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The growing demand for drinking water on the planet generates the need for the development of technologies capable of converting water unsuitable for distribution, such as sea water, into water suitable for supply. Desalination is one of these technologies. Aiming an alternative to the public supply, the Water and Sewage Company of the State of Ceará (CAGECE) launched a public notice for the implementation of a desalination plant. With the desalination process, a hypersaline solution is generated as waste, which is dumped into the sea through diffusers. Due to the density difference between the fluids, the outflow is divided into two regions: ascending jet, with large momentum; and descending fountain, where the flow is governed by the negative buoyancy. Given the scarcity of numerical simulations for the discharge and dispersion of hypersaline solutions, this research presents a computational fluid dynamics (CFD) modeling of jets and fountains, through the FLUENT software, focusing on the project conditions presented for the desalination plant in Fortaleza. The model was compared to the data available in the literature and then simulated for the characteristics of the CAGECE desalination plant, considering a single diffusor in stagnant environment. In addition, the results were compared to those obtained through simulations with the integral VISUAL PLUMES software for different discharge angles (30°, 45°, 60° and 90°). The results showed good agreement with published works, generating the equation Zm/r0 = 1.71(Fr), which is able to predict the height reached by the jets/fountains (Zm), informing the diffuser radius (r0) and the Froude number (Fr) The CFD simulations were similar to those obtained with VISUAL PLUMES. A crescente demanda de água potável no planeta gera a necessidade do desenvolvimento de tecnologias capazes de converter água impróprias para consumo, como a água do mar, em água adequada ao abastecimento. A dessalinização é uma dessas tecnologias. Visando uma alternativa ao abastecimento público, a Companhia de Água e Esgoto do Estado do Ceará (CAGECE) lançou edital para implantação de uma planta de dessalinização. Com o processo de dessalinização é gerado como rejeito uma solução hipersalina, que é despejada no mar através de difusores. Pela diferença de densidade entre os fluidos, o escoamento se divide em duas regiões: jato ascendente, com grande quantidade de movimento; e fonte descendente, onde o fluxo é governado pelo empuxo negativo. Dada a escassez de simulações numéricas para a descarga e dispersão de soluções hipersalinas a presente pesquisa apresenta uma modelagem da dinâmica dos fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) de jatos e fontes, através do software FLUENT, com foco nas condições de projeto apresentadas para a planta de dessalinização de Fortaleza. O modelo foi comparado aos dados disponíveis na literatura e em seguida simulado para as características da planta de dessalinização da CAGECE, considerando um único difusor em ambiente estagnado. Além disso, os resultados foram comparados aos obtidos através de simulações com o software integral VISUAL PLUMES para diferentes ângulos de descarga (30°, 45°, 60° e 90°). Os resultados apresentaram boa concordância com os trabalhos publicados, gerando a equação Zm/r0 = 1,71(Fr), capaz de predizer a altura alcançada por jatos/fontes (Zm), dados o raio do difusor (r0) e o número de Froude (Fr). As simulações do tipo CFD foram semelhantes às obtidas com o VISUAL PLUMES.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2015-10-26T16:14:39Z No. of bitstreams: 1 Jutaí Juarez Estrázulas_.pdf: 1716303 bytes, checksum: ac095da5508e03eaab20ab1008f22067 (MD5) Made available in DSpace on 2015-10-26T16:14:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jutaí Juarez Estrázulas_.pdf: 1716303 bytes, checksum: ac095da5508e03eaab20ab1008f22067 (MD5) Previous issue date: 2015-06-12 CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Inúmeras aplicações residenciais, comerciais e industriais voltadas ao gerenciamento térmico tem seus custos operacionais reduzidos quando um sistema de armazenamento de energia térmica é incorporado. Tal tipo de sistema pode, por exemplo, absorver energia térmica oriunda de fonte solar, de reaproveitamento de calor de processo industrial ou mesmo proveniente de energia elétrica (nos horários em que esta é menos onerosa), e liberá-la em um horário em que estas fontes