho apresenta um método de varredura de valores iniciais para a solução de problemas nío-similares de camada limite aplicado a uma cunha em convecção mista. É feita uma análise dos efeitos da força de empuxo nas características de transferência de calor e do atrito, na superfície da cunha submetida a um escoamento laminar em convecção forçada. Os casos analisados referem-se a temperatura uniforme na superfície e fluxo de calor uniforme na superfície. Apresentam-se resultados numéricos para a placa plana vertical e a cunha em 120o (problema similar), os quais foram comparados com os disponíveis na literatura, apresentando excelente concordância. Ainda sío apresentados resultados para a cunha em 90o e em 180o . Os resultados foram obtidos para o número de Prandtl 0,7 em uma larga faixa do parâmetro de nío-similaridade (0-100). Em geral, verifica-se que para ambos os casos estudados de condições da superfície, o coeficiente de atrito local e o número de Nusselt local aumentam com o aumento da força de empuxo para o escoamento ajudado e diminuem com o aumento da força de empuxo para o escoamento oposto. Verifica-se também que os efeitos de convecção natural diminuem com o aumento do ângulo da cunha. Compara-se, por fim, os resultados de transferência de calor entre os dois casos estudados. O método apresenta resultados com o uso de um microcomputador PC AT-286 com co-processador matemático, sem o uso de dupla precisío. As tolerâncias utilizadas para a convergência foram os mesmos resultados disponíveis na literatura. Adicionalmente, o tempo computacional necessário para a obtenção das soluções foi bastante reduzido. Para toda a faixa de variação do parâmetro de nío-similaridade, o equacionamento utilizado foi o mesmo, baseado em parâmetros de correlação para convecío forçada. Como ilustração da flexibilidade do método, resolveu-se também o problema de convecção forçada em uma superfície plana com injeção de massa, com ótima concordância com resultados disponíveis na literatura.
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Aluno(a) : Norberto Estellita Herkenhoff Jr.
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/24/1992
Local:
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um motor térmico de pistío líquido para bombeamento de água. Este motor opera de acordo com o ciclo termodinâmico de Stirling e é comumente chamado de Fluidyne. O fluido de trabalho utilizado é o ar. Uma resistência elétrica atua como fonte externa de calor. As colunas de líquido oscilantes produzem a variação necessária do volume de ar, resultando em produção de trabalho. Um protótipo foi construído e os testes foram realizados. Os parâmetros seguintes foram variados, um de cada vez: potência de entrada, altura de recalque, diâmetro da coluna de ressonância e diâmetro do pistío de potência. Dentro das combinações testadas, foi determinada a melhor configuração. Os testes mostraram que apesar do motor ser simples do ponto de vista construtivo, nío é fácil de ser regulado. As baixas eficiências obtidas nos experimentos indicam que o motor é mais apropriado para o uso de energia solar e calor de rejeito.
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Aluno(a) : Jane Méri Santos
Orientador(a): Angela Nieckele e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/21/1992
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta a modelagem da dispersío atmosférica de poluentes (gases e material particulado) proveniente de uma chaminé. Os campos de velocidade, concentração e temperatura sío obtidos através da solução numérica (método de volumes finitos) das equações de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia e massa da espécie química nas suas formas tridimensionais parabólicas, em regime permanente. O modelo k-e foi utilizado para incorporar o caráter turbulento do escoamento.
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Aluno(a) : Marcus Vinicius Andrade Bianchi
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/20/1991
Local:
Resumo: Análise do escoamento tridimensional turbulento, isotérmico, em regime permanente, num distribuidor retangular de aço para lingotamento contínuo. No processo de lingotamento contínuo, o distribuidor é um reservatório intermediário que tem como função distribuir o metal fundido desde a panela de fundição até os moldes, e remover as inclusões nío-metálicas que podem comprometer a qualidade do lingote. O escoamento turbulento foi modelado utilizando-se a analogia de Boussinesq para avaliar as tensões de Reynolds, e a viscosidade turbulenta foi avaliada através do modelo k - e de turbulência. Desenvolveu-se um algoritmo de solução de equações elípticas tridimensionais cartesianas de conservação utilizando o método dos volumes de controle. O acoplamento velocidade-pressío é tratado através do algoritmo SIMPLEC. As equações algébricas de conservação sío resolvidas iterativamente de forma segregada, utilizando-se o algoritmo TDMA linha-por-linha e um algoritmo de correção por blocos para acelerar a convergência. O escoamento para um distribuidor sem barreiras e diferentes configurações com um dique e uma barragem foram estudadas. Foram calculados o tempo de residência de uma partícula no distribuidor e um fator de limpeza foi estabelecido a fim de se poder qualificar diferentes configurações de distribuidores. Os resultados obtidos foram comparados com resultados disponíveis na literatura, apresentando excelente concordância. Comprovou-se que a utilização de barreiras traz benefícios para o processo de lingotamento contínuo, uma vez que sendo o tempo de residência no distribuidor maior, existe uma maior probabilidade de remoção das inclusões nío-metálicas.
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Aluno(a) : Alberto Milone Silva
Orientador(a): Eloi Fernandez e Carlos Valois Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/17/1991
Local:
Resumo: O presente trabalho analisa experimentalmente o escoamento estratificado gás-líquido (ar-água) em um duto de seção retangular. Obteve-se uma correlação empírica para a tensío de cisalhamento na interface. Verifica-se que tal tensío, além de ser função dos Números de Reynolds de ambos os escoamentos, depende também de características inerentes à fase líquida. Um perfil teórico de velocidade do gás foi comparado com os dados experimentais obtidos por anemometria de fio quente. Tal comparação apresentou bons resultados para a regiío logaritmica. Foi realizada uma análise de incertezas, que mostrou uma elevada confiabilidade nos resultados obtidos.
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Aluno(a) : Marco Andréde Oliveira Mendes Teixeira
Orientador(a): Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/17/1991
Local:
Resumo: O presente trabalho tem por objetivo identificar os efeitos introduzidos pelo confinamento, e pela natureza reológica do fluido, no escoamento de um sistema fluido-partícula. Com base nos experimentos realizados com fluidos de natureza newtoniana e nío-newtoniana, verificou-se que o confinamento promove um drástico aumento no arrasto viscoso atuante sobre a partícula e uma significativa redução na razío D P+ A/D (razío entre a força de pressío adicional devida a presença da partícula no escoamento e a força de arrasto atuante sobre a partícula). O presente trabalho quantifica estes efeitos e identifica a influência de parâmetros reológicos do fluido em adimensionais de interesse na hidrodinâmica do problema estudado.
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Aluno(a) : Hubert Georg Deierl
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/14/1991
Local:
Resumo: No presente trabalho, um modelo para a determinação do perfil de pressío, temperatura e fração volumétrica líquida ao longo de um gasoduto é desenvolvido para o caso de escoamento turbulento bifásico gás condensado em regime anular horiontal ou levemente inclinado. É utilizada uma metodologia composicional para a caracterização das propriedades físicas e comportamento das fases. O gradiente de pressío é obtido com a utilização da correlacío de Oliemans. Esta correlação foi selecionada no presente trabalho por ter apresentado os melhores resultados, após testes hidrodinâmicos com dados do Banco de Dados da Petrobrás, quando comparada com outras correlações usualmente utilizadas pela indústria do petróleo para o dimensionamento de gasodutos (Beggs e Brill, Dukler, etc.). É proposto um modelo para a determinação do perfil de velocidade na regiío próxima a interface filme-núcleo. Nas demais regiões da seção transversal do escoamento sío utilizadas correlações já conhecidas. Desenvolveu-se também uma metodologia para avaliar a fração volumétrica líquida através de um balanço volumétrico no filme líquido, o qual é realizado iterativamente. Ênfase maior é dada ao aspecto térmico do problema, de forma a avaliar corretamente as propriedades físicas e o comportamento das fases, os quais influenciam diretamente no cálculo do gradiente de pressío. Para isso, a temperatura é obtida numericamente, pelo método dos volumes finitos, através da solução da equação diferencial de conservacío de energia. O modelo desenvolvido é confrontado com dados reais de operação de gasodutos obtidos do Banco de Dados de Fluxo Multifásico da Petrobrás e apresenta um desempenho que supera o dos outros modelos testados, fornecendo assim informações mais precisas e abrangentes quanto as características do escoamento.
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Aluno(a) : Leonardo dos Santos Reis Vieira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/30/1991
Local:
Resumo: O objetivo deste trabalho é simular o escoamento de misturas bifásicas borbulhantes em bocais convergentes-divergentes. Dados experimentais com uma mistura de ar e água foram levantados a partir da construção de um bocal em resina, avaliando-se as pressões nas seções convergentes, garganta e divergente. A análise destes dados e a comparação com teorias existentes (N.T. Thang e D. Chisholm) permitiu a definição de um modelo, similar ao método do coeficiente C proposto por Chilsholm, adotando-se coeficientes experimentais distintos para as seções convergente, garganta e divergente. Foram determinadas as incertezas experimentais e do modelo, o que permitiu a comparação entre as teorias. De um modo geral, as teorias propostas por N.T. Thang e D. Chisholm só se aproximaram dos dados experimentais na seção convergente. Na seção divergente e na garganta, sugere-se a utilização do modelo proposto com coeficiente C experimental.
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Aluno(a) : José Ricardo Sodré
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/21/1991
Local:
Resumo: A presente dissertação analisa a queda de pressío ao longo de regiões anulares concêntricas livres, aletadas ou contendo matrizes regenerativas. Verifica-se a influência na queda de pressío causada pela introdução de aletas tubulares e a queda de pressío em matrizes regenerativas em leitos anulares com efeitos de parede (leitos de esferas e leitos de telas). É feita uma reavaliação em modelos disponíveis na literatura para o cálculo do fator de atrito em meios porosos, de modo a torná-los aplicáveis a leitos de seção anular com efeitos de parede. As razões de aspecto (relação de diâmetros) adotadas foram 1,076 e 1,369 para os testes com matriz de esferas ou telas.
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Aluno(a) : Marcio da Silveira Carvalho
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/11/1991
Local:
Resumo: O trabalho analisa o escoamento e a transferência de calor de fluidos nío-newtonianos na proximidade de uma contração abrupta cilíndrica. Este escoamento representa uma modelagem simplificada do processo de extrusío de líquidos poliméricos. O escoamento de fluidos viscoelásticos apresenta uma regiío de recirculação na quina do plano de contração, inexistente no caso de fluido newtoniano. Esta alteração no padrío do escoamento altera profundamente a transferência de calor envolvida no processo. Nas equações de conservação de momentum, os termos de inércia nío foram desprezados, como é usualmente feito na literatura da área. Os tensores tensío e taxa de deformação foram relacionados por dois modelos constitutivos: fluido newtoniano generalizado e Maxwell convectado. Analisa-se separadamente a influência dos termos de inércia e dos termos elásticos. Uma vez calculado o campo de velocidade, resolve-se a equação de conservação de energia, obtendo-se a distribuição de temperatura e os coeficientes de troca de calor. Para números de Reynolds menores que 1, o aumento do número de Weissenberg provoca um aumento no número de Nusselt local na regiío próxima à contração. Para números de Reynolds maiores que 1, o efeito se inverte.
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Aluno(a) : Ricardo Boehme
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/06/1991
Local:
Resumo: O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um modelo de simulação do processo de separação do ar da Fábrica de Oxigênio no. 4 da Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA). O modelo consiste na simulação seqüencial dos principais equipamentos envolvidos no processo: compressor centrífugo de 4 estágios e interresfriadores, trocadores de calor reversíveis (quente e frio), turbina de expansío e colunas de destilação de alta e baixa pressío. Resultados do modelo foram comparados com dados de operação da planta, apresentando, para a maioria dos equipamentos, boa concordância. Uma análise paramétrica para alguns equipamentos, e também para a planta como um todo, é apresentada.
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Aluno(a) : Helder Gomes Costa
Orientador(a): Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/10/1991
Local:
Resumo: O presente trabalho descreve uma investigação referente ao movimento relativo entre partículas rígidas e fluidos de natureza newtoniana ou nío-newtoniana. Experimentos inéditos envolvendo partículas rígidas esféricas e cilíndricas sío realizados com o objetivo de se validar uma nova teoria, que permite que parâmetros relevantes do escoamento perturbado pela presença de partículas rígidas, possam ser calculados em função parâmetros do escoamento nío perturbado – escoamento em ausência da partícula perturbadora. Embora a teoria refira-se, indistintamente, ao escoamento relativo entre a partícula rígida e o fluido, no âmbito do presente trabalho, e sem perda de generalidade, estudou-se sempre a queda de partículas em um meio fluido estacionário. Três diferentes classes de sistema fluido-partícula foram investigadas: (i) partícula cilíndrica e fluido newtoniano; (ii) partícula cilíndrica e fluido nío newtoniano e (iii) partícula cilíndrica e fluido nío newtoniano e (iv) partícula esférica e fluido nío newtoniano. Para o caso de fluidos newtonianos, além de se comprovar a teoria dentro dos limites do domínio de validade inicialmente previstos para esta (Rep £ 2,0), sío realizados experimentos que extrapolam este domínio, obtendo-se resultados surpreendentes, entre os quais, a constatação experimental da validade da teoria – originalmente desenvolvida para o Regime de Oseen – além deste regime. Apresenta-se, também, uma análise física fundamentada nas equações de movimento, objetivando explicar uma complexa transição de comportamento observada. Transição esta que, embora já detectada em trabalhos anteriores, carecia de uma interpretação física adequada. Experimentos envolvendo fluidos nío newtonianos puramente viscosos do tipo power-law – apresentando diferentes valores do expoente power lar: 0,75 £ n £ 0,91 – e partículas rígidas esféricas ou cilíndricas, foram realizados no regime hidrodinâmico com Reynolds variando de 0.02 à 47. Os resultados obtidos comprovam a validade da teoria, ampliando seu domínio de validade as situações até entío nío investigadas. Com base no presente trabalho é sugerida uma original abordagem a respeito do comportamento da teoria, com a generalização e ampliação do seu domínio de validade. O trabalho apresenta, também, uma contribuição ao complexo processo de fabricação de fluidos nío newtonianos, com propriedades reológicas pré-determinadas, resumindo e criticando outras experiências esparsamente publicadas na literatura. Diferentes técnicas de viscosimetria sío testadas objetivando-se à obtenção das propriedades reológicas dos fluidos utilizados. Com base em intercomparações de métodos realizadas, bandas de incerteza mais realistas foram propostas como condicionantes inerentes aos diferentes métodos testados. Finalmente, é apresentado um estudo relativo à influência que a proximidade das paredes do duto exerce na força de arrasto viscoso atuante sobre a partícula.