de calor não estejam presentes e em que a energia elétrica, se utilizada, seria mais onerosa.Os PCMs (Phase Change Materials), devido ao seu alto calor latente de fusão, são materiais que representam uma alternativa viável à implementação de sistemas de armazenamento de energia térmica. No entanto, inúmeros PCMs ainda não tiveram suas características e propriedades fluidodinâmicas investigadas suficientemente. Assim, este trabalho apresenta um estudo numérico da mudança de fasede PCMs da família RT,em cavidades cilíndricas, visando o armazenamento térmico de energia através de calor latente (LHTES). O estudo foi realizado através de simulação numérica por CFD, com o software ANSYS Fluent. O modelo numérico adotado é bidimensional e é composto pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia. Além destas, foi utilizada a técnica de modelamento entalpia-porosidade. A malha computacional é do tipo hexaédrica, com refinamento junto às paredes da geometria e na região de interface entre o PCM e o ar. O modelo implementado foi validado com resultados numéricos e experimentais da literatura, obtendo-se bons resultados. Foi avaliado o processo de fusão de cinco diferentes tipos de PCMs (RT 4, RT 35, RT 35HC (alta capacidade), RT 55 e RT 82), cada um deles com três intervalos de temperatura (T=10, 20 e 30 °C).Além disto, para T=10 ºC, os PCMS RT 27, RT 35, RT 35 HC e RT 82 foram testados para cinco diferentes valores de constante C (Mushy Zone), totalizando trinta diferentes situações. Paraos PCMs RT 4, RT 35, RT55 e RT82, aumentando-se o T de 10 oC para 20 oC e de 10 oC para 30 oC, para frações líquidas entre 0,4 e 0,8, a redução média dos tempos de fusão foide, aproximadamente, 55,8% e 71,8% e os incrementos médios no fluxo de calor foram de 63% e 111 %, respectivamente. Para o RT35HC, as reduções médias nos tempos de fusão foram de 51,6% e de 67,8%, para a mesma faixa de fração líquidae mesmos T. O RT35HC, quando comparado com o RT 35, possui calor latente de fusão 41,1% maiore os seus tempos de fusão são entre 100% à 134% superiores, dependendo do T utilizado. Several residential, commercial and industrial applications focused on thermal management have their operating costs reduced when a thermal energy storage system is incorporated to them. This type of system can provide, can, for example, absorb thermal energy from solar source, heat reuse from industrial process or even from electrical power (during the time this is less expensive) and release it at a time that these heat sources are not present and the electrical power, if used, would be more expensive.The Phase Change Materials (PCMs), due to their high latent heat of fusion, are materials that represent a viable alternative to the implementation of thermal energy storage systems. However, many PCMs have not had their characteristics and fluid dynamics properties sufficiently investigated. Thus, this paper presents a numerical study of RT phase change materials family, inside cylindrical cavities, aiming at the thermal energy storage trough latent heat (LHTES). The study was conducted through a CFD numerical simulation, with ANSYS Fluent software. The numeric model adopted is two-dimensional and is composed by mass conservation, movement amount and energy equations. In addition, the enthalpy-porosity modeling technique was used. The computational mesh is hexaedric, with refinement along the walls of geometry and at the interface area between the PCM and air. The model was validated with numerical and experimental results available in the literature, achieving good results. The fusion process of five different PCMs (RT 4, RT 35, RT 35 HC (high capacity), RT 55 and RT 82) was evaluated, each one of them with three temperature ranges (T= 10, 20 e 30 °C). Furthermore, for T=10 °C, the PCMs RT 27, RT 35, RT 35 HC and RT 82 were tested for five different values of C constant (Mushy Zone) totaling thirty different situations. For PCMs RT 4, RT 35, RT 55 and RT 82, increasing T from 10 oC to 20 oC and from 10 oC to 30 oC, for liquid fraction between 0,4 and 0,8, the average reduction in fusion time were, approximately, 55.8% and 71.8% and the average increase in heat flow were 63% and 111% respectively. For RT 35 HC, the average reductions in fusion time were 51.6% and 67.8% for the same liquid fraction range and same T. The RT 35 HC, when compared to RT 35, has latent heat of fusion 41.1% greater and its fusion times are between 100% to 134% greater, depending on T used.

Este trabalho analisa o desempenho dos modelos do tipo Boussinesq COULWAVE, e RANS (FLUENT®, versão 6.3.26, e IHFOAM®, versão 2.0) na simulação da elevação da superfície livre e da velocidade da onda ao longo da sua propagação num canal com um fundo de batimetria variável, sujeito a uma onda regular com rebentação. Os modelos numéricos foram aplicados para a condição de agitação incidente de T=2.0s e H=0.12m, e os respetivos resultados são comparados com os resultados experimentais. Ambos os modelos simulam adequadamente a maioria das transformações das características das ondas ao longo da sua propagação, o que foi confirmado pelos valores de índice de concordância encontrados. As diferenças acentuam-se na zona à volta da rebentação, em que os valores numéricos são consistentemente inferiores aos resultados experimentais no caso do COULWAVE. 89-95pp DHA/NPE

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente), A necessidade cada vez maior que a sociedade atual tem de recorrer a fontes de energias renováveis, aliada á imersão de um mundo tecnológico em que a eficiência e a inovação são aspetos fulcrais, levam a que o ramo da energia eólica tenha de estar na vanguarda dos recursos disponíveis, sendo esta a principal motivação do desenvolvimento deste trabalho. Os aerogeradores de pequeno porte, apesar da produção de energia ser bastante reduzida em relação aos de grande porte, têm um campo de aplicação bem mais alargado, dada a facilidade de transporte (presença frequente em novos iates) e flexibilidade quanto à gama de velocidades de funcionamento, permitindo um bom desempenho a baixo número de Reynolds, fator este, alvo de análise/otimização no decorrer do projeto. Na aerodinâmica de uma pá destacam-se os seguintes fatores: coeficiente de sustentação (CL), coeficiente de arrasto (CD), coeficiente de momento (CM) e o coeficiente de solidez (CTEH). Associado à variação destes parâmetros, está a alteração do perfil geométrico, ângulos de ataque e Twist, direção e intensidade do vento. A preponderância dos programas de modelação e simulação numérica nas áreas da Engenharia é cada vez mais evidente. Na análise de escoamentos o software Ansys Fluent tem reunido consenso, quanto a resultados obtidos, tendo uma panóplia de ferramentas e funcionalidades que permite descrever qualquer tipo de escoamento. Por exemplo, no caso de escoamentos externos existe um modelo de turbulência, Spalart-Allmaras, que permite obter resultados de forma mais rápida e eficiente. A escolha do ângulo de ataque ótimo e a seleção da geometria adequada na geração de uma pá é fundamental para que a turbina eólica a projetar tenha um funcionamento mais eficiente, reduzindo as perdas de energia e garantindo um maior retorno financeiro a quem investe neste tipo de equipamentos. O desenvolvimento deste tipo de trabalhos garante o progresso de uma alternativa viável àquele que tem sido um dos maiores problemas globais, a produção de energia através de fontes não renoveis., The growing need on resorting renewable energy sources that actual society has, allied to immersion of a technological world where efficiency and innovation are crucial aspects, mean that the wind energy branch has to be in the forefront of available resources, which is the main motivation on the development of this work. The small wind turbines, although the power generation is significantly reduced compared to the large turbines, have a much broader field of application, due to the flexibility of transport (frequent presence in new yachts) and flexibility in the range of operation speeds, allowing a good performance and a low Reynolds number, factor which, is in target of analysis/optimization throughout the project. In the aerodynamics of a shovel, the following factors are highlighted: lift coefficient (LC), drag coefficient (DC), moment coefficient (MC) and the solidity coefficient (SC). Associated to the variation of this parameters is the geometric profile alteration, angles of attack and Twist, wind direction and intensity. The preponderance of modelling and numeric simulation software in the areas of Engineering is becoming more evident. In the analysis of flow Ansys Fluent software has reunited consensus, as the obtained results, and a range of tools and features for describing any type of flow down to the smallest detail. For example, if there is an external flow, there is a turbulence model, Spalart-Allmaras, which allows faster and more efficient results. The choice of the optimal attack angle and the selection of the correct geometry in the generation if a shovel is essential for the projecting wind turbine to be more efficient, reducing energy losses and ensuring greater financial returns to those who invest in this type of equipment’s. The development of this type of work results in the progress for a viable alternative to that which has been a major global problem, the production of energy by sources that are not renewed.

Este artigo apresenta um modelo computacional bidimensional desenvolvido para análise do quebra mar tipo placa submersa. O modelo desenvolvido utiliza os códigos comerciais GAMBIT e FLUENT. O escoamento da mistura água-ar nas simulações numéricas do dispositivo é realizada através do modelo multifásico Volume of Fluid. O objetivo deste artigo é contribuir para um maior conhecimento deste dispositivo mostrando seu bom desempenho nas funções de quebra mar e conversor de energia das ondas. É analisada a influência da posição vertical da placa no coeficiente de transmissão e na eficiência do dispositivo ao converter energia das ondas em energia elétrica. Para tanto, o modelo desenvolvido, depois do processo de validação, foi utilizado em seis simulações que diferem apenas na posição da placa. Nos casos estudados, o aumento da distância da placa ao fundo proporcionou aumento da eficiência e redução do coeficiente de transmissão. This paper presents a two-dimensional computational model developed for analysis of submerged plate type breakwater. The developed model uses commercial codes FLUENT and GAMBIT. The fluid flow of the water-air mixture in the numerical simulations of device is performed with the use of the multiphase model Volume of Fluid. The aim of this paper is to contribute for a better knowledge of this breakwater showing its good performance working as breakwater and wave energy converter. It is analyzed the influence of the vertical position of the plate in the transmission coefficient and efficiency to to convert wave energy into electricity. Therefore, the model developed after the validation process was used in six simulations that differ on each other only by the position of the plate. In the cases studied, the increase of the distance from the bottom at the plate provided increase efficiency and reduce transmission coefficient.