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Aluno(a) : Guenther Carlos Krieger Filho
Orientador(a): Washington Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/07/1991
Local:
Resumo: Este trabalho aplica três métodos básicos de malhas auto-adaptativas em problemas de mecânica dos fluidos e transmissío de calor. Um método unidimensional é aplicado a problemas descritos pela equação generalizada de Burgers. Um método bidimensional é aplicado ao problema da cavidade com tampa móvel para números de Reynolds iguais a 100, 500 e 1000 e ao problema de convecção natural em uma cavidade para números de Rayleigh iguais a 103, 104, 105 e 106. Um terceiro método, fundamentado em um sistema de equações elípticas é proposto e aplicado ao problema de convecção natural na cavidade, para análise de desempenho. Procura-se definir, para cada aplicação, critérios como: a) variável indicada para dirigir a adaptação; b) especificação da intensidade desejda na adaptação e c) justificação para o uso de malhas auto-adaptativas no problema em estudo. Observa-se, nos problemas unidimensionais, que quando o problema tem uma regiío única de intensos gradientes, a adaptação da malha funciona convenientemente, especialmente na presença de um termo de fonte. No problema da cavidade com tampa móvel, verifica-se que a função de corrente deve dirigir a adaptação. Para Re = 1000 o método empregado consegue melhorar a descrição geral do problema. O problema de convecção natural apresenta melhores resultados para Ra = 106 e com a adaptação dirigida pelo gradiente da temperatura que está diretamente relacionado ao termo de fonte do problema (forças de empuxo). Sío consideradas as característics geométricas de ortogonalidade e suavidade das malhas adaptadas. Para isso, compara-se malhas obtidas pelos métodos bidimensionais implementados. Observa-se que o método fundamentado no sistema elíptico consegue concentrar a malha nas regiões de intensos gradientes, sem danos excessivos naquelas características.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Osvaldo Aurélio Gutierrez Serrate
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/29/1990
Local:
Resumo: É desenvolvido neste trabalho um modelo de simulação para um motor a combustío externa (motor Stirling). Conhecidas a geometria e as condições de operação do motor, o modelo prevê seu desempenho termodinâmico fornecendo tanto resultados transientes quanto globais para o ciclo. Na simulação o motor é dividido em um número de volumes de controle, aplicando-se as equações de conservação de massa, energia e momentum linear para cada volume. O método de solução prevê a solução numérica do sistema de equações diferenciais ordinárias nío-lineares que, integradas, fornecem a variação no tempo para todas as variáveis termodinâmicas do motor. Os resultados do presente modelo sío confrontados com dados experimentais disponíveis. Aplicações típicas com o programa de simulação sío apresentadas ao final do trabalho.
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Aluno(a) : Norberto Eduardo Molina
Orientador(a): Antonio Santos Vargas e Angela Nieckele e Paulo Araújo
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/31/1990
Local:
Resumo: Este trabalho tem por objetivo simular numericamente o escoamento externo de uma corrente laminar incompressível, em regime permanente, para baixos números de Reynolds, em torno de um corpo sólido de forma cilíndrica. A solução do problema em estudo, é obtida resolvendo-se as equações de conservação de massa e quantidade de movimento bi-dimensionais. O método numérico selecionado para resolver as equações de conservação é uma combinação do método lagrangeano das características, com o método de volumes finitos. Adota-se um sistema de coordenadas curvilíneas que se adapta ao corpo, definido a partir da solução do escoamento potencial em torno do cilindro. Uma vez completado o procedimento numérico, o campo de velocidades, a distribuição de pressões e a tensío cizalhante em torno do cilindro, sío analisados. A determinação do coeficiente de arraste proveniente da pressío dinâmica e da tensío viscosa contra a superfície sólida do cilindro também é realizada. Os resultados locais e médios sío comparados com resultados experimentais e numéricos disponíveis, apresentando boa concordância.
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Aluno(a) : Ignatios Theodore Apostolidis
Orientador(a): Pedro Carajilescov e Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/23/1990
Local:
Resumo: O presente trabalho descreve o programa “ATS” , desenvolvido para o cálculo das distribuições de temperatura em um veículo espacial. O satélite é dividido em nós isotérmicos, sendo, entío, calculados os acoplamentos radiativos e condutivos entre os diversos elementos da discretização. A geometria e a carga térmica dissipada, no interior do satélite, de cada nó sío considerados dados de entrada. As equações de balanço térmico sío resolvidas pelo método de Runge – Kutta.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : João Augusto Ribeiro Fontoura
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/03/1990
Local:
Resumo: No presente trabalho sío estudados Ciclos Combinados de Cogeração, com aplicação da Segunda Lei da Termodinâmica. Cogeração pode ser definida como a geração sequencial de potência e energia térmica útil a partir de uma mesma fonte primária. O Ciclo Combinado consiste basicamente na integração de uma turbina a gás com uma caldeira de recuperação, e uma turbina a vapor. No Brasil, embora ainda pouco difundida, a cogeração pode representar um fator decisivo na ampliação da capacidade nacional de geração elétrica. Foi desenvolvido um modelo computacional, com o objetivo de permitir a análise preliminar de diversas configurações para os ciclos combinados. À luz da Segunda Lei, é possível identificar as soluções que representam o melhor aproveitamento dos recursos primários.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Toríbio Bautista Herbas
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/02/1990
Local:
Resumo: Dois modelos de simulação de bombas de calor, operando segundo o ciclo de compressío de vapor, sío desenvolvidos. O primeiro, para regime permanente, é derivado de modelos matemáticos simples de cada componente da bomba de calor. O resultado é um sistema nío-linear de equações, que é resolvido por método numérico adequado. Obteve-se boa concordância com dados experimentais disponíveis. Para o regime transiente o sistema resultante é de equações diferenciais ordinárias lineares. Sua integração fornece o desempenho do sistema ao longo do tempo. Sío levadas em conta as capacidades térmicas da carcaça do compressor e das paredes dos trocadores de calor. Estuda-se a situação de partida de uma bomba de calor.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Elias Antonio Dalvi
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/30/1990
Local:
Resumo: Os motores de combustío interna de ignição por centelha (M.C.I. – I.C.), operando no ciclo Otto, vêm sofrendo uma série de modificações e aperfeiçoamento no sentido de melhorar sua eficiência térmica e o seu desempenho. No final dos anos 70, com a crise do petróleo e preocupação maior com o meio ambiente, muita atenção tem sido voltada para a solução desses problemas. Câmaras de queima rápida, ignição eletrônica, injeção eletrônica de combustível e outros, sío modificações experimentadas nesse processo de otimização dos motores, cujo rendimento térmico ainda nío passa da faixa de 33%. No presente trabalho, foi pesquisado um sistema de múltipla ignição, tendo como parâmetros o número de velas de ignição, disposição das mesmas em relação à geometria da câmara, e ângulos de avanço de ignição. Foram também realizados estudos preliminares para a determinação da relação ar-combustível em função do número de velas. Finalmente o conceito de redução de avanço foi introduzido para melhor interpretar os resultados obtidos.
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Aluno(a) : Jorge Alberto Almeida
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/19/1990
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Resumo: Os coeficientes de transferência de calor e o fator de atrito foram determinados experimentalmente para o escoamento turbulento em dutos circulares equipados com aletas radiais internas. Foram obtidos resultados locais e médios por ciclo desde a regiío de entrada até a regiío de escoamento periódico totalmente desenvolvido. Foi investigada a influência do número de Reynolds, da altura das aletas e do espaçamento entre aletas. O número de Reynolds varreu o intervalo de 10000 a 8300, enquanto que foram investigados dois espaçamentos entre aletas, definidos por 9/H = 8 e 10, sendo estudadas três alturas de aletas relacionadas ao diâmetro do tubo por H/D = 0.01, 0.03 e 0.05. O fator de atrito dos tubos aletados é sempre superior ao do tubo liso, crescendo com a altura da aleta e a redução do passo. O coeficiente de transferência de calor é máximo para P/H = 8 e 0.05 < H/D < 0.1, para baixos números de Reynolds. A análise de desempenho, realizada sob as restrições de mesma vazío mássica e mesma potência de bombeamento, revelou serem os tubos aletados mais eficientes que os tubos lisos em ambas as situações.
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Aluno(a) : Adelmo Crespo Machado
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Paulo Murillo de S. Araú
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/25/1989
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Resumo: Na presente tese, a equação de energia é resolvida para uma tira de aço bidimensional que se move com velocidade constante através de um forno contínuo e é submetida a várias condições diferentes de radiação e convecção. Com as hipóteses de regime permanente e do sistema de coordenadas fixo às paredes do forno, a equação de energia inclui o termo que leva em conta o movimento da tira. As nío-linearidades do problema se restringem às condições de contorno que incluem fluxos de calor por radiação. As equações de discretização foram obtidas utilizando a técnica de diferencás finitas com enfoque em volume de controle. O conjunto destas equações indicou os sete parâmetros adimensionais do problema. Por se tratar de uma equação elíptica, a solução foi inicialmente encaminhada para a determinação dos comprimentos de tira antes e após o forno, além dos quais desapareceria o efeito da condução de calor axial no interior da tira. Os resultados mostraram a possibilidade de substituição da condição de contorno após o forno, passando-se entío a considerar uma seção transversal da tira situada próxima à saída do forno. A nova condição de contorno foi estabelecida por um balanço de fluxos de calor por condução, convecção e emissío radiativa na referida seção da tira. A partir da análise de influência de cada parâmetro adimensional sobre a distribuição de temperatura da tira, foram selecionados como mais importantes o número de Peclet relativo à taxa de produção do forno, o parâmetro de radiação incidente relativo ao consumo de combustível e o parâmetro geométrico que exprime a razío entre as dimensões da tira. Uma análise da eficiência na transferência de calor foi entío realizada, avaliando os citados parâmetros diante dos requisitos de obtenção de uma determinada temperatura média da tira e de uma elevada homogeneidade de temperatura em sua seção transversal localizada próxima à saída do forno. Ao promover-se a divisío do forno em três zonas e a adoção de diferentes fluxos de radiação incidente, foi possível simular situações operacionais típicas que ocorrem nos fornos de reaquecimento de placas de uma usina siderúrgica e efetuar comparações com dados disponíveis em literatura.
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Aluno(a) : Glauce da Silva Guimarães
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/29/1989
Local:
Resumo: Como parte da linha de pesquisa na área de estimulação de poção de petróleo, foi montado um simulador para análise de fluidos de fraturamento hidráulico, para determinação dos coeficientes de comportamento reológico, sob condições dinâmicas, em dutos circulares dotado de dispositivo para preparação do fluido. Pela avaliação dos resultados obtidos conclui-se que é preciso um maior número de dados experimentais para melhor qualificar o comportamento reológico dos fluidos de faturamento à temperatura ambiente.
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Aluno(a) : Valmor Fernandes de Almeida
Orientador(a): Angela Nieckele
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/13/1989
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Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um programa numérico geral capaz de resolver as equações de transporte tridimensionais parabólicas típicas na modelagem de problemas de mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa. Utilizou-se o método de diferenças finitas com formulação em volumes de controle (volumes finitos) e o esquema de discretização “power law”. O método de discretização utilizado na direção principal do escoamento (direção parabólica) é totalmente implícito. O sistema de equações obtido é resolvido por métodos iterativos que simultaneamente incorporem a nío linearidade do problema. O acoplamento velocidade-pressío recebe tratamento especial para o plano transversal ao escoamento e para a direção parabólica. O algoritmo SIMPLEC foi utilizado para resolver o acoplamento pressío-velocidade no plano transversal. Para o acoplamento na direção parabólica foi proposto no presente trabalho um método análogo ao SIMPLEC. O programa permite resolver escoamentos em coordenadas cartesianas (dutos retos com seção retangular) e coordenadas cilíndricas (dutos retos de seção circular assim como dutos curvos de seção retangular). Problemas de teste tridimensionais parabólicos foram resolvidos e comparados com dados disponíveis na literatura, validando o programa e comprovando a generalidade do mesmo.
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Aluno(a) : Paulo Roberto da Fonseca Santos
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/30/1989
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Resumo: Este trabalho teve como objetivo estudar as características de filtração estática e dinâmica de um fluido usado em fraturamento hidráulico à temperatura ambiente. Para sua realização foi projetado, desenvolvido e qualificado metrologicamente um simulador que permitisse efetuar testes de filtração estática e dinâmica. Foram realizadas filtrações com um fluido newtoniano (água) e um não newtoniano (HPGUAR-BO lbm/1000gal).
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Aluno(a) : Mônica Feijó Naccache
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/27/1989
Local:
Resumo: O presente trabalho é uma simulação numérica do processo de deposição de partículas num escoamento laminar no interior de um submetido a um aquecimento externo. A simulação tem como objetivo a modelagem do processo MCVD (Deposição Modificada de Vapor Químico), utilizado na fabricação de pré-formas para a produção de fibras óticas. Neste processo, as partículas carregadas por convenção pelo gás são depositadas na parede interna do tubo devido à força termoforética. A eficiência de deposição é obtida resolvendo-se numericamente as equações diferenciais de conservação de massa, quantidade de movimento linear, energia e espécie químicas (massa de partículas). A última equação foi resolvida utilizando o campo de velocidades calculado adicionando-se a velocidade de escoamento do gás à velocidade termoforética, obtida dos gradientes locais de temperatura. A fim de determinar os efeitos das velocidades termoforéticas axiais na deposição de partículas, as equações que governam o problema foram consideradas na forma elíptica. Os resultados apresentados revelaram que a temperatura de entrada do gás pode gerar um gradiente de temperatura axial que produz velocidades termoforéticas axiais significativas e influenciam marcantemente a eficiência de deposição de partículas.
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Aluno(a) : Felipe Bastos de Freitas Rachid
Orientador(a): Sidney Stuckenbuck
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/03/1989
Local:
Resumo: Neste trabalho, a interação fluido-estrutura é analisada em sistemas de tubulações transportando líquidos, considerando-se que o material dos tubos apresenta comportamento mecânico linear viscoelástico. São investigados, teoricamente, os efeitos do movimento da tubulação nas respostas transientes de pressão no líquido e tensão na estrutura quando se induz, através do fechamento rápido de válvulas ou ação de uma força de impacto sobre a tubulação, um estado de desequilíbrio no sistema. Na análise, considera-se o processo de propagação de ondas nas paredes da tubulação em consequência de esforços hidrodinâmicos localizados, assim como devido ao efeito Poisson. As equações que descrevem a dinâmica do movimento do líquido e do tubo são acopladas e resolvidas numericamente através do método das características. Os resultados obtidos para alguns sistemas de tubulação são comparados com o caso em que o tubo exibe resposta elástica e com resultados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados indicam que o movimento estrutural pode induzir pressões e tensões mais elevadas que aquelas previstas pela análise clássica não acoplada, particularmente no início do regime transiente, antes que a víscoelasticidade do material do tubo atenue as respostas do sistema. Contudo, o acréscimo observado nas pressões e tensões devido ao movimento estrutura não é tão significativo em tubulações viscoelásticas quanto em elásticas.
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Aluno(a) : Suzana Rechenberg Zdbesky
Orientador(a): José A.Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/24/1989
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Márcio de Castro Gouveia
Orientador(a): Angela Nieckele e José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/05/1989
Local:
Resumo: Neste trabalho, foi desenvolvida uma simulação numérica do processo de lavagem para um motor de dois tempos, com pistão chato. O ar entra circunferencialmente no cilindro, induzindo um escoamento turbulento tri-dimensional. O problema foi modelado assumindo axissimétrico, em regime permanente, através de um cilindro com temperatura uniforme nas paredes. O regime permanente foi simulado , assumindo o pistão fizo no ponto morto inferior. Os campos de velocidade e temperatura foram obtidos utilizando o modelo de turbulência K-E. Os reultados foram comparados com dados experimentais de um escoamento que simula o processo de lavagem no interior de um cilindro em regime permanente. Observou-se uma boa concordância entre os dados. Realizou-se também, uma comparação com uma solução numérica disponível, mostrando ter o presente trabalho comportamento superior, com soluções mais próximas às experimentais. Investigou-se o efeito do número de Reynolds, dos ângulos de entrada do gás e da geometria do motor no escoamento e no processo de troca de calor. Pode-se concluir que o número de Reynolds, a razão de aspectos e a localização da saída são os principais parâmetros do processo de lavagem.
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Aluno(a) : Sinoeste Cardoso de Oliveira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/28/1988
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Resumo: Uma análise experimental de um sistema termossifío para aquecimento d’água com energia solar é feita. A vazío mássica foi medida com um rotâmetro especialmente projetado. Coletores com e sem cobertura foram testados e seu desempenho comparado, como função da altura do tanque ao coletor e outros parâmetros. Finalmente sugere-se uma faixa ótima de parâmetros para utilização do coletor sem cobertura para aquecimento d’água.