Este trabalho analisa o desempenho de dois códigos numéricos (COULWAVE e FLUENT) na simulação das características das ondas (alturas e componentes espectrais) ao longo da sua propagação num canal com um fundo de batimetria variável, para o qual existem resultados de ensaios experimentais. Um dos modelos resolve as equações de Boussinesq (COULWAVE) e o outro resolve as equações RANS (FLUENT). É efectuada uma análise comparativa dos resultados experimentais e numéricos em termos das séries temporais de elevação de superfície livre e das correspondentes componentes espectrais em certos pontos ao longo do canal. A análise espectral permite caracterizar o desempenho dos modelos e a sua capacidade na simulação dos efeitos não lineares. 4 2 10p DHA/NPE 2012 28 e 29 de Maio

O sistema de coluna de água oscilante (CAO) é considerado um dos tipos de dispositivo de aproveitamento da energia das ondas (DAEO) do oceano tecnicamente mais conhecido, em virtude do grande esforço de investigação nos últimos anos. Já foram construídas diversas instalações junto a costa e a médio prazo prevê-se a instalação de parques de DAEO-CAO ao largo. No presente trabalho são aplicados dois códigos de cálculo que resolvem as equações de Navier-Stokes em valor médio (RANS) para simular os fenómenos resultantes da interacção das ondas com um DAEO-CAO. Um dos códigos, FLUINCO, é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro, FLUENT, na técnica dos volumes finitos. O objectivo do trabalho consiste na aplicação destes códigos, já validados para resultados laboratoriais para um modelo de DAEO-CAO com e sem os efeitos dissipativos de um equipamento de extracção de energia, numa situação de águas profundas. 8 1 10p DHA/NPE 2012 28 e 29 de Maio

Neste trabalho é analisado um dispositivo de aproveitamento de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante (CAO), sob a acção de ondas regulares de diferentes períodos, localizado na extremidade de um canal numérico tridimensional de onda. O dispositivo é constituído por uma câmara-de-ar e por uma conduta onde é modelada uma turbina (ou mais especificamente o efeito dissipativo induzido por uma turbina). São utilizados dois modelos numéricos, FLUENT e FLUINCO, que permitem resolver as equações totalmente não lineares de Navier-Stokes-Reynolds em valor médio - RANS - com superfície livre. Um dos códigos (FLUINCO) é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro (FLUENT) na de volumes finitos. O FLUENT usa a metodologia VoF (Volume of Fluid) para a modelação do escoamento da água e do ar simultanemente. A perda de carga, devido à presença de uma turbina com curva característica linear (tipo turbina de Wells) é considerada através de uma função linear dependente do caudal de ar na saída da conduta. O FLUINCO usa uma descrição Arbitrária Lagrangeana Euleriana (ALE) para modelar o escoamento da água, onde a superfície livre é definida pela solução da equação da elevação da superfície a cada passo de tempo. Neste programa, a pressão sobre a superfície da água dentro da câmara é imposta através de um modelo aerodinâmico baseado na equação de conservação de energia, considerando a compressibilidade do ar, uma transformação iso-entrópica e uma relação linear entre o caudal de ar e a perda de carga causada pela turbina Wells. O desempenho do dispositivo é analisado para várias configurações geométricas e características de onda incidente através do factor de amplificação, do ângulo de fase e da potência pneumática. 6 0 10p DHA/NPE 2012 28 e 29 de Maio

Este trabalho avalia o desempenho de dois modelos do tipo Boussinesq (COULWAVE) e RANS (FLUENT, versão 6.3.26) na zona de rebentação, aferindo as potencialidades e limitações de cada um, quando aplicados ao caso de teste, estudado experimentalmente no LNEC, de simulação da propagação de ondas sobre um fundo de batimetria variável. O modelo COULWAVE é um modelo de diferenças finitas para a propagação de ondas fortemente não-lineares e dispersivas, em zonas de profundidade variável. O modelo FLUENT é um modelo de volumes finitos que utiliza um método de captura de interface VOF para determinação da posição da superfície livre. Os resultados numéricos de ambos os modelos são analisados para as várias condições de agitação testadas (ondas monocromáticas com 2 períodos e 2 alturas diferentes). É efectuada uma análise no tempo e comparados os valores experimentais com os numéricos referentes à altura de onda significativa, e aos valores mínimo, máximo e médio da velocidade horizontal ao longo do canal (a meio da coluna de água). Determinaram-se parâmetros estatísticos de modo a quantificar a diferença entre os resultados numéricos e experimentais no caso da altura da onda e da velocidade. É também realizada uma análise espectral de modo a caracterizar o desempenho dos modelos e a sua capacidade na simulação dos efeitos não lineares. Com o modelo FLUENT é ainda apresentada uma comparação entre valores numéricos e experimentais de perfis de velocidade ao longo da coluna de água. 5 2 13p DHA/NPE 2012 28 e 29 de Maio

The present study provides a methodology that gives a predictive character the computer simulations based on detailed models of the geometry of a porous medium. We using the software FLUENT to investigate the flow of a viscous Newtonian fluid through a random fractal medium which simplifies a two-dimensional disordered porous medium representing a petroleum reservoir. This fractal model is formed by obstacles of various sizes, whose size distribution function follows a power law where exponent is defined as the fractal dimension of fractionation Dff of the model characterizing the process of fragmentation these obstacles. They are randomly disposed in a rectangular channel. The modeling process incorporates modern concepts, scaling laws, to analyze the influence of heterogeneity found in the fields of the porosity and of the permeability in such a way as to characterize the medium in terms of their fractal properties. This procedure allows numerically analyze the measurements of permeability k and the drag coefficient Cd proposed relationships, like power law, for these properties on various modeling schemes. The purpose of this research is to study the variability provided by these heterogeneities where the velocity field and other details of viscous fluid dynamics are obtained by solving numerically the continuity and Navier-Stokes equations at pore level and observe how the fractal dimension of fractionation of the model can affect their hydrodynamic properties. This study were considered two classes of models, models with constant porosity, MPC, and models with varying porosity, MPV. The results have allowed us to find numerical relationship between the permeability, drag coefficient and the fractal dimension of fractionation of the medium. Based on these numerical results we have proposed scaling relations and algebraic expressions involving the relevant parameters of the phenomenon. In this study analytical equations were determined for Dff depending on the geometrical parameters of the models. We also found a relation between the permeability and the drag coefficient which is inversely proportional to one another. As for the difference in behavior it is most striking in the classes of models MPV. That is, the fact that the porosity vary in these models is an additional factor that plays a significant role in flow analysis. Finally, the results proved satisfactory and consistent, which demonstrates the effectiveness of the referred methodology for all applications analyzed in this study. O presente trabalho proporciona uma metodologia que dá um caráter preditivo às simulações computacionais baseadas em modelos detalhados da geometria porosa de um meio. Nós utilizando o software FLUENT para investigar o escoamento de um fluido newtoniano viscoso através de um meio fractal aleatório que simplifica um meio poroso desordenado bidimensional representando um reservatório de petróleo. Este modelo fractal é formado por obstáculos de diversos tamanhos, cuja função de distribuição segue uma lei de potência, onde o expoente é definido como sendo a dimensão fractal de fracionamento Dff do modelo e caracteriza o processo de fragmentação desses obstáculos. Eles são aleatoriamente dispostos em um canal retangular. O processo de modelagem incorpora conceitos modernos, leis de escala, para analisar a influência das heterogeneidades encontradas nos campos da porosidade e da permeabilidade de tal maneira que se possa caracterizar o meio em função de suas propriedades fractais. Este procedimento permite analisar numericamente as medidas da permeabilidade k e do coeficiente de arrasto Cd propondo relações, tipo lei de potência, para essas propriedades sobre vários esquemas de modelagem. O propósito desta pesquisa é estudar a variabilidade proporcionada por estas heterogeneidades onde o campo de velocidade e outros detalhes da dinâmica dos fluidos viscosos são obtidos resolvendo numericamente as equações da continuidade e de Navier-Stokes no nível de poros e observar como a dimensão fractal de fracionamento do modelo pode afetar as suas propriedades hidrodinâmicas. Neste estudo foram consideradas duas classes de modelos, modelos com porosidade constante, MPC, e modelos com porosidade variável, MPV. Os resultados permitiram-nos encontrar relações numéricas entre a permeabilidade, coeficiente de arrasto e os parâmetros geométricos do modelo. Com base nestes resultados numéricos propusemos relações de escala envolvendo os parâmetros relevantes do fenômeno. Nesta pesquisa foram determinadas equações analíticas para Dff em função dos parâmetros geométricos dos modelos. Constatamos também uma relação entre a permeabilidade e o coeficiente de arrasto onde uma é inversamente proporcional à outra. Quanto à diferença de comportamento ela é mais marcante nas classes de modelos MPV. Isto é, o fato da porosidade variar nestes modelos constitui um fator adicional que desempenha um papel significativo na análise de fluxo. Finalmente, os resultados encontrados se mostraram consistentes e satisfatórios, o que demonstra a eficácia da referida metodologia para todas as aplicações analisadas nesta pesquisa.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Hidráulica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