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Aluno(a) : Antonio Luiz Serra de Souza
Orientador(a): Angela Nieckele e Sergio Magalhães M. Ferreira
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/27/1988
Local:
Resumo: Neste trabalho analisam-se as perdas de calor para as formações adjacentes a reservatórios de petróleo submetidos a métodos térmicos de recuperação, em especial para os métodos de injeção de vapor e combustío in-situ. O cálculo desta perda usualmente utiliza um modelo unidimensional vertical de condução de calor nos estratos adjacentes, desprezando a condução nas direções paralelas ao reservatório. O objetivo do trabalho consiste em avaliar diversos modelos unidimensionais existentes na literatura e desenvolver e utilizar modelos bidimensionais para verificar a validade da hipótese. Verifica-se que para algumas situações de Injeção Cíclica de Vapor e Combustío in-situ o modelo unidimensional pode levar à diferenças no campo de temperaturas, mas em geral a aproximação é válida.
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Aluno(a) : Milson José de Carvalho
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/07/1988
Local:
Resumo: No presente trabalho calcula-se a eficiência de um aquecedor de água, sem evaporação, queimando gás combustível com composição química desconhecida. Faz-se a comparação dos resultados obtidos com duas normas que apresentam formas diferentes de cálculo, ASME (1) e NBS (2). Com os resultados finais, sugere-se um procedimento a ser seguido no cálculo de eficiência de aquecedores.
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Aluno(a) : Marcos Sebastião de Paula Gomes
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Luis Fernando Azevedo
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/13/1988
Local:
Resumo: Investigou-se teórica e experimentalmente o comportamento dos equipamentos de transferência de calor e massa conhecidos como Torre de Resfriamento e Lavador de Ar. Para a torre, analisa-se um modelo de simulação, a partir de equações diferenciais ordinárias obtidas através de balanços de energia e massa em um elemento infinitesimal de volume, baseado em propriedades uniformes em uma mesma seção transversal, sendo, portanto unidimensional. O sistema resultante é resolvido numericamente. Já para o lavador de Ar, obtem-se, através dos mesmos balanços juntamente com a hipótese de temperatura da água constante, uma solução analítica. Montou-se, com o intuito de validação do modelo, um sistema experimental onde os parâmetros de interesse pudessem ser medidos e desta forma comparados com os resultados numéricos. A concordância entre valores foi bastante boa, para a faixa investigada. Este mesmo sistema permitiu que se obtivessem dados reais a respeito da operação tanto da torre como do lavador, e como consequência a determinação do produto coeficiente de transferência de massa pela área de troca (Hd Av), para cada caso. Finalmente, apresentam-se correlações para o cálculo deste parâmetro como função das vazões de ar e da área da seção transversal, as quais podem ser utilizadas em projetos futuros destes equipamentos.
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Aluno(a) : Alfredo Cruz Jr.
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes e Alvaro Toubes Prata
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/30/1988
Local:
Resumo: Neste trabalho é feita uma análise teórica e numérica da evaporação não isotérmica de um líquido contido em um recipiente cilíndrico parcialmente cheio, com paredes adiabáticas. Postula-se que a evaporação acontece em presença de convecção natural impulsionada por diferenças de massa específica, associadas com gradientes de temperatura e composição da mistura. Esta consiste de um gás e o vapor do líquido. Embora a formulação seja geral, o presente trabalho focaliza a evaporação de água para o ar. Estudou-se três situações. Um caso isotérmico, variante do clássico problema de difusão de Stefan, um Caso em que a temperatura do líquido é maior do que a temperatura ambiente e um terceiro caso no qual a temperatura do líquido é menor do que a do ambiente. Duas diferentes condições de contorno foram usadas na abertura do recipiente de modo a explorar a sensibilidade do escoamento às condições no topo. A distância entre a superfície do líquido e o topo variou de duas a dez vezes o raio do recipiente. Duas diferenças de temperatura entre o líquido e o ambiente foram investigadas, 3 graus Celsius e - 2 graus Celsius. O ar ambiente foi considerado como sendo muito seco ou muito úmido. Encontrou-se que, quando a temperatura do líquido é maior do que a temperatura ambiente, a taxa de evaporação alcança valores até quatro vezes maiores do que para o caso isotérmico. Para o caso em que a temperatura do líquido é menor do que a temperatura ambiente, a taxa de evaporação decresce para valores até duas vezes menores do que para o caso isotérmico.
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Aluno(a) : Myriam Eugênia Ramalho Prata Barbejat
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/29/1988
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Luiz Carlos Cipriano
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/05/1988
Local:
Resumo: O processo de lingotamento contínua de metais é simulado numericamente. Placas ou tarugos metálicos são produzidos continuamente, mantendo-se o escoamento do material através do molde. A frente de solidificação depende da velocidade de retirada de material e da refrigeração imposta na superfície do lingote. A posição da interface líquido-sólido e o campo de temperaturas na região sólida são determinados, e consideram-se os efeitos da velocidade na curvatura da interface. É analisado um modelo retangular bi-dimensional e a equação da energia é resolvida utilizando-se o método numérica de diferenças finitas das volumes de controle. Os resultados são comparados com soluções analíticas simplificadas onde a termo de transporte não foi considerado e mostram que o calar transportado pelo movimento de lingote tem influência significativa na forma da interface e em sua localização dentro do molde durante o processo.
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Aluno(a) : Norberto Mangiavacchi
Orientador(a): Washington Braga
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/06/1988
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Pedro Paulo Zucarato
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/30/1988
Local:
Resumo: A partir do funcionamento contínuo e em regime permanente do sistema de ar condicionado solar, projetado pelo Departamento de Engenharia Mecânica da PUC/RJ, são feitas experiências variando-se as vazões de ar, tri-etileno glicol e água, nas torres de secagem, regeneração e umidificação, que compõem o sistema. As condições destes fluidos são medidas na entrada e saída destas torres. Através dos dados experimentais levantados, obtiveram se para cada experimento os valores dos coeficientes de transferência de massa para as torres de absorção e determinaram-se correlações empíricas para o cálculo destes coeficientes como função de vazões e da seção das torres. Com estas equações, montou -se uma simulação numérica do sistema projetado, e através de parâmetros como .coeficiente de desempenho e capacidade frigorífica, avaliou-se o desempenho do sistema, variando-se a vazão de ar na secagem, vazão e concentração do tri-etileno glicol e a temperatura da água no regenerador. Com esta Simulação, foi determinada a operação ótima do sistema de ar condicionado solar em termos das condições de operação.
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Aluno(a) : Patrício Junqueira
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando e Antonio Horácio Miguel
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/25/1988
Local:
Resumo: A perspectiva a curto prazo de uma legislação nacional limitando o nível máximo de emissões de poluentes em motores de combustão interna tem despertado interesse em pesquisas visando o controle das emissões sem prejuízo ao desempenho do motor. No presente trabalho foram pesquisadas as influências de parâmetros tais como avanço da ignição razão ar-combustível, preparação da mistura e taxa de compressão no desempenho e nas emissões em um motor tipo CFR utilizando etanol hidratado. Foi utilizado um condensador na linha de amostragem com a finalidade de quantificar separadamente os hidrocarbonetos e o álcool não queimado que são medidos em conjunto nos detetores convencionais. Foram realizados também estudos preliminares para a otimização das condições de saída dos gases para a utilização de catalisadores no controle das emissões.
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Aluno(a) : Marcos Henrique de Pinho Maurício
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/27/1988
Local:
Resumo: Os coeficientes de transferência de calor e os dados de perda de carga foram determinados experimentalmente, para o escoamento turbulento, em dutos circulares providos internamente de anéis transversais. Os resultados foram obtidos tanto para a região de entrada como na região totalmente desenvolvida. Foram investigados os efeitos da altura do anel, do espaçamento entre os anéis e do número de Reynolds. Variou-se o número de Reynolds de 5.000 a 75.000, enquanto que a faixa de passo p/H foi de 4 a 15. Duas alturas do anel foram estudadas, a saber, 0,05 e 0,10 vezes o diâmetro interno do tubo. O fator de atrito para as geometrias periódicas mostrou ser sempre bem superior ao fator de atrito para o tubo liso, crescendo rapidamente com H/D. Para os tubos com anéis de pequena altura, o fator de atrito decresce com o aumento do passo, enquanto o oposto é observado para os tubos com anéis maiores, na faixa pesquisada. Para H/D = 0,05, o coeficiente de transferência de calor é máximo para valores de p/H em torno de 10 e para baixos números de Reynolds. Para H/D e 0,10, o maior coeficiente de transferência de calor medido foi para p/H = 10, que mostrou ser praticamente independente do número de Reynolds. Uma comparação de desempenho entre os tubos anelados e liso foi realizada sob dois tipos de restrições, a saber, a iguais vazões mássicas e iguais potências de bombeamento. Os tubos anelados mostraram um melhor desempenho em todos os casos pesquisados, exceto para H/D = 0,10 com Re > 60.000.
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Aluno(a) : José Henrique Carneiro de Araújo
Orientador(a): Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/31/1987
Local:
Resumo: Efetuou-se um estudo numérico do escoamento entre cilindros concêntricos e excêntricos girantes com efeitos de dissipação viscosa presente. Assumiu-se que o cilindro interno estava girando com uma velocidade angular constante e que o externo estava fixo. Assumimos a condição de contorno de não deslizamento para velocidade em ambas as paredes. A temperatura do fluido nas paredes dos cilindros foi assumida constante e seu campo assumimos ser governado por efeitos de convecção e condução, com uma fonte de energia proveniente da dissipação viscosa do escoamento. A viscosidade do fluido foi assumida variável com a temperatura. A discretização espacial foi feita por elementos finitos através de funções de base lineares, mais uma função estabilizadora para velocidade no caso dos cilindros excêntricos. O método das características foi usado no problema excêntrico. Resultados computacionais ilustram a eficiência da técnica adotada.
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Aluno(a) : Maria Laura Martins Costa
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/19/1987
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Harry Tavares Maia Vinagre
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/04/1987
Local:
Resumo: Determinou-se experimentalmente o coeficiente local de troca de calor, para o escoamento turbulento interno, em tubos de seção transversal elíptica. As condições de contorno impostas foram, temperatura constante na parede e entrada abrupta, com canto vivo, em uma placa plana. Foram obtidos resultados na região de entrada e na região desenvolvida, cobrindo a faixa de número de Reynolds de 7 000 a 60 000. Foram investigadas as razões de aspecto 0,12, 0,25 e 0,5 e os resultados, comparados com os encontrados na literatura para placa plana e tubo circular. Uma diferença máxima de 16 por cento, foi encontrada em relação aos resultados para tubo circular. Portanto, a utilização de tubos elípticos em trocadores de calor é, em geral, vantajosa do ponto de vista térmico.
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Aluno(a) : Edsonei Pereira Parreira
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/31/1987
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Silvio Carlos Anibal de Almeida
Orientador(a): Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/28/1987
Local:
Resumo: O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um gerador termoelétrico cujos termoelementos são obtidos a partir de um composto de dissiliceto de ferro (FeSi2). A originalidade do trabalho reside na simplificação do processo de obtenção do termoelemento e na utilização de matérias-primas com grau de pureza industrial, em contraposição aos processos usuais que utilizam materiais de custo elevado, com alto grau da pureza e sofisticados processos de fabricação. O composto é obtido pelo processo de fusão num forno de indução à vácuo. A forma geométrica do termoelemento é assegurada pelo processo de sinterização. Um processo de recozimento garante a formação da fase Beta, assegurando a existência das propriedades termoelétricas. O coeficiente de Seebeck mostrou-se dependente do tempo de recozimento. Para os materiais desenvolvidos, o termoelemento tipo P apresentou um coeficiente de Seebeck de 250 MV/K e o material tipo N, um coeficiente de 75 MV/K, valores estes que qualificam o material para construção de geradores termoelétricos. Estima-se que o custo de fabricação do material desenvolvido reduziu de oito para dois dólares o custo de fabricação de materiais termoelétricos por watt de eletricidade gerado. Experiências preliminares utilizando a técnica de serigrafia para fabricação de termoelementos parecem confirmar a possibilidade de uma redução ainda maior do custo de fabricação.
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Aluno(a) : Luis Manuel de Mexia Heitor de Medeiros Portela
Orientador(a): Luis Manuel de Mexia e Heitor de Medeiros Portela
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/24/1987
Local:
Resumo: Neste trabalho é apresentado um estudo teórico-experimental da propagação de perturbações acústicas num escoamento de ar, em regime turbulento e subsônico, no interior de um duto circular (comprimento 3000mm, diâmetro 50,8mm). Introduziram-se perturbações senoidais no escoamento, por intermédio de um alto-falante colocado na parede de uma câmara de estabilização, situada a montante do tubo de teste. Estudou-se a propagação da onda ao longo do escoamento e os efeitos da mesma nas distribuições de pressão, de velocidade e de intensidade de turbulência. Realizaram-se experimentos, em regime hidrodinâmico caracterizado por um número de Reynolds 70000, introduzindo perturbações acústicas no escoamento correspondentes à primeira e segunda frequências de ressonância do tubo, respectivamente, 56Hz e 112Hz (números de Strouhal 0,13 e 0,26). A 56Hz, a intensidade da perturbação acústica foi 3 por cento (valor eficaz da onda de velocidade, na frequência de perturbação, na entrada do tubo, normalizada na velocidade média na seção de entrada no centro do tubo); a 112Hz aplicaram-se duas intensidades de perturbação, 3 por cento e 18 por cento. Em várias posições ao longo do tubo, foram medidos, entre r/R=0 e r/R=0,96, os perfis transversais da velocidade média temporal, da intensidade da turbulência e do componente de onda. A distribuição de pressão foi medida por intermédio de tomadas de pressão posicionadas ao longo da parede do tubo. Foi estudada, teoricamente, a propagação da onda ao longo do tubo, considerando um modelo sem dissipação e, outro, com dissipação. Os resultados experimentais confirmaram as estimativas de dissipação baseadas no modelo, segundo as quais, nas condições do caso estudado (designadamente para a faixa de frequências de perturbação consideradas, e comprimento do tubo da ordem do comprimento de onda), a dissipação tem um efeito bastante moderado na propagação da onda. Nestas condições, grande parte dos aspectos do comportamento da onda é interpretada a partir do modelo sem dissipação, que mostrou boa concordância com os resultados experimentais. O modelo com dissipação permitiu interpretar alguns aspectos essencialmente ligados à dissipação, designadamente o comportamento da onda na vizinhança da ressonância e os perfis transversais da onda de velocidade, e interpretar as razões da validade aproximada, no caso estudado, no modelo sem dissipação. As diferenças entre o comportamento previsto pelos modelos apresentados e os resultados experimentais foram da ordem de grandeza dos erros de medida. Com base na análise efetuada, afigura-se que, para as condições estudadas, nem as estruturas de turbulência afetam significativamente a onda acústica, nem as perturbações acústicas impostas afetam significamente as características do escoamento turbulento (velocidade média temporal, intensidade de turbulência e distribuição de pressão estatística). Afigura-se, assim, que uma aproximação linear, baseada na técnica da superposição, usada nos modelos teóricos apresentados, é apropriada para descrever o escoamento turbulento resultante da aplicação da perturbação acústica.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Carlos Alberto Borges Pereira
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/28/1987
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Geraldo Afonso Spinelli Martins Ribeiro
Orientador(a): Maurício Frota e Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/24/1987
Local:
Resumo: Este trabalho descreve experimentos relacionamentos com o movimento relativo entre partículas sólidas e fluido não-newtoniano, confinados no interior de um duto circular. Medições da pressão dinâmica adicional, devida unicamente à presença da partícula (fonte de perturbação no escoamento) e do arrasto viscoso foram conduzidas de forma a se verificar a validade da Teoria de Brenner (1962). Esta teoria, já confirmada para fluidos newtonianos, permite que parâmetros característicos do escoamento perturbado sejam determinados, convenientemente, através de parâmetros do escoamento não-perturbado (ausência de partícula). Para o caso de fluido não-newtoniano, denominados puramente viscosos, do tipo Power-law, a teoria se mostrou perfeitamente aplicável. O valor da razão Delta P mais A/D descrito por Brenner foi confirmado com uma precisão de 3 por cento, num total de 70 experimentos realizados. Para fluidos não-newtonianos, viscoelásticos, com função viscosidade tipo Power-law, a validade da teoria parece, entretanto, depender de um parâmetro capaz de descrever na natureza constitutiva do fluido utilizado. Experimentos realizados com três diferentes fluidos viscoelásticos (expoentes power-law n igual 0,303; 0,343; 0,483) conduziram à identificação deste parâmetro, o Segundo Número Elástico, El2. Para valores de El2, inferiores a 14, caracterizando um escoamento predominantemente viscoso, o valor da razão Delta P mais A/D novamente é confirmado com precisão inferior a 4 por cento. Para valores de El2 superiores a 40 a razão Delta P mais A/D não mais pode ser avaliada com base em parâmetros do escoamento perturbado, analogamente ao que havia sido proposto por Brenner para o caso de fluidos newtonianos. Neste trabalho incluem-se também registros contínuos dos experimentos enfatizando os efeitos viscoelásticos envolvidos, bem como uma análise dos efeitos de parede associados ao movimento relativo entre fluidos não-newtonianos e partículas sólidas. Todos os experimentos foram realizados num regime de Reynolds variando de 0,1 a 90 e num regime de Weissenberg (calculando com base no modelo de Powell-Eyring) variando de 850 a 3800.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Mauro Marques Burjailli
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/14/1987
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Hélio Pedro Amaral Souto
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/06/1987
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Wilson Fernando Nogueira dos Santos
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/16/1986
Local:
Resumo: Efeitos na transferência de calor e perda de carga de uma matriz de módulos retangulares, localizada no interior de um duto retangular plano, foram analisados experimentalmente tendo-as ar como fluido de trabalho. A pesquisa foi desenvolvida objetivando simular a refrigeração de componentes eletrônicos por convecção forçada. Aplicando-se a técnica de sublimação de naftaleno determinaram-se os coeficientes de transferência de massa (calor) para três situações investigadas durante o curso da experiência. São elas: (a) para a matriz base formada apenas por módulos regulares, (b) para um módulo alto inserido em todas as posições na linha de centro na matriz, (c) para os módulos vizinhos ao módulo alto na matriz. A partir dos resultados obtidos, determinaram-se correlações para o Número de Sherwood em função do Número de Reynolds compreendido na faixa de 2000 a 7000. O Número de Sherwood do môdulo alto, mostrou-se substancialmente maior comparado com o módulo regular da mesma posição. Esse acréscimo foi da ordem de 90 por cento a 95 por cento na região completamente desenvolvida, para baixo Número de Reynolds. Verificou-se que a presença do módulo alto causou um significativo aumento no coeficiente de transferência de calor nos modulos vizinhos, atingindo em alguns casos, aumento de 50 por cento. O módulo posicionado ao lado do módulo alto acusou o maior acréscimo de transferência de calor. Medidas de pressão na matriz sem e com módulo alto foram realizadas. Com a introdução do módulo alto, um acréscimo na perda de carga for verificado, sendo que, para o menor Número de Reynolds, este incremento corresponde a perda de carga equivalente a aproximadamente seis fileiras de módulos regulares.