O sistema de coluna de água oscilante (CAO) é considerado um dos tipos de dispositivo de aproveitamento da energia das ondas (DAEO) do oceano tecnicamente mais conhecido, em virtude do grande esforço de investigação de que foi objecto nos últimos anos. Já foram construídas diversas instalações junto a costa, em diferentes partes do mundo. A médio prazo prevê-se a instalação de parques de DAEO-CAO ao largo. No presente trabalho são aplicados dois códigos de cálculo que resolvem as equações de Navier-Stokes-Reynolds para simular os fenómenos resultantes da interacção das ondas com um DAEO-CAO. Um dos códigos (FLUINCO) é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro (FLUENT) na técnica dos volumes finitos. O objectivo do trabalho consiste na aplicação destes códigos, já validados para resultados laboratoriais para um modelo de DAEO-CAO com e sem os efeitos dissipativos de um equipamento de extracção de energia, numa situação de águas profundas e sem interferência das paredes laterais do canal físico. São comparados os resultados em águas profundas com os numéricos e laboratoriais, em profundidade intermédia. 10 0 14p DHA/NPE 2011 6 e 7 de Outubro

Este trabalho analisa o desempenho do modelo do tipo Boussinesq COULWAVE e modelo RANS (Fluent, versão 6.3.26) na simulação das características das ondas (alturas e velocidade da onda) ao longo da sua propagação num canal com um fundo de batimetria variável, para o qual existem resultados de ensaios experimentais. O modelo COULWAVE é um modelo de diferenças finitas para a propagação de ondas fortemente não-lineares e dispersivas, em zonas de profundidade variável. O modelo RANS é um modelo de volumes finitos que usa um método VOF na determinação da posição da superfície livre. Os resultados numéricos de ambos os modelos são comparados com os resultados experimentais, no que se refere às alturas de onda significativas, velocidades horizontais ao longo do canal (a meio da coluna de água), apresentando os valores mínimos, máximos e médios da velocidade das partículas ao longo do domínio. É, também, apresentada uma comparação com perfis de velocidade para o modelo RANS. Determinaram-se parâmetros estatísticos de modo a quantificar a diferença entre os resultados numéricos e experimentais no caso da altura de ondas e da velocidade horizontal. Finalmente, foi também realizada uma análise espectral de modo a caracterizar o desempenho dos modelos e a sua capacidade na simulação dos efeitos não lineares 13 3 24p DHA/NPE 2011 14 a 17 de Junho