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Aluno(a) : Edilson Rodrigues Tavares
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/09/1986
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Carlos José Corrêa
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/05/1986
Local:
Resumo: O efeito magnus é verificado experimentalmente em túnel de vento, para escoamentos com números de Reynolds variando de 1,3 x 10 elevado 4 a 4,3 x 10 elevado a 4. Os resultados são avaliados em termos absolutos e adimensionalizados. Levando-se em conta as incertezas provenientes do método de ensaio, são feitas comparações com da dos obtidos por outros pesquisadores. São avaliadas as possibilidades de utilização do efeito em captação de energia eolica, e é também realizado um estudo da influência da forma de Magnus na trajetória de projetis estabilizados giroscopicamente.
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Aluno(a) : José Luis Lage
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/21/1986
Local:
Resumo: Neste trabalho foi utilizado o método dos volumes de controle para solução das equações de balanço de massa, momentum e energia, relativas ao escoamento de ar através de um canal. Este é formado por duas paredes verticais, planas, paralelas e adiabáticas. A dissipação de calor, através de um elemento retangular isotérmico adjacente a uma das paredes, provoca a convecção natural. O pioneirismo está na utilização da condição de contorno de pressão para a solução de uma equação, que corrige s velocidades neste mesmo contorno, permitindo utilizar as equações de momentum em forma elíptica. É investigado o comportamento do número de Nusselt médio do canal para Rayleigh variando do Ra igual 153 a Ra igual 1223, com o elemento posicionado no início, no meio e no fim do canal, variando-se as aberturas do mesmo. Verifica-se também o comportamento do Nusselt local ao redor do elemento, assim como o campo de velocidade. Foi verificada a existência de uma distancia ótima entre as paredes do canal, para cada valor do número de Rayleigh. Conclui-se, portanto, que a geometria do elemento tem um efeito importante no processo de transferência de calor, não devendo ser desprezada.
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Aluno(a) : Antonio Filipe Falcão de Montalvão
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando e Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/19/1986
Local:
Resumo: O presente trabalho trata da determinação experimental dos parâmetros de desempenho de um compressor rotativo de deslocamento positivo,que faz parte de um motor de refrigeração em desenvolvimento. Este opera segundo o ciclo de Brayton invertido utilizando o ar como fluido de trabalho. A vazão mássica real de ar em escoamento pelo compressor, eventuais vazamentos, potência de eixo entregue ao compressor e a potência desenvolvida pelo mesmo são obtidas com base em procedimentos experimentais. A vazão e a potência teóricas foram determinadas com base em uma simulação do funcionamento do compressor. A partir destes resultados, determinaram-se as eficiências isentrópica,mecânica e volumétrica, permitindo uma análise das condições de operação do compressor. Usando resultados experimentais, realizou-se uma análise termodinâmica convencional de disponibilidade associada ao processo real ocorrido no compressor para explicar a natureza das irreversibilidades envolvidas e indicar as condições ótimas de funcionamento. Com base na filosofia de análise utilizada, este novo tipo de máquina de refrigeração foi criteriosamente analisada. Sugestões de melhoria são apresentadas no sentido de melhor qualificar este novo tipo de compressor para trabalhar com sistemas que operem segundo o ciclo de Brayton invertido. Neste trabalho é apresentado uma proposta otimizada de um novo projeto de expansor.
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Aluno(a) : Paulo Roberto Bufacchi Mendes
Orientador(a): Antonio Santos Vargas
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/08/1986
Local:
Resumo: A partir das equações fundamentais da teoria clássica das misturas, é proposto um modelo simplificado, em regime pseudo-estacionário e isotérmico, da gaseificação do carvão sofrendo gaseificação com vapor dágua é analisada por meio de balanços diferenciais de conservação de massa de cada espécie química. O modelo leva em conta as reações do vapor dágua com o carbono e o monóxido de carbono. Estas duas reações aparecem no modelo como condições de contorno lineares, que englobam fenômenos intraparticulares, os quais são agrupados à superfície. As condições ambientais são consideradas constantes. Também são incluídas equações diferenciais que permitem calcular a taxa de consumo de vapor dágua e calor, a taxa de gaseificação e a taxa de geração de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio. Por meio de simulação digital foi possível estudarem-se os efeitos, sobre o processo, da granulometria, temperatura e fração volumétrica de vapor dágua no meio ambiente. As equações cinéticas utilizadas neste trabalho são aquelas do carvão de charqueadas, Rio Grande do Sul, Brasil.
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Aluno(a) : Henrique Armando Langaro Pareja
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/19/1986
Local:
Resumo: Um sistema de ar condicionado utilizando energia solar é testado para determinação da energia necessária para a regeneração do TEG (trietileno glicol) e do valor do Coeficiente de Desempenho (C.0.P.). É determinada experimentalmente a influência das variáveis temperatura de regeneração e concentração no valor do C.O.P. São feitas várias experiências para se determinar as condições ótimas de operação do sistema. É também analisada uma correlação para determinação do coeficiente global de transferência de massa (hD AV), como função das vazões de ar e da solução aquosa de trietileno glicol (TEG) nas torres de secagem do ar e regeneração do TEG.
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Aluno(a) : Marco Antonio Monteiro Silva Ramos
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/25/1986
Local:
Resumo: Um estudo experimental sobre a transferência de calor por convecção natural devido a um elemento isotérmico situado em uma das paredes de um canal vertical de placas planas e paralelas foi realizado. Os experimentos foram feitos com ar como fluido refrigerante. O elemento isotérmico dissipa calor por efeito Joule. Para a obtenção do coeficiente de transferência de calor e necessária a avaliação do calor trocado por convenio natural com o ar. Para isto é feita uma quantificação do calor perdido por condução pelas paredes do canal e do calor perdido por radiação pelo elemento isotérmico. O coeficiente de transferência de calor por convecção natural varia com os seguintes parâmetros: a diferença de temperatura entre o elemento isotérmico e o ar ambiente, a posição em que está fixado o elemento isotérmico no canal e a abertura do canal. Um valor ótimo da abertura do canal, que maximiza o coeficiente de transferência de calor, existe para cada diferença de temperatura fixada. Este valor máximo chega a atingir valores 25 por cento maiores que os de placa com o elemento ligado e ela. Comparações entre esses valores máximos e os encontrados para geometrias similares são feitas. Os espaçamentos ótimos encontrados neste trabalho são maiores que os obtidos na literatura para estes outras configurações. Também foram feitas comparações entre os valores para os coeficientes de transferência de calor deste trabalho e os classicamente obtidos em problemas de canais onde uma placa é adiabática e outra é isotérmica. Os coeficientes deste trabalho mostraram-se mais altos.
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Aluno(a) : Ronald Michahelles
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/18/1986
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Ubantan Gomes Gurgel
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/17/1986
Local:
Resumo: Analizam-se os principais métodos de Cálculo para determinação dos parâmetros do tiro, segundo modelos que consideram exclusivamente a variação temporal das variáveis envolvidas. Aplicam-se os métodos selecionados a exemplos de tiros reais. Comparam-se resultados teóricos com experimentais. Apontam-se as principais dificuldades relativas a obtenção dos dados relativos às características termodinâmicas e balísticas dos propelentes, determinadas nos testes de bomba manomêtrica. Aplicam-se os conceitos de função de forma geométrica e de vivacidade dinâmica dos propelentes comprovando-se a validade de ambos na previsão dos resultados de tiros.
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Aluno(a) : Carlos Eduardo Santos Moreira da Costa
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/16/1986
Local:
Resumo: Da segunda lei da termodinâmica, os conceitos de disponibilidade e irreversibilidade são aplicados à trocadores de calor. Equações relacionando a irreversibilidade com a efetividade de trocador de calor são desenvolvidas e aplicadas à vários casos. Relações entre o decréscimo de irreversibilidade e custos operacionais são também estabelecidos. Embora seja comumente dito que o trocador de calor em contra-correntes é menos irreversível que o trocador de calor em correntes paralelas, o presente trabalho mostra que isto não é sempre verdadeiro. Um critério muito simples, baseado na mínima perda de disponibilidade, foi estabelecido. Este critério indica, para os dois tipos de trocadores de calor, qual deles tem a irreversibilidade mínima. Foi também provado que a irreversibilidade do trocador de calor tem um ponto de máximo dado por E igual a Cmax/(Cmin mais Cmax), onde e é a efetividade do trocador de calor. Este valor de e é um parâmetro importante e não depende do tipo de trocador de calor considerado.
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Aluno(a) : Sergio Luiz Frey
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/15/1986
Local:
Resumo: No presente trabalho foi realizada uma investigação numérica de um escoamento forçado em um canal plano parcialmente construído por um elemento retangular aquecido com temperatura da parede constante. O elemento tem dimensões fixas e foi estudado em diferentes posições do canal, ao passo que este tem comprimento fixo e largura variável, de modo a obter-se uma razão de aspecto entre 21,8 e 4,0. A faixa investigada do número de Reynolds foi de 100 a 1500, e o número de Prandtl foi fixado em 0,7, a fim de simular escoamento de ar com propriedades constantes. O método numérico utilizado na resolução das equações de conservação que regem o escoamento foi o método dos volumes de controle desenvolvido por Suhas V. Patankar. A partir dos perfis de velocidade, pressão e temperatura foram calculados a perda de carga ao longo do canal e o número de Nusselt médio em torno do elemento. Foram também realizadas comparações com outros trabalhos; tanto dos resultados hidrodinâmicos como dos térmicos, e boas concordâncias foram obtidas.
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Aluno(a) : Jeziel da Silva Nunes
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/30/1986
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Wilson Fernando Nogueira dos Santos
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/16/1985
Local:
Resumo: Efeitos na transferência de calor e perda de carga de uma matriz de módulos retangulares, localizada no interior de um duto retangular plano, foram analisados experimentalmente tendo-as ar como fluido de trabalho. A pesquisa foi desenvolvida objetivando simular a refrigeração de componentes eletrônicos por convecção forçada. Aplicando-se a técnica de sublimação de naftaleno determinaram-se os coeficientes de transferência de massa (calor) para três situações investigadas durante o curso da experiência. São elas: (a) para a matriz base formada apenas por módulos regulares, (b) para um módulo alto inserido em todas as posições na linha de centro na matriz, (c) para os módulos vizinhos ao módulo alto na matriz. A partir dos resultados obtidos, determinaram-se correlações para o Número de Sherwood em função do Número de Reynolds compreendido na faixa de 2000 a 7000. O Número de Sherwood do môdulo alto, mostrou-se substancialmente maior comparado com o módulo regular da mesma posição. Esse acréscimo foi da ordem de 90 por cento a 95 por cento na região completamente desenvolvida, para baixo Número de Reynolds. Verificou-se que a presença do módulo alto causou um significativo aumento no coeficiente de transferência de calor nos modulos vizinhos, atingindo em alguns casos, aumento de 50 por cento. O módulo posicionado ao lado do módulo alto acusou o maior acréscimo de transferência de calor. Medidas de pressão na matriz sem e com módulo alto foram realizadas. Com a introdução do módulo alto, um acréscimo na perda de carga for verificado, sendo que, para o menor Número de Reynolds, este incremento corresponde a perda de carga equivalente a aproximadamente seis fileiras de módulos regulares.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Carlos José Corrêa
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/05/1985
Local:
Resumo: O efeito magnus é verificado experimentalmente em túnel de vento, para escoamentos com números de Reynolds variando de 1,3 x 10 elevado 4 a 4,3 x 10 elevado a 4. Os resultados são avaliados em termos absolutos e adimensionalizados. Levando-se em conta as incertezas provenientes do método de ensaio, são feitas comparações com da dos obtidos por outros pesquisadores. São avaliadas as possibilidades de utilização do efeito em captação de energia eolica, e é também realizado um estudo da influência da forma de Magnus na trajetória de projetis estabilizados giroscopicamente.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Mauro Miranda Esteves
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/18/1985
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Roberto Guimarães Pereira
Orientador(a): Maurício Frota
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/14/1985
Local:
Resumo: Experimentos referentes ao movimento relativo entre partículas sólidas e um fluido viscoso confinado no interior de cilindros de seção reta arbitrária (circular, quadrangular) foram realizados. Para todos os casos experimentalmente investigados e, para escoamentos variando desde regimes de muito baixo Números de Reynolds (Re menor que 0,1) até um regime bem além do regime de Oseen, constatou-se que a razão entre a força de pressão e a força de arrasto viscoso (Delta P mais A/D) pode ser diretamente medida através de parâmetros do escoamento não perturbado (escoamento em ausência da partícula). De acordo com uma recente teoria (Brenner, 1962) a afirmativa acima que se baseia em uma linearização do tipo Oseen das equações de movimento, deveria apenas ser esperada para regimes de baixos Números de Reynolds (Re menor que 2). Brenner (1962), utilizando-se dos teoremas de momentum e energia, aplicados ao movimento relativo de uma partícula sólida e um fluido viscoso confinado por paredes sólidas, mostrou que, devido ao movimento relativo, uma força de cisalhamento atuando nas paredes do cilindro deve necessariamente existir, ainda que estas paredes estejam infinitamente distantes da perturbação induzida pela partícula. A generalidade da Teoria de Brenner, relativa à geometria da seção reta do cilindro, foi também verificada nos regimes de Stokes e de Oseen. Experimentos realizados em uma coluna curta (1 m) de seção reta circular forneceram um conjunto de dados que foram utilizados para se qualificar, a um baixo nível de incerteza experimental, a técnica experimental utilizada. Experimentos realizados em uma coluna longa (3 m) de seção reta quadrangular permitiram a verificação da teoria em regimes distantes do regime teórico. Medidas da diferença de pressão adicional induzida pelo movimento relativo entre a partícula e o líquido viscoso confinado no duto de seção quadrangular, claramente definiram três diferentes regiões: i) até Re~50, verificou-se que a razão Delta P+A/D aproximadamente 2,093, resultado este que deveria ser esperado apenas para Re < 2,0. Por consideração elementares de momentum aplicáveis a um volume de controle constituído do fluido viscoso no entorno da partícula, pode-se facilmente mostrar que o valor Delta P+A/D diferente de 1,0 confirma a existência de uma força de cisalhamento finita atuando nas paredes do duto infinitamente distantes da partícula; ii) além de Re ~ 50, uma transição abrupta se inicia forçando o valor Delta P+A/D a decrescer. A razão de força Delta P+A/D decresce assintoticamente para o valor 1,0, valor este que corresponde à situação de um fluido ilimitado (meio contínuo fluido sem fronteiras) conforme prescrito pelo Princípio de Momentum; iii) para Re > 2500, a razão Delta P+A/D fortemente aproxima-se do valor 1,0. O maior regime investigado foi Re ~ 36000 mas, fisicamente, não parece existir nenhum argumento que possa contradizer a permanência do comportamento acima descrito. Este trabalho discute também um método bastante preciso conduzindo à medição do arrasto viscoso sobre a partícula e também uma técnica para se medir as pequenas quedas de pressão(~ 1 a 10 elevado à -3 mm Hg) induzidas pelo movimento da partícula.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Pablo Enrique Trigo Jorquera
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/12/1985
Local:
Resumo: Utiliza-se a variável de similaridade proposta por L. Crocco para transformar as equações da camada limite, hidrodinâmica e térmica no escoamento laminar bi-dimensional de um fluido com propriedades fisicas constantes em um canal convergente. As equações de conservação de massa, momentum e energia, que formam um sistema de três equações diferenciais parciais não lineares são modificadas num novo sistema composto de equações diferenciais ordinárias. Estes escoamentos, que admitem soluções similares são resolvidos e apresentam-se soluções para várias combinações dos parâmetros envolvidos. Na solução destes casos considera-se inclusive o efeito da função dissipação. Para alguns dos resultados obtidos no presente trabalho foi possível comparar com soluções existentes na literatura especializada, e uma excelente concordância foi observada. Entre os resultados apresentados, destacam-se expressões para o número de Nusselt local como função dos números de Prandtl e de Reynolds.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Antonio Cesar Pinho Brasil Junior
Orientador(a): Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/13/1985
Local:
Resumo: Uma análise experimental é desenvolvida para avaliação da transferência de calor durante a fusão ao redor de um cilindro isotérmico vertical imerso em um meio de mudança de fase. A posição e forma da interface sólido-líquido é determinada como função do tempo, para diferentes temperaturas do cilindro. A relação altura/diâmetro é de cinco, para comparação com resultados já existentes. A faixa de Número de Stefan investigado foi de 0,017 a 0,33 o que equivale a uma faixa de Número Rayleigh de 7x10 elevado a quarta potência a 2x10 elevado a sexta potência. Os dados obtidos foram utilizados para a determinação dos números de Nusselt locais na interface e médios para a superfície do cilindro. A dependência da massa fundida com o tempo foi também determinada, parametrizada por Rayleigh. Soluções do problema de fusão sem os efeitos de convecção natural (Problema tipo STEFAN) foram obtidos via método de elementos finitos e estes resultados foram comparados com os dados experimentais obtidos. Isto permitiu a determinação do tempo quando os efeitos de convecção natural tornam-se importantes. Comparações com resultados numéricos publicados, para a mesma condição física, foram desenvolvidas obtendo excelentes concordâncias.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Alexandre de Souza Dutra
Orientador(a): José A.Parise e Paulo R. de Souza Mendes
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/14/1985
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Amir Camilo Abrahim Assad
Orientador(a): José A. Parise
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/18/1984
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Ana Maria Mulder de Carvalho
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/25/1984
Local:
Resumo: Em geral, as varetas combustíveis de reatores do tipo LMFBR consistem de pastilhas de combustível encapsuladas em tubos de revestimento. Externamente ao tubo de revestimento, um arame é enrolado, na forma de um helicoidal, para atuar como espaçador. Distorções nas distribuições da temperatura na vareta e fluxo de calor no revestimento podem ser provocadas por variações angulares nos coeficientes de troca de calor entre a pastilha e a superfície interna do revestimento e entre o revestimento, ovalização do tubo de revestimento e presença do arame espaçador. Estas distribuições podem ser afetadas, ainda, por efeitos operacionais, tais como densificação, reestruturação e inchamento do combustível. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um programa para análise dos fatores geométricos, acoplados aos fatores operacionais, no desempenho térmico de varetas combustíveis nucleares, em regime permanente.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Alfredo José Alvim de Castro
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/13/1984
Local:
Resumo: A ebulição nucleada é o regime de ebulição de maior interesse para a maioria das aplicações práticas. Neste regime, altos fluxos de calor podem ser atingidos de uma maneira estável, para moderados superaquecidos da superfície. Neste trabalho, é desenvolvido um aparato experimental para o estudo dos fatores que afetam a ebulição nucleada. Este aparato experimental é testado, fazendo-se ensaios de ebulição nucleada em uma seção de teste anular, para um escoamento de água subresfriada. São realizadas ensaios variando os seguintes parâmetros: pressão, velocidade do fluíio e temperatura de entra da do fluido na seção de teste. O desempenho do aparato experimental é analisado através dos resultados obtidos e dos problemas surgidos durante o experimento.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Aldo Gomes Queiroz
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando e Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/19/1983
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Joaquim Francisco de Carvalho
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/09/1983
Local:
Resumo: A solução do problema do descarte dos rejeitos de alta radioatividade é um dos problemas mais sérios para a indústria nuclear, em nossos dias. Para assegurar que os rejeitos nucleares nunca alcançarão a biosfera, os pesquisadores de vários laboratórios estão trabalhando num conceito de barreiras múltiplas, destinado a evitar que as águas subterrâneas e a corrosão comprometam o confinamento dos rejeitos. Em primeiro lugar, os rejeitos do reprocessamento são solidificados e fundidos em cilindros de vidro, cerâmicos ou rocha sintética, dentro de moldes de aço inoxidável, que podem ser incorporados em blocos de concreto. Estes blocos devem ser isolados da biosfera por, pelo menos, 10.000 anos. Isolar blocos em depósitos subterrâneos, parece ser o melhor compromisso entre segurança e viabilidade prática, pois esta é a única tecnologia já dominada e disponível no futuro próximo. Existe tecnologia para escavar poços, abrir cavidades, avaliar condições geológicas e hidrológicas, etc., mas ainda há muitas questões a serem esclarecidas, tais como a estabilidade, sob radiação, a prazos muito longos, dos rejeitos e seus acondicionamentos, as interações entre os rejeitos e a formação geológica, e os efeitos a longo prazo do fluxo de calor sobre a estrutura das rochas. Por conseguinte, é necessário que se iniciem as investigações para selecionar locais potencialmente adequados para a construção de cavernas, destinadas ao descarte de rejeitos, a fim de que se possa iniciar logo alguns projetos de demonstração, pois, atualmente, milhares de toneladas de combustível irradiado, retirado de reatores comerciais em diversos países, aguardam uma solução segura para o problema do descarte. Para projetar uma instalação subterrânea de descarte é necessário avaliar o impacto do calor gerado pelos rejeitos de alto nível, sobre a rocha circundante. Para isso, deve-se conhecer a evolução das temperaturas nesse meio. Na última secção desta monografia, desenvolve-se um método para determinar o campo de transientes temperaturas, em torno de uma instalação desse tipo.
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Aluno(a) : Leopoldo Luis Cabo Penna Franca
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/12/1983
Local:
Resumo: Superpondo uma estrutura adequada em forma de colméia a um coletor plano é possível absorver mais eficientemente energia solar. Na formulação de modelo, a troca de calor por radiação entre as superfícies envolvidas foi considerada em duas bandas: solar e infravermelho. As equações resultantes formam um sistema íntegro-diferencial não-linear. Utilizou-se iteração de resolução de equações lineares algébricas para a solução do sistema discretizado. As eficiências obtidas foram comparadas com as de sistema planos, e determinadas para uma faixa dos dez parâmetros adimensionais envolvidos no modelo. Por fim, um programa é colocado à disposição para atender necessidades específicas de usuários interessados.
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Aluno(a) : Rogério Silveira de Queiroz
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/29/1983
Local:
Resumo: The impact on the environment caused by the burning of fuels from automotive vehicles, nowadays, acts as a restriction on the specification of the engine designe parameters in several countries. The use of ethyl acohol-ewater blends in Brazil has created the necessity of determining the pollutant emission pattern under typical design operating conditions aiming the stablishment of a pollution control policy. In this research, emissions from a monocylinder engine were measured, bassicaly ntric oxide, carbon monoxide and aldehydes. The engine was fueled with commercial gasoline and ethyl alcohol-water blends. The influence of the compression ratio, air-fuel ratio and water content of blens, on the perfomance of the engine and pollutant pattern was studied. A Kinetic model, taking into account CO and NO formations mechanisms, as well as acetaldehyde emissions was developed for digital computer calculations, matching the experimental results to the calculated ones. The, using this model, values of the pollutant emissions from internal combustion engines, fueled with ethyl alcohol-water blends were calculated showing a very well defined trend, which can be useful for pollution control policies.
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Aluno(a) : Mauro Bloch
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/10/1983
Local:
Resumo: O núcleo de um reator rápido, tipo LMFBR, é composto de feixes hexagonais de barras de arranjo triangular com espaçadores helicoidais. Neste trabalho, foi feita uma análise hidráulica dos subcanais lateral e de canto, que juntamente com o interno, compõem o feixe. Foram realizadas medidas de queda de pressão, vazão e temperatura para o escoamento de água, nos dois tipos de subcanais, isolados geometricamente. Desta forma, obteve-se, a variação do fator de atrito, como função do número de Reynolds, bem como a razão entre os fatores de distribuição do escoamento, para os subcanais, lateral e de canto. Os parâmetros geométricos utilizados foram: diâmetro de barra 10,4 mm e 8,01 mm, passo axial 160 mm e 80 mm, faixa de número de Reynolds de 100 a 30.000.
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Aluno(a) : Jorge Alexandre Onoda Pessanha
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/26/1982
Local:
Resumo: No projeto de uma usina nuclear PWR, é necessário verificar se os limites de projeto dos seus componentes são respeitados mesmo em condições de operação anormal. O presente trabalho representa uma evolução do programa Sardan, desenvolvido para simulação de transitórios em PWR s. Os novos aspectos incorporados na versão Sardan 2, são: análise da vareta de combustível ou diferenças finitas, modelo de canal aberto para o subcanal crítico e implantação de um modelo simplificado para o sistema de controle automático. O programa foi testado em acidentes condição II, em particular, retirada descontrolada de um conjunto de barras de controle, queda de um conjunto de barras de controle, diluição descontrolada de boro, e os resultados obtidos considerados satisfatórios.
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Aluno(a) : Marco Van Hombeeck
Orientador(a): Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/29/1981
Local:
Resumo: Neste trabalho é desenvolvido um código de computador para simulação do escoamento de óleo, água e gás simultaneamente em meio porosos, com aplicações em reservatórios de petróleo. O modelo considerado admite efeitos gravitacionais, de pressão capilar, de compressibilidade da rocha e das várias fases em escoamento,assim como distribuições genéricas das permeabilidades relativas com as saturações. A geometria considerada é bidimensional retangular, com o tamanho da malha uniforme. Não são considerados efeitos de destilação nem de solubilidade do gás no óleo ou água. As equações são resolvidas através da técnica IMPES (Pressão Implícita, Saturações Explícitas) e o sistema de equações resultante da discretização por diferenças finitas é resolvido por um dos três métodos numéricos seguintes (i) a eliminação de Gauss (método direto), (ii) o método iterativo da sobrerrelaxação por linhas(LSOR), (iii) o método fortemente implícito de Stone (SIP). Alguns exemplos são apresentados e os resultados do modelo analisados quanto a precisão e também com respeito ao balanço de massa, calculando a cada intervalo de tempo. São apresentados também exemplos resolvidos com diferentes tamanhos de malha interevalos de tempo de integração, verificando-se a influência destes parâmetros sobre resultados encontrados. Em paralelo são feitas comparações entre os três métodos numéricos utilizados, considerando-se a concordância numérica dos valores obtidos e o tempo gasto por cada método para solução do sistema equações.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Eduardo Cleto Pires
Orientador(a): Pedro Carajiescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/28/1981
Local:
Resumo: A utilização de usinas termoelétricas torna importante a análise dos efeitos de dispersão de poluentes térmicos em cursos d água. Modelos matemáticos, tais como o modelo Fickiano [5] e o modelo de PAILY E SAYRE [6], tem sido utilizados na análise de tais efeitos. No presente trabalho, foram efetuadas simulações experimentais de dispersão térmica, utilizando-se uma canaleta com injeção de água quente em uma posição arbitrária, tendo sido medido o campo de temperatura criado. Os resultados são comparados com aqueles fornecidos pelos modelos mencionados, aplicando-se o método das fontes imagens. Devido às limitações do modelo de PAILY E SAYRE, generalizou-se o mesmo para fontes térmicas colocadas em uma posição arbitraria no canal. Qualitativamente, o modelo de PAILY E SAYRE mostrou-se mais satisfatório que o modelo Fickiano e o método das fontes imagens foi considerado adequado.
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Aluno(a) : Angela Ourivio Nieckele
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/24/1981
Local:
Resumo: Os coeficientes de troca e perda de carga de trocadores de calor do tipo bi-tubular pinado foram experimentalmente determinados. Medidas do coeficiente global de troca de calor do permitiriam avaliar o coeficiente de troca do lado do ar como função do número de Reyonolds do escoamento. Os resultados foram comparados com aqueles para trocadores de calor de duto anular, sem pinos, e a comparação revelou uma grande vantagem em relação à troca de calor para os trocadores pinados. Por outro lado, a comparação mostrou sua queda de pressão é consideravelmente mais alta. Não obstante, para a mesma taxa de transferência de calor, o trocador de calor pinado seria muito mais compacto.
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Aluno(a) : Rogério Martins Saldanha da Gama
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/10/1981
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Luis Fernando Alzuguir Azevedo
Orientador(a): Alcir de Faro Orlando e Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/23/1981
Local:
Resumo: Como parte de um sistema solar de condicionamento de ar por resfriamento evaporativo, foi projetado e construindo um desumidificador de ar utilizando tri-etileno glicol como agente higroscópio líquido. O modelo teórico desenvolvido, baseado no procedimento adotado para cálculo de torres de resfriamento. Levou em consideração o abaixamento de pressão de vapor na superfície líquido-gás assim como o calor de mistura de tri-etileno glicol e água. Os dados experimentais obtidos concordam satisfatoriamente com os resultados previstos pelo modelo teórico proposto, dentro das faixas de vazão pesquisadas. Uma correlação semi-empírica foi desenvolvida para cálculo dos coeficientes de difusão de desumidificadores de ar como função das vazões das fases líquida e gasosa. Finalmente é sugerido um procedimento para projeto de desumidificadores de ar de características semelhantes ao modelo proposto.