Objetivos: Este trabalho, abrangendo a área da transferência de calor e da mecânica dos fluidos, em seu desenvolvimento envolveu métodos analíticos, numéricos computacionais e experimentais (em ambiente de campo), com a finalidade de analisar o uso de trocadores de calor solo-ar, como estratégia para diminuir o consumo de energia convencional, no aquecimento ou resfriamento de ambientes construídos. Assim, um dos objetivos do estudo foi avaliar, com base em resultados experimentais, a performance do solo como um reservatório de energia, derivada da radiação solar. Buscou-se, pois, identificar parâmetros, procedimentos e condições favoráveis envolvendo esta estratégia. O outro objetivo do estudo foi, usando os softwares GAMBIT e FLUENT, modelar computacionalmente o escoamento do ar no trocador de calor solo-ar. Método: O estudo experimental e numérico foi precedido pela construção de uma edificação, especificamente concebida para a pesquisa, identificada como Casa Ventura. Em continuidade, foram enterrados dutos no solo, que conduziriam ar exterior e água (esta última por um período limitado) ao ambiente interno. No caso da condução de ar, o solo funcionaria como um reservatório de energia, aquecendo ou resfriando a ar. Já, no caso da condução de água, prevista com duto de baixa condutividade térmica, o solo funcionaria apenas como um protetor à radiação solar, para preservar as características térmicas da água, desde um reservatório, de onde a mesma era bombeada, até o interior da casa. Na Casa Ventura foram construídos dois ambientes centrais com características dimensionais e de envolvente equivalentes, constituindo os ambientes monitorados no processo, sendo um, na condição natural, referencial, sem renovação de ar, e o outro, com renovação de ar. Na parte experimental, o ar foi captado do ambiente externo e insuflado por um ventilador nos dutos enterrados, renovou o ar no interior deste último ambiente. Com ajuda de um fan-coil, colocado neste ambiente, o ar renovado trocou calor com a água. Por questões de dificuldades operacionais, o bombeamento de água funcionou por um período muito curto. Durante o experimento, que se desenvolveu por todo o ano de 2007, foram monitoradas e registradas, além da temperatura do solo e da água, a temperatura e a umidade: do ar externo, do ar nos ambientes internos e do ar em escoamento nos dutos enterrados, bem como a velocidade de escoamento nos mesmos. Resultados: De forma geral, o potencial do solo para aquecer foi maior do que o de resfriamento do ar injetado nos dutos enterrados. O potencial de aquecimento foi mais destacado nos meses de maio, junho, julho e agosto, e se mostrou maior que 3K. Para profundidades entre 2 e 3m, estima-se que o potencial possa ser superior a 8K. Por outro lado, o potencial de resfriamento foi maior nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro, mas foi baixo para pequenas profundidades (menos de um metro). Para resfriamento, este potencial pode chegar a 4K. Contribuições da pesquisa: Face aos resultados da pesquisa, diversas foram as suas contribuições, dentre as quais se destacam: a construção de um banco de dados experimentais sobre as propriedades e características do solo (índices físicos, difusividade térmica, capacidade térmica volumétrica, condutividade térmica, temperatura e umidade) e do ar ambiente (temperatura e umidade) para o município de Viamão, localizado na região sul do Brasil, e que pode ser usado para a continuidade desta pesquisa ou para a elaboração de novas pesquisas e projetos; e o desenvolvimento de uma metodologia para a modelagem computacional de trocadores de calor solo-ar, validada através dos dados experimentais citados acima, possibilitando, assim, o emprego deste procedimento numérico, para a elaboração de projetos ou novas pesquisas nesta área. Purpose: The development of the present work, comprising the area of heat transfer and fluids mechanics involved analytical, numerical computational and experimental (in field environment) methods, with the purpose of analyzing the use of earth-to-air heat exchanger, as a strategy to reduce conventional energy consumption, for the heating or cooling of built environments. Thus, one of the study purposes was to evaluate, based on experimental results, the earth performance as an energy reservoir, derived from solar radiation incidence on the surface of the ground. We aimed, then, at identifying favorable parameters, procedures and conditions involving this strategy. The other study purpose was, using the GAMBIT and FLUENT softwares, computationally modeling the air flow in the earth-to-air heat exchanger. Method: The experimental and numerical study was preceded by the construction of a building, specially planned for the research, called Casa Ventura. As a follow-up, ducts were buried on the ground, to conduct external air and water (the latter one for a limited period) to the internal environment of the house. In terms of air conduction, the earth would work as an energy reservoir, heating or cooling the air. Concerning the water conduction, planned to use a duct of low thermal conductivity, the earth would only work as a protector from solar radiation, to preserve the water thermal characteristics, when flowing from the water reservoir, where it would be taken from, to the inside of the house. At Casa Ventura two central environments were built with similar dimensional and envelope characteristics, constituting the environments monitored in the process, in which, one in the natural and referential condition, without air renovation, and the other, with air renovation. In the experimental part, the air was captured from the external environment and inflated by a fan in the buried ducts, and it renovated the air inside this latter environment. With the help of a fan-coil, placed in this environment, the renovated air exchanged heat with the water flowing through the ducts. Due to some operational difficulties, the pumping of water lasted for a very short period. During the experiment, which lasted through the whole year of 2007, besides the water and earth temperature, the temperature and humidity of the following were also monitored and registered: the external air, the air in the internal environments and the air flowing in the buried ducts, as well as the flowing speed of the different fluids. Results: In a general way, the earth potential to heat was higher than the cooling of air injected in the buried ducts. The heating potential was higher in the months of May, June, July and August, doing so by more 3K. For depths between 2 and 3m, it is estimated that the potential might be over 8K. On the other hand, the potential for cooling was higher in the months of January, February and December, but it was low for low depths (less than a meter). For cooling, this potential may reach 4K. Research contributions: Considering the research results, several were the contributions, among which we highlight: the construction of an experimental database on the earth properties and characteristics (physical indexes, thermal diffusivity, volumetric heat capacity, thermal conductivity, temperature and humidity) and the environmental characteristics of the air (temperature and humidity) for the city of Viamão, located in Southern Brazil, and that may be used for the continuation of this research or for the elaboration of new researches and projects; and the development of a methodology for computational modeling of earth-to-air heat exchangers, validated through the experimental data mentioned before, enabling, therefore, the use of this numerical procedure for the elaboration of projects or new researches in this area.