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Aluno(a) : Sergio Nascimento Bordalo
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/16/1981
Local:
Resumo: Coeficientes de perda de carga foram determinados experimentalmente no escoamento transversal a feixes de uma, duas e três fileiras de tubos de secção circular ou elíptica, com aletas contínuas, e correlacionados em função do Número de Reynolds característico do canal formado entre as aletas, na faixa de fluxo laminar, e isotérmico. A técnica utilizada consistiu no levantamento do campo de pressão do escoamento no canal para diversos valores de vazão. Os resultados são confiáveis, e apresentam um grau de incerteza satisfatório, compatível com a finalidade de aplicação a que esta pesquisa se propõe. A geometria estudada é utilizada em permutadores de calor compactos, principalmente em sistemas de condicionamento de ar. Uma das aplicações deste trabalho é o cálculo da potencia de bombeamento necessária para manter o escoamento através do feixe de tubos aletados de um permutador compacto.
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Aluno(a) : Sergio Leal Braga
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/08/1981
Local:
Resumo: A presente pesquisa trata da determinação experimental das eficiências e da simulação de desempenho de turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Darrieus. Os testes foram efetuados usando-se modelos reduzidos num túnel. Um novo método para a obtenção da potência da turbina foi desenvolvido. O método clássico requereria grandes modelos e um grande túnel de vento para facilitar a medida do torque. Uma vez que as curvas características dos modelos reduzidos foram determinadas, numa forma adimensional, uma simulação de desempenho de turbinas em tamanho real foi desenvolvida. Tal simulação envolveu duas regiões brasileiras (Fortaleza e Fernando de Noronha) e o conhecimento da distribuição de ventos horária.
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Aluno(a) : Ricardo Galvão Moura Jardim
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/13/1981
Local:
Resumo: A transformação de coordenada introduzida por L. Crocco, para a solução do escoamento de fluidos compressíveis sobre a placa plana isotérmica, é utilizada de uma forma original, com o intuito de se aproveitarem as vantagens inerentes a esta transformação no método de Não-Similaridade Local, idealizado por E. M. Sparrow, na solução de camada limite não-similares incompreensíveis. A transformação de Crocco é aplicada às equações de conservação em convecção forçada que regem os escoamentos laminar, de propriedades físicas constantes e bidimensionais, em torno de sólidos. Dois problemas não-similares devido a forma da velocidade potencial, o cilindro em escoamento transversal e o escoamento desacelerado de Howarth, são resolvidos a fim de ilustrar-se este novo procedimento. Na solução destes casos considera-se inclusive o efeito da função dissipação. Os resultados dos problemas hidrodinâmico e térmico são comparados aos da literatura disponível e uma boa concordância foi observada.
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Aluno(a) : José Ribeiro Filho
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 03/30/1981
Local:
Resumo: Em geral, barras combustíveis de reatores nucleares consistem de um tubo de liga metálica contendo pastilhas de combustíveis óxidos. O agrupamento destas barras em feixes caracteriza a formação de elementos combustíveis. No presente trabalho, são realizadas análises termomecânicas e de efeitos de irradiação em barras combustíveis cilíndricas. Para determinação de inchamento por irradiação é utilizado um modelo baseado na teoria de difusão térmica e em mecanismos de difusão superficial e de evaporação-condensação. É considerado o movimento de bolhas nesta determinação. A pressão média dos gases é calculada. É desenvolvido um programa de computador, NITSA, que simula o comportamento da barra combustível no reator, incluindo em suas determinações o cálculo de distribuições de temperatura, tensões e deformações em toda a barra combustível.
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Aluno(a) : Geraldo Renha Junior
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/20/1981
Local:
Resumo: A crise atual pela qual passo mundo tornou-se a grande responsável pelo desenvolvimento científico-tecnológico, que se fará presente no próximo século. Dentre as diversas fontes alternativas, que se apresentam, a energia eólica tornou-se uma das mais destacadas, sobretudo devido ao uso de moinhos de vento (Cataventos). Os moinhos de vento são máquinas de fluxo que convertem a energia cinética dos ventos em outras formas de energia, fornecendo, portanto, substancias melhores ao dia-a-dia da humanidade. O trabalho que se apresenta trata do desenvolvimento teórico-experimental sobre o rotor de resistência, do tipo de eixo vertical, conhecido como rotor Savanius ou vulgarmente rotor S. Este tipo de rotor pode possuir as mais diversas formas geométricas para as pás. Entretanto, a mais divulgada, devido a sua facilidade de construção, é a semi-circunferencial, sobre a qual incidiu o desenvolvimento teórico deste trabalho. Um dos objetivos básicos do projeto da turbina eólica do tipo Savonius, é desenvolver tecnologia e obter experiência em operação de cata-ventos, em especial, visando o projeto e construção de unidades de grande porte. O desempenho do projeto do rotor é feito através de uma análise simplificada do modelo matemático. Por intermédio de valores experimentais, foram obtidas as curvas adimensionalisadas de torque (Ct) e de potência (Cp) versus a razão de velocidade (E), as quais podem servir para predizer o desempenho do rotor. Através deste procedimento, fez-se a análise para diversas formas geométricas de rotores. Finalmente comparando-se os resultados experimentais com a teoria desenvolvida, foram obtidas as curvas que relacionam o coeficiente de entrada (Ko) e a razão de velocidade(E). (Estas curvas foram obtidas somente, para o caso rotores de configuração de pás semi- circunferencial, que é o mais usual).
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Aluno(a) : David Zylbersztajn
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/27/1980
Local:
Resumo: A determinação dos coeficientes convectivos de troca de massa em regeneração (retirada de água) de desumidificante líquido (trietileno glicol), para posterior utilização em condicionamento de ar,utilizando-se coletores solares planos é feita neste trabalho. A partir de balanços de massa e calor, é desenvolvido um modelo para o cálculo de um trocador de massa do tipo placas paralelas analogamente ao cálculo de torres de resfriamento, levando-se, entretanto, em consideração o abaixamento da pressão de vapor d água em equilíbrio com a solução aquosa de trietileno glicol. Das experiências realizadas com esta geometria, é possível estimar um valor médio para o número de Lewis, e correlação de vazões líquido-ar. Utilizando-se a analogia existente entre as transferências de calor e de massa, obtém-se uma correlação válida para a variação das características geométricas do coletores solares planos utilizados na regeneração do líquido desumidificante, bem como vazões e temperaturas de operação. É realizada finalmente uma análise das incertezas das medidas associadas aos valores de Merkel, Le e Lep obtidos, objetivando-se o estudo da confiabilidade das correlações desenvolvidas e do modelo de cálculo do regenerador.
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Aluno(a) : José James Mendes Pessoa
Orientador(a): Francisco E. M. Saboya e Alcir de Faro Orlando
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/25/1980
Local:
Resumo: Devido ao interesse crescente na utilização da energia solar no condicionamento de ar e secagem de alimentos, o presente trabalho descreve diversos ciclos solares de condicionamento de ar e apresenta um modelo de simulação das condições de operação e desempenho dos equipamentos usados num ciclo aberto de condicionamento. O modelo calcula o ciclo termodinâmico e especifica as características de transferência de calor e massa dos equipamentos para sistemas de qualquer capacidade térmica. Os resultados encontrados são exemplificados para sistemas de 1 a 5 toneladas de refrigeração de capacidade.
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Aluno(a) : Carlos Valois Maciel Braga
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 06/25/1980
Local:
Resumo: Muitas centrais nucleares do tipo PWR utilizam vapor produzido em geradores de vapor do tipo tubos em U invertido, com recirculação interna natural, nos quais o fluido primário escoa internamente aos tubos e o secundário, entre os tubos e a carcaça. No presente trabalho, é desenvolvido um modelo de simulação termohidráulica, para regime permanente, de tais geradores de vapor, considerando-se o escoamento secundário divididas em duas partes, individualmente homogêneas, e com troca de calor e massa entre elas. O título da mistura bifásica que alimenta a turbina é fixado e a pressão da água de alimentação é determinada. Baseado neste modelo, desenvolveu-se o programa GEVAP, em linguagem Fortran-IV. O modelo é aplicado ao gerador de vapor da central Angra II e os resultados obtidos são comparados com dados de projeto da KWU, sendo considerados satisfatórios.
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Aluno(a) : Eduardo Colonna Rosman
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya e Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 11/06/1979
Local:
Resumo: Hoje em dia trocadores de calor com tubos aletados são largamente empregados em sistemas de condicionamento de ar, radiadores, etc. O presente trabalho é uma tese teórico-experimental sobre trocadores de calor com uma e duas fileiras de tubos aletados. É feita uma análise bi-dimensional da aleta do trocador e coeficientes locais de troca de calor são utilizados na obtenção da distribuição da temperatura de mistura do ar ao alongo da aleta. Este procedimento é feito para vários números de Reynolds e materiais da aleta. Através da analogia entre transferência de massa e de calor, os coeficientes locais de troca de massa obtidos por Saboya e Sparrow 2, 3 e 6 foram transformados em coeficientes locais de troca de calor. Esta analogia emprega um expoente que geralmente é desconhecido. Devido ao desconhecimento do expoente da analogia, para o caso de trocadores com duas fileiras de tubos, foi realizada uma experiência onde foram coletados dados para o cálculo do expoente. São também apresentados os coeficientes médios de troca de calor para aletas isotérmicas, na forma adimensional de números de Nusselt, para trocadores com uma fileira de tubos aletados centrados e recuados e para trocadores com duas fileiras de tubos aletados. Com a eficiência da aleta e com números de Nusselt médios de aletas isotérmicas, é possível calcular a taxa real de transferência de calor ou a área real de trocar de calor.
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Aluno(a) : Rodolfo Luiz Peixoto de Mattos Santos
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/28/1979
Local:
Resumo: No projeto de uma usina nuclear do tipo PWR, é necessário a verificação de que, nas diversas condições de operação, em regime permanente ou transitório, os limites de projeto de seus componentes não sejam atingidos. No presente trabalho, é desenvolvido um programa em linguagem FORTRAN-IV que simula o comportamento do circuito primário de uma usina PWR típica em transitórios de condição II, em particular os acidentes de retirada descontrolada de um conjunto de barras de controle, queda de um conjunto de barras de controle e diluição descontrolada de boro. No modelo matemático adotado, são tratados o núcleo do reator, a tubulação quente, com pressurizador acoplado, o gerador de vapor, e a tubulação fria. Os resultados obtidos na análise dos citados acidentes são comparados com os constantes no relatório final de análise de segurança da usina Almirante Álvaro Alberto, unidade Angra-I (FSAR), e considerados satisfatórios.
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Aluno(a) : José Simões Berthoud
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/05/1979
Local:
Resumo: Os elementos combustíveis de reatores nuclear são geralmente constituídos por feixes de barras contendo as pastilhas de combustível montadas em arranjos de geometria triangular ou quadrada, através dos quais o fluido refrigerante escoa axialmente. O projeto térmico desses elementos só pode ser efetuado se informações sobre o processo de retirada de calor pelo fluido refrigerante são disponíveis, o que exige uma descrição detalhada do campo de velocidades do escoamento. No presente trabalho são utilizados um modelo de turbulência de zero equações e uma lei da parede para transferência de energia na obtenção dos campos de velocidades e temperaturas do escoamento, e também das distribuições angulares da tensão cisalhante e do Número de Nusselt na parede de um subcanal típico de elemntos combustíveis nucleares, para escoamentos turbulentos, em regime permanente, totalmente desenvolvidos, de fluidos, incompressíveis e assumindo propriedades independentes da temperatura com escoamentos axiais através de arranjos triangulares de barras com diferentes razoes de aspectos (P/D) e diferentes Números e Reynolds (Re). Os resultados são comparados com resultados experimentais de outros autores, obtidos da literatura, e apresentam boa concordância.
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Aluno(a) : Eduardo Augusto Gomes Pereira
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/24/1979
Local:
Resumo: O duto estudado era composto por duas laterais arco cilíndricas convexas isotérmicas de mesmo raio por uma base plana adiabática. Obteve-se os coeficientes de transporte de calor para convecção forçada em regime laminar deste canal. Para tanto, optou-se pelo emprego do método da analogia de transparência de massa e calor. A técnica recorrida foi a de sublimação de naftaleno, cuja utilização exigiu instrumentos de precisão e condições ambientais controladas. A variação da massa, devido à sublimação, das laterais de naftaleno análogas às superfícies isotérmicas fornecia, juntamente com outros parâmetros, o conhecimento dos coeficientes médios de troca de massa. Estes eram adimensionados como número de sherwood. Apartir dos pontos experimentais encontrados determinou-se a equação do comportamento do número de Sherwood, para perfil não desenvolvido, em função do comprimento adimensional, definido como o inverso do número de Graetz. Aplicada à analogia, chegou-se aos coeficientes médios de transferência de calor, adimensionalizados como número de Nusselt. Em posse destes resultados, fez-se a análise teórico da performance de um coletor solar simulado utilizando o canal em estudo.
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Aluno(a) : Marcelo JoséSantos de Lemos
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/02/1979
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Paulo Roberto de Souza Mendes
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/08/1979
Local:
Resumo:
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Aluno(a) : Hugo Cardoso da Silva Junior
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/03/1979
Local:
Resumo: Elementos combustíveis de reatores nucleares são, em geral, constituídos por feixes de barras, através dos quais o refrigerante escoa axialmente. A confiabilidade do projeto termohidráulico destes elementos está ligada a um conhecimento detalhado do campo (principal e secundário) de velocidades. Um modelo estatístico de turbulência (K-E) é aplicado na determinação dos escoamentos principal e secundário, tensões de cisalhamento na parede e coeficiente de atrito para regime turbulento desenvolvido permanente, com fluido incompressível escoando axialmente através de feixes de barras em arranjo triangular ou quadrado. O método numérico emprega a vorticidade e a função corrente na descrição do campo de velocidades. Os resultados ovtidos estão, para diferentes números de Reynolds e diferentes razões de aspecto (P/D) de acordo com os resultados experimentais e analíticos de diversos investigadores.
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Aluno(a) : Washington Braga Filho
Orientador(a): Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/18/1978
Local:
Resumo: Este trabalho apresenta um método para a determinação de propriedades que aparecem em equações diferenciais parabólicas. O método é aplicado na determinação da difusidade térmica e da condutividade térmica de materiais utilizando temperaturas medidas em regime transiente em uma sonda. Além das propriedades mencionadas, o método determina a resistência térmica de contato entre a sonda e o material em estudo. As propriedades são obtidas a partir da técnica dos mínimos quadrados entre as temperaturas medidas experimentalmente e as calculadas a cada iteração pelo método numérico. O método descrito é capaz de determinar propriedades constantes tenha sido estudado. O método utiliza a solução da equação de condução de calor obtida pela técnica de discretização de Crank-Nicholson e pelo método de superposição de funções particulares. A sonda é construída a partir da análise dos coeficientes de sensibilidade e então a técnica é aplicada ao nylon. Alguns resultados de testes simulados e experimentais são apresentados e novas experiências propostas.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Carlos Fernando Martins Pamplona
Orientador(a): Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/01/1978
Local:
Resumo: No presente trabalho, uma análise da distribuição de densidades em corpos esféricos de grandes dimensões é feita com base nas tensões geradas pela ação gravitacional. Verificou-se que uma expressão elítica para a distribuição radial de massas específicas na forma p=po[1-a(r/R)(2)](1/2) fornece resultados razoáveis para as propriedades mecânicas no interior da Terra. Partindo dessa informação, diversos modelos para a distribuição de densidades dos planetas terrestres e Lua são analisados e propostos, baseados na hipótese de que os materiais dos núcleos desses astros são semelhantes. O valor do momento de inércia bem como do diâmetro do núcleo pesado dos planetas interiores do Sistema Solar são estimados, a partir da análise feita. Os modelos foram elaborados admitindo a variação das propriedades mecânicas com a pressão, bem como levando em consideração a existência de uma descontinuidade na distribuição de densidades, sendo os resultados comparados com as informações sismológicas fornecidas pela Geodesia e Selenodesia. Esses resultados são extendidos aos demais planetas terrestres com o intuito de obter novas informações sobre esses astros dos quais pouco se conhece sobre a natureza de seu interior.
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Aluno(a) : Eloi Fernandez Y Fernandez
Orientador(a): Pedro Carajilescov
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/05/1978
Local:
Resumo: O elemento combustível de um reator do tipo LMFBR consiste em um feixe de barras de arranjo triangular com espaçadores helicoidais entre os quais é bombeado o refrigerante. Neste trabalho, utilizando-se de tal elemento combustível composto de sete barras com espaçadores helicoidais acoplado a um circuito de ar foi simulado o comportamento hidrodinamico do escoamento. Uma série de medidas foram efetuadas para se obter as distribuições da pressão estática e da tensão cisalhante na superfície das barras, para diferentes números de Reynolds, variando-se a posição axial e angular, em um passo da helicoidal. Dos resultados obtidos, observou-se a existência de zonas de baixa pressão na superfície das barras, assim como a não dependência da tensão cisalhante adimensionalizada pela tensão média em função do número de Reynolds. Observou-se, ainda, variações bruscas na distribuição da pressão estática e da tensão cisalhante, que devem ser levadas em considreação no projeto termo-hidráulico devido a possibilidade de ocorrência de bolhas de cavitação no refrigerante.
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Aluno(a) : José Alberto dos Reis Parise
Orientador(a): Francisco Eduardo Saboya
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/31/1978
Local:
Resumo: O problema de convecção forçada em dutos triangulares isósceles, com condições de escoamento em regime laminar e perfis de velocidade e temperatura não desenvolvidos, é analisado neste trabalho. Aplicando-se a Técnica de Sublimação de Naftaleno são determinados experimentalmente os valores médios dos coeficientes de transporte de massa em dutos triangulares com as laterais constituídas em naftaleno e a base inerte, para ângulos de 30 graus, 45 graus, 60 graus e 90 graus. São obtidos resultados para números de Reynolds compreendidos entre 100 e 1800, coma relação entre o comprimento do duto e o diâmetro hidráulico entre 2 e 40, cobrindo, desta forma, ampla faixa para o comprimento adimensional, notadamente na região próxima à entrada do canal. A partir da Analogia entre Transferência de Calor e Massa são estimados os coeficientes de transporte de calor para dutos triangulares isósceles com paredes isotérmicas e base adiabática. Esta configuração corresponde à simulação de um coletor solar para aquecimento de ar, cuja placa absorvedora é formada por cavidades triangulares. É realizada análise teórica deste coletor utilizando-se, também, superfícies, seletivas. São apresentadas curvas de performance para diversas condições de trabalho.
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Aluno(a) : Paulo Murillo de Souza Araújo
Orientador(a): Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/21/1977
Local:
Resumo: Neste trabalho é estudado o escoamento permanente laminar de um fluido newtoniano, incompreensível e de propriedades físicas constantes, ao longo de condutos porosos, com sucção ou injeção variável através das paredes. Tanto o problema hidrodinamico quanto o térmico são analisados. Duas geometrias são adotadas para o conduto: a de tubo cilíndrico circular reto, de extremidades abertas e de um canal formado por placas planas paralelas e infinitas. Em ambas as geometrias são admitidas duas condições de contorno para o problema térmico: I – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do conduto e II – fluxo uniforme de calor por condução, trocado entre o fluido e a superfície interna do duto. Para todos entes casos, é determinada a influencia do fluxo de massa transversal sobre ambos os coeficientes de transferência: o de quantidade de movimento e o de calor. Estes problemas vêm despertando interesse crescente em diversos pesquisadores, por suas numerosas aplicações na engenharia e na medicina. As múltiplas utilizações dos termodutos, ou a preocupação de obter informações mais pormenorizadas sobre a circulação de fluidos nos organismos dos seres vivos são exemplos destas aplicações. A maioria dos trabalhos existentes sobre o problema acima descrito emprega a hipótese de velocidade de sucção constante ao longo do conduto. Devido à pequena quantidade de dados experimentais para comparação com os resultados teóricos, a consistência da hipótese mencionada pode ser questionada. Uma investigação sobre a viabilidade da consideração de sucção constante é, por isto, desenvolvida no presente trabalho. A Lei de Darcy é utilizada na obtenção da distribuição das velocidades de sucção ou injeção e os resultados hidronamicos e térmicos são comparados com os da literatura pertinente. O método utilizado na integração das equações diferenciais parciais é o desenvolvimento da velocidade axial e da temperatura adimensionais em séries de potencias. Este método não restringe a aplicabilidade dos resultados a consideração de perfis similares de velocidade ou a regiões afastadas da entrada do conduto permeável. Entretanto, em ambas as geometrias estudadas, os perfis de velocidade e de temperatura são supostos serem plenamente para taxas moderadas de sucção ou injeção e para fluidos com números de Prandtl de ordem de grandeza da unidade, mas pode ser estendido, com algum esforço suplementar, para casos ainda mais gerais.
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Aluno(a) : Antonio Eurico Belo Torres
Orientador(a): Sidney Stuckenbruck
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/01/1975
Local:
Resumo: Este trabalho investiga experimentalmente a ação dos efeitos de parede na diferença de pressão adicional, delta P mais, ocasionada pela sedimentação de uma partícula esférica ao longo do eixo de colunas circular e triangular cheias de fluido viscoso, com movimento em números de Reynolds da partícula inferiores a 2. Diferenças de pressões foram determinadas para relações de dimensões características da partícula e do duto (a/R0) entre 0,20 e 0,82 numa faixa de números de Reynolds compreendida dentro do Regime de Oseen. Os resultados plotados como diferença de pressão adimensional, delta P mais A/D, VS. a/R0, onde A é a secção transversal da coluna e D a força de arraste sobre a partícula, foram aproximados por séries de polinômios de Chebyshev para a/R0 variando de 0 a 0.82. A equação de HAPPEL e BYRNE2 que inclui correção para efeitos de parede foi comparada com os resultados encontrados para coluna circular, verificando-se a validade dessa equação até aproximadamente a/R0 igual 0,34 e movimento em números de Reynolds da partícula inferiores a 2.
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Aluno(a) : Umberto Gusmão Chaves
Orientador(a): Ravindra Chhaganlal Tailor
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/02/1975
Local:
Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar programas de computador em linguagem FORTRAN de vários tópicos de um projeto de ar condicionado, acompanhado de explicações sobre sua utilização, bem como os fundamentos teóricos em que se basearam. A partir das equações da Mecânica dos Fluidos e da Transmissão de Calor, obtém as equações para o dimensionamento de uma rede de dutos pelos métodos da Recuperação Estática e Igual Perda, para o cálculo do fluxo de calor transferido ao fluido, escoando dentro dos dutos, para a determinação da temperatura de insuflamento do ar, para o cálculo da quantidade de chapa e isopor necessária à fabricação dos dutos para a determinação do coeficiente global de Transmissão de Calor e para o cálculo de carga térmica por transmissão e para cálculo da perda de carga. Com o auxílio de um diagrama de bloco pode-se acompanhar o raciocínio lógico do programa. Diversas sub-rotinas forma desenvolvidas para resolver equações algébricas não lineares.
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Aluno(a) : José Antonio Pimenta Bueno
Orientador(a): Michael Peter Scofield
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1974
Local:
Resumo: A presente Tese de Mestrado tem como objetivo analisar as contribuições de um grupo-tarefa informal que existiu na Pontifica Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ), entre 1971 e 1974, com elementos pertencentes ao Departamento de Engenharia Mecânica e aos institutos tecnológicos deta universidade (ITUC), sintetizando os desenvolvimentos conceituais e as estratégias organizacionais e de ação utilizadas pelo menos. Tal grupo, adotando uma metodologia social-técnica de concepção e ação, se propôs a dar uma contribuição sistemática, e em curto prazo, ao crescimento do potencial para atividades experimentais em Termociências na PUC-RJ, visando a por em prática uma hipótese por ele defendida. Esta hipótese era a de que o crescimento da capacitação de pesquisa experimental constituída uma estratégia chave no processo de consolidação tanto dos programas de pesquisa quanto dos pós-graduação, em termos de diretrizes e recursos eminentes locais, e decorria do fato de o grupo acreditar que um programa experimental: (1) Apoiar-se-ia, necessariamente, numa infra-estrutura insubstituível e intransferível, o que forçaria o desenvolvimento local; (2) Conduziria a resultados permanentes e transmissíveis de geração para geração de novos professores pesquisadores, favorecendo assim um crescimento passo a pesso e irreversível dos programas de pesquisa e pós- graduação. (3) Apesar de requerer um desafio organizacional mais complexo, e mais a longo prazo que aquele associado ao desenvolvimento de pesquisas teóricas, levaria aos estabelecimento de uma infra-estrutura e tecnologia experimentais que, por sua vez, criaram melhores condições para a retenção tanto de pesquisadores experimentais quanto pesquisadores teóricos, (uma vez que o desenvolvimento teórico se baseia em dados e validação experimentais); (4) favorecia o estabelecimento de ligações saudáveis entre os setores acadêmico e industrial, através do suprimento à indústria de engenheiros e cientistas com vivência de pesquisa experimental universitária. Isto, por sua vez, graças ao desempenho profissional de tais elementos no setor produtivo nacional, possibilitaria o substanciamento do crescimento dos programas de pesquisa universitária, mediante um contexto Universidade-Indústria cada vez mais adequado. Desta tese se podem extrair tanto um conjunto de reflexões, projetos e experiências singularmente apropriados à continuação do crescimento do programa em termociências experimentais na PUC-RJ, como, também, em nossa opinião confiante, subsídios para uma estratégia nacional de revitalização dos programas de pesquisa graduada em engenharia.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Camilo Botero Gonima
Orientador(a): Robert P. Forslund
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/01/1974
Local:
Resumo: O presente trabalho, realizou-se com fim de construir aparelhos que façam a medida da condutividade térmica e a geração interna de calor em plásticos fotoelásticos durante o endurecimento dos mesmos, na obtenção de peças para análise fotoelástico. O objetivo foi fornecer um projeto para obter dados a serem usados no laboratório de fotoelasticidade da PUC. O plano de trabalho seguiu o esquema que se apresenta: a) Para a condutividade térmica a medição se baseia no resfriamento Newtoniano, isto é aquele que se pode descrever com equação exponencialmente decrescente. Mediante a simulação do sistema num programa de computador se analisou o comportamento do aparelho para valores extremos a para valores médios, não sendo erro teórico superior ao 10 por cento. Na simulação se incluiu geração interna de calor devida à reação no interior do plástico. Uma vez provado que o sistema é o apropriado, projeta-se o aparelho de tal maneira que se cumpram as hipóteses da simulação. b) Para a geração interna de calor o princípio utilizado é a medida da energia liberada, mediante a determinação da variação da temperatura com o tempo de uma massa de plástico.
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Maurício Nogueira Frota
Orientador(a): Guili Alexandre Feldman
Área de Concentração: Termociências
Data: 02/01/1974
Local: DEM
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Luciano Magno Costalonga Varejão
Orientador(a): Michael Peter Scofield
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/18/1973
Local:
Resumo: O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento de um fluido real com densidade estratificada quando passa por um obstáculo. A partir das equações gerais da Mecânica dos Fluidos desenvolvida para vorticidade e função de corrente, obtém-se duas equações diferenciais parciais ambas elípticas, constituindo o modelo matemático do escoamento. O método numérico TUBE AND TANK, desenvolvido por Gosman et al. (1), análogo ao das diferenças finitas, é utilizado para transformar as equações diferenciais em equações algébricas. As condições de contorno necessárias ao problema foram tais que o escoamento estudado se tornou idêntico àquele analisado por Forchtgott(3). Com o auxílio de um computador IBM/370 foi possível obter os resultados que estão de acordo com as observações de Forchtgott(3).
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Aluno(a) : George Raulino
Orientador(a): Robert P. Forslund
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/02/1973
Local:
Resumo: Este trabalho prossegue a investigação sobre convecção forçada com ebulição de película em tubos verticais, na qual o regime de escoamento consiste de gotículas de líquido dispersas em vapor superaquecido. Um procedimento de cálculos já existe (baseado em um tamanho único médio de gota que sofre colapso e evapora ao longo do tubo) para determinar os fenômenos cinéticos e de transferência de calor. O principal objetivo do presente trabalho é introduzir uma mais realista distribuição nos tamanhos de gota no procedimento de cálculo com o intuito de determinar a validade do uso do tamanho único de gota para representar a real distribuição. Dados experimentais já existentes para ebulição de película de nitrogênio (70.00 menor do que G menor do que 190.000 ibm/hr/ft2 e 5.000 menor do que q / A menor do que 25.000 Btu/hr/ft2 em tubos de diâmetro interno de 0.228 menor do que D menor do que 0.462 polegadas e 8 pés de comprimento) foram usados no desenvolvimento do modelo analítico tanto para o estudo com tamanho único de gota como para tamanho múltiplo de gota. Para tamanho múltiplo de gota, o critério do número de Weber foi utilizado para prever o colapso da gota que se divide em 9 gotas menores de vários tamanhos. Os resultados do estudo com tamanho múltiplo de gota forneceram resultados semelhantes aos com tamanho único de gota, indicando de gota para descrever o fenômeno da ebulição de película com escoamento disperso. Também está incluída uma compilação de propriedade do nitrogênio, necessárias para os estudos deste trabalho.
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Aluno(a) : Rogério Pinheiro Kluppel
Orientador(a): Ravindra Chhaganlal Tailor
Área de Concentração: Termociências
Data: 10/01/1973
Local:
Resumo: Este trabalho faz parte de um estudo sobre o comportamento de gotas e bolhas, que há muito, vem sendo pesquisando nesta universidade. Foi realizado em paralelo com dois outros trabalhos, com a finalidade conjunta de se estudar a influência da tensão interfacial, no transporte de massa, trajetória, forma e velocidade de bolhas de ar, que ao passarem através de uma interface líquido-líquido, são envolvidas por uma película do líquido inferior, transportando-a até a superfície do líquido superior. Este trabalho, pesquisou a influência da tensão interfacial, na trajetória e velocidade de bolhas de ar, passando através da interface de dois líquidos de baixa viscosidade cinemática: água filtrada, v igual a 1,0cs e hexana, v igual a 0,45cs. Os valores da tensão interfacial na pesquisa foram: 35,0din/cm, 17,5din/cm e 6,0din/cm. Constatou-se que a variação da tensão interfacial, afeta o comportamento da bolha, em relação à trajetória, forma e velocidade. Com o aumento da tensão interfacial, verificou-se que: - A faixa de diâmetros equivalentes, de bolhas que carregam películas até a superfície do líquido superior, diminui. - Há pouca variação na trajetória de subida da bolha. - O achatamento a forma esferóide, diminui. - A velocidade aumenta.