Este trabalho apresenta a modelagem computacional de um conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) submetido ao clima de ondas da costa da cidade de Rio Grande. A simulação numérica foi realizada utilizando-se o pacote FLUENT® e empregando-se o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) na geração da onda e na interação da mesma com o conversor. O domínio computacional foi representado por um tanque de ondas acoplado ao dispositivo CAO, possibilitando analisar o seu comportamento quando sujeito a incidência de ondas regulares com características semelhantes ao clima de ondas na costa de Rio Grande. Os resultados obtidos demonstram a potencialidade da região em gerar energia elétrica a partir da energia das ondas do mar, através do conversor tipo CAO. This work presents the computational modeling of a converter of wave energy in electrical energy. The converter is Oscillating Water Column (OWC) type, submitted to the wave climate of Rio Grande city. The numerical simulation was performed using FLUENT® package and employing the multiphase Volume of Fluid (VOF) model in the wave generation and in the interaction between the wave and the converter device. The computational domain was represented by a wave tank coupled with the OWC device. This domain allows the behavior analysis to be performed when the device is subjected to the incidence of regular waves. The waves were molded to represent the characteristics of the Rio Grande coast climate. Results demonstrate that the OWC converter can be successfully used to convert the Rio Grande's coast wave energy in useful electrical energy.

A validade das simulações numéricas desenvolvidas para prever os fenómenos físicos relevantes nos mais diversos campos de engenharia, depende em grande parte dos métodos numéricos utilizados para a resolução dos modelos físico-matemáticos considerados. Neste campo, uma consideração importante em qualquer aplicação de Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC) é a discretização dos termos convectivos das variáveis escalares e de quantidade de movimento nas equações de diferenças finitas - volumes finitos. A precisão, estabilidade e a independência da solução depende do esquema numérico usado para os referidos termos. Neste trabalho é considerado um estudo numérico e experimental dum equipamento expositor refrigerado, cujo modelo foi desenvolvido com o código de DFC – FLUENT®, sendo o escoamento bidimensional em regime estacionário e não isotérmico, coexistindo os regimes de convecção natural e forçada. Foram utilizados distintos esquemas de discretização, com diferentes ordens, na simulação do escoamento no equipamento mencionado. Assim, são analisadas e comparadas as previsões numéricas do campo da grandeza escalar relevante (temperatura) com os resultados experimentais, de modo a avaliar a influência do esquema de discretização utilizado na precisão da solução.

De um modo progressivo os mais variados estudos no domínio da Engenharia têm vindo a apoiar-se, numa fase de pré-projecto ou de apoio ao projecto, nas previsões numéricas obtidas por códigos de Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC). No entanto, as previsões numéricas obtidas por estes códigos têm associadas algum grau de incerteza, quer seja pela definição dos modelos físicos em causa, quer pelas especificações e posteriores simplificações dos modelos matemáticos e numéricos que traduzem os diversos fenómenos físicos. Neste artigo é genericamente avaliado e comparado o desempenho de dois modelos computacionais construídos com códigos comerciais de DFC (PHOENICS® e FLUENT®), mediante a confrontação das previsões numéricas das características térmicas de um equipamento refrigerado aberto com resultados experimentais obtidos pelos autores. Deste modo, pretende-se avaliar a robustez dos modelos computacionais desenvolvidos, assim como expor as vantagens e desvantagens intrínsecas de cada código, nomeadamente a facilidade de utilização, versatilidade, estrutura e metodologia de cálculo, além de evidenciar na globalidade as suas potencialidades e aplicabilidade.

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