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Aluno(a) : Ricardo Eugênio da Silva Arantes
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/01/1973
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Philemon Melo Cunha
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/02/1973
Local:
Resumo: Este trabalho se propôs a estudar o efeito da variação da tensão interfacial entre dois líquidos imiscíveis; no comportamento de bolhas de ar, que formadas na fase inferior, depois de atravessarem a interface líquido/líquido, sobem através da fase superior transportando consigo uma película envolvente. Manteve-se a viscosidade 1,00C.s. para a fase inferior, o,45C.s. para a superior, e variou-se a tensão interfacial entre eles de 5din/cm a 30din/cm, os diâmetros das bolhas tiveram uma variação entre 2 e 10mm com grande número de pontos interméários. Vários métodos fotográficos e equipamentos de medida foram idealizados e experimentados antes de colher os resultados apresentados pelas curvas de transporte de massa. Verificou-se a existências de um acréscimo na faixa para a qual existe transporte de massa, e diminuição da quantidade de líquido transportada, quando decresce a tensão interfacial.
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Aluno(a) : Antonio Sergio Forte Feijó
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1973
Local:
Resumo: O fato de que as bolhas ao atravessarem uma interface liquido-liquido podem aprender em seu entorno uma película, da fase inferior e conduzi-la através da fase superior, tem dado ensejo a vários trabalhos de pesquisa nesta Universidade. Neste, em particular se fez um estudo experimental da influência da tensão interfacial na quantidade de líquido transportado e na velocidade das bolhas transportadoras, quando a fase líquida superior tem viscosidade cinemática elevada. Usou-se para fase superior um líquido com viscosidade 60cS, composto de 15 por cento de Varsol e 85 por cento de Nujol. As tensões interfaciais 12,5 e 21,5 din/cm foram obtidas adicionando pequenas quantidades do agente tenso-ativo Teepol na água filtrada usada como fase inferior e que proporcionou a tensão interfacial 26,2 din/cm. Verificou-se que a tensão interfacial oi é de pouca relevância na quantidade de líquido transportado, e na velocidade terminal das bolhas transportadas, tendo entretanto grande influencia na faixa de diâmetros destas bolhas. A faixa das bolhas transportadas diminui com o aumento da tensão interfacial, e ambos os limites tendem a um valor intermediário, existindo uma tensão oi limite, a partir da qual o fenômeno de transporte de película deixa de ocorrer.
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Aluno(a) : Luiz Frederico Marinho da Cunha
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/01/1973
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Daniel Herencia Quispe
Orientador(a): Robert P. Forslund
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/01/1973
Local:
Resumo: Neste trabalho foi feita um análise teórica, da influência da relação densidade-temperatura, nas proximidades da densidade máxima, sobre a transferência de calor por convecção natural. Para este estudo foi considerado o sistema formado por uma esfera isotérmica imersa em água: Usando as simplificações da camada limite e a transformação de similaridade, as equação de conservação de massa, momentum e energia, foram reduzidas a sistemas de duas equações diferencias ordinárias, não lineares, de condições de contorno. Estas equações diferenciais simultâneas as quais descrevem os campos de velocidade e temperatura da superfície da esfera, como da temperatura da água. A solução destas equações dão dois tipos de regimes de fluxo, o primeiro o usual fluxo unidirecional e o segundo o bidirecional no qual existe fluxo inverso. Em ambos regimens a direção do fluxo depende tanto da temperatura da superfície da esfera, como da temperatura da água. O objetivo principal deste estudo foi obter a variação do coeficiente de transmissão de calor, o qual depende tanto da temperatura de superfície da esfera, como da temperatura da água. Tendo em vista que a densidade máxima da água ocorre na temperatura de 3,98 graus Celsius , e a temperatura da esfera de 0 graus Celsius a 35 graus Celsius. Os resultados numéricos foram obtidos com o emprego dos computadores digitais IBM-1130 e /370 do Rio Datacentro da Puc.
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Aluno(a) : Heronildes de Queiroz Oliveira
Orientador(a): Robert P. Forslund
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/05/1973
Local:
Resumo: Analisa-se a resistência térmica da parede de trocadores de calor tipo tubo-placa. Quatro modelos do trocador, imersos em um fluido são considerados; uma placa com tubos paralelos e igualmente espaçados sobre uma das superfícies; dois cilindros ocos, um com tubos uniformemente distribuídos sobre a superfície interna e segundo a direção circunferencial e finalmente uma esfera oca com distribuição paralela e uniforme de tubos sobre a superfície interna. Em todos os casos, a analise baseia-se na existência de fluxo uniforme de calor entre tubo e placa, extendendo-se porém, para a placa plana, a condição de fluxo conectivo. Os resultados mostraram um aumento considerável na resistência térmica da placa quando as razões(largura do tubo/ distancia entre tubos) e/ou (espessura da placa/ distancia entre tubos) diminuem ocasionando um estrangulamento das linhas de fluxo do calor através da placa. Essa resistência mostrouse-se também ser uma função crescente da resistência térmica do fluido externo e da condutividade térmica da placa, e crescer também com o aumento da resistência, obteve-se para os modelos cilíndricos, desvios de até 10 por cento, ao passo que valores até 3 (três) vezes maiores que aqueles foram obtidos para o modelo esférico. Um exemplo típico de uma aplicação sub-ocêanica é feito com o modelo cilíndrico de tubos axiais, usando-se titânio com material da parede do vaso.
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Aluno(a) : Zélia Maria Agra de Oliveira
Orientador(a): Ravindra Chhaganlal Tailor
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/02/1972
Local:
Resumo: O presente trabalho é o estudo de um aquecedor de água para fins domésticos que utiliza energia radiante oriunda do sol, captada por um coletor de forma hemisférica. Na primeira parte do trabalho é feita uma tentativa de avaliação da radiação solar direta e difusa, a partir dos dados de incidência global em superfícies horizontais. A segunda parte trata do projeto do aquecedor, cálculo das perdas de calor no decorrer do processo de aquecimento e a simulação do sistema num computador digital. A terceira e última consta da comparação dos resultados fornecidos pela simulação no computador, com os obtidos durante a experimentação do aparelho e a discussão desses resultados.
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Aluno(a) : Julio Carlos Gómez Pinhas
Orientador(a): Ravindra Chhaganlal Tailor
Área de Concentração: Termociências
Data: 12/01/1972
Local:
Resumo: Tem-se descrito um modelo calculado pelo computador para prognosticar o rendimento térmico de aquecedores de água domésticos por energia solar, em base à circulação termosifónica entre o coletor e o tanque de armazenagem isolado. A intensidade da radiação solar e a temperatura do ar são determinados de modelos reais. Presupõe-se uma situação ideal de não consumo de água durante o dia todo. Os resultados são comparados com resultados experimentais obtidos nos modelos reias. Analisa-se como caso especial o que acontece com o aquecimento inicial da água no coletor, de dez em dez centímetros.
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Aluno(a) : Emerson Freitas Jaguaribe
Orientador(a): Guili Alexandre Feldman
Área de Concentração: Termociências
Data: 09/01/1972
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : José Carlos Teixeira da Silva
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1972
Local:
Resumo: O presente estudo se refere ao campo de partículas deformáveis, em particular às bolhas de ar em líquidos de diferentes propriedades físicas. Estudando a passagem de bolhas de ar em interfaces líquido-líquido, constatou-se que as bolhas formadas na água e passando para os líquidos superiores (de densidade inferior), são envolvidas por uma película de água de espessura não uniforma, para diâmetros equivalentes na faixa de 2,5 a 5,7mm. Os fluidos superiores possuem viscosidade cinemática na faixa 1,2 e 55,0 cs e tensão interfacial com a água entre 13,0 e 32,0 din/cm. A influência dessa película no comportamento das bolhas de ar é acentuada quanto a: forma, pulsação de forma, trajetória, velocidade terminal. Constatou-se que a espessura média dessa película aumenta com o diâmetro equivalente e varia com as propriedades físicas dos fluídos superiores. Particular importância da película se nota quando o fluido superior tem pequena viscosidade cinemática: as bolhas de forma irregular são arredondadas pela película, de maneira que, para as bolhas maiores, apesar do peso da película a velocidade é maior em comparação com a de uma bolha sem película. Com o aumento da dimensão das bolhas, um diâmetro é atingido, para o qual há o rompimento da película com o consequente desprendimento da água em forma de gota; esse diâmetro parece variar pouco com as propriedades dos fluidos superiores. O campo de pesquisa do presente estudo apresenta inúmeras sugestões, e algumas estão sendo estudadas presentemente.
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Aluno(a) : Aristóteles Alves Lyrio
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1971
Local:
Resumo: O presente trabalho, estudando o comportamento de bolhas de ar em água purificada, mostra que na faixa de raios equivalentes de 0,07 a 0,80 cm, a trajetória não é linear. O uso de um equipamento com quatro câmaras fotográficas - situadas duas a duas sobre a mesma vertical e em planos verticais e em planos verticais perpendiculares, contendo o ponto de largada da bolha- dá uma visualização tridimensional do fenômeno. Desenvolveu-se um modelo geométrico para a análise do fenômeno, utilizando-se de um referencial do tipo Lagrangeano. Esse referencial se traslada sobre a curva que liga, os centros das revoluções da trajetória se prejeta no plano perpendicular a esta reta segundo elipses praticamente perfeita. Determinaram-se os valores médicos dos parâmetros dessas elipses, bem como o ângulo da trajetória com a vertical. Constatou-se que esses valores médicos definem uma curva aproximadamente contínua, que apresenta um máximo pra r igual a 0,18 cm, verificando-se que: a ordem de grandeza desses valores médios na região de máximo é muito maior que o desvio, dos valores médicos. Mediu-se a velocidade, U, de translação da bolha uma onde durante uma revolução, bem como o seu período, concluindo-se que a velocidade instantânea da bolha varia dentro de cada revolução. Registrou-se a forma e as pulsações das bolhas durante o seu movimento.
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Aluno(a) : Nelson Martin
Orientador(a): João Jelinek
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/01/1971
Local:
Resumo: Apresenta-se, neste estudo, quatro análises sobre bombas centrífugas radiais: a) Determinação de curvas características teóricas; b )Obtenção de curvas características de rotores usinados; c) Influência do estreitamento do rotos nas curvas características d) Efeitos da rugosidade do rotor nas curvas características experimentais. Utilizando-se de dois modelos de bombas Dancor, determinaram-se curvas características nos planos vazão-altura manométrica, vazão –potência efetiva e vazão-rendimento. Escolhendo-se os coeficientes, necessários ao calculo teórico de uma curva característica, dentro de critérios estabelecidos, consegue-se a aproximação entre as curvas teóricas e experimentais de uma bomba centrífuga radial. Ao usinar-se o rotor de uma bomba, as curvas características para o novo diêmetro deixam de obedecer às leis de semelhança, pois há variação do rendimento, principalmente na zona de trabalho de bomba. Determinou-se curvas com redução de 3,7 por cento e 11,1 por cento do diâmetro do rotor normal. Com o estreitamento do rotor há, na realidade, variações nos triângulos de velocidade, em virtude das perdas que acontecem na saída do rotor e, conseqüentemente, alterando as curvas características. Ensinando-se rotores com larguras 23 por cento menores do que o rotor normal. A rugosidade também altera as curvas características deslocando o ponto máximo rendimento para a esquerda (menor vazão e menor altura manométrica), num rotor 60 por cento mais rugoso do que o normal.
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Aluno(a) : Adolpho Wanderley da Fonseca Anciães
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/01/1970
Local:
Resumo: Este estudo mostra o comportamento de gotas de fluidos Newtonianos, de densidade menos que um, subindo em água purificada e cobrindo os valores de Rei de 1 a 1200, em regime laminar. Os diâmetros equivalentes das gotas variam de 10mm, sendo as menores de forma esférica e as maiores esferóides com acentuado achatamento na parte superior. Noata-se pulsações na subida das maiores gotas, até atingirem a velocidade de translação vertical constante. Apresentam-se gráficos de variação de velocidade de translação vertical com o diâmetro equivalente e coeficiente de arraste com Rei e Reo, encontrando-se fórmulas empíricas para estas curvas. Faz-se ainda comparações com o movimento de bolhas ascendentes e gotas descendentes em líquidos. Após as gotas adquirirem velocidade de translação constante, a trajetória segue um caminho aproximado de uma hélice elíptica hiperbólica, que é determinada pelas condições iniciais, tendendo para uma subida retilínea vertical, enquanto a distância necessária para chegar a translação vertical depende somente do sistema. Para precisar a trajetória foram utilizadas duas câmaras fotográficas colocadas em planos verticais perpendiculares, contendo o eixo da trajetória em gota. O caso particular de subida em gotas e o método fotográfico usado, são ambos novos para o conhecimento do autor.
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Aluno(a) : Leonardo Goldstein Junior
Orientador(a): Jacques L. Mercier
Área de Concentração: Termociências
Data: 08/01/1969
Local:
Resumo: A mecânica dos meios contínuos tem atraído um grande interesse nos últimos tempos, o que é demonstrado pela numerosa publicação a respeito, em que autores como A.C Eringen C. Truesdell, L.I Sedov, Green- Zerna tratam da teoria em geral e desenvolvem tópicos particulares. A complexidade do campo de estudo cria uma grande dificuldade de formulação. O presente trabalho desenvolve uma notação intrínseca consiste, em que as relações das variáveis descrevendo o espaço e o tempo são de caracterização clara, permitindo produzir uma formulação clara, permitindo produzir uma formulação geral da teoria da Mecânica do Contínuo. O estudo é feito de maneira geral, admitindo deformações finitas, e os resultados obtidos são simplificados por aproximações. No primeiro capítulo estudamos a geometria da deformação, que recebe uma interpretação geométrica, e obtemos os invariantes que necessitaremos no desenvolvimento das relações constitutivas. Estudamos, relacionamentos deformações e deslocamento, taxa de deformação e velocidades, e terminaremos com as equações da compatibilidade. O capitulo dois estuda os princípios físicos obedecidos por um conjunto em movimento, permitindo obter de equações para formulação dos problemas. No capitulo três desenvolvemos um modelo geral de meio elástico e particularizamos os resultados até chegarmos à elasticidade clássica, enquanto que, no capitulo quatro as equações são aplicadas para descrição do movimento dos fluidos e idéias e viscosas. Finalizamos nosso trabalho com duas aplicações, uma no campo da elasticidade e outra no da mecânica dos fluidos.
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Aluno(a) : Sidney Stuckenbruck
Orientador(a): Leí´nidas Serejo Pinto de Abreu
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1969
Local:
Resumo: Abreu (1967) estudou o problema do escoamento bi-dimensional viscoso, incomprenssível, com vorticidadade constante, aplicado ao escoamento simético em torno de uma cunha infinita. Este trabalho adorda o problema de Abreu para acaso em que o fluido em escoamento acha-se a uma temperatura constante e a superfície da cunha é não-isotérmica, ocorrendo o surgimento de uma camada limite térmica. Foi aplicado o método das expressões assintóticas acopladas. Existem quatro problemas a serem resolvidos: dois externos e dois internos. A solução desses problemas conduz a solução assintótica do problema para altos valores do número de Reynolds. Foi resolvido o sistema composto pelas equações de Navier-Stokes, continuide e energia. É apresentada a solução geral para semi-ângulos de cunha entre 0 grau e 90 graus, e a solução numérica para casos particulares de semi-ângulos de 0 grau, 18 graus, 72 graus e para valores de Prandtl iguais a 0.7, 1 e 10.
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Aluno(a) : Victor Prodonoff
Orientador(a): Heitor M. Herrera
Área de Concentração: Termociências
Data: 01/05/1967
Local: DEM
Resumo:
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Aluno(a) : Dante Altieri
Orientador(a): Ernest J. Henley
Área de Concentração: Termociências
Data: 05/01/1966
Local: DEM
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Fernando de Mello Bouças
Orientador(a): Ernest J. Henley
Área de Concentração: Termociências
Data: 04/01/1966
Local:
Resumo:
Detalhes da Obra
Aluno(a) : Guilherme Maurício Souza Marcos de La Penha
Orientador(a): Gabriel A. G. Fasekas
Área de Concentração: Termociências
Data: 07/01/1965
Local: DEM
Resumo